Site Loader

Содержание

Управление бесколлекторным двигателем — схемотехника

Основная задача блока управления бесколлекторным двигателем — переключать обмотки статора в зависимости от положения ротора.

В двигателе постоянного тока эту задачу выполняет коллектор — диск на роторе с контактными площадками, по которому скользят токопроводящие графитовые щетки и переключают обмотки.
В асинхронном двигателе знать положение ротора не нужно, но для регулировки скорости нужно менять частоту переключения обмоток (или работать от сети со стандартной частотой 50Гц)

 Я начинал изучение схемотехники драйвера бесколлекторного двигателя по апноте Atmel «AVR492: Управление бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с помощью AT90PWM3» Она есть на русском языке. Немного пояснений: «Для управления БКЭПТ используется силовой каскад, состоящих из 3 полумостов. Схема силового каскада показана на рисунке 4.»
Здесь силовой каскад — это 6 транзисторов, схематично показанных ключами CmdSW, полумост — пара транзисторов, соединенных последовательно между «+» и «-» питания, например CmdSW1, CmdSW2. A, B, C — выводы обмоток двигателя, соединение обмоток между собой как у асинхронных двигателей. Эта схема позволяет току протекать между фазами A, B, C в любом направлении. Например если замкнуть ключ CmdSW1 и CmdSW4, то ток потечет от вывода A к выводу B, а если замкнуть CmdSW3 и CmdSW2 — от вывода В к выводу A. А если замкнуть CmdSW1 и CmdSW2 — получится короткое замыкание с выгоранием транзисторов, так что управлять транзисторами нужно осторожно. Кстати для управления коллекторым двигателем с реверсом нужно 2 полумоста, без реверса — 1 транзистор.
  Для регулирования силы тока в фазе используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Например часть времени открывают ключи CmdSW1, CmdSW4 и ток начинает течь от «A» к «B», затем закрывают CmdSW1 и открывают CmdSW2 и за счет индуктивности обмоток ток продолжить течь по кольцу  A-B-CmdSW4-«земля»-CmdSW2. Кстати в транзисторы встроены диоды, проводящие ток в обратном направлении. Так что если во второй фазе ШИМ разомкнуть все транзисторы, то в обмотке начнет расти напряжение и через эти диоды энергия из обмоток начнет возвращаться в сеть.
   Эта схема из 6 транзисторов называется трехфазным инвертором и применяется для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный для питания как бесколлекторных, так и асинхронных двигателей. Для бесколлекторных двигателей применяются низковольтные полевые транзисторы (MOSFET), для асинхронных двигателей — высоковольтные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). С помощью этой схемы можно осуществлять и рекуперацию. Её используют все и лучше не сделать.

  Как инвертор бывает оформлен в зависимости от мощности двигателя:

Для управления двигателями очень маленькой мощности используются специализированные микросхемы, в которой уже находятся 6 транзисторов и логика для управления ими. Это решение для двигателей дисководов и вентиляторов. Следующий шаг — микросхема,  управляющая транзисторами и транзисторы отдельно. И для высоких мощностей микросхема или контроллер управляет микросхемами драйверов транзисторов, а драйвера уже управляют самими транзисторами. Зачем такие сложности? Мощные транзисторы имеют управляющий вход с большей емкостью, слабая электроника не в состоянии обеспечить токи до нескольких ампер для быстрого их открытия. А у полуоткрытого транзистора большое сопротивление, он в этот момент греется или даже сгорает 🙂 Поэтому используют микросхемы-драйверы, внутри которых кстати тоже транзисторы, только менее мощные. Получается такой каскад из транзисторов.

Вот первый пример реализации инвертора — авиамодельный, самый дешевый. Фото с двух сторон.

 На одной стороне видно 6 транзисторов в корпусах SOIC. (3 N-канальных, 3 P-канальных), на другой стороне микроконтроллер ATMEGA8 и линейный стабилизатор для получения 5В питания. Ещё есть электролитический конденсатор и всякая мелочь — резисторы с конденсаторами. И всё. Дешево и сердито. Цена в рознице около 1000р. Микроконтроллер напрямую управляет затворами транзисторов. Греется такой контроллер довольно сильно, но так как он устанавливается на авиамодели, то хорошо обдувается. Разумеется есть более продвинутые модели, это просто пример упрощения и миниатюризации.

А вот фотография демо-платы от Atmel

 
Предполагается, что можно купить её и сразу начать программировать контроллер, пытаться крутить двигатель. Я решил не покупать, возможно зря. Во всяком случае к ней неплохо бы продавать сразу запасные транзисторы, я их сжег не один раз. И контроллер пару раз. Собственно 6 транзисторов справа, контроллер слева, драйвера транзисторов на другой стороне.

Схема моего драйвера с пояснениями
Я решил не делать простейший драйвер с тем, чтобы расширить возможности его применения, при необходимости несложно будет упростить. Схема разбита на 3 части. Она не такая наглядная, как в апноте Atmel, но постараюсь всё пояснить.

Первая часть — силовая

 
Силовые транзисторы VT1-VT6 управляются микросхемами-драйверами DA1-DA3. Транзисторы я выбрал IRLR3705 как одни из наиболее мощных в корпусе D-Pak на напряжение 55V с сопротивлением 8мОм. Я рассчитывал на напряжение работы 36В плюс запас. В принципе можно ставить транзисторы на радиаторы и использовать корпуса TO-220, но я решил не усложнять монтаж и паять транзисторы на плату. В таком случае для меньших мощностей можно ставить транзисторы в корпусе soic, а для больших — в D2-Pak.  Драйвера взял самые мощные из полумостовых от фирмы International Rectifier — irf2186s с током управления до 4A. Получился большой запас, но самые простые драйвера ir2101 из апнота атмел (ток 130/270мА) с мощными транзисторами справлялись плохо, разница в нагреве транзисторов была ощутима. Полумостовой драйвер управляет двумя транзисторами — верхним и нижним, для управления верхним транзистором нужно высокое напряжение, которое получается по бустрепной схеме питания с помощью диода и конденсатора (например C6, DD7), эта схема наиболее проста и принцип её можно легко найти в интернете. Можно было взять одну микросхему full-brige для управления сразу шестью транзисторами, но у меня разводка с ней получалась хуже. Между затворами транзисторов и драйверами — резисторы с диодом. Они ограничивают ток затвора, причем ток зарядки почти в 2 раза больше. Тут следующая логика — чем больше ток, тем меньше греются транзисторы при переключении, но растут всплески напряжения. Поэтому номинал резисторов нужно уменьшать до какого-либо разумного предела. Причем транзистор открывается медленнее, чем закрывается, поэтому ток зарядки я сделал больше. Сигнальные выводы драйверов подтянуты к земле на всякий случай, чтоб не сработали когда нет сигналов управления. В целом здесь всё почти так же, как в апноте атмел. Датчики холла также подключил как в апноте, здесь ничего интересного. Питание, силовые Выводы транзисторов и выводы датчиков холла выведены на клеммник X1. Для защиты от короткого замыкания нужно контролировать ток. Для этого служат резисторы R19, R21 суммарным сопротивлением 0,005Ом (в апноте был резистор 0,1Ом), падение напряжение на них усиливается микросхемой LM358 и идет на компаратор и АЦП контроллера. Реализация у меня получилась не очень удачной, но в большинстве случаев защита срабатывает. Неплохо было бы ставить переменный резистор, чтобы пользователь мог задавать порого срабатывания защиты, но это как-нибудь потом ). Также в контроллер заведен сигнал V_IN_MEAS, пропорцональный входному напряжению. Сделано это, чтобы не давать работать драйверу при входном напряжении более 36В, но защиту я пока не включил.  

