کنترل دور موتورهای DC بدون جاروبک با استفاده از تراشه MC33035
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول 1
مقدمه 2
مواد آهنرباي دايم 3
اصول آهنرباي دايم 3
مواد آهنرباي مدرن 7
خواص مغناطيس 8
خواص حرارتي 10
تأثير آهنرهاي Nd- Fe- R روي طراحي موتور 11
طراحي BLDC موتورها 13
سمبلها 13
تعيين معادلات 15
عملكردها 16
شيوه اندازه‌گيري و ابعاد موتور 17
ملاحظات طراحي 19
آناليز بروش عنصر محدود 20
مقايسه BLDC موتور با موتورهاي DC و AC 24
فصل دوم 27
توصيف سيستمهاي تحريك براي BLDC موتور 28
مبدل بوست AC/DC 28
كنترلر موتور DC بدون جاروبك 35
مقدمه 45
توصيف عملكردي 46
دكدر وضعيت رتور 46
آمپلي فاير خطا 48
نوسانگر 49
مدولاتور پهناي پالس 49
حد جريان 50
قفل ولتاژ پايين 52
خروجي خطا 52
خروجي تحريك كننده‌ها 54
خاموشي گرمايي 55
كاربرد سيستم 64
يك سو سازي موتور سه فازي 64
كنترلر مدار بسته سه فازي 69
مقايسه تغيير فاز حسگر 71
يكسوسازي موتور دو و چهار فازي 72
كنترل موتور جاروبكي 77
ملاحظات طرح 78
معكوس كننده (INVERTER) 79
پيوست
IC هاي اثر هال 82
ICMC33039 84
مشخصات فني و نمودارهاي مرتبط با MC33035 IC 87
منابع و مراجع 89
فصل اول
مقدمه
امروزه كاربرد وسيع موتورهاي الكتريكي در بخشهاي مختلف و در زندگي روزمره در مصارف خانگي و مصارف صنعتي آنچنان وسعت يافته كه تصور دنياي موجود بدون موتورهاي الكتريكي اگر نگوييم غير ممكن بايد گفت غير قبل تصور ميباشد. پس از طراحي و ساخت اولين نمونه ماشين الكتريكي توسط ارستد اين ماشينها تغيير و تحولات بزرگي را در دهه‌هاي اخير پذيرا بوده‌اند جهت گيري عمومي اين تغييرات افزايش راندمان و بهبود كيفيت كار ماشين همراه با كاهش وزن و حجم و قيمت تمام شده بوده است. گر چه تجمع تمامي اين مولفه‌ها هميشه در يك طرح ممكن نيست اما طراحان ماشينهاي الكتريكي بر اساس تجربه دانش و هنر خويش هميشه سعي در تلفيق آنها نموده‌اند.
تحقيق فوق در رابطه كنترل دور موتورهاي DC بدون جاروبك بوده كه شامل دو بخش طراحي و كنترل ميباشد. كه در بخش طراحي به نحوة طراحي بكمك نرم افزار و روابط و فرمولهاي حاصله براي توان و گشتاور اشاره شده و در بخش كنترل نحوه كنترل دور موتور بكمك تراشته‌هاي MC33035 و MC33039 بيان گرديده است. و مدارات و عناصر مرتبط با تراشه‌هاي كنترلي نيز آورده شده است.
در پايان جا دارد از زحمات و راهنماييهاي استاد ارجمند جناب مهندس لنگري كمال تشكر را داشته باشم. هم چنين از پدر و مادر عزيزم و برادرانم كه در طي اين مدت با صبر و تحمل و راهنماييهاي دلسوزانه خويش همواره مشوق من بودند سپاسگزارم.
مواد آهنرباي دائم
آهنرباهاي دائم ممكن است در ماشينهاي الكتريكي براي ايجاد تحريك، توليد خواص مشابه الكترومغناطيسهاي تحريك شده با جريان مستقيم، مورد استفاده قرار گيرند. يك آهنرباي دائم مفيد ميباشد زيرا انرژي مغناطيسي را ذخيره مي‌كند و اين انرژي صرف عملكرد وسيله نمي‌گردد. نقشي را كه اين انرژي ايفا مي‌كند قابل مقايسه با يك كاتاليزور در يك واكنش شيميايي است. هنگام كار در محدوده طبيعي، آهنربا انرژي‌اش را براي يك دوره نامحدود از زمان حفظ مي‌كند. بايد توجه نمود كه اگر ميدان مغناطيسي با استفاده از آهنرباي الكتريكي به جاي آهنرباي دائم ايجاد شود، انرژي ميدان تحريك همچنان باقي مي‌ماند. با اين حال قدري انرژي، يعني تلفات اهمي جريان تحريك، از بين خواهد رفت.
