בית החינוך המשותף חוף השרון | ההנדסייה - סדנה מייקרית בבית הספר
מנוע ללא פחמים - Brushless DC Motor
עמית רמתי
19/3/2020
הרכיב משמש להעברת אנרגיה חשמלית לאנרגיה קינטית סיבובית. בעזרתו ניתן להניע מערכות.
תיאור פשוט של אופן פעולת הרכיב
מנוע מסוג זה מופעל על ידי זרם ישר (DC). המנוע מורכב משני רכיבים מרכזיים - מגנטים וסלילי מתכת (בדרך כלל נחושת). המתח החשמלי נשלח בכל פעם לסליל אחר במנוע ובכך נוצר אלקטרומגנט המושך או דוחה את המגנטים המקיפים אותו. כלומר, כאשר מגיע המגנט המקיף את סלילי המתכת לאזור מסויים במנוע, מופעלים שני סלילים הצמודים לו במתח מנוגד כך שאחד מושך אותו והשני דוחה אותו. לרוב, יהיה יותר ממגנט אחד במנוע ולכן תהליך זה יתבצע בצורה נפרדת עבור כל מגנט. בצורה זו נוצרת תנועה סיבובים רצופה ובעלת כוח קבוע.
הסבר מעמיק של אופן פעולת הרכיב
אסביר בעזרת התמונה המתארת את פנים המנוע.
ניתן לראות כי המנוע מורכב משישה סלילים ומשני
מגנטים המסתובבים סביבם (עלולים להיות יותר
סלילים ובדרך כלל יהיו גם יותר מגנטים). לכל אחד
מהמגנטים קוטביות שונה, כאשר נפעיל סליל
בקוטביות זהה לזו של המגנט, תיווצר דחיה.
כאשר נפעיל סליל בקוטביות
הפוכה לזו של המגנט, תיווצר משיכה.
בתמונה ניתן לראות חתך של המנוע המסתובב נגד
כיוון השעון. ניתן לראות כמצופה שהמגנט בעל
הקוטביות הקבועה צפון (North) הנמצא מעל סליל 2,
נמשך על ידי סליל שלוש (החצים הירוקים) היוצר שדה
הפוך לו South ונדחה על ידי סליל 1 (החצים האדומים)
היוצר שדה זהה לו North.
באותה צורה (אך הפוך) מופעלים הסלילים הצמודים
למגנט השני בעל הקוטביות הקבועה South.
בצורה זו נשמרים מהירות וכוח קבועים.
על כל התהליך צריך לשלוט בקר שידע מתי להפעיל
איזה סליל ובאיזו קוטביות. הדבר נעשה בעזרת בקר
מהירות נפרד הנקרא ESC - Electric Speed Controller
ובלעדיו לא ניתן להפעיל את המנוע.
בקרים מסוג זה פועלים על פי אחת ממספר גישות.
לעיתים יהיה צורך במנוע עליו מורכבים חיישנים
המוסרים את מיקומם של המגנטים בכל רגע נתון
ובכך יודע הבקר אילו סלילים צריך להפעיל ומתי.
חיישנים אלו יהיו לרוב חיישנים מסוג Hall Effect.
ניתן להשתמש גם בEncoder המאפשר דיוק גבוה
יותר וניתן גם שלא להשתמש בחיישנים כלל ולבדוק
אפקט בשם back emf (דיוק נמוך).
אי שימוש בחיישנים ובדיקת הback emf היא השיטה
הנפוצה והזולה ביותר, מנועים כאלו יקראו Sensorless Brushless Motor וניתן לראות אותה ברחפנים, כלי עבודה חשמליים ועוד. עם זאת, נרצה לבחור להשתמש במנוע עם חיישנים ובבקר מיוחד המתאים להם כאשר נרצה שליטה חלקה וטובה גם במהירויות נמוכות, דבר שקשה ואף לא ניתן להשיג על ידי הסתמכות מלאה על הback emf שאינו מתפקד כראוי במהירויות נמוכות ולכן נקבל מעיין בעיטות ורעידות של המנוע כאשר נרצה מהירות נמוכה.
Pinout
בתמונה ניתן לראות את שלוש יציאות המנוע המיועדות
לעבור דרך בקר המהירות אליו יחובר מקור האנרגיה וישלוט
על המהירות (קיימים בקרים המאפשרים שליטה גם
על פרמטרים אחרים כגון מיקום או כוח).
