Sejak pengembangannya yang sukses pada tahun 1960an, motor arus searah tanpa sikat (BLDC) telah terbukti lebih efisien dan memiliki umur yang lebih panjang dibandingkan motor arus searah (DC) sikat sebelumnya. Seiring dengan peralihan ke motor arus bolak-balik sinkron (AC) dalam aplikasi industri berdaya tinggi, banyak aplikasi lain juga mulai menggunakan motor BLDC.
Saat ini, motor BLDC telah merambah ke setiap aspek kehidupan konsumen sehari-hari. Mereka dapat ditemukan pada peralatan bertenaga baterai seperti bor dan blower, peralatan rumah tangga seperti mesin cuci dan printer, serta sepeda listrik dan mobil. Di lingkungan industri, motor BLDC telah digunakan untuk kontrol gerak dan aplikasi penanganan material. Motor BLDC juga menyediakan tenaga untuk kendaraan darat tak berawak (UGV), drone, dan kendaraan udara tak berawak (UAV) serupa, serta robot bedah dan kerangka luar bantu.
Motor DC yang disikat mengandalkan sikat komutator logam atau karbon untuk menyalurkan energi listrik ke belitan motor, sedangkan motor BLDC bersifat non-kontak. Karena tidak adanya gesekan dan keausan, motor ini lebih efisien, membutuhkan lebih sedikit perawatan, dan memiliki umur motor yang lebih lama. Performa BLDC juga lebih baik, dengan kecepatan lebih cepat, torsi lebih besar, dan rasio tenaga terhadap bobot lebih tinggi. Dengan bantuan sistem kontrol canggih, motor BLDC dapat mengubah kecepatan atau torsi hampir seketika dan memberikan posisi yang tepat untuk memastikan keselamatan.
Kinerja luar biasa yang ditunjukkan oleh driver motor BLDC canggih menjadikan motor ini dan sistem kontrolnya sangat menarik bagi para insinyur yang merancang aplikasi robot dan drone modern, yang biasanya memerlukan fitur seperti miniaturisasi, kecepatan tinggi, presisi tinggi, keamanan tinggi, dan persyaratan perawatan yang rendah.
Prinsip dasar motor BLDC
Motor BLDC memiliki struktur tiga bagian yang sederhana sehingga sungguh sulit dipercaya. Stator stasioner dilengkapi dengan dua hingga delapan set belitan tembaga, didistribusikan pada keliling yang dikelilingi atau sejajar dengan rotor yang dilengkapi dengan magnet permanen (Gambar 1). Pengontrol motor dihubungkan ke stator untuk memperoleh data posisi dan menyuplai daya ke belitan.
Pengontrol untuk motor BLDC tiga fasa
Gambar 1: Pengontrol motor BLDC tiga fase mengubah arah medan magnet stator dengan mengalihkan keadaan energi dan polaritas arus belitan stator (fase U, V, W). Rotor (bagian biru) dengan magnet permanen terpasang berputar sesuai, sehingga mempertahankan arah yang sama dengan medan magnet stator. (Sumber gambar: Qorvo)
Pemberian listrik pada sekumpulan belitan di stator akan menghasilkan medan magnet, dan magnet permanen rotor akan merespon medan magnet ini. Gaya tarik menarik antara kutub magnet yang berlawanan menyebabkan rotor berputar. Sebelum menyelaraskan rotor dengan medan magnet stator, pengontrol akan mengalihkan belitan berenergi, mengubah arah medan magnet, dan menjaga rotor tetap berputar terus menerus.
Faktanya, pulsa arus yang dikirim oleh pengontrol ke stator akan berubah dari konduksi ke pemutusan, dan mengubah polaritas pada frekuensi tertentu untuk mewakili arus menggunakan bentuk gelombang tertentu. Skema peralihan yang ditunjukkan pada Gambar 1 diwakili oleh gelombang trapesium. Jenis motor lain, termasuk motor sinkron magnet permanen (PMSM), memiliki gelombang sinus. Motor jenis ini secara struktural mirip dengan motor BLDC, tetapi menggerakkan medan magnet untuk berputar melalui arus yang bervariasi, dan rotor tetap tersinkronisasi dan terkunci dengan medan magnet. Menyesuaikan amplitudo dan fase gelombang ini dapat mengubah kecepatan motor dan torsi yang tersedia.