Следующая часть схемы — питание логических элементов.

Из входного питания 24..36В нужно получить 12В для питания драйверов транзисторов и 5В для  остальной логики

Для получения 12В я использовал линейный стабилизатор MC78M12. Лишнее напряжение он просто рассеивает в виде тепла, но так как драйверы транзисторов поребляют не очень много нагрев приемлемый.
Для 5В питания линейный стабилизатор уже применить не получилось, потому что 5В ещё задумывалось использовать для питания внешнего экрана индикации и нагрев оказался слишком большим. Поэтому применил понижающий преобразователь L5973AD. Он не очень дорогой, но в отличии от ещё более дешевых вариантов имеет защиту от короткого замыкания на выходе. Внешняя обвязка для него и разводка дорожек выполнена по соответствующей апноте.
Обе эти микросхемы имеют максимально допустимое напряжение 35В. Для гашения возможного излишнего напряжения предназначена конструкция из транзисторов VT7, VT8 и стабилитрона VD3.

Последняя часть схемы — микроконтроллер AT90PWM3B с обвязкой.

  • 6 выводов PSCOUT_XX используются для управления драйверами транзисторов.
  • 3 вывода HALL_X используются для отслеживания датчиков холла двигателя.
  • 3 вывода задействованы на микропереключатель SA1 — он служит для переключения интерфейсов  драйвера (RS485 либо переменный резистор с кнопками), выбора числа пар полюсов подключенного двигателя (2 либо 4) и для проведения калибровки двигателя (определение положения датчиков холла)
  • 3 вывода задействованы для управления микросхемой-драйвером RS485
  • 6 выводов задействованы под вариант традиционного управления драйвером — с кнопками и переменным резистором. 4 кнопки служат для включения/выключения (Enable), реверса(F/R), тормоза(Brake) и выбора режима поддержания скорости(Mode). Еще один вывод Speed(analog) для переменного резистора задания скорости и на последний выход Hall_out подаются импульсы при срабатывании датчиков холла. Эти выводы и выводы интерфейса RS485 выведены на клеммник X3.
  • 2 вывода задействованы для контроля сигнала токового шунта ERROR_ADC. Один для быстрого срабатывания защиты, другой для грубой оценки потребляемого тока.
  • 1 вывод для контроля входного напряжения V_IN_MEAS
  • 1 вывод для светодиода VD5, полезного для индикации различных событий.
Также на схеме есть разъем программирования контроллера X2

Представленная схемотехника конечно не соответствует первоначальной идее о максимально дешевом драйвере, но относительно легко может быть упрощена. Можно убрать интерфейс RS485, поставить менее мощные транзисторы и драйверы управления ими.

Как сделать простейший драйвер для двигателя старого HDD

Устройство представляет собой электронный коммутатор и предназначено для работы с маломощными бесколлекторными (иначе бесщеточными) электродвигателями при условии соединения их обмоток звездой. Типичный пример таких агрегатов — привод дисковода классических винчестерских дисков персональных компьютеров.

Отличается схемной простотой и собирается на недефицитных деталях, которые хорошо представлены в интернет-торговле.

Схемные особенности

Устройство выполнено по схеме 3-фазного мультивибратора на полевых транзисторах с изолированным затвором, отдельные однотранзисторные каскады которого имеют идентичную структуру и соединены в кольцо. Каждый предыдущий каскад такого кольца управляет функционированием транзистора последующего. Стоки транзисторов соединены с обмотками двигателя напрямую.

Время нахождения транзисторов схемы в активном состоянии определяется последовательной RC-цепочкой, напряжение со средней точки которой подается на затвор.

Принципиальная схема устройства представлена на рисунке.

В составе схемы устройства задействованы следующие компоненты:

Транзисторы снабжены пластинчатым радиатором, который имеет прямую гальваническую связь со стоком. С учетом невысокой мощности управляемого бесколлекторного электродвигателя необходимость фиксации радиатора на корпусе с низким тепловым сопротивлением отсутствует. Цоколевка и рекомендуемое при сборке направление изгиба выводов представлены на рисунке.

Изготовление устройства

Схема устройства достаточно проста и не требует обязательного применения монтажной платы. С учетом ее рядной структуры в качестве силового несущего элемента может быть использована проволочная шина диаметром 1 – 2 мм, которая соединяется с плюсом источника питания. Общий вывод обмоток подключается на минус источника питания.

Подключается к трехфазному двигателю жесткого диска с общим проводом.

При сборке необходимо контролировать отсутствие коротких замыканий между отдельными неизолированными соединениями, при необходимости применяют кембрики.

Устройство при отсутствии ошибок в схеме начинает функционировать немедленно после подачи постоянного напряжения. Частоту вращения ротора двигателя можно менять заменой конденсаторов или резисторов, причем все устанавливаемые пассивные компоненты должны иметь одинаковый номинал.

Смотрите видео

МОДУЛЬ ДРАЙВЕРА МОТОРА BLDC

Эта статья предоставит важную теорию и полезные схемы драйверов двигателей жестких дисков, которые можно заставить крутиться с разной скоростью и разных направлениях, а уж где это использовать — решайте сами. Прежде всего обратите внимание, что обычный двигатель шпинделя жесткого диска (HDD) на самом деле является бездатчиковым трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока BLDC.

Как следует из названия, в бесщеточном (бесколлекторном) двигателе щетки не используются. Бесщеточный двигатель преодолевает потребность в механическом коммутаторе, меняя настройку на обратную, то есть катушки становятся статором, а постоянные магниты становятся частью ротора. Вращение двигателя достигается за счет изменения направления магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками. Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, ему не нужен ток, что устраняет необходимость в щетках и коммутаторе. Чтобы контролировать вращение можно регулировать величину и направление тока в этих неподвижных катушках извне.

Типичный бесколлекторный двигатель постоянного тока с тремя катушками на статоре будет иметь шесть проводов, но в большинстве конструкций три провода будут подключены внутри, а остальные три выходят наружу. Также обратите внимание, что трехфазный бесщеточный двигатель требует трех датчиков Холла для определения положения ротора. В зависимости от физического положения этих датчиков, существует два типа выходных сигналов — фазовый сдвиг 60 ° и фазовый сдвиг 120 °. Комбинируя сигналы трех датчиков Холла, можно определить точную последовательность электронной коммутации. Но в бессенсорном бесщеточном моторе сигналы обратной электродвижущей силы (BEMF) контролируются драйвером для коммутации сигнала вместо положения, определяемого датчиками Холла.

Вот поперечное сечение трехфазного бесщеточного двигателя на изображении ниже.

Это 4-х проводный двигатель BLDC от жесткого диска. HDD BLDC имеет четыре соединительных провода вместо трех упомянутых проводов ABC (часто обозначаемых как UVW). И 4-х контактный двигатель BLDC — это обычный трехфазный двигатель BLDC с выведенным центральным отводом. Если у двигателя есть фазы сопротивлением по 1 Ом каждая, то он должен давать 1 Ом от центрального ответвления до каждой фазы, 2 Ом между фазами. Хотя некоторые драйверы двигателей BLDC используют центральный отвод для измерения BEMF для коммутации.

