[Mini tutorial] BLDC motor + controller [by landyandy]

[landyandy]

Voglio condividere con voi l'esperienza di quest'ultima settimana, passata a giocherellare con un motore BLDC.

BLDC sta per BrushLess Direct Current ovvero un motore senza spazzole funzionante a corrente continua.

Questo interesse è nato a causa di un Hard Disk con settori danneggiati che necessitava di una risoluzione definitiva ovvero il "secchio" oppure una seconda vita, riutilizzando alcune parti della componentistica interna.

Il disco fisso da cui sono state prelevate le parti è un Quantum Fireball 3,5 series e nel mio caso ha una capacità di 1Gbyte.







Le parti in causa che sono piu facilmente riutilizzabili, anche in base alla mia esperienza sono in primis il motore, il piatto elettromagnetico e vista in un ottica di applicazione possibile, anche il famoso "voice coil" ovvero la testina elettromagnetica con relativo induttore di movimento che nella sua funzione originaria era destinata ad uso lettura/scrittura del piatto elettromagnetico.


Il disco Naked si presenta così:






Si scopre che sotto il primo piatto ne è presente un'altro di identiche misure e dimensioni.






Si frappone tra il primo ed il secondo piatto, una rondella di spessore centesimale ovvero creata appositamente per fare in modo che la somma dei 2 piatti il cui spessore misura 0,7 mm ciascuno, si adatti perfettamente al cappelletto di chiusura superiore.


Quindi abbiamo:

Altezza Albero 5 mm

Spessore Piatto 0,7 mm

Spessore Rondella 3,6 mm








attenzione, finche vedrete il seguente ideogramma, gentilmente evitate di aggiungere commenti perché vuol dire che sono in fase di avanzamento

Grazie.



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Il motore è del tipo a cassa rotante chiamati anche Outrunner, sono composti da uno statore Fisso su cui sono montati i poli o le induttanze mentre il rotore è detto anche campana perchè è in pratica l'albero ove connettere l'eventuale mozzo ed è esterno e racchiude il magnete permanente.

Prima di smontarlo ho voluto evidenziare il flusso dell'aria che è orario durante la rotazione dei piattelli e attraversa una specie di filtro dell'aria che ha la funzione di eliminare eventuali particelle di polvere che potrebbero crearsi all'interno ma anche assorbire eventuali umidità parassite.





Si nota anche il braccio oscillante chiamato tra le altre cose, voice coil, per il fatto che utilizza una tecnologia di spostamento simile a quella di un altoparlante che oscilla in aria tramite il movimento della bobina sul magnete.

è anche, ovviamente, munito di testine capaci di leggere e scrivere il contenuto memorizzato sulla superfice del piatto aventi proprietà elettromagnetiche.








Una prima delusione è stata quella di trovare un motore che è direttamente calettato sulla scocca dell'Hard disk, il che ne pregiudica lo smontaggio salvo rifare tutta la boccola porta statore ed eventualmente anche tutta la base per la contattiera.


Come vedremo in seguito ci sono anche altre piccole difficoltà supplementari che mi hanno portato a pensare che l'utilizzo finale di questo motore non possa prescindere la scocca esterna.


...comunque sia, anche per capire il numero di poli e fasi di cui è composto il motore, è stato necessario suddividere le due parti statore/rotore.


Il metodo corretto è quello di estrarre il rotore tramite l'utilizzo di un punzone che va a colpire direttamente l'asta rigida del rotore.


Ho visto persone che invece mettevano le guide delle morse a contatto della campana rotorica con il reale rischio di modificarne la geometria rendendolo di fatto inservibile a causa delle micro vibrazioni non volute.




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Il rotore in questo caso è anche la campana e si nota il magnete interno che si andrà ad accoppiare con i flussi magnetici generati dai poli statorici




è interessante notare lo statore perchè a differenza dei motori Brush, questi presentano un numero di poli variabile.