Pengontrol juga dapat menerima informasi umpan balik terus menerus dari sensor posisi seperti sensor efek Hall atau encoder fotolistrik. Pada motor BLDC tanpa sensor, nilai terukur gaya gerak listrik terbalik (BEMF) - arus yang dihasilkan oleh medan magnet yang dihasilkan oleh belitan berenergi pada belitan tidak berenergi - dapat digunakan untuk menentukan posisi rotor.
Perkembangan Pengemudi Motor
Mengingat pemantauan, catu daya, dan pengendalian motor BLDC memerlukan struktur yang kompleks, tidak mengherankan jika pengontrol motor BLDC model lama yang menggunakan perangkat elektronik solid-state di lingkungan industri memerlukan ruang kabinet independen dan kabel daya serta data yang besar untuk menghubungkan motor. Sirkuit terpadu (IC) yang semakin canggih mendorong miniaturisasi pengontrol motor secara terus-menerus, hingga dapat diintegrasikan ke papan sirkuit cetak (PCB). Meskipun telah mencapai miniaturisasi, fungsi pengontrol motor saat ini terus berkembang.
Misalnya, driver motor BLDC tiga fase ACT72350 Qorvo (Gambar 2). Driver ini mengintegrasikan front-end analog (AFE) yang dapat dikonfigurasi, modul manajemen daya yang disesuaikan dengan berbagai konfigurasi daya, dan driver motor khusus (ASPD) ke dalam perangkat pemasangan permukaan datar tanpa timah (QFN) persegi berukuran 9 mm x 9 mm.
Qorvo ACT72350 Driver Motor BLDC Tiga Fasa Terintegrasi
Gambar 2: Driver motor BLDC tiga fase terintegrasi ACT72350 mengintegrasikan sirkuit AFE dan fungsionalitas manajemen daya yang dapat dikonfigurasi dalam paket pemasangan permukaan yang ringkas. (Sumber gambar: Qorvo)
AFE ACT72350 yang dapat dikonfigurasi dilengkapi dengan tiga penguat penguatan diferensial yang dapat diprogram, empat penguat penguatan ujung tunggal yang dapat diprogram, dua konverter analog-ke-digital 10 bit, dan sepuluh pembanding, menjadikannya jembatan yang menghubungkan sensor dan sirkuit kontrol. AFE ini juga dapat menerima sinyal kontrol modulasi lebar pulsa (PWM) dari mikrokontroler eksternal (MCU) melalui antarmuka periferal serial (SPI).
Modul manajemen daya yang dapat dikonfigurasi memungkinkan ACT72350 menerima tegangan input DC mulai dari 25 V hingga 160 V, termasuk kapasitas baterai hingga 20 detik (tegangan nominal 72 V atau 84 V saat terisi penuh). Catu daya peralihan tegangan tinggi dari modul ini dapat memberikan tegangan keluaran 12V atau 15V yang stabil, dan juga dapat menyediakan catu daya 5V, 200mA yang stabil untuk modul dan MCU ACT72350.
ASPD ACT72350 dapat menggunakan arsitektur setengah jembatan, jembatan-H, atau tiga fase untuk menggerakkan motor (Gambar 3). Tiga driver gerbang samping tegangan tinggi dengan tegangan 160 V dan tiga driver gerbang samping tegangan rendah dengan tegangan 20 V, masing-masing driver memiliki kemampuan penggerak gerbang 2 A (arus tarik)/2 A (arus penuangan), yang dapat mencapai kinerja peralihan cepat untuk meningkatkan kecepatan motor.