Σχεδίαση και κατασκευή κυκλώματος για την οδήγηση brushless DC κινητήρα με χρήση τεχνικών sensorless ελέγχου

Abstract

Η χρήση των κινητήρων brushless DC (BLDC) έχει επεκταθεί τα τελευταία χρόνια, τόσο στις βιομηχανικές εφαρμογές, όσο και στην αγορά των οικιακών συσκευών, των κλιματιστικών και της αυτοκινητοβιομηχανίας, λόγω της υψηλής απόδοσης, της αθόρυβης λειτουργείας και της χαμηλής απαίτησης για συντήρηση. Η παρούσα διπλωματική εργασία αναλύει αρχικά, τα σημαντικότερα στοιχεία ενός κυκλώματος οδήγησης BLDC κινητήρα, το οποίο ονομάζεται ESC (Electronic Speed Controller) και του τριφασικού αντιστροφέα (3-phase inverter). Στην συνέχεια παρουσιάζονται τεχνικές οδήγησης του κινητήρα, οι οποίες διαχωρίζονται σε sensorless (χωρίς χρήση αισθητήρα) και sensored (με χρήση αισθητήρα) τεχνικές. Για την μείωση του κόστους και της πολυπλοκότητας του κυκλώματος οδήγησης, προτιμήθηκε η οδήγηση χωρίς χρήση αισθητήρα. Η μέθοδος που χρησιμοποιήσαμε στο κατασκευαστικό κομμάτι, στηρίζεται στην χρήση της τάσης BEMF, η οποία παράγεται κατά την περιστροφή του κινητήρα, για τον εντοπισμό των σημείων διέλευσης από το μηδέν, αυτής της τάσης ( zero crossing points). Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η μεταγωγή έξι βημάτων, με ηλεκτρονικό μεταγωγέα (τριφασικός αντιστροφέας), για την περιστροφή του κινητήρα. Ιδιαίτερη ανάλυση γίνεται και στις υπόλοιπες μεθόδους εντοπισμού θέσης του ρότορα του BLDC μοτέρ, πέρα από την μέθοδο με τα σημεία διέλευσης από το μηδέν (ZCPs). Ακόμα, στην συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία, αναλύεται το σήμα διαμόρφωσης εύρους παλμού ή κοινώς PWM ( Pulse Width Modulation), καθώς και οι διάφορες μορφές ενός σήματος PWM. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται, σε τεχνικές στηριζόμενες στο σήμα PWM, για τον έλεγχο του τριφασικού αντιστροφέα και κατ’ επέκταση του BLDC κινητήρα. Επιπλέον, αναλύονται στρατηγικές ελέγχου μόνιμου μαγνήτη, ο οποίος βρίσκεται στο εσωτερικό του BLDC κινητήρα. Στο κατασκευαστικό μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα και το τυπωμένο κύκλωμα αυτού, κοινώς PCB (Printed Circuit Board), τα οποία σχεδιάστηκαν με χρήση του προγράμματος Altium Designer. Επιπρόσθετα, αναλύονται τα σημαντικότερα στοιχεία του κυκλώματος, και ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στον μικροεπεξεργαστή ATmega328, ο οποίος αποτελεί το «μυαλό» του κυκλώματος οδήγησης. Επίσης, παρουσιάζεται και αναλύεται το λογισμικό (software) που χρησιμοποιήθηκε για τον προγραμματισμό του μικροεπεξεργαστή, με στόχο τον έλεγχο του μοτέρ. Τέλος, η εργασία αυτή ολοκληρώνεται μαζί με τα συμπεράσματα και ορισμένα αποτελέσματα από το κατασκευαστικό κομμάτι της εργασίας.