Существует два типа мотора BLDC. Первый имеет встроенные датчики Холла для определения положения ротора, а второй — бессенсорный — не имеет датчика. Коммутация бессенсорного типа обычно основана на BEMF, генерируемой в обмотках статора.

Как запустить двигатель HDD 4-х проводной

Так как можно управлять двигателем HDD BLDC? Чтобы вращать его, нужно контролировать направление и синхронизацию тока в катушках статора, но этот метод управления более сложен. В продаже доступен широкий спектр бессенсорных микросхем драйверов двигателей BLDC, например DRV10866, цена модуля вполне доступная в интернет-магазинах. Двигатель работает с ним довольно хорошо — правда крутящий момент невысокий, что не удивительно, учитывая вход от источника питания 5 В.

DRV10866 — довольно популярная микросхема драйвера трехфазного бесщеточного двигателя без датчиков, интегрированная с шестью МОП-транзисторами с пиковыми токами до 680 мА. Она также предлагает синхронное выпрямление с широтно-импульсной модуляцией (PWM) и бессенсорную запатентованную схему управления обратной ЭДС (BEMF). Но есть и другое решение — универсальная плата драйвера двигателя BLDC для жестких дисков. Плата может использоваться для управления как 3-проводными, так и 4-проводными трехфазными бесщеточными двигателями постоянного тока. Кроме того тут есть несколько полезных опций, таких как управление скоростью и направлением вращения двигателя.

Описание платы драйвера двигателя

Контроллер платы драйвера бесщеточного двигателя 5 В — 12 В постоянного тока для двигателя жесткого диска.

  • Подходит для бесколлекторных моторов без датчика.
  • Защита от обратного напряжения
  • Защита от повышенного тока
  • Напряжение привода: 5-12 В
  • Рабочий ток: до 1,2 А
  • Диапазон скорости: 0-100%
  • Управление вращением: CW и CCW

Плата сконструирована так, что требуются проводные соединения только с двигателем и источником питания. Минимальное рекомендуемое Vin составляет 5 В, а максимальное — 12 В постоянного тока. Потенциометр встроенного регулятора меняет скорость двигателя. Кроме того, есть две перемычки для выбора 3-проводного / 4-проводного мотора и выбора прямого / обратного направления. Для нормальной работы все перемычки должны быть установлены. В общем вполне удобное решение для управления трехфазными бессенсорными бесщеточными двигателями.

Плата использует комбинацию стабилизатора напряжения с низким падением напряжения (LDO), микроконтроллера для генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией (PWM) для трехфазного бесщеточного двигателя BLDC.

Основная часть — драйвер двигателя — это DRV11873, один трехфазный бессенсорный драйвер BLDC от Texas Instruments. Вот типичная схема включения DRV11873.

16-контактный микроконтроллер (U1) настроен для подачи сигнала ШИМ (чуть ниже 25 кГц) на DRV11873 (U2) с потенциометром (W1) для регулировки скорости мотора путем изменения рабочего цикла ШИМ. Выход сигнала ШИМ может быть отведен от точки пайки, как показано на следующем изображении. Встроенная перемычка P1 соединена с выводом FR DRV11873, так что по умолчанию вывод остается в низком состоянии для вращения вперед (при переставлении вывод поднимается по потенциалу, и двигатель вращается в обратном направлении).

Следующая перемычка P4, подключенная к контакту COM DRV11873, предназначена для выбора 3-проводного / 4-проводного привода. На плате припаяны три дополнительных резистора (R4-R5-R6) для создания виртуального центрального отвода / нейтральной точки (для получения последовательности коммутации) для реализации 3-проводного привода двигателя BLDC.

Если выбирать вариант «сделай сам», стоит отметить, что оба чипа TI (DRV10866 и DRV11873) не сложно собирать. Для упрощения в качестве генератора ШИМ было бы лучше взять таймер 555 как широтно-импульсный модулятор, способный выдавать выходной сигнал примерно 25 кГц с рабочим циклом, который может изменяться от 5% до 95%.

И вот еще одна плата, похожая на описанную, но с небольшими изменениями в компоновке деталей. Микросхема драйвера двигателя — DRV11873, микроконтроллер — STC15W404A, регулятор напряжения — HT7550-1.

В общем найти подходящий драйвер для двигателя жесткого диска или оптического привода вполне возможно, в продаже есть десятки вариантов модулей, просто нужно выбрать правильный.

   Форум по HDD электромоторам

   Форум по обсуждению материала МОДУЛЬ ДРАЙВЕРА МОТОРА BLDC



3-фазное бесщеточное управление двигателем постоянного тока с датчиками холла

Трехфазное бесшумное управление двигателем постоянного тока с датчиками Холла

В этой статье описывается, как управлять трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока с использованием GreenPAK.

Бесщеточные электродвигатели постоянного тока (BLDC), также известные как электронно-коммутируемые двигатели (ECM, EC двигатели) или синхронные двигатели постоянного тока, являются синхронными двигателями, питаемыми от постоянного тока через инвертор или импульсный источник питания, который производит электрический ток переменного тока для управления каждой фазой двигателя через контроллер замкнутого контура. Контроллер обеспечивает импульсы тока к обмоткам двигателя, которые управляют скоростью и крутящим моментом двигателя.

Преимущества бесколлекторного двигателя на щетковом двигателе — это отношение высокой мощности к весу, высокая скорость и электронное управление. Бесщеточные двигатели находят применение в таких местах, как компьютерная периферия (дисковые накопители, принтеры), ручные электроинструменты и транспортные средства, которые варьируются от моделей самолетов до автомобилей.

Принцип построения и эксплуатации

Конструкция и работа двигателя BLDC очень похожи на асинхронные двигатели переменного тока и моторы постоянного тока. Как и все другие двигатели, двигатели BLDC также состоят из ротора и статора, что видно на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкция двигателя BLDC

Статор двигателя BLDC изготовлен из многослойной стали, сложенной для переноса обмоток. Обмотки в статоре могут быть расположены в двух шаблонах: звездный рисунок (Y) или дельта-шаблон (Δ). Основное различие между двумя шаблонами заключается в том, что Y-образная диаграмма дает высокий крутящий момент при низких оборотах, а диаграмма Δ дает низкий крутящий момент при малой скорости вращения. Это связано с тем, что в конфигурации Δ половина напряжения подается на обмотку, которая не приводится в движение, что увеличивает потери и, в свою очередь, эффективность и крутящий момент. Двигатели BLDC управляются с использованием электрических циклов. Один электрический цикл имеет 6 состояний. На фиг. 2 показана последовательность коммутации двигателя на основе датчика Холла.

Рисунок 2. Временная диаграмма последовательности коммутации двигателя на датчике Холла

Основополагающие принципы работы двигателя BLDC такие же, как и с мотором постоянного тока. В случае мостового двигателя постоянного тока обратная связь реализуется с использованием механического коммутатора и щетки. В двигателе BLDC обратная связь достигается за счет использования нескольких датчиков обратной связи. Наиболее часто используемые датчики — датчики Холла и оптические датчики.

В трехфазном BLDC количество зубьев (полюсов) кратно 3, а количество магнитов кратно 2. В зависимости от количества магнитов и зубьев каждый двигатель имеет различное количество зубцов (т.е. магнитные аттракционы между роторы и статоры), шаг за ход. Чтобы вычислить количество шагов (N), нам нужно знать, сколько зубов и сколько магнитов используется в двигателе. Мотор, используемый в этой заявке, имеет 12 зубьев (полюсов) и 16 магнитов.

