Cara Kerja Brushless Motor dan ESC

Dalam tutorial ini kita akan mempelajari cara kerja motor brushless dan ESC. Artikel ini adalah bagian pertama dari video berikut, dimana kita akan mempelajari prinsip kerja motor DC brushless dan ESC (Electronic Speed ​​Controller), dan pada bagian kedua kita akan belajar cara mengendalikan motor BLDC menggunakan Arduino.

Anda dapat menonton video berikut atau membaca tutorial tertulis di bawah ini.

Cara Kerja

Motor BLDC terdiri dari dua bagian utama, stator dan rotor. Untuk ilustrasi ini rotor merupakan magnet permanen dengan dua kutub, sedangkan stator terdiri dari kumparan yang tersusun seperti pada gambar di bawah ini.

Kita semua tahu bahwa jika kita menerapkan arus melalui sebuah kumparan, itu akan menghasilkan medan magnet dan garis-garis medan magnet atau kutub tergantung pada arah arus.

Jadi jika kita menerapkan arus yang sesuai, kumparan akan menghasilkan medan magnet yang akan menarik magnet permanen rotor. Sekarang jika kita mengaktifkan masing-masing kumparan satu demi satu rotor akan terus berputar karena interaksi gaya antara permanen dan elektromagnet.

Untuk meningkatkan efisiensi motor kita dapat melilitkan dua kumparan yang berlawanan sebagai kumparan tunggal dengan cara yang akan menghasilkan kutub yang berlawanan dengan kutub rotor, sehingga kita akan mendapatkan gaya tarik ganda.

Dengan konfigurasi ini kita dapat membangkitkan enam kutub pada stator hanya dengan tiga kumparan atau fasa. Kita dapat lebih meningkatkan efisiensi dengan memberi energi pada dua kumparan pada saat yang bersamaan. Dengan cara itu satu kumparan akan menarik dan kumparan lainnya akan menolak rotor.

Untuk membuat putaran 360 derajat penuh, rotor membutuhkan enam langkah atau interval.

Jika kita melihat bentuk gelombang arus, kita dapat melihat bahwa di setiap interval ada satu fase dengan arus positif, satu fase dengan arus negatif, dan fase ketiga dimatikan. Ini memberikan gagasan bahwa kita dapat menghubungkan titik ujung bebas dari masing-masing dari tiga fase bersama-sama sehingga kita dapat berbagi arus di antara mereka atau menggunakan arus tunggal untuk memberi energi pada dua fase pada saat yang sama.

Berikut ini contohnya. Jika kita menarik fasa A High, atau menghubungkannya ke tegangan DC positif, dengan semacam saklar, misalnya MOSFET, dan di sisi lain, menghubungkan fasa B ke ground, maka arus akan mengalir dari VCC, melalui fase A, titik netral dan fase B, ke ground. Jadi, hanya dengan satu aliran arus, kami menghasilkan empat kutub berbeda yang menyebabkan rotor bergerak.

Dengan konfigurasi ini, kami sebenarnya memiliki koneksi bintang fase motor, di mana titik netral terhubung secara internal dan tiga ujung fase lainnya keluar dari motor dan itulah sebabnya motor brushless memiliki tiga kabel yang keluar darinya.

Jadi, agar rotor membuat siklus penuh, kita hanya perlu mengaktifkan dua MOSFET yang benar di masing-masing dari 6 interval dan itulah sebenarnya yang dimaksud dengan ESC.

Bagaimana cara kerja ESC (Pengontrol Kecepatan Elektronik)

ESC atau Pengendali Kecepatan Elektronik mengontrol gerakan atau kecepatan motor tanpa sikat dengan mengaktifkan MOSFET yang sesuai untuk menciptakan medan magnet yang berputar sehingga motor berputar. Semakin tinggi frekuensi atau semakin cepat ESC melewati 6 interval, semakin tinggi kecepatan motor.

Namun, inilah pertanyaan penting, dan itulah bagaimana kita tahu kapan harus mengaktifkan fase mana. Jawabannya adalah kita perlu mengetahui posisi rotor dan ada dua metode yang umum digunakan untuk menentukan posisi rotor.

Metode umum pertama adalah dengan menggunakan sensor efek Hall yang disematkan pada stator, yang disusun secara seimbang 120 atau 60 derajat dari satu sama lain.