כל יציאה בתוך המנוע תחובר לזוג סלילים אחד או יותר.
יציאה A תחובר לכניסה המיועדת לA בבקר וכך גם עם
שאר היציאות. החלפה של סדר הכבלים תגרום להחלפה
של כיוון הסיבוב.
יש לציין כי אין משמעות אמיתית לסדר חיבור הכניסות וכאמור שינוי של הסדר המוגדר ישנה רק את כיוון הסיבוב המקורי לכן לפעמים כלל לא תופיע הנחיה לאיזה כניסה לחבר כל יציאה של המנוע. ניתן להעמיק את ההבנה של החיווט הפנימי בעזרת הסרטון של GreatScott.
החיווט הפנימי של המנוע
החיווט הפנימי במנוע יראה כך:
יציאה A תחובר לקצה A,
יציאה B תחובר לקצה B,
ויציאה C תחובר ליציאה C.
נשים לב כי כל הכבלים מחוברים
באותה נקודה - נקודה זו נקראת
נקודה ניטרלית והיא משמשת
כמעין צומת דרכים לזרם.
כעת אם נחבר כבל אחד למתח
וכבל נוסף לאדמה (Ground)
ייסגר לנו מעגל בין שתי היציאות
דרך הסלילים ועל כן ייווצר
בניהם השדה המגנטי אותו
רצינו.
בצורה זו נוצר שדה מגנטי בין הסלילים שכיוונו תלוי בכיוון הזרם עליו אנו שולטים על ידי חיבור שונה של הכבלים למתח Ground. התהליך חוזר תוך החלפה של הכבלים המחוברים למתח - הדבר נעשה על ידי בקר המהירות המשתמש באחד או יותר מכמה אמצעים לתזמון החלפת החיבור ובכך נוצרת תנועה סיבובית של המנוע. מכאן גם ההסבר מדוע אין משמעות לסדר חיבור היציאות - כך או כך יהיה כל כבל (שמחובר לסליל אחד או יותר) צמוד לאותם שני כבלים אחרים שכן מדובר על שלושה כבלים בלבד, הדבר היחיד שיכול להשתנות הוא הצד של כל כבל, ומכאן השינוי בכיוון הסיבוב הנובע מההחלפה.
דיאגרמת חיווט
סוגי מנועים ובקרי מהירות נוספים
סוג אחר של מנוע הוא כאמור מנוע בעל בקרה פנימית על מיקום המגנטים, מנוע כזה יקרא Sensored Brushless Motor. במקרה כזה, יתווספו מספר כבלים נוספים. במקרה של חיישני הHall Effect, מדובר על שלושה חיישנים ולכן יתווספו עוד חמש יציאות בנוסף לשלוש היציאות עליהם כבר דיברנו, כך ששלוש מהן מיועדות לפלט החיישנים ושניים נוספים עבור מתח כניסה וGround. כאמור, קיים צורך להשתמש במנוע ובקר מסוג זה אם נרצה דיוק גבוה יותר בשליטה ואפשרות לשליטה חלקה גם במהירויות נמוכות.
במקרה כזה, על בקר המהירות להתאים לשליטה בעזרת חיישנים. עם זאת, לרוב ניתן לשלוט על מנוע Brushless בעל חיישנים גם בעזרת בקר מהירות המתאים לשליטה על מנוע ללא חיישנים (כל הפרטים יופיעו בDatasheet של הבקרים ושל המנועים).
יש לציין שכל בקר (הכוונה לבקר שאינו בקר מהירות אלא בקר כדוגמת ארדואינו) יכול לשמש לשליטה על בקר המהירות כל עוד הוא עושה שימוש בפרוטוקול התקשורת המוסכם.