Итак, чтобы сделать 1 оборот, нам нужно сгенерировать 48 электрических шагов.

Проектирование трехфазного бесщеточного двигателя постоянного тока

Основная блок-схема и типичная схема приложения показаны на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

Рисунок 3. Блок-схема
Рисунок 4. Типичная схема приложения

Эта конструкция имеет 2 входа для управления скоростью и направлением двигателя. PIN № 8 контролирует направление; уровень HIGH на выводе № 8 показывает, что вращение двигателя по часовой стрелке, а уровень LOW указывает, что он против часовой стрелки. PIN № 2 используется для управления скоростью через входную частоту. Отсутствие сигнала частоты на этом контакте отключит драйвер, и двигатель остановится. Применяя частоту к этому выводу, он запустит двигатель в течение первых 500 мс. Использование входной частоты позволяет очень точно контролировать скорость двигателя. Для расчета RPM нам нужно знать, сколько электрических шагов содержит мотор:

Двигатель в этом приложении имеет 48 шагов, поэтому на частоте 5 кГц двигатель будет работать со скоростью 6250 об / мин.

Конструкцию можно разделить на 4 части (рисунок 5): блок обработки датчиков Холла, блок управления затвором, блок управления PWM или блок управления скоростью и блок защиты.

Рисунок 5. Дизайн

Блок обработки датчиков Холла включает в себя ACMP (ACMP0, ACMP3, ACMP4), фильтры деформирования (DLY1, DLY5, DLY6) и DFF (DFF6, DFF7, DFF8). Датчики Холла, используемые в этом проекте, имеют 4 контакта; VDD, GND и 2 дифференциальных выхода, которые подключены к входам IN + и IN для ACMP. Внутренний компонент Vref, установленный в 1, 2 В, используется как VDD для датчиков Холла. Отфильтрованные сигналы от ACMP поступают в D-входы DFF. Входная частота синхронизирует эти DFF и устанавливает скорость вращения. Сигналы от этих DFF переходят к драйверу ворот и 3-бит LUT14, который настроен как XNOR. Результат состоит в том, что выход чередуется на уровень каждый раз, когда любой датчик Холла меняет свою полярность. Оба краевых детектора генерируют фактическую частоту частоты (частота Холла), которая сравнивается с входной частотой для генерации сигнала ШИМ для управления скоростью вращения.

Блок драйвера ворот включает 12 3-битных LUT, которые коммутируют внешние транзисторы в зависимости от обратной связи датчиков Холла. 6 для LUT (3-бит LUT8 — 3-бит LUT13) используются для направления CW, а для переключения в направлении CCW используются еще 6 (3-бит LUT1 — 3-бит LUT6). Этот блок также включает 3 2-битных LUT (2-бит LUT4, 2-бит LUT5 и 2-бит LUT6) для смешивания сигналов для PMOS-транзисторов каждой фазы с PWM, чтобы гарантировать, что скорость вращения не зависит от нагрузки.

Контроллер PWM включает в себя компонент PWM2, счетчик CNT8, конечный автомат FSM1, 3-бит LUT15, 2 DFF (DFF0 и DFF1), детектор переднего фронта PDLY0 и инвертор INV0. DFF0 и DFF1 вместе работают как частотный компаратор; Выход DFF0 nQ выходит за пределы LOW, когда входная частота выше, чем частота Холла, а выход DFF1 nQ выходит за пределы LOW, когда входная частота ниже частоты Холла.

На уровне LOW на входе «+» выход PWM2 OUT + генерирует сигнал ШИМ с рабочим циклом, который колеблется от 256/256 до 1/256. На уровне LOW на входе «-» PWM2 OUT + генерирует PWM с изменяющимся рабочим циклом от 1/256 до 256/256. Частота ШИМ составляет ~ 100 кГц, а рабочий цикл IC установлен на 0% при запуске.

Двигатель останавливается до тех пор, пока не будет применена входная частота до PIN2. После подачи частоты на PIN2 выход DFF0 nQ будет гореть LOW, а PWM увеличит рабочий цикл от 0 до 99, 6%. Двигатель будет продолжать вращаться, пока датчики Холла превысят входную частоту. На этом этапе вывод DFF0 nQ будет ВЫСОКИЙ, и выход DFF1 nQ будет гореть LOW. Эта инверсия приводит к тому, что рабочий цикл PWM уменьшается до приемлемого значения при непосредственном VDD и нагрузке, наблюдаемой на двигателе. Эта система будет постоянно работать, чтобы сбалансировать рабочий цикл ШИМ. Функциональность FSM1, CNT8, 3-бит LUT15 и PWM2 описана более подробно в примечании к применению AN-1052.

Защитный блок включает в себя 2 задержки (DLY2 и DLY9), счетчик CNT0 и 2-бит LUT0, сконфигурированный как вентиль XOR. Эта часть конструкции используется для защиты от выгорания двигателя и внешних полевых транзисторов. Если двигатель застревает или не может запуститься, датчики Холла не смогут дать обратную связь, необходимую для выключения двигателя. Если после 100 мс DLY2 выход не поступит, то обратный сигнал LOW и 2-бит LUT0 отключит двигатель. Если это происходит, CNT0 и DLY9 пытаются запустить двигатель каждые 500 мс в течение 8 мс. Этот период достаточен для запуска двигателя, но он недостаточно длинный, чтобы вызвать повреждение двигателя.

Рисунок 6. Объем работы двигателя BLDC

Вывод

В этой статье показано, как пользователи могут управлять трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока с использованием SLG46620 GreenPAK CMIC и датчиков эффекта Холла. SLG46620 также содержит другие функции, которые могут быть использованы для этого проекта. Например, АЦП внутри GreenPAK может интерпретировать входное напряжение постоянного тока и генерировать импульс ШИМ от значения, а не использовать входную частоту.

Раньше, если разработчик хотел бы управлять двигателем BLDC, они были бы ограничены как электрическими характеристиками, так и функциями выделенных готовых решений IC. Это вынудило дизайнеров выбирать фиксированную функцию и потенциально избыточное или дорогостоящее решение, которое часто ограничивало бы IO своей системы.

Диалог GreenPAK отменяет этот процесс проектирования, возвращая конфигурацию обратно в руки дизайнера. Используя это приложение GreenPAK как универсально-применимую (и настраиваемую) трехфазную схему управления двигателем BLDC, дизайнер может выбрать распиновку и внешние полевые транзисторы, которые отвечают уникальным электрическим характеристикам своего проекта. Кроме того, даже учитывая внешние полевые транзисторы, решение Dialog GreenPAK по-прежнему достаточно мало, чтобы дизайн системы и стоимость спецификации были чрезвычайно конкурентоспособными по сравнению с выделенными ИС.

Рекомендации

Для соответствующих документов и программного обеспечения вы можете посетить страницу Гринпака.

Загрузите бесплатное программное обеспечение GreenPAK Designer (1), чтобы открыть .gp-файлы (2) и просмотреть предлагаемый дизайн схемы. Используйте инструменты разработки GreenPAK (3), чтобы заморозить дизайн в индивидуальную микросхему за считанные минуты. Dialog Semiconductor предоставляет полную библиотеку примечаний к приложениям (4) с примерами дизайна, а также объяснения функций и блоков в IC Dialog.

