มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน (BLDC) อาจทำงานได้อย่างราบรื่นบนโต๊ะทดสอบ แต่จะดับลงทันทีที่เครื่องจักรที่ใช้แบตเตอรี่เร่งความเร็วภายใต้ภาระ มอเตอร์หมุน ตัวควบคุมทำงาน แบตเตอรี่แสดงแรงดันไฟฟ้าที่ปกติในขณะที่ไม่ได้ใช้งาน แต่มีบางอย่างผิดพลาด และไม่ชัดเจนว่าควรโทษแบตเตอรี่ ตัวควบคุม หรือมอเตอร์
ในกรณีส่วนใหญ่ คำตอบคือไม่มีชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่งชำรุด ชิ้นส่วนเหล่านั้นถูกเลือกโดยพิจารณาจากตัวเลขบนแผ่นป้ายชื่อซึ่งไม่ได้อธิบายถึงการทำงานร่วมกันของชิ้นส่วนเหล่านั้น คู่มือนี้ครอบคลุมขั้นตอนการเลือกที่สำคัญ ตั้งแต่ขีดจำกัดกำลังไฟของแบตเตอรี่และข้อกำหนดของมอเตอร์ ไปจนถึงความเข้ากันได้ของตัวควบคุม การจัดการความร้อน และการทดสอบในสภาพการใช้งานจริง
เริ่มจากสิ่งที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้จริง ๆ
แรงดันไฟฟ้าที่ระบุเป็นเพียงฉลาก ไม่ใช่สภาวะการทำงาน แบตเตอรี่ที่ระบุว่า 48 โวลต์ จะมีช่วงการทำงานที่ครอบคลุมตั้งแต่แรงดันไฟฟ้าเมื่อชาร์จเต็มไปจนถึงจุดที่ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) หรือตัวควบคุมตัดการทำงาน และแรงดันไฟฟ้าจะลดลงอีกเมื่อมีการดึงกระแสไฟฟ้า ตัวควบคุมจะต้องครอบคลุมช่วงแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดนั้น รวมถึงแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงชั่วขณะระหว่างการเร่งความเร็ว ไม่ใช่แค่ค่าที่ระบุไว้เท่านั้น
เพื่อเป็นตัวอย่าง ลองพิจารณาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบ 13 เซลล์ เมื่อชาร์จเต็มแล้วจะมีแรงดันประมาณ 54.6 โวลต์ (13 เซลล์ที่ 4.2 โวลต์) เมื่อแรงดันต่ำลง แรงดันอาจลดลงเหลือประมาณ 39-42 โวลต์ ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบทางเคมีของเซลล์และการตัดการทำงานของ BMS และอาจต่ำลงไปอีกชั่วขณะเมื่อมีการใช้งานหนัก ตัวควบคุมที่ออกแบบมาสำหรับช่วงการทำงานที่แคบกว่าอาจปิดการทำงานเมื่อแรงดันต่ำกว่าเกณฑ์ก่อนที่แบตเตอรี่จะหมดเกลี้ยงจริงๆ ช่วงการทำงานจริงขึ้นอยู่กับเซลล์และการตั้งค่า BMS
ความสามารถในการจ่ายกระแสไฟในปัจจุบันก็ต้องการการตรวจสอบอย่างละเอียดเช่นกัน และมันไม่ได้ถูกจำกัดแค่เพียงเซลล์แบตเตอรี่เท่านั้น เซลล์แบตเตอรี่ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ขั้วต่อ และสายไฟ ล้วนเป็นปัจจัยที่จำกัดปริมาณกระแสไฟที่ระบบสามารถดึงได้อย่างปลอดภัย ขีดจำกัดต่ำสุดจะเป็นตัวกำหนดกระแสไฟสูงสุดที่ใช้งานได้ ชุดแบตเตอรี่ที่สามารถรองรับกระแสไฟขณะทำงานปกติได้ ก็อาจยังตัดการทำงานเพื่อป้องกันได้เมื่อมอเตอร์ดึงกระแสไฟเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงเร่งความเร็ว ดังนั้น ควรเปรียบเทียบขีดจำกัดของ BMS และเซลล์แบตเตอรี่กับความต้องการที่คาดการณ์ไว้ขณะเร่งความเร็ว ไม่ใช่แค่ขณะทำงานอย่างต่อเนื่อง และตรวจสอบว่าขั้วต่อและขนาดของสายเคเบิลทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมมากพอที่จะทำให้ตัวควบคุมเข้าใกล้เกณฑ์แรงดันต่ำหรือไม่
คำนวณหาภาระที่มอเตอร์ต้องการ
การเลือกมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านควรเริ่มต้นจากภาระมากกว่ากำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้ แรงบิดที่ความเร็วที่ต้องการ แรงบิดที่จำเป็นในการทำให้ภาระเคลื่อนที่ ความเร็วในการเร่งความเร็ว และลักษณะการเปลี่ยนแปลงของความต้องการตลอดวงจรการทำงาน ล้วนเป็นปัจจัยที่จะตัดสินว่ามอเตอร์นั้นเหมาะสมหรือไม่ กำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้เพียงอย่างเดียวมักปกปิดข้อมูลส่วนใหญ่ไว้ มอเตอร์ที่สามารถรับภาระขณะขับขี่ได้อย่างสบาย อาจมีกำลังไม่เพียงพอสำหรับการเริ่มต้นกลไกขนาดใหญ่หรือการปีนขึ้นทางลาดชัน
การแยกคำถามออกเป็นสามข้อจะช่วยได้ ได้แก่ แรงบิดต่อเนื่องที่ความเร็วปกติของแอปพลิเคชันเป็นเท่าใด? แรงบิดสูงสุดที่ต้องการเป็นเท่าใด และต้องคงอยู่นานเท่าใด? และขดลวดของมอเตอร์เหมาะสมกับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่หรือไม่?