اصول آهنرباي دائم
آهنرباهاي دائم، همانطور كه در شكل نشان داده شده، مواد مغناطيسي سخت با حلقه‌هاي هيسترزيس بزرگ ميباشند. زماني كه يك ماده آهنربا در معرض ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرد (بدين معني كه در ميان قطبهاي مغناطيسي يك آهنرباي الكتريكي قرار گيرد)، چگالي شار در ماده همانطور كه منحني 0-1 در شكل1 نشان مي‌دهد افزايش خواهد يافت، كه به عنوان، منحني شروع مغناطيس شدن، شناخته مي‌شود. در نقطه 1 ماده اشباع مي‌شود، و افزايش خواهد يافت، كه به عنوان منحني شروع مغناطيس شدن، شناخته مي‌شود. در نقطه 1 ماده اشباع مي‌شود، و افزايش مجددي به صورت پيشروي حاشيه‌اي و در لبه منحني، در شدت ميدان مغناطيسي (H) و در چگالي شار (B) نتيجه مي‌شود. چگالي شار در يك نسبت نزديك به نفوذپذيري فضاي آزاد افزايش مي يابد.
شكل 1: حلقه هيسترزيس آهنرباي دائم
كاهش پايدار مغناطيسي، پس از رسيدن به اشباع، باعث مي‌شود كه مسير خطي B-H ، منحني 1-2 را تعقيب كند. مقدار چگالي شار در نقطه 2 روي حلقه هيسترزيس (H=0) به عنوان چگالي شار باقيمانده يا پسماند ماده آهنربا شناخته شده، و نشان دهنده مقدار شار مغناطيسي است كه ماده مي تواند توليد كند.
معكوس شدن جهت و افزايش ميدان مغناطيسي، حلقه هيسترزيس را در ربع دوم. يعني منحني 2-3 ايجاد خواهد كرد كه به عنوان منحني مغناطيس زدايي نرمال شناخته مي‌شود و اين قسمت مهمترين ناحيه مشخصه آهنربا ميباشد. مقدار ميدان مغناطيسي كه در آن چگالي شار در آهنربا به صفر مي‌رسد به عنوان پسماند زدايي يا نيروي پسماند زدا شناخته مي شود.
افزايش مجدد ميدان مغناطيسي، ماده آهنربا را در جهت معكوس به اشباع مي‌برد (نقطه 4 ). حلقه هيسترزيس با كاهش ميدان مغناطيسي در نقطه 5 به صفر مي‌رسد و سپس با معكوس شدن دوباره ميدان اعمال شده به پلاريته‌هاي اوليه و افزايش آن تا رسيدن به نقطه 1، كامل مي‌شود.
مقادير چگالي شار به كار گرفته شده براي ترسيم حلقه هيسترزيس شكل 1 چگالي شار كلي در ماده آهنربا را نشان مي دهد. البته همه شار ماده آهنربا از خواص شار در فاصله هوايي وجود خواهد داشت. البته چگالي شار در يك فاصله هوايي كه در معرض ميدان مغناطيسي H قرار دارد، ميباشد. در نتيجه چگالي شار كل (يا نرما) در ماده آهنربا (B) شامل دو مولفه است، يكي برابر مي باشد (كه به هر حال در هوا موجود است) و ديگري چگالي شار ذاتي است ( متعلق به قابليت ذاتي ماده براي داشتن شار بيشتر نسبت به آنچه كه در فاصله هوايي موجود است با شدت ميدان اعمال شده H ). از لحاظ محاسباتي در ربع اول و چهارم، و در ربع دوم و سوم حلقه هيسترزيس ميباشد، به طوري كه H در ربع دوم و سوم يك علامت منفي دارد. نمودار برحسب H به عنوان حلقه هيسترزيس ذاتي ماده آهنربا معروف است. شكل2 حلقه‌هاي هيسترزيس ذاتي و نرمال يك ماده آهنربا را نشان مي‌دهد. در حال حاضر ما دو منحني مغناطيس زدايي داريم: نرمان و ذاتي.