כמו כן, ניתן (אם כי לא מומלץ) לחקות את פעולת בקר המהירות בעזרת ארדואינו. הדבר ייעשה בדרך כלל על ידי שימוש בטיימרים בעזרתם יתזמן הבקר את החלפת השדות המגנטיים. קיימים מדריכים שלמים בנושא לכן לא ארחיב, רק אציין שהשיטה אינה מומלצת כיוון שלא ניתן להשיג את מלוא יכולת המנוע (ואף לא קרוב אליה) רק בעזרת ארדואינו, בין היתר מהסיבה שארדואינו יודע לתת מתח של עד חמש וולט והזרמים שיכולים לעבור בו די נמוכים גם הם. בנוסף אציין שיש מורכבות די גבוהה מאחורי בקר המהירות, שקשה להשיג ללא ידע מעמיק בנושא וללא רכיבים נוספים, לכן איני ממליץ לבזבז זמן על ניסיון התחקות שכזה אלא אם המטרה היא להעמיק את הידע ולהתנסות בצורה יותר גבוהה בהפעלת המנוע.
קיימות יצרניות רבות לבקרי המהירות וניתן למצוא אותם בקלות על ידי חיפוש בגוגל.
רגל A תתחבר לכניסה A בבקר המהירות וכך הלאה. מהצד השני של הESC, תחובר ראשית סוללה מתאימה (מידע על בחירת סוללה מתאימה נמצא בעמוד האחרון תחת "טיפים מועילים") וכן גם חיבורי השליטה שבמקרה זה עובדים בפרוטוקול PWM הזהה לזה המפעיל מנועי Servo - לכן יחובר מתח 5V, GND וinput דיגיטלי שכן מדובר על input המבוסס על פולסים של 1/0.
פרוטוקול (PWM (Pulse-width modulation הוא פרוטוקול נפוץ וחסכוני להעברת מידע בנוגע לטווח בחירה מסויים.
בפרוטוקול נמדדת כמות הזמן שבה אנו שולחים פולס של 1 (יש חשמל) מתוך וביחס לזמן המחזור (המסומן ב-T) של האות.
יחס זה בין הזמן בו יש חשמל לזמן בו אין חשמל נקרא
Duty Cycle והוא מחושב בכל צד המתקשר על מנת
להפיק את הפלט/הקלט הרצוי.
במקרה שלנו, נעשה לרוב שימוש בפרוטוקול זה על מנת
להעביר לבקר המהירות (או במקרה של Servo הבקר
הפנימי שבו) את המהירות הרצויה כך שכאשר היחס
בין הזמן שבו האות הוא 1 לבין הזמן שבו הוא 0
(ה-Duty Cycle) הוא 100%, יפרש בקר המהירות את
הקלט ונקבל מהירות של 100% שתתבטא בהחלפה
מהירה יותר של השדות המגנטיים וכתוצאה מכך תנועה
מהירה יותר של המגנטים. כך גם יקרה ככל שהיחס יקטן - אורך הזמן בין כל החלפה של השדות יקטן ובכך תקטן מהירות הסיבוב של המנוע.
למערכת יחובר גם פוטנציומטר בעזרתו ינחה המשתמש את המהירות הרצויה בזמן ריצת הקוד.
הפוטנציומטר יחובר משני צדדיו הקיצוניים למקור מתח של 5V וביציאה המרכזית יחובר לאחת הכניסות האנלוגיות על הארדואינו (A0/1/2/3/4/5). הקוד שירוץ על הארדואינו צריך לקבל את הערך מהפוטנציומטר ולהעביר אותו לESC בעזרת פרוטוקול PWM עליו דיברנו.
קוד לדוגמה
-
/*
-
Arduino Brushless Motor Control
-
by Dejan, https://howtomechatronics.com
-
*/
-
-
#include <Servo.h>
-
-
Servo ESC; // create servo object to control the ESC
-
-
int potValue; // value from the analog pin
-
-
void setup() {
-
// Attach the ESC on pin 9
-
ESC.attach(9,1000,2000); // (pin, min pulse width, max pulse width in microseconds)
-
}
-
-
void loop() {
-
potValue = analogRead(A0); // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023)
-
potValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180); // scale it to use it with the servo library (value between 0 and 180)
-
ESC.write(potValue); // Send the signal to the ESC
-
}
*הקוד נלקח מאתר HowToMechatronics.
תיאור קוד לדוגמה:
בקוד המצורף מתוארת שליטה על מנוע בעזרת הספריה Servo שכאמור פועלת באותה צורה כמו
שמצפה בקר המהירות (הESC) - בעזרת PWM.
ראשית נגדיר ישות מסוג Servo ונקרא לה ESC. ישות זו היא שער הכתיבה שלנו לבקר המהירות.