ค่าคงที่ความเร็วของมอเตอร์บ่งบอกถึงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วขณะไม่มีโหลดกับแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย ในขณะที่แรงบิดที่ต้องการใช้งานนั้นจะเป็นตัวกำหนดกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นในการสร้างแรงบิดดังกล่าวเป็นส่วนใหญ่ ควรตรวจสอบข้อมูลความเร็ว-แรงบิดจากผู้ผลิตที่แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการใช้งาน แทนที่จะใช้ค่าคงที่ความเร็วเพียงอย่างเดียวในการตัดสินว่ามอเตอร์จะตรงตามข้อกำหนดของงานหรือไม่
สามารถประมาณกระแสไฟฟ้าด้านแบตเตอรี่อย่างคร่าวๆ ได้จากกำลังเอาต์พุตเชิงกล ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ และแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์ให้กำลังเชิงกล 1 กิโลวัตต์ โดยมีประสิทธิภาพโดยรวมที่สมมติไว้ที่ 90% แบตเตอรี่จะต้องจ่ายกำลังประมาณ 1.11 กิโลวัตต์ ซึ่งสอดคล้องกับกระแสไฟฟ้าประมาณ 28 แอมป์ที่ 40 โวลต์ หรือ 21 แอมป์ที่ 54 โวลต์ ก่อนที่จะคำนึงถึงผลกระทบชั่วขณะและการลดลงของแรงดันไฟฟ้า หากการเร่งความเร็วทำให้ความต้องการกำลังเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในช่วงเวลาสั้นๆ กระแสไฟฟ้าก็จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยประมาณเช่นกัน และจะเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดที่ลดลง ซึ่งเป็นค่าที่ชุดแบตเตอรี่ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และสายไฟต้องทนได้
กระแสไฟฟ้าตรงจากแบตเตอรี่กับกระแสไฟฟ้าเฟสของมอเตอร์แตกต่างกันอย่างไร?
ตัวควบคุมมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านจะอยู่ระหว่างแหล่งจ่ายไฟ DC และมอเตอร์สามเฟส และข้อจำกัดกระแสของตัวควบคุมจะใช้กับสองส่วนที่แตกต่างกัน กระแสจากแบตเตอรี่ (อินพุต DC) และกระแสเฟสของมอเตอร์ไม่ใช่ปริมาณเดียวกัน และการเปรียบเทียบโดยตรงเป็นสาเหตุของข้อผิดพลาดที่พบบ่อย ในความเร็วต่ำ ตัวควบคุมสามารถจ่ายกระแสเฟสสูงให้กับมอเตอร์ได้ ในขณะที่ดึงกระแสจากแบตเตอรี่น้อยลงอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากรอบการทำงานมีขนาดเล็ก ในความเร็วสูงและรอบการทำงานสูง ตัวเลขทั้งสองจะเข้าใกล้กันมากขึ้น ตัวควบคุม... เรตติ้งต่อเนื่องและเรตติ้งสูงสุด ต้องอ่านรายละเอียดจากเอกสารประกอบของแต่ละชิ้นและตรวจสอบให้แน่ใจว่ามอเตอร์และแบตเตอรี่สามารถรองรับได้
นอกเหนือจากกระแสไฟฟ้าแล้ว ให้ตรวจสอบความเข้ากันได้ในทางปฏิบัติด้วย เช่น ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่รองรับเทียบกับช่วงการทำงานของแบตเตอรี่ ประเภทเซ็นเซอร์ที่มอเตอร์ใช้ (เซ็นเซอร์ฮอลล์, ตัวเข้ารหัส หรือการทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์) วิธีการสลับกระแส และอินเทอร์เฟซคำสั่งความเร็วหรือแรงบิดที่ส่วนที่เหลือของระบบของคุณจะใช้ ความไม่ตรงกันในการเดินสายเซ็นเซอร์หรือการตั้งค่าการสลับกระแส มักจะแสดงออกมาในรูปแบบของการสตาร์ทที่ไม่ราบรื่น การสั่น หรือมอเตอร์ที่ไม่หมุนอย่างราบรื่น มากกว่าที่จะเป็นความผิดปกติที่เห็นได้ชัดเจน
