Δ. Κλιγκόπουλος Επιβλέπων: Β. Σπυρόπουλος, Καθηγητής Σχεδιασμός και υλοποίηση πρωτοτύπου συσκευής CPAP μέσω της οδήγησης κινητήρα BLDC Δ. Κλιγκόπουλος Επιβλέπων: Β. Σπυρόπουλος, Καθηγητής

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ

Οι ηλεκτροκινητήρες BLDC Οι ηλεκτροκινητήρες Brushless συνεχούς ρεύματος ( Brushless Direct Current ), που από εδώ και στο εξής θα αναφέρουμε ως BLDC κινητήρες, διαφέρουν από τους μέχρι σήμερα ηλεκτρικούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος, όπως υποδηλώνει και το όνομα τους ( Brush – less ), στο γεγονός ότι δεν χρησιμοποιούν ψήκτρες για την μεταγωγή τους. Αντί αυτού η μεταγωγή επιτυγχάνεται ηλεκτρονικά. Η τεχνολογία τους εφαρμόζεται όλο και περισσότερο στις σύγχρονες βιομηχανικές εφαρμογές, σε τομείς όπως η Αεροναυτική και Αεροδιαστημική, η Αυτοκίνηση, σε Βιομηχανικούς Αυτοματισμούς και πρόσφατα στον τομέα των Ιατροτεχνολογικών συσκευών

Πλεονεκτήματα των κινητήρων BLDC Καλύτερα χαρακτηριστικά απόδοσης ταχύτητας προς ροπή. Υψηλά δυναμικά απόκρισης. Υψηλή αποδοτικότητα. Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Η έλλειψη ψηκτρών και άλλων τριβόμενων μερών πάνω στο ρότορα, έχει ως αποτέλεσμα τριπλάσιο χρόνο λειτουργίας έναντι των κλασσικών ηλεκτροκινητήρων, που μπορεί να φτάσει ακόμα και τις 18.000 ώρες λειτουργίας. Αθόρυβη λειτουργία. Επίτευξη υψηλών στροφών λειτουργίας, φτάνοντας έως και 80.000 στροφές ανά λεπτό (σ.α.λ.).

Χαρακτηριστικά των κινητήρων BLDC Οι κινητήρες BLDC είναι σύγχρονου τύπου (synchronous ). Αυτό σημαίνει ότι το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τον στάτορα και το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τον ρότορα, περιστρέφονται με την ίδια συχνότητα, είναι δηλαδή συμφασικά. Έτσι οι BLDC κινητήρες δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο της ολίσθησης που παρατηρείται σε έναν επαγωγικό κινητήρα. Η κατασκευή τους μπορεί να αποτελείται από μία, δύο ή και τρεις φάσεις. Αντίστοιχα ο στάτορας έχει τον αντίστοιχο αριθμό τυλιγμάτων. Ο πιο συχνός τύπος είναι εκείνος με τις τρεις φάσεις. Ένα τέτοιου τύπου κινητήρα χρησιμοποιήσαμε και στην κατασκευή μας.

Εσωτερικό Στάτορα

Η μεταγωγή έξι βημάτων Η μεταγωγή έξι βημάτων είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται ώστε κάθε φορά να ενεργοποιούμε ένα κατάλληλο ζεύγος τυλιγμάτων. Η ενεργοποίηση αυτή επιτυγχάνεται με την χρήση μιας Γέφυρας Τριών Φάσεων, κατάλληλα συνδεσμολογημένη. Η γέφυρα αποτελείται από τρία ζεύγη τρανζίστορ επίδρασης πεδίου μεταλλοξειδομένου ημιαγωγού ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ή MOSFET ). Τα MOSFET που είναι υπεύθυνα για την ενεργοποίηση των τυλιγμάτων σε θετικό δυναμικό ( υψηλό ) είναι τύπου P-channel , ενώ αυτά που είναι υπεύθυνα για την ενεργοποίηση των τυλιγμάτων σε αρνητικό δυναμικό ( χαμηλό )είναι τύπου N-channel. Έτσι λοιπόν η ενεργοποίηση του κατάλληλου ζεύγους τυλιγμάτων γίνεται ενεργοποιώντας τις Πύλες ( Gates ) του αντίστοιχου ζευγαριού MOSFET, φέρνοντας έτσι τα MOSFET σε αγώγιμη κατάσταση.

Γέφυρα Τριών Φάσεων

Προσδιορισμός του σημείου μεταγωγής με ανίχνευση της αντί-Ηλεκτρεγερτικής δύναμης Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην αντί-ηλεκτρεγερτική δύναμη που παράγουν τα τυλίγματα του στάτορα, όταν διαρρέονται από ρεύμα, σύμφωνα με τον Νόμο του Lenz. Ο Νόμος του Lenz αναφέρει ότι η επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ενεργεί σε τέτοια διεύθυνση ώστε το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στο κλειστό κύκλωμα παράγει ένα μαγνητικό πεδίο το οποίο τείνει να αντισταθεί στην μεταβολή της μαγνητικής ροής. Το μαγνητικό αυτό πεδίο αναφέρεται ως αντί-ηλεκτρεγερτική δύναμη ( Back Electromotive Force ), την οποία στο εξής θα αναφέρουμε ως BEMF.

Υπολογισμός της BEMF Ο υπολογισμός της δίνεται από την σχέση: BEMF = Ν l r Β ω όπου: Ν = ο αριθμός των τυλιγμάτων ανά φάση l = το μήκος του ρότορα r = η εσωτερική ακτίνα του ρότορα B = η πυκνότητα της μαγνητικής ροής του ρότορα ω = η γωνιακή ταχύτητα του κινητήρα

Σύγκριση BEMF με εικονικό ουδέτερο σημείο

Σχηματικό διάγραμμα

Κύκλωμα ελέγχου

Κύκλωμα επεξεργασίας

Κύκλωμα οδήγησης

Μεταβολή Πάρεχόμενης Πίεσης

Εξέλιξη του Κυκλώματος Ελέγχου Με την προσθήκη ενός αισθητήρα πίεσης και με κατάλληλη προσαρμογή του Πίνακα αναφοράς και του προγράμματος του μικροελεκτή, μπορούμε να επιτύχουμε πλήρη έλεγχο του παρεχόμενου αέρα, τόσο ως προς τον όγκο όσο και ως προς την πίεση. Ακόμα και πολύπλοκοι αλγόριθμοι Fuzzy Logic μπορούν να προγραμματιστούν στον μικροελεκτή, έτσι ώστε η συσκευή να προβλέπει την ενέργεια αναπνευστικής υποβοήθησης που πρέπει να ακολουθήσει.