(1) Программное обеспечение GreenPAK Designer, Загрузка программного обеспечения и руководство пользователя

(2) .gp, файл дизайна GreenPAK (загрузка файла zip)

(3) Инструменты разработки GreenPAK

(4) Замечания по применению GreenPAK

Отраслевые статьи — это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.

Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы. Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое? Мощный бесколлекторный двигатель

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем — понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.


Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.
Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина
Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.


Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.


Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).


Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.
Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.
Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.


Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.


Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).


Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение
Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.
Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.


Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.
Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.


Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).


Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:


Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности
Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.
Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.
На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.


а. б.
Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.


а. б.
Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.
На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.


Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.
Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.


Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя
Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.
Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:
1. По датчикам Холла
2. По обратной ЭДС
Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.
Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла
Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.
Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.


Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.
Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

Положение двигателя HU(1) HV(2) HW(3) U V W
0 0 0 1 0 +
1 0 1 + 0
1 0 0 + 0
1 1 0 0 +
0 1 0 + 0
360/N 0 1 1 0 +

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).


Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС
Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).


Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:
1. Обмотка подключена к 0
2. Обмотка не подключена (свободная фаза)
3. Обмотка подключена к питающему напряжению
4. Обмотка не подключена (свободная фаза)
Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).


Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Текущее состояние U V W Следующее состояние
1 + 2
2 + 3
3 + Ожидание пересечения средней точки из + в — 4
4 + Ожидание пересечения средней точки из — в + 5
5 Ожидание пересечения средней точки из + в — + 6
6 + Ожидание пересечения средней точки из — в + 1

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.


Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя
Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.


Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).


Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.


Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой


Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab. com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:


Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.

После прохождения сигнала через фильтр колебания сглаживается и получается ровное напряжение относительно которого можно детектировать пересечение обратной ЭДС.


Рисунок 26. Напряжение после делителя и фильтра низких частот.

Средняя точка будет менять свое значение в зависимости от напряжения (скважности ШИМ), так же как и огибающая сигнала.

Полученные сигналы с компараторов заводятся на микроконтроллер, который их обрабатывает по алгоритму выше.
Пока на этом все.

Двигатели в мультироторных аппаратах бывают двух типов: коллекторные и бесколлекторные. Их главное отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного — на статоре. Не вдаваясь в подробности скажем, что бесколлекторный двигатель предпочтительнее коллекторного поскольку наиболее удовлетворяет требованиям, ставящимся перед ним. Поэтому в этой статье речь пойдёт именно о таком типе моторов. Подробно о разнице между бесколлекторными и коллекторными двигателями можно прочесть в .

Несмотря на то, что применяться БК-моторы начали сравнительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако появление транзисторных ключей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Устройство БК — моторов

Конструкция бесколлекторного двигателя состоит из ротора на котором закреплены магниты и статора на котором располагаются обмотки. Как раз по взаиморасположению этих компонентов БК-двигатели делятся на inrunner и outrunner.

В мультироторных системах чаще применяется схема Outrunner, поскольку она позволяет получать наибольший вращательный момент.

Плюсы и минусы БК — двигателей

Плюсы:

  • Упрощённая конструкция мотора за счёт исключения из неё коллектора.
  • Более высокий КПД.
  • Хорошее охлаждение
  • БК-двигатели могут работать в воде! Однако не стоит забывать, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина и он сломается через какое-то время. Для избежания подобных ситуаций рекомендуется обрабатывать двигатели при помощи водоотталкивающей смазки.
  • Наименьшие радиопомехи

Минусы:

Из минусов можно отметить только невозможность применения данных двигателей без ESC (регуляторы скорости вращения). Это несколько усложняет конструкцию и делает БК-двигатели дороже коллекторных. Однако если сложность конструкции является приоритетным параметром, то существуют БК-двигатели с встроенными регуляторами скорости.

Как выбрать двигатели для коптера?

При выборе бесколлекторных двигателей в первую очередь следует обратить внимание на следующие характеристики:

  • Максимальный ток — эта характеристика показывает какой максимальный ток может выдержать обмотка двигателя за небольшой промежуток времени. Если превысить это время, то неизбежен выход двигателя из строя. Так же этот параметр влияет на выбор ESC.
  • Максимальное напряжение — так же как и максимальный ток, показывает какое напряжение можно подать на обмотку в течение короткого промежутка времени.
  • KV — количество оборотов двигателя на один вольт. Поскольку этот показатель напрямую зависит от нагрузки на вал мотора, то его указывают для случая, когда нагрузки нет.
  • Сопротивление — от сопротивления зависит КПД двигателя. Поэтому чем сопротивление меньше — тем лучше.

Бесколлекторные электродвигатели

Бесколлекторные (brushless англ.) электродвигатели пришли в моделизм сравнительно недавно, в последние 5-7 лет. В отличие от коллекторных моторов они питаются трехфазным переменным током. Бесколлекторные двигатели эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД. Конструкция двигателя при этом проще, в ней нет щеточного узла, и нет необходимости в техническом обслуживании. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Стоимость бесколлекторных двигателей несколько выше, чем коллекторных. Это вызвано тем, что все бесколлекторные моторы снабжены подшипникам и, как правило, изготовлены более качественно. Хотя, разрыв в ценах между хорошим коллекторным мотором и бесколлекторным двигателем аналогичного класса не столь уж велик.

По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner (произносится как «инраннер») и outrunner (произносится как «аутраннер»). Двигатели первой группы имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Двигатели второй группы — «аутраннеры», имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами. Количество полюсов магнитов, используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным. По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Эти моторы по конструкции могут быть только «инраннерами». Такие двигатели часто продаются уже с закрепленными на них планетарными редукторами, так как их обороты слишком велики для прямого вращения пропеллера. Иногда такие моторы используют и без редуктора — например, ставят на гоночные авиамодели. Моторы с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения, но зато больший крутящий момент. Такие моторы позволяют использовать пропеллеры большого диаметра, без необходимости применять редукторы. Вообще, пропеллеры большого диаметра и небольшого шага, при относительно низкой частоте вращения обеспечивают большую тягу, но сообщают модели небольшую скорость, в то время как маленькие по диаметру пропеллеры с большим шагом на высоких оборотах обеспечивают высокую скорость, при сравнительно небольшой тяге. Таким образом, многополюсные моторы идеально подходят для моделей, которым нужна высокая тяговооруженность, а двухполюсные без редуктора — для скоростных моделей. Для более точного подбора двигателя и пропеллера к определенной модели, можно воспользоваться специальной программой MotoCalc.

Так как бесколлекторные моторы питаются переменным током, для работы им необходим специальный контроллер (регулятор), преобразующий постоянный ток от батарей в переменный. Регуляторы для бесколлекторных двигателей представляют собой программируемое устройство, позволяющее контролировать все жизненно важные параметры двигателя. Они позволяют не только менять обороты и направление работы мотора, но и обеспечивать в зависимости от необходимости плавный или резкий старт, ограничение по максимальному току, функцию «тормоза» и ряд других тонких настроек двигателя под нужды моделиста. Для программирования регулятора используются устройства для подключению его к компьютеру, либо в полевых условиях это можно делать с помощью передатчика и специальной перемычки.