Saat magnet permanen rotor berputar, sensor efek Hall merasakan medan magnet dan menghasilkan logika "tinggi" untuk satu kutub magnet atau logika "rendah" untuk kutub yang berlawanan. Berdasarkan informasi ini, ESC mengetahui kapan harus mengaktifkan urutan atau interval pergantian berikutnya.

Metode umum kedua yang digunakan untuk menentukan posisi rotor adalah melalui penginderaan gaya gerak listrik balik atau EMF belakang. EMF belakang terjadi sebagai akibat dari proses kebalikan dari menghasilkan medan magnet atau ketika medan magnet yang bergerak atau berubah melewati sebuah kumparan, itu menginduksi arus dalam kumparan.

Jadi, ketika medan magnet yang bergerak dari rotor melewati kumparan bebas, atau yang tidak aktif, itu akan menginduksi aliran arus dalam kumparan dan akibatnya akan terjadi penurunan tegangan pada kumparan itu. ESC menangkap penurunan tegangan ini saat terjadi dan berdasarkan itu ESC memprediksi atau menghitung kapan interval berikutnya harus dilakukan.

Jadi itulah prinsip kerja dasar motor DC brushless dan ESC dan itu sama bahkan jika kita menambah jumlah kutub baik rotor maupun stator. Kami masih akan memiliki motor tiga fase, hanya jumlah interval yang akan meningkat untuk menyelesaikan satu siklus penuh.

Di sini juga dapat disebutkan bahwa motor BLDC dapat menjadi inrunner atau outrunner. Motor brushless inrunner memiliki magnet permanen di dalam elektromagnet, dan sebaliknya, motor outrunner memiliki magnet permanen di luar elektromagnet. Sekali lagi, mereka menggunakan prinsip kerja yang sama dan masing-masing memiliki kekuatan atau kelemahannya sendiri.

Ok, itu cukup teorinya jadi sekarang mari kita tunjukkan dan lihat di kehidupan nyata apa yang kami jelaskan di atas. Untuk tujuan itu kami akan menghubungkan tiga fase motor brushless ke osiloskop. Saya menghubungkan 3 resistor di satu titik untuk membuat titik netral virtual dan di sisi lain saya menghubungkannya ke tiga fase motor BLDC.

Hal pertama yang dapat kita perhatikan di sini adalah tiga gelombang sinus. Gelombang sinus ini sebenarnya adalah EFM balik yang dihasilkan dalam fase ketika tidak aktif.

Kita dapat melihat bahwa saat kita mengubah RPM motor, frekuensi gelombang sinus berubah dan juga amplitudonya. Semakin tinggi RPM, semakin tinggi frekuensi dan amplitudo gelombang sinus EMF balik. Namun, yang menggerakkan motor sebenarnya adalah puncak ini, yang merupakan fase aktif yang menghasilkan perubahan medan magnet.

Kita dapat melihat bahwa pada setiap interval, ada dua fase aktif dan satu fase tidak aktif. Misalnya, di sini kita memiliki fase A dan B aktif, sedangkan fase C tidak aktif. Kemudian kita memiliki fase A dan C aktif, sedangkan fase B tidak aktif, dan seterusnya.

Di sini saya ingin memberikan shout-out kepada Banggood.com karena telah memberikan saya osiloskop ini. Ini adalah Rigol DS1054Z dan salah satu osiloskop entry-level terbaik untuk titik harganya. Ini memiliki empat saluran input, bandwidth 50MHz, yang dapat diretas hingga 100MHz, kecepatan pengambilan sampel 1GSa/dtk, dan kedalaman memori yang relatif besar, 24Mpts.

Layarnya 7 inci dan sangat bagus dan cerah. Ini menampilkan berbagai fungsi matematika, filter low pass dan high pass, decoding SPI dan I2C dan banyak lagi. Jadi sekali lagi, terima kasih banyak kepada Banggood.com dan pastikan Anda memeriksa osiloskop ini di toko mereka.

Namun demikian, itulah prinsip kerja dasar dari motor brushless. Jika Anda menginginkan beberapa contoh langsung yang lebih nyata dan mempelajari cara mengontrol motor tanpa sikat menggunakan Arduino, Anda harus memeriksa bagian kedua dari tutorial ini.

Saya harap Anda menikmati tutorial ini dan belajar sesuatu yang baru. Jangan ragu untuk mengajukan pertanyaan apa pun di bagian komentar di bawah dan jangan lupa untuk memeriksa koleksi Proyek Arduino saya.