เมื่อทราบช่วงแรงดันไฟฟ้า แรงบิดที่ต้องการ และกระแสไฟฟ้าที่จำกัดแล้ว การเลือกมอเตอร์และตัวควบคุมที่ทำงานได้ครอบคลุมช่วงการทำงานทั้งหมดก็จะง่ายขึ้น Brushless.com นำเสนอผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสม มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน และตัวควบคุมที่เข้ากันได้สำหรับการใช้งานที่มีข้อกำหนดด้านแรงดัน แรงบิด และกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน
คำนึงถึงความร้อนและรอบการทำงาน
ระบบที่ทำงานได้ 30 วินาที ไม่ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถทำงานได้นาน 30 นาที การสูญเสียพลังงานในขดลวดมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นโดยประมาณเป็นกำลังสองของกระแสไฟฟ้าเมื่อความต้านทานของขดลวดคงที่ และภาคจ่ายไฟของตัวควบคุมจะเพิ่มการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าและการสวิตช์ ดังนั้นอุณหภูมิของระบบจึงขึ้นอยู่กับการระบายความร้อนด้วย ภาระต่อเนื่อง การเริ่มและหยุดการทำงานบ่อยครั้ง อุณหภูมิแวดล้อมสูง และพื้นที่จำกัด ล้วนสามารถทำให้ระบบเข้าสู่โหมดป้องกันความร้อน ซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นระหว่างการทดสอบระยะสั้น
เริ่มต้นด้วยการอธิบายรอบการทำงานอย่างตรงไปตรงมา มอเตอร์ที่ใช้งานใกล้ระดับกำลังต่อเนื่องเป็นส่วนใหญ่จะมีกำลังสำรองน้อย ในขณะที่มอเตอร์ที่ใช้งานหนักเป็นช่วงสั้นๆ สลับกับช่วงหยุดทำงานนานๆ มักจะสามารถใช้กำลังการทำงานในช่วงเวลาสั้นๆ ได้อย่างเต็มที่ การติดตั้งมีความสำคัญพอๆ กับพิกัดกำลัง การติดตั้งตัวควบคุมเข้ากับโครงโลหะ การระบายอากาศ หรือการเก็บไว้ในกล่องขนาดเล็กที่ปิดสนิท สามารถเปลี่ยนแปลงกำลังการทำงานที่ยั่งยืนได้อย่างมาก อุณหภูมิของแบตเตอรี่ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากกระแสไฟชาร์จและคายประจุที่อนุญาตอาจเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิของเซลล์
ข้อผิดพลาดในการคัดเลือกที่มักปรากฏให้เห็นในภายหลัง
ข้อผิดพลาดบางอย่างเกิดขึ้นซ้ำๆ เพราะมองไม่เห็นในเอกสารข้อมูลจำเพาะ และจะปรากฏให้เห็นก็ต่อเมื่อใช้งานจริงเท่านั้น
ตัวควบคุมที่มีพิกัดกระแสสูงสุดสูงเกินไปเป็นกับดักที่พบได้บ่อย เมื่อแบตเตอรี่หรือ BMS ไม่สามารถจ่ายกระแสสูงสุดนั้นได้ ชุดแบตเตอรี่จะกลายเป็นข้อจำกัด และระบบจะตัดการทำงานในขณะที่เร่งความเร็วสูงสุด การเลือกขนาดมอเตอร์สำหรับการขับขี่ในสภาวะปกติก็เป็นอีกปัญหาหนึ่ง แรงบิดในการสตาร์ทหรือปีนขึ้นเนินจะทำให้ระบบเข้าสู่ขีดจำกัดกระแส ส่งผลให้การตอบสนองช้าลงหรือเกิดเหตุการณ์ป้องกันซ้ำๆ การลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อและสายเคเบิลทำให้เกิดความประหลาดใจอีกแบบหนึ่ง เพราะขั้วต่อที่ด้อยคุณภาพอาจดูปกติดีในขณะที่เครื่องยนต์เดินเบา แต่จะลดลงมากพอเมื่อมีโหลดจนทำให้เกิดข้อผิดพลาดแรงดันไฟฟ้าต่ำ ซึ่งอาจเข้าใจผิดว่าเป็นแบตเตอรี่เสียได้ง่าย