Производителей бесколлекторных моторов и регуляторов к ним очень много. Конструктивно и по размерам бесколлекторные двигатели тоже сильно различаются. Более того, самостоятельное изготовление бесколлекторных двигателей на основе деталей от CD-приводов и других промышленных бесколлекторных моторов стало весьма распространенным явлением в последнее время. Возможно, именно по этой причине у бесколлекторных двигателей сегодня нет даже такой приблизительной общей классификации как у коллекторных собратьев. Подведем краткий итог. На сегодняшний день, коллекторные двигатели в основном используют на недорогих хоббийных моделях, или спортивных моделях начального уровня. Эти двигатели не дороги, просты в эксплуатации, и по-прежнему составляют самый массовый вид модельных электромоторов. Им на смену идут бесколлекторные моторы. Единственным сдерживающим фактором пока остается их цена. Вместе с регулятором бесколлекторный мотор стоит на 30-70% дороже. Однако, цены на электронику и моторы падают, и постепенное вытеснение из моделизма коллекторных электромоторов — лишь вопрос времени.

Отличительные особенности:

  • Общие сведения о БКЭПТ
  • Использует контроллер силового каскада
  • Аппаратная реализация
  • Пример программного кода

Введение

В данных рекомендациях по применению описывается, как реализовать устройство управления бесколлекторным электродвигателем постоянного тока (БКЭПТ) с использованием датчиков положения на основе AVR-микроконтроллера AT90PWM3.

Высокопроизводительное AVR-ядро микроконтроллера, которое содержит контроллер силового каскада, позволяет реализовать устройство управления высокоскоростным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока.

В данном документе дается короткое описание принципа действия бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, а в деталях рассматривается управление БКЭПТ в сенсорном режиме, а также приводится описание принципиальной схемы опорной разработки ATAVRMC100, на которой основаны данные рекомендации по применению.

Обсуждается также программная реализация с программно-реализованным контуром управления на основе ПИД-регулятора. Для управления процессом коммутации подразумевается использование только датчиков положения на основе эффекте Холла.

Принцип действия

Области применения БКЭПТ непрерывно увеличиваются, что связано с рядом их преимуществ:

  1. Отсутствие коллекторного узла, что упрощает или даже вообще исключает техническое обслуживание.
  2. Генерация более низкого уровня акустического и электрического шума по сравнению с универсальными коллекторными двигателями постоянного тока.
  3. Возможность работы в опасных средах (с воспламеняемыми продуктами).
  4. Хорошее соотношение массогабаритных характеристик и мощности…

Двигатели такого типа характеризуются небольшой инерционностью ротора, т.к. обмотки расположены на статоре. Коммутация управляется электроникой. Моменты коммутации определяются либо по информации от датчиков положения, либо путем измерения обратной э.д.с., генерируемой обмотками.

При управлении с использованием датчиков БКЭПТ состоит, как правило, из трех основных частей: статор, ротор и датчики Холла.

Статор классического трехфазного БКЭПТ содержит три обмотки. Во многих двигателях обмотки разделяются на несколько секций, что позволяет уменьшить пульсации вращающего момента.

На рисунке 1 показана электрическая схема замещения статора. Он состоит из трех обмоток, каждая из которых содержит три последовательно включенных элемента: индуктивность, сопротивление и обратная э.д.с.


Рисунок 1. Электрическая схема замещения статора (три фазы, три обмотки)

Ротор БКЭПТ состоит из четного числа постоянных магнитов. Количество магнитных полюсов в роторе также оказывает влияние на размер шага вращения и пульсации вращающего момента. Чем большее количество полюсов, тем меньше размер шага вращения и меньше пульсации вращающего момента. Могут использоваться постоянные магниты с 1..5 парами полюсов. В некоторых случаях число пар полюсов увеличивается до 8 (рисунок 2).



Рисунок 2. Статор и ротор трехфазного, трехобмоточного БКЭПТ

Обмотки установлены стационарно, а магнит вращается. Ротор БКЭПТ характеризуется более легким весом относительно ротора обычного универсального двигателя постоянного тока, у которого обмотки расположены на роторе.

Датчик Холла

Для оценки положения ротора в корпус двигателя встраиваются три датчика Холла. Датчики установлены под углом 120° по отношению друг к другу. С помощью данных датчиков возможно выполнить 6 различных переключений.

Коммутация фаз зависит от состояния датчиков Холла.

Подача напряжений питания на обмотки изменяется после изменения состояний выходов датчиков Холла. При правильном выполнении синхронизированной коммутации вращающий момент остается приблизительно постоянным и высоким.



Рисунок 3. Сигналы датчиков Холла в процессе вращения

Коммутация фаз

В целях упрощенного описания работы трехфазного БКЭПТ рассмотрим только его версию с тремя обмотками. Как было показано ранее, коммутация фаз зависит от выходных значений датчиков Холла. При корректной подаче напряжения на обмотки двигателя создается магнитное поле и инициируется вращение. Наиболее распространенным и простым способом управления коммутацией, используемый для управления БКЭПТ, является схема включения-отключения, когда обмотка либо проводит ток, либо нет. В один момент времени могут быть запитаны только две обмотки, а третья остается отключенной. Подключение обмоток к шинам питания вызывает протекание электрического тока. Данный способ называется трапецеидальной коммутацией или блочной коммутацией.

Для управления БКЭПТ используется силовой каскад, состоящих из 3 полумостов. Схема силового каскада показана на рисунке 4.



Рисунок 4. Силовой каскад

По считанным значениям датчиков Холла определяется, какие ключи должны быть замкнутыми.

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.

На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные ” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Несколько первых прототипов


Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

  • ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
  • напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
  • температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;
Для сбора всех параметров с датчиков и передачи их на компьютер используется микроконтроллер серии AVR mega на плате Arduino nano. Общение микроконтроллера с компьютером осуществляется посредством COM порта. Для обработки показаний была написана специальная программа записывающая, усредняющая и демонстрирующая результаты измерений.

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

  • потребляемый ток;
  • потребляемое напряжение;
  • потребляемая мощность;
  • выходная мощность;
  • обороты вала;
  • момент на валу;
  • мощность уходящая в тепло;
  • температура внутри мотора.
Видео демонстрирующее работу стенда:

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Опубліковано 19.03.2013

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора, методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор – магниты, статор – обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Обычно люди, сталкиваясь с чем-то новым, ищут аналогии. Иногда приходится слышать фразы “ну это как синхронник”, или еще хуже “он похож на шаговик”. Поскольку большинство бесколлекторных двигателей трехфазные, это еще больше путает, что приводит к неправильному мнению о том, что регулятор “кормит” двигатель переменным 3-x фазным током. Все вышесказанное соответствует действительности только отчасти. Дело в том, что синхронными можно назвать все двигатели кроме асинхронных. Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. Как шаговый бесколлекторный двигатель тоже, наверное, сможет работать. Но тут такое дело: кирпич он тоже может летать… правда, недалеко, ибо для этого не предназначен. В качестве шагового двигателя больше подойдет вентильный реактивный двигатель .

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ – это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел – коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники – просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Для того чтобы понять, что происходит в электронике регулятора, управляющего бесколлекторным двигателем, вернемся немного назад и сначала разберемся как работает коллекторный двигатель. Из школьного курса физики помним, как магнитное поле действует на рамку с током. Рамка с током вращается в магнитном поле. При этом она не вращается постоянно, а поворачивается до определенного положения. Для того чтобы происходило непрерывное вращение, нужно переключать направление тока в рамке в зависимости от положения рамки. В нашем случае рамка с током – это обмотка двигателя, а переключением занимается коллектор – устройство со щетками и контактами. Устройство простейшего двигателя смотри на рисунке.