Senza entrare troppo nello specifico, per evitare di deviare lo scopo del post, si può indicare il pilotaggio del motore attraverso la corretta sincronia delle sue fasi in una sequenza piu o meno indicata dalla seguente foto:





Piccola gif animata prelevata dal sito http://www.jobike.it






In seguito si parlerà anche del controller per azionare questo tipo di motori ma avendo utilizzato un chip dedicato, non è necessario capire nel dettaglio il funzionamento del pilotaggio e quindi posso evitare tutto il discorso relativo alla generazione della sequenza che se interessa, può essere consultato iniziando come sempre da wiki:

http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_brushless




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Un'altro scoglio di non secondaria importanza è stato quello dell'estrazione dei 4 contatti fisici che dal motore, raggiungono il mondo esterno.

Sono stato un po sfortunato perchè solitamente la contattiera si trova nella parte opposta dell'hard disk, in bella mostra che raggiunge la scheda elettronica.

Nel mio caso invece, tutta la circuiteria andava a ricoprire i contatti, ANZI!! hanno avuto l'idea di utilizzare un contatto plastico-conduttivo, di quelli che spesso si utilizzano per accoppiare gli LCD al PCB.













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In prima battuta mi è venuto di estrarre il contatto per capire se potevo saldare i fili direttamente sul PCB ma ho dovuto desistere a causa della difficoltà che comportava.













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Un'idea che mi è venuta è stata quella di intercettare le piste che andavano al controller del motore originale e deviarci un cavetto flat, così da poterli maneggiare in maniera piu semplice.







Adesso che abbiamo le fasi del motore esterni possiamo procedere forse all'unico passaggio importante prima di collegarlo ad un qualsiasi controller dedicato.


Il motore qui esposto appartiene alla categoria dei BLDC con connessione a stella piu un comune.


Per semplicità ho creato una piccola immagine che chiarifica il metodo di misura e i relativi valori da me rilevati.









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Un altro valore importante sarebbe il coefficiente Kv che incrociato con la tensione massima mi comunica il valore di giri massimo e viceversa posso avere anche una stima dei giri minimi.


Sapendo che il motore ha una rotazione nominale di 5400 a 5V, avrò che ad 1V il motore girerà a circa 1000 rpm.


Considerando che sotto il volt la coppia è praticamente inesistente, posso gia avere un'idea dell'applicazione possibile futura di questo motore.


Dovrà essere un qualcosa che sfrutterà l'alto numero di giri ma che non dovrà essere soggetto ad una coppia elevata e il numero di giri minimo sarà di almeno 2000 rpm.


Il consumo lo valuto grazie al valore riportato sulla targhetta dell'HD che era pari a max 500 mA


Diciamo che mi posso accontentare e posso passare alla selezione di un controller adatto, magari abbastanza semplice da pilotare e con possibilià di controllo la piu versatile possibile.


La prima cosa che avevo pensato, era stata quella di prelevare il controller integrato dell'HD ma purtroppo non sono riuscito a trovare nessuna informazione o DS a riguardo e quindi sono dovuto passare oltre.


Per curiosità il chip dedicato si chiama HA13545 di produzione Hitachi.

Sò solo che è un QFP da 96 PIN ed onestamente ho i dubbi che sarei comunque riuscito ad usarlo senza impazzire; 96 Pin sono un numero di connessioni fuori dalla mia portata.


Percio, dopo una piccola ricerca e grazie anche ai consigli di Astro e Marnic, la mia scelta è caduta su un chippettino di tutto rispetto, prodotto dalla Texas Instruments di nome DRV11873.


http://www.ti.com/product/drv11873

A questo indirizzo si trovano tutte le info ma io per questione di completezza elencherò le funzioni piu importanti e sopratutto quelle che sono riuscito ad interpretare ed usare.



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Innanzi tutto all'indirizzo postato, c'è la possibilità immediata di confrontare il nostro chip con soluzioni, sempre della Ti ma con caratteristiche diverse come la tensione minima e massima applicabile, la corrente di erogazione possibile all'uscita dei PIN di comando delle fasi, il tipo di controllo ecc ecc.