בsetup, נתחבר לבקר בעזרת פין מספר 9 (יכול להיות גם כל פין דיגיטלי אחר) ונגדיר את אורך הפולס המינימלי (שבו המהירות מינימלית) והמקסימלי (שבו המהירות מקסימלית) שמתאים לנו (צריך להיות כתוב בdatasheet של הESC אבל בכל אופן הערכים המופיעים בדוגמה הם הסטנדרטיים וכנראה שיעבדו).
לאחר מכן ניכנס ללולאת הריצה שלנו שם נקרא בכל פעם את הערך שמתקבל מהפוטנציומטר ונמיר אותו מערך שנמצא בטווח של 0 עד 1023 לערך המתאים לספריית Servo הנמצא בין 0 ל180. נעשה המרה זו בעזרת הפונקציה map שתקבל את ערך הכניסה, הטווח הנתון והטווח הרצוי.
כשנסיים את ההמרה נכתוב את התוצאה לESC, ומשם הוא ימשיך את העבודה וייצר לנו את המהירות הרצויה.
כאמור הספרייה Servo לרוב תתאים ולכן אמליץ על השימוש בה, אך קיימות ספריות אחרות ליצירת פלט מסוג PWM אותן ניתן למצוא על ידי חיפוש מהיר בגוגל.
שגיאות שכדאי להימנע מהן וטיפים מועילים
מנועים נמדדים בהספק שהם מבצעים. ההספק [P] הוא כמות העבודה שמתבצעת על פני כמות זמן
מסוימת . היחידה בה נעשה שימוש במדידה זו היא וואט [Watt] שמשמעותה היא J/sec (ג'אול/שנייה). המשמעות היא שכאשר גוף נע במהירות קבועה של מטר אחד לשנייה כנגד כוח נגדי קבוע של ניוטון אחד, העבודה תתבצע בקצב של וואט אחד (ההספק יהיה ג'אול אחד לשנייה).
לצורך השוואה – כוח סוס, בו נעשה שימוש פעמים רבות בתעשייה, שווה לכ-745.7 וואט. כלומר כוח סוס הוא ביצוע עבודה בגודל של 745.7 ג'אול בכל שנייה.
יחידה נוספת בה נעשה שימוש פעמים רבות בנוגע למנועים וכוחם היא מומנט (Torque) שמשמעותה היא מכפלת הכוח באורך הזרוע. את הקשר בין ההספק למומנט ומהירות הסיבוב ניתן לבטא בצורה הבאה
כאשר P הוא ההספק, T הוא המומנט ו- ω הוא מהירות הסיבוב.
אמת מידה אחרת בה נעשה שימוש רב היא kv. פעמים רבות מדידה זו תהיה היחידה שנקבל בנוגע למנוע מסוים לכן חשוב להבין את משמעותו. המשמעות אינה kilovolt אלא constant velocity. המשמעות היא שעבור כל Volt שנזרים (למנוע כאשר לא מופעל עליו עומס) נקבל את ערך הkv בRPM. לדבר גם משמעות הפוכה, אם נשתמש במנוע כגנרטור - עבור מהירות בגודל ערך הkv נקבל Volt אחד.
תפיסה שגוייה שעלולה להתקבל בעקבות יחידת kv היא שערך kv גבוה יותר משמעותו מנוע חזק יותר, אך אין כך הדבר. פעמים רבות, kv גבוה דווקא יצביע על כוח נמוך (Torque), בדומה למשחק עם תמסורות שגם בו מהירות גבוהה תצביע על כוח חלש יותר ולהפך (עם זאת הדבר לא מחייב ותלוי גם בגודל המנוע, מספר הליפופים של הסלילים ועוד).
דבר נוסף הוא בנוגע לבקר המהירות (ESC) - מי שיחפש וודאי ימצא כמות מבלבלת של סוגי בקרים בעלי ערכים שונים של זרם (Amper) שהם יודעים לספק. את הESC המתאים נדע למצוא על פי נתוני הסוללה הנדרשת למנוע. רצוי להשתמש בESC בעל יכולת לספק זרם מעט גבוה יותר מזה המצוין על המנוע בכדי לאפשר מרווח טעות בייצור שפעמים רבות קיים ופיקים של כוח.