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем – в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Из вышесказанного важно уяснить, что подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т.д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла (например SS41). В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Позже будет рассмотрен алгоритм управления трехфазным бесколлекторным двигателем.

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких – без датчиков? В чем их отличие?

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) – применяют двигатели с датчиками.
Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная. Фактически фазы – это обмотки двигателя. Поэтому если сказать “трехобмоточный”, думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме “звезда” или “треугольник”. Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода – выводы обмоток, см. рисунок.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

принцип работы, управление бесколлекторными электродвигателями. Бесколлекторный электродвигатель своими руками

Двигатели в мультироторных аппаратах бывают двух типов: коллекторные и бесколлекторные. Их главное отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного — на статоре. Не вдаваясь в подробности скажем, что бесколлекторный двигатель предпочтительнее коллекторного поскольку наиболее удовлетворяет требованиям, ставящимся перед ним. Поэтому в этой статье речь пойдёт именно о таком типе моторов. Подробно о разнице между бесколлекторными и коллекторными двигателями можно прочесть в .

Несмотря на то, что применяться БК-моторы начали сравнительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако появление транзисторных ключей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Устройство БК — моторов

Конструкция бесколлекторного двигателя состоит из ротора на котором закреплены магниты и статора на котором располагаются обмотки. Как раз по взаиморасположению этих компонентов БК-двигатели делятся на inrunner и outrunner.

В мультироторных системах чаще применяется схема Outrunner, поскольку она позволяет получать наибольший вращательный момент.

Плюсы и минусы БК — двигателей

Плюсы:

  • Упрощённая конструкция мотора за счёт исключения из неё коллектора.
  • Более высокий КПД.
  • Хорошее охлаждение
  • БК-двигатели могут работать в воде! Однако не стоит забывать, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина и он сломается через какое-то время. Для избежания подобных ситуаций рекомендуется обрабатывать двигатели при помощи водоотталкивающей смазки.
  • Наименьшие радиопомехи

Минусы:

Из минусов можно отметить только невозможность применения данных двигателей без ESC (регуляторы скорости вращения). Это несколько усложняет конструкцию и делает БК-двигатели дороже коллекторных. Однако если сложность конструкции является приоритетным параметром, то существуют БК-двигатели с встроенными регуляторами скорости.

Как выбрать двигатели для коптера?

При выборе бесколлекторных двигателей в первую очередь следует обратить внимание на следующие характеристики:

  • Максимальный ток — эта характеристика показывает какой максимальный ток может выдержать обмотка двигателя за небольшой промежуток времени. Если превысить это время, то неизбежен выход двигателя из строя. Так же этот параметр влияет на выбор ESC.
  • Максимальное напряжение — так же как и максимальный ток, показывает какое напряжение можно подать на обмотку в течение короткого промежутка времени.
  • KV — количество оборотов двигателя на один вольт. Поскольку этот показатель напрямую зависит от нагрузки на вал мотора, то его указывают для случая, когда нагрузки нет.
  • Сопротивление — от сопротивления зависит КПД двигателя. Поэтому чем сопротивление меньше — тем лучше.

Как только я начал заниматся авиамоделизмом, мне сразу стало интересно почему у двигателя три провода, почему он такой маленький и в то же время такой мощный и зачем ему нужен регулятор скорости… Прошло время, и я во всем разобрался. И дальше поставил перед собой задачу сделать своими руками бесколлекторный двигатель.

Принцип работы электрического двигателя:
В основу работы любой электрической машины положено явление электромагнитной индукции. Поэтому если в магнитное поле поместить рамку с током, то на неё подействует сила Ампера , которая создаст вращательный момент. Рамка начнет поворачиваться и остановится в положении отсутствия момента, создаваемого силой Ампера.


Устройство электрического двигателя:
Любой электрический двигатель состоит из неподвижной части — Статора и подвижной части — Ротора . Для того чтобы началось вращение, нужно по очереди менять направление тока. Эту функцию и выполняет Коллектор (щетки).

Бесколлекторный двигатель — это двигатель ПОСТОЯННОГО ТОКА без коллектора, в котором функции коллектора выполняет электроника. (Если у двигателя три провода, это не значит что он работает от трехфазного переменного тока! А работает он от «порций» коротких импульсов постоянного тока, и не хочу вас шокировать, но те же двигатели которые используются в кулерах, тоже бесколлекторные, хоть они и имеют всего два провода питания постоянного тока)

Устройство бесколлекторного двигателя:
Inrunner
(произносится как «инраннер»). Двигатель имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.


Outrunner
(произносится как «аутраннер»). Двигатель имеет неподвижные обмотки (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Принцип работы:
Для того чтобы бесколлекторный двигатель начал вращаться, напряжение на обмотки двигателя надо подавать синхронно. Синхронизация может быть организованна с использованием внешних датчиков (оптические или датчики холла), так и на основе противоЭДС (бездатчиковый), которая возникает в двигателе при его вращении.

Бездатчиковое управление:
Существуют бесколлекторные двигатели без каких либо датчиков положения. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз (А) подключен «+» к другой (В) «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС (т.е. в следствии закона электромагнитной индукции в катушке образуется индукционный ток) в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе (С) изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора.
Что бы измерить это напряжение изпользуется метод «виртуальной точки». Суть заключается в том, что, зная сопротивление всех обмоток и начальное напряжение, можно виртуально «переложить провод» в место соединения всех обмоток:
Регулятор скорости бесколлекторного двигателя:
Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка, т. к. при отсутствии регулятора, мы не можем просто подключить напряжение на него, чтоб он просто начал нормальное вращение. Регулятор скорости — это довольно сложная система радиокомпонентов, т.к. она должна:
1) Определять начальное положение ротора для запуска электродвигателя
2) Управлять электродвигателем на низких скоростях
3) Разгонять электродвигатель до номинальной (заданной) скорости вращения
4) Поддерживать максимальный момент вращения

Принципиальная схема регулятора скорости (вентильная):


Бесколлекторные двигатели были придуманы на заре появления электричества, однако систему управления к ним никто не мог сделать. И только с развитием электроники: с появлением мощных полупроводниковых транзисторов и микроконтроллеров, бесколлекторные двигатели стали применятся в быту (первое промышленное использование в 60-х годах).

Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:

Достоинства:
-Частота вращения изменяется в широком диапазоне
-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
-Большая перегрузочная способность по моменту
-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы)
Разобравшись с теорией, перейдем к практике: спроектируем и сделаем двигатель для пилотажной модели МХ-2.

Список материалов и оборудования:
1) Проволока (взятая из старых трансформаторов)
2) Магниты (купленные в интернете)
3) Статор (барашек)
4) Вал
5) Подшипники
6) Дюралюминий
7) Термоусадка
8) Доспуп к неограниченному техническому хламу
9) Доступ к инструментам
10) Прямые руки:)

Ход работы:
1) С самого начала решаем:

Для чего делаем двигатель?
На что он должен быть рассчитан?
В чем мы ограничены?