Di seguito le caratteristiche del DRV11873:


1 Features

• Input Voltage Range: 5 to 16 V
• Six Integrated MOSFETs With 1.5-A Continuous Output Current
• Total Driver H + L RDSON 450 mΩ
• Sensorless Proprietary BMEF Control Scheme
• 150° Commutation
• Synchronous Rectification PWM Operation
• FG and RD Open-Drain Output
• 5-V LDO for External Use up to 20 mA
• PWMIN Input from 7 to 100 kHz
• Overcurrent Protection With Adjustable Limit Through External Resistor
• Lock Detection
• Voltage Surge Protection
• UVLO
• Thermal Shutdown

2 Applications

• Appliance Cooling Fan
• Desktop Cooling Fan
• Server Cooling Fan

Alla voce Applicazioni, ci sono anche le possibili implementazioni piu importanti, poi ogn'uno di noi si sbizzarrisca come meglio crede, comunque in generale ad uso eliche o ventole.

Il diagrama applicativo è il seguente:




Come possiamo notare, per il corretto funzionamento necessita di appena 4 condensatori esterni piu altri 4 resistenze opzionali di pull-up/down in base alla configurazione scelta.


Il requisito fondamentale è che il motore sia un 3 fasi senza sensori Hall con 4 fili di uscita.


Infatti il terminale comune è richiesto e se eventualmente il motore non lo prevede, nella sezione 9.1 "application information", viene consigliato un sistema di tre resistenze che ne emulano il contatto virtuale.


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Una breve carrellata della funzione dei PIN:

n°---- NAME ----------------- Description
 
1       FS          Pullup = High speed motor -- Pulldown = Low speed motor
 
2       FG         Tramite un oscilloscopio possiamo ricavare i giri al minuto del motore
 
3       RD         Una condizione di blocco dell'albero viene segnalato con un livello alto
 
4       VCP          Pompa di carica, va connesso a Vcc tramite un condensatore
 
5 e 6  CPP e CPN     Pompa di carica, connessi insieme tramite condensatore
 
7        W           Fase W del motore
 
8        GND         Terminale di massa
 
9        V           Fase V del motore
 
10      U           Fase U del motore
 
11      Vcc         Ingresso di alimentazione
 
12      V5         Comoda uscita regolata a 5V con massimo 20mA di erogazione
 
13      COM        Terminale COM del motore
 
14      CS         è possibile scegliere la massima corrente, prima di un overcurrent 
 
15      FR         Pullup = reverse ----Pulldown = Forward
 
16      PWM       Tramite una freq minima di 10Khz possiamo modulare la velocità

La formula per ricavare gli RPM tramite l'uso del PIN FG è la seguente:

RPM = (FG x 60) / le coppie di poli, dove FG è espresso in Hz.

Nel mio caso le coppie di poli sono 3. (9 poli / 3 fasi).

Tramite il mio MITICO POSCOPE, propongo un esempio basato di un ingresso di circa 10Khz emesso da un 16F877:





All'uscita del PIN FG avrò un valore di circa 2400 RPM

Non ho potuto confrontarlo con altra fonte però a naso pilotando un motore da 5400 al 50% ottengo un valore di 2700 RPM.

Considerando la somma degli errori tra oscilloscopio, PWM in ingresso non sempre stabile e tolleranze sul PIN FG, posso arrotondare ad una lettura abbastanza attendibile.






Se invece porto il PWM in ingresso al 100% avrò:








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[landyandy]

Adesso è il momento di passare al montaggio del chip, con i relativi componenti esterni.


Come abbiamo visto, il componente è un SMD e l'idea è quella di montarlo in un convertitore verso il passo standard 2,54 e sfruttare lo spazio aggiuntivo per gli eventuali componenti esterni di contorno.








Solitamente per saldare questi componentini, sono solito prestagnare le piste e poi appoggiare il chip e con la pistola ad aria calda, rifinisco la saldatura.











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