Desde o seu desenvolvimento bem-sucedido na década de 1960, os motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) provaram ser mais eficientes e têm uma vida útil mais longa do que os motores anteriores de corrente contínua com escovas (CC). Junto com a mudança para motores síncronos de corrente alternada (CA) em aplicações industriais de alta potência, muitas outras aplicações também começaram a usar motores BLDC.
Hoje em dia, os motores BLDC penetraram em todos os aspectos da vida diária dos consumidores. Eles podem ser encontrados em ferramentas movidas a bateria, como furadeiras e sopradores, eletrodomésticos, como máquinas de lavar e impressoras, além de bicicletas e carros elétricos. Em ambientes industriais, os motores BLDC têm sido usados para aplicações de controle de movimento e manuseio de materiais. Os motores BLDC também fornecem energia para veículos terrestres não tripulados (UGVs), drones e veículos aéreos não tripulados (UAVs) semelhantes, bem como robôs cirúrgicos e exoesqueletos auxiliares.
Os motores CC escovados dependem de escovas do comutador de metal ou carbono para fornecer energia elétrica aos enrolamentos do motor, enquanto os motores BLDC não têm contato. Devido à ausência de atrito e desgaste, é mais eficiente, requer menos manutenção e tem maior vida útil do motor. O desempenho do BLDC também é melhor, com velocidade mais rápida, maior torque e maior relação potência/peso. Com a ajuda de sistemas de controle avançados, os motores BLDC podem alterar a velocidade ou o torque quase instantaneamente e fornecer posicionamento preciso para garantir a segurança.
O excelente desempenho demonstrado pelos avançados drivers de motor BLDC torna esses motores e seus sistemas de controle altamente atraentes para engenheiros que projetam aplicações modernas de robôs e drones, que normalmente exigem recursos como miniaturização, alta velocidade, alta precisão, alta segurança e baixos requisitos de manutenção.
Princípio básico do motor BLDC
O motor BLDC tem uma estrutura tão simples de três partes que é simplesmente inacreditável. O estator estacionário é equipado com dois a oito conjuntos de enrolamentos de cobre, distribuídos em uma circunferência circundada ou paralela ao rotor equipado com ímãs permanentes (Figura 1). O controlador do motor é conectado ao estator para obter dados de posição e fornecer energia ao enrolamento.
Controlador para motor BLDC trifásico
Figura 1: O controlador do motor BLDC trifásico altera a direção do campo magnético do estator mudando o estado energizado e a polaridade da corrente dos enrolamentos do estator (fases U, V, W). O rotor (parte azul) com ímãs permanentes integrados gira de acordo, mantendo assim a mesma direção do campo magnético do estator. (Fonte da imagem: Qorvo)
A aplicação de eletricidade a um conjunto de enrolamentos do estator gerará um campo magnético, e o ímã permanente do rotor responderá a esse campo magnético. A atração entre pólos magnéticos opostos faz com que o rotor gire. Antes de alinhar o rotor com o campo magnético do estator, o controlador irá comutar o enrolamento energizado, mudar a direção do campo magnético e manter o rotor girando continuamente.
Na verdade, o pulso de corrente enviado pelo controlador ao estator mudará de condução para desconexão e mudará a polaridade em uma determinada frequência para representar a corrente usando uma determinada forma de onda. O esquema de comutação mostrado na Figura 1 é representado por ondas trapezoidais. Outros tipos de motores, incluindo motores síncronos de ímã permanente (PMSM), possuem ondas senoidais. Este tipo de motor é estruturalmente semelhante a um motor BLDC, mas faz com que o campo magnético gire através de correntes variadas, e o rotor permanece sincronizado e travado com o campo magnético. Ajustar a amplitude e a fase dessas ondas pode alterar a velocidade do motor e o torque disponível.
O controlador também pode receber informações de feedback contínuo de sensores de posição, como sensores de efeito Hall ou codificadores fotoelétricos. Em motores BLDC sem sensor, o valor medido da força eletromotriz reversa (BEMF) - a corrente gerada pelo campo magnético gerado pelo enrolamento energizado no enrolamento não energizado - pode ser usado para determinar a posição do rotor.
Desenvolvimento de Motoristas
Dado que o monitoramento, o fornecimento de energia e o controle de motores BLDC exigem estruturas complexas, não é surpreendente que os controladores de motores BLDC antigos que usam dispositivos eletrônicos de estado sólido em ambientes industriais exijam espaço de gabinete independente e cabos volumosos de energia e dados para conectar os motores. Os circuitos integrados (ICs) cada vez mais sofisticados estão impulsionando a miniaturização contínua dos controladores de motores, até que possam ser integrados em placas de circuito impresso (PCBs). Apesar de alcançar a miniaturização, a funcionalidade dos controladores de motores atuais continua a se expandir.
Por exemplo, driver de motor BLDC trifásico ACT72350 da Qorvo (Figura 2). Este driver integra um front-end analógico configurável (AFE), um módulo de gerenciamento de energia adaptado a várias configurações de energia e um driver de motor dedicado (ASPD) em um dispositivo de montagem em superfície quadrado plano sem chumbo (QFN) de 9 mm x 9 mm.
Driver de motor BLDC trifásico integrado Qorvo ACT72350
Figura 2: O driver de motor BLDC trifásico integrado ACT72350 integra circuito AFE e funcionalidade de gerenciamento de energia configurável em um pacote compacto de montagem em superfície. (Fonte da imagem: Qorvo)
O AFE configurável do ACT72350 é equipado com três amplificadores de ganho programáveis diferenciais, quatro amplificadores de ganho programáveis de terminação única, dois conversores analógico-digitais de 10 bits e dez comparadores, tornando-o uma ponte conectando sensores e circuitos de controle. Este AFE também pode receber sinais de controle de modulação por largura de pulso (PWM) de um microcontrolador externo (MCU) por meio de uma interface periférica serial (SPI).
O módulo de gerenciamento de energia configurável permite que o ACT72350 aceite tensões de entrada CC variando de 25 V a 160 V, incluindo até 20 segundos de capacidade da bateria (tensão nominal de 72 V ou 84 V quando totalmente carregada). A fonte de alimentação de comutação de alta tensão deste módulo pode fornecer tensão de saída estável de 12 V ou 15 V e também pode fornecer fonte de alimentação estável de 5 V, 200 mA para módulos ACT72350 e MCUs.
O ASPD do ACT72350 pode usar arquitetura meia ponte, ponte H ou trifásica para acionar o motor (Figura 3). Três drivers de porta lateral de alta tensão com tensão de 160 V e três drivers de porta lateral de baixa tensão com tensão de 20 V, cada driver tem uma capacidade de acionamento de porta de 2 A (corrente de tração)/2 A (corrente de vazamento), que pode alcançar desempenho de comutação rápida para melhorar a velocidade do motor.