В моем случае: я делаю двигатель для самолета, значит пускай он будет внешнего вращения; рассчитан он должен на то, что он должен выдать 1400 грамм тяги при трех-баночном аккумуляторе; ограничен я в весе и в размере. Однако с чего же начать? Ответ на этот вопрос прост: с самой трудной детали, т.е. с такой детали, которую легче просто найти, а все остальное подгонять под неё. Я так и поступил. После многих неудачных попыток сделать статор из листовой мягкой стали, мне стало понятно, что лучше найти её. Нашел я её в старой видеоголовке от видеорекоудора.

2) Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется изолированным медным проводом, от сечения которого зависит значение силы тока, а значит и мощность двигателя. Незабываем что, чем толще проволока, тем больше оборотов, но слабее крутящий момент. Подбор сечения:

1А — 0.05мм; 15А — 0.33мм; 40А — 0.7мм

3А — 0.11мм; 20А — 0.4мм; 50А — 0.8мм

10А — 0.25мм; 30А — 0.55мм; 60А — 0.95мм


3) Начинаем наматывать на полюса проволоку. Чем больше витков (13) намотано на зуб, тем большее магнитное поле. Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов. Для получения высоких оборотов, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение.
4) Дальше выбираем способ соединения обмотки: звездой или треугольником. Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов, чем соединение треугольником в 1. 73 раз. (впоследствии было выбрано соединение треугольник)

5) Выбираем магниты. Количество полюсов на роторе должно быть четным (14). Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. Также чем больше количество полюсов, тем больше момент, но меньше оборотов. Магниты на роторе закрепляются с помощью специального термоклея.

Испытания данного двигателя я проводил на созданной мной витномоторной установке, которая позволяет измерить тягу, мощность и обороты двигателя.

Чтобы увидеть отличия соединений «звезда» и «треугольник» я соединял по разному обмотки:

В итоге получился двигатель соответствующий характеристикам самолета, масса которого 1400 грамм.

Характеристики полученного двигателя:
Потребляемый ток: 34.1А
Ток холостого хода: 2.1А
Сопротивление обмоток: 0. 02 Ом
Количество полюсов: 14
Обороты: 8400 об/мин

Видеоотчет испытания двигателя на самолете… Мягкой посадки:D

Расчет КПД двигателя:


Очень хороший показатель… Хотя можно было еще выше добиться…

Выводы:
1) У бесколлекторных двигателей высокая эффективность и КПД
2) Бесколлекторные двигатели компактны
3) Бесколлекторные двигатели можно использовать во взрывоопасных средах
4) Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов в 1.73 раза, чем соединение треугольником.

Таким образом, изготовить собственный бесколлекторный мотор для пилотажной модели самолета- задача выполнимая

Если у вас есть вопросы или вам что-то не понятно, задавайте мне вопросы в комметариях этой статьи. Удачи всем)

Это разновидность электродвигателя переменного тока, у которого коллекторно-щеточный узел заменен бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора. Иногда можно встретить такую аббревиатуру: BLDС — это brushless DC motor. Для простоты буду называть его двигатель-бесколлекторник или просто БК.

Бесколлекторные двигатели достаточно популярны из-за своей специфики: отсутствуют расходные материалы типа щеток, отсутствует угольная/металлическая пыль внутри от трения, отсутствуют искры (а это огромное направление взрыво и огне безопасных приводов/насосов). Используются начиная от вентиляторов и насосов заканчивая высокоточными приводами.
Основное применение в моделизме и любительских конструкциях: двигатели для радиоуправляемых моделей.

Общий смысл этих двигателей — три фазы и три обмотки (или несколько обмоток соединенных в три группы) управление которыми осуществляется сигналом в виде синусоиды или приближенной синусоиды по каждой из фаз, но с некоторым сдвигом. На рисунке простейшая иллюстрация работы трехфазного двигателя.

Соответственно, одним из специфичных моментов управления БК двигателями является применение специального контроллера-драйвера, который позволяет регулировать импульсы тока и напряжения по каждой фазе на обмотках двигателя, что в итоге дает стабильную работу в широком диапазоне напряжений. Это так называемые ESC контроллеры.

БК моторы для р/у техники бывают различных типоразмеров и исполнения. Одни из самых мощных это серии 22 мм, 36 мм и 40/42 мм. По конструкции они бывают с внешним ротором и внутренним (Outrunner, Inrunner). Моторы с внешним ротором по факту не имеют статичного корпуса (рубашки) и являются облегченными. Как правило, используют в авиамоделях, в квадракоптерах и т.п.
Двигатели с внешним статором проще сделать герметичными. Подобные применяют для р/у моделей, которые подвергаются внешним воздействиям тип грязи, пыли, влаги: багги, монстры, краулеры, водные р/у модели).
Например, двигатель типа 3660 можно запросто установить в р/у модель автомобиля типа багги или монстра и получить массу удовольствия.

Также отмечу различную компоновку самого статора: двигатели 3660 имеют 12 катушек, соединенных в три группы.
Это позволяет получить высокий момент на валу. Выглядит это примерно так.


Соединены катушки примерно вот так


Если разобрать двигатель и извлечь ротор, то можно увидеть катушки статора.
Вот что внутри 3660 серии


еще фото

Любительское применение подобным двигателей с высоким моментом — в самодельных конструкциях, где требуется малогабаритный мощный оборотистый двигатель. Это могут быть вентиляторы турбинного типа, шпиндели любительских станков и т.п.

Так вот, с целью установки в любительский станок для сверления и гравировки был взят набор бесколлекторного двигателя вместе с ESC контроллером
GoolRC 3660 3800KV Brushless Motor with ESC 60A Metal Gear Servo 9.0kg Set


Плюсом в наборе был сервопривод на 9 кг, что очень удобно для самоделок.

Общие требования при выборе мотора были следующие:
— Количество оборотов/вольт не менее 2000, так как планировалось использование с низковольтными источниками (7.4…12В).
— Диаметр вала 5мм. Рассматривал варианты с валом 3.175 мм (это серия 24 диаметра БК двигателей, например, 2435), но тогда бы пришлось докупать новый патрон ER11. Есть варианты еще мощнее, например, двигатели 4275 или 4076, с валом 5 мм, но они соответственно дороже.

Характеристики бесколлекторного мотора GoolRC 3660:
Модель: GoolRC 3660
Мощность: 1200W
Рабочее напряжение: до 13V
Предельный ток: 92A
Обороты на вольт (RPM/Volt): 3800KV
Максимальные обороты: до 50000
Диаметр корпуса: 36mm
Длина корпуса: 60mm
Длина вала: 17mm
Диаметр вала: 5mm
Размер установочных винтов: 6 шт * M3 (короткие, я использовал М3*6)
Коннекторы: 4mm позолоченные «бананы» male
Защита: от пыли и влаги

Характеристики ESC контроллера:
Модель: GoolRC ESC 60A
Продолжительный ток: 60A
Пиковый ток: 320A
Применяемый аккумуляторные батареи: 2-3S Li-Po / 4-9S Ni-Mh Ni-Cd
BEC: 5.8V / 3A
Коннекторы (Вход): T plug male
Коннекторы (вызод.): 4mm позолоченные «бананы» female
Размеры: 50 х 35 х 34mm (без учета длины кабелей)
Защита: от пыли и влаги

Характеристики сервомашинки:
Рабочее напряжение: 6.0V-7.2V
Скорость поворота (6.0V): 0.16sec/60° без нагрузки
Скорость поворота (7. 2V): 0.14sec/60° без нагрузки
Момент удержания (6.0V): 9.0kg.cm
Момент удержания (7.2V): 10.0kg.cm
Размеры: 55 