چگالي شار باقيمانده يا پسماند براي هر دو منحني مغناطيس زدايي نرمال و ذاتي يكسان است. با اين حال، پسماند زدايي آنها متفاوت ميباشد. پسماندزدايي ذاتي ، ، بزرگتر از پسماند زدايي نرمال، است. اختلاف بين و به شيب منحني مغناطيس زدايي در مجاورت بستگي دارد. هر چه شيب بيشتر باشد، اختلاف كمتر خواهد بود. شيب منحني مغناطيس زدايي كه از محور –H مي‌گذرد براي آهنرباهاي آلنيكو خيلي زياد است و بنابراين بين پسماند زدايي نرمال و ذاتي اختلاف كمي وجود دارد. سراميكها (يا فريتها) و آهنرباهاي خاك كمياب بين و مشخصات مغناطيس زدايي نرمال تقريباً خطي دارند و اختلاف بين و بيشتر است. در بعضي از آهنرباهاي خاكي حدوداً دو برابر ميباشد.
شكل 2 حلقه‌هاي هيسترزيس ذاتي و نرمال يك ماده آهنرباي دائم
مواد آهنرباي مدرن
مواد آهنرباي دائم را بر طبق تركيب شيميايي شان مي توان به سه گروه اصلي تقسيم نمود. اين سه گروه شامل سراميكها (يا فريتها)، آلنيكوها و آهنرباهاي خاك كمياب مي‌شوند. در اين ميان فريتها (سراميكها كاملاً مغناطيسي) عايقهاي حرارتي و الكتريكي هستند در حالي كه ساير آهنرباها، هاديهاي فلزي مي باشند. آلنيكوها پسماند نسبتاً زياد و نيروي پسماند زداي كمي دارند، اما سراميكها داراي پسماند كم و نيروي پسماند زادي نسبتاً زيادي مي باشند، در حالي كه در مورد آهنرباهاي خاك كمياب، هر دوي اين پارامترها بزرگ ميباشد. سراميكها به عنوان مواد خام فراوان و خيلي ارزان مورد استفاده قرار مي‌گيرند. آلنيكوها و آهنرباهاي كابالت- خاك كمياب (كبالت- ساماريوم) از كبالت اما با درصدهاي مختلف استفاده مي كنند، در حالي كه در سراميكها و آهنرباهاي فريت- خاك كمياب (آهنرباهاي نئوديميوم- آهن – بورون) اصلاً از كبالت استفاده نمي شود.
خصوصيات مواد آهنرباي دائم تابع استاندارد بين المللي (1986) IEC 404-8-1 ميباشند بر اساس استاندارد IEC 404-1 مواد آهنرباي دائم با يك حرف كه همراه آن چند عدد مي آيد، طبقه‌بندي مي شوند. آهنرباهاي آلياژي با حرف R طبقه‌بندي مي شوند، در حالي كه سراميكها با S مشخص مي گردند. عدد اول نوع ماده را در كلاس مربوطه نشان مي‌دهد. براي مثال R1 آهنرباهاي آلنيكو را نشان مي دهد و R5 گروه كبالت خاك كمياب را مشخص مي كند. عدد دوم از بين : (O) آهنرباهاي همگرا، (1) غيرهمگرا، (3) پيوند پليمر همگرا و (4) پيوند پليمر غيرهمگرا تعيين مي شود. عدد سوم به انواع مختلف آهنرباي مشابه در يك گروه مربوط مي‌گردد.
خواص مغناطيسي
مناسب‌ترين پارامتر براي تعيين كيفيت آهنربا، انرژي ماكزيموم آن است كه حاصل ضرب ميدان مغناطيسي و القايي آهنربا ميباشد، به طوري كه اين پارامتر بيانگر ماكزيمم انرژي است كه مي‌توان از آهنربا بدست آورد. وقتي كه آهنربا در نقطه حاصل ضرب انرژي ماكزيموم خود كار مي كند، ابعاد آن مينيموم ميباشد.