ทั้งหมดนี้ไม่ได้หมายความว่าเราควรซื้อแต่เพียงมอเตอร์ขนาดใหญ่ที่สุดหรือตัวควบคุมกระแสสูงสุดเท่านั้น การเลือกขนาดที่ใหญ่เกินไปอาจเพิ่มต้นทุนและน้ำหนัก ทำให้จุดการทำงานเปลี่ยนไปอยู่ในช่วงที่ประสิทธิภาพลดลง และยังคงทำให้แบตเตอรี่เป็นคอขวดอยู่ดี
ตรวจสอบความถูกต้องของระบบทั้งหมดภายใต้สภาวะจริง
ข้อมูลจำเพาะบนโต๊ะทดสอบไม่สามารถทดแทนการทดสอบด้วยภาระจริงได้ ควรทดสอบระบบทั้งหมดตามการใช้งานจริง: เริ่มจากหยุดนิ่งภายใต้ภาระ เร่งความเร็ว ทำงานที่ภาระคงที่ ทำงานที่ระดับประจุต่ำ และในกรณีที่เกี่ยวข้อง ทำงานในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมที่อุณหภูมิแวดล้อมจริง ในระหว่างนั้น ให้บันทึกแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ขั้วแพ็คและที่อินพุตของคอนโทรลเลอร์ กระแสไฟฟ้ากระแสตรงขาเข้า รหัสข้อผิดพลาดของคอนโทรลเลอร์ สถานะ BMS และอุณหภูมิของมอเตอร์ คอนโทรลเลอร์ และแบตเตอรี่
หากระบบหยุดทำงานระหว่างการเร่งความเร็ว คำถามที่สำคัญคือ ขีดจำกัดใดถูกถึงก่อน: แรงดันไฟตกของแบตเตอรี่, ขีดจำกัดการคายประจุของ BMS, การตั้งค่ากระแสของตัวควบคุม หรือภาระทางกลที่สูงกว่าที่คาดไว้ ใช้ข้อมูลอาการด้านล่างเพื่อจำกัดขอบเขตการตรวจสอบ จากนั้นยืนยันสาเหตุด้วยข้อมูลแรงดัน กระแส อุณหภูมิ และรหัสข้อผิดพลาด
| อาการ | ตรวจสอบเบื้องต้น |
|---|---|
| ระบบจะรีเซ็ตเมื่อมอเตอร์เริ่มทำงาน | แรงดันตกของแบตเตอรี่, ระบบป้องกัน BMS, แรงดันตกของสายไฟและขั้วต่อ |
| การหยุดกะทันหันขณะเร่งความเร็ว | ความต้องการกระแสไฟฟ้าสูงสุด, ขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าของตัวควบคุม, ขีดจำกัดการคายประจุของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) |
| หยุดหลังจากวิ่งไปได้สักพัก | อุณหภูมิของมอเตอร์และตัวควบคุม โหลดต่อเนื่อง การระบายความร้อน และตัวเรือน |
| มอเตอร์สั่นหรือสตาร์ทไม่ราบรื่น | การเดินสายเซ็นเซอร์ การกำหนดค่าการสลับกระแส ความเข้ากันได้ของตัวควบคุมและมอเตอร์ |
| ระยะเวลาใช้งานสั้นกว่าที่คาดไว้ | ภาระจริงและรอบการทำงาน ประสิทธิภาพของมอเตอร์ แรงต้านเชิงกล ความจุแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ |
การตรวจสอบสิ่งเหล่านี้ตามลำดับจะช่วยหลีกเลี่ยงนิสัยสิ้นเปลืองในการเปลี่ยนมอเตอร์หรือตัวควบคุมก่อนที่จะระบุปัญหาที่แท้จริงได้
การนำลำดับมาประกอบกัน
การจับคู่ที่น่าเชื่อถือมาจากการตรวจสอบแบตเตอรี่ มอเตอร์ และตัวควบคุมเป็นระบบเดียวกัน เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้และขีดจำกัดการคายประจุของแบตเตอรี่ ยืนยันว่ามอเตอร์สามารถตอบสนองความต้องการแรงบิดและความเร็วของแอปพลิเคชันได้ และตรวจสอบว่าตัวควบคุมรองรับทั้งแบตเตอรี่และมอเตอร์ จากนั้นทดสอบภายใต้ภาระและอุณหภูมิที่สมจริง หากระบบยังคงหยุดทำงาน ข้อมูลแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิ และข้อมูลความผิดพลาดที่บันทึกไว้จะช่วยระบุได้ว่าถึงขีดจำกัดใดแล้ว แทนที่จะอาศัยการคาดเดาหรือการเปลี่ยนชิ้นส่วนโดยไม่จำเป็น
