MTD6505 – sinusoidalny, bezczujnikowy sterownik wentylatorowego 3-fazowego silnika bezszczotkowego DC (BLDC)

Silnik bezszczotkowy jest rodzajem silnika elektrycznego, którego zasada działania polega niejako na odwróceniu idei działania klasycznych silników prądu stałego

Części składowe silnika BLDC to ruchomy wirnik z zamocowanymi na nim magnesami stałymi oraz stojan z zamocowanymi na jego obwodzie uzwojeniami (cewkami). Jako że w ten sposób z konstrukcji silnika wyeliminowano szczotki, silniki BLDC charakteryzują się dużo większą trwałością i niezawodnością w porównaniu do tradycyjnych (szczotki bowiem zużywają się mechanicznie). Jednocześnie w omawianych silnikach uzyskano cichszą pracę oraz wyższą sprawność energetyczną (ciepło z uzwojeń może być odprowadzane bezpośrednio przez obudowę).

Również prędkość obrotowa silnika może być kontrolowana w całym zakresie jego pracy, niezależnie od chwilowej wartości momentu obrotowego. Jednak te oczywiste zalety okupione są koniecznością zastosowania skomplikowanych algorytmów sterujących lub dedykowanych sterowników elektronicznych (komutatorów). Silnik bezszczotkowy nie jest sterowany bezpośrednio ze źródła napięcia stałego.

Zamiast tego kolejno na poszczególne uzwojenia silnika podawane są cyklicznie prostokątne lub trapezoidalne impulsy napięciowe, których wartość w danej chwili zależy od położenia wirnika względem stojana. Informacja o położeniu z reguły dostarczana jest przez czujniki pola magnetycznego (czujniki Halla). Dla uzyskania maksymalnego momentu obrotowego kąt pomiędzy strumieniami magnetycznymi wirnika i stojana musi być utrzymywany w granicach 90°. W miarę wzrostu prędkości obrotowej skraca się również czas, w którym impuls napięciowy jest podawany na każde z uzwojeń (czyli mamy do czynienia ze sterowaniem z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsu PWM). Opisany powyżej algorytm sterowania prowadzi do logicznej konkluzji, że w silnikach BLDC powszechnie stosowanymi elementami realizującymi elektroniczną komutację są mikrokontrolery (rys.1).

Jednak od pewnego czasu firma Microchip Technology oferuje dedykowany, sinusoidalny, bezczujnikowy sterownik 3-fazowego silnika BLDC zasilanego napięciem 5 VDC.

MTD6505, bo o nim mowa, generuje 180° sygnał sinusoidalny używany do wysterowania poszczególnych uzwojeń. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie maksymalnego momentu obrotowego przy jednoczesnym zachowaniu możliwie cichej pracy silnika. Informacja o wzajemnym położeniu wirnika względem stojana jest dostarczana na drodze pomiaru spadku napięcia na wyprowadzeniach poszczególnych uzwojeń (spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do wartości strumienia magnetycznego w danej chwili czasowej). Jest to metoda Back-EMF (BEMF). Dzięki jej zastosowaniu możliwe stało się wyeliminowanie z aplikacji kosztownych, zajmujących miejsce czujników Halla. Uzwojenia sterowanego silnika mogą być bezpośrednio podłączone do wyjść sterujących układu MTD6505, bowiem integruje on w sobie 3-fazowy mostek sterujący (full bridge driver) składający się z 6 tranzystorów polowych). Zakres napięcia zasilającego układ wynosi od 2 do 5,5 VDC. Dokonując wyboru odpowiedniej wartości zewnętrznego rezystora uzyskujemy możliwość współpracy układu MTD6505 z wieloma typami silników bezszczotkowych, posiadających różne wartości współczynnika Back-EMF (która to wartość definiowana jest w karcie katalogowej danego silnika). Możliwie jest kontrolowanie i zmiana zarówno kierunku obrotów silnika jak również regulacja jego prędkości obrotowej (metodą Power Supply Modulation lub Power Width Modulation PSM/PWM). Sterownik MTD6505 posiada szereg zintegrowanych funkcji dla zachowania i wydłużenia żywotności silnika, m.in. wbudowane zabezpieczenia przed przeciążeniem, przepięciem, oraz zabezpieczenie termiczne (wyłączenie silnika na skutek przekroczenia temperatury progowej). Układ MTD6505 występuje w obudowie DFN10 o wymiarach 3x3 mm. Możliwe obszary zastosowań to sterowanie wentylatorami w sprzęcie komputerowym i medycznym oraz generalnie małymi silnikami BLDC o napięciu zasilającym nie przekraczającym 5 VDC. Zastosowanie gotowego rozwiązania uwalnia konstruktora od pisania skomplikowanych algorytmów sterujących i skraca czas opracowania aplikacji.

Wspomniany sterownik znajduje się w ofercie firmy Transfer Multisort Elektronik (www.tme.eu) – dystrybutora Michrochip.

Autor: mgr inż. Paweł Sióda, TME