יש לשים לב גם שברוב המנועים הללו מדובר על זרמים גבוהים מאוד. עם זאת, ספקי המתח בסדנה יודעים לספק רק עד 5 אמפר ולכן לרוב לא יתאימו ויהיה צורך בסוללות מסוג Lipo המסוגלות לספק זרמים גבוהים עקב יכולת הפריקה המהירה שלהם. את הסוללות יש לקנות בארץ ולא להזמין מחול כיוון שהן לא יכולות לעבור במכס וחבל על הכסף (על בחירת סוללה מתאימה בעמוד הבא).
היתרון הגדול במיוחד במנועים מסוג זה הוא הכוח והמהירות הגבוהים שהם יודעים לתת. ניתן לצפות בכמה סרטונים ולראות כי בכל הפעלה ראשונית של המנוע יש מין בעיטה של המנוע.
כבר לא מדובר כאן על מנוע רגיל אלא על מנועים עוצמתיים במיוחד.
יש לתת תשומת לב מיוחדת לצורה בה תופסים את המנוע והמקום בו הוא עומד לנוע, ולדאוג לסביבת עבודה בטוחה. צריך תמיד לחשוב מה יקרה אם המנוע יתחיל פתאום להסתובב במהירות גבוהה.
- כיצד לבחור סוללה מתאימה?
בחירת הסוללה צריכה להיות בהתאם לצורכי הפרויקט. ניקח סוללת Lipo לדוגמה ונסביר מה המשמעות של כל מדד:
-
850mah מיליאמפר/שעה = קיבולת הסוללה. משמעות מדד זה הוא כמות האנרגיה שיכולה הסוללה לספק על פני שעה. כך הסוללה שבדוגמה שלנו תוכל לספק 0.850 אמפר במשך שעה, או 1.7 אמפר במשך חצי שעה, או 3.4 אמפר במשך רבע שעה וכך הלאה.
את קיבולת הסוללה ניתן להשוות לגודל מיכל הדלק ברכב - ככל שיהיה גדול יותר, כך נוכל לנסוע לאורך זמן רב יותר, אך יש לזכור כי ככל שהמיכל גדול יותר, כך יהיה גם כבד יותר.
-
3s = מתח הסוללה. משמעות המדד היא כמות התאים (cell) בסוללה כאשר כל תא מסוגל לספק 3.7 וולט ועל כן שלושה תאים כמו בסוללה שלנו יספקו מתח של 11.1 וולט (3X3.7). פעמים רבות בנוסף למספר התאים שתמיד מופיע, גם תוצאת חישוב המתח תופיע בצד כפי שניתן לראות בסוללה שלנו, אך כאמור לשני המספרים הללו אותה משמעות.
-
70c = קצב פריקת הסוללה. משמעות המדד היא כמה זרם (אמפר) תוכל הסוללה לספק באופן מתמשך. אל המספר הזה נוכל להגיע בעזרת חישוב פשוט של קיבולת הסוללה (באמפר, שזה 1000 מיליאמפר) כפול ערך קצב הפריקה. כך נוכל להסיק שכמות הזרם המתמשך שתוכל הסוללה שלנו לספק יהיה 59.5 (0.850X70) אמפר. נקודה חשובה היא שתוצאת חישוב זה צריכה להתאים לפחות לכמות האמפר המצוינת על גבי המנוע וכך גם בקר המהירות צריך לאפשר לפחות את כמות הזרם הזו המצוינת על המנוע (אי עמידה בדרישות אלו ייגרמו בדרך כלל לתפקוד לא מלא של המנוע ובמקרים מסוימים אף להתחממות בקר המהירות עד לכדי שריפת הרכיב).
-
9.44wh = הספק הסוללה בוואט לשעה. המדד הוא תוצאה של הצבת הערכים בנוסחת ההספק P = I x V כאשר P הוא ההספק בוואט, I הוא הזרם באמפר ו-V הוא המתח בוולט. כך גם בדוגמה
שלנו P = 0.850 x 11.1 ההספק P = 9.435 W בשעה.
בנושא הטענת סוללות מסוג זה - יש צורך במטען מיוחד. לא ארחיב על אופן השימוש במטען כיוון שקיימים סוגים רבים כמו גם מדריכים רבים בנושא אבל כן אציין שיש לתת תשומת לב מיוחדת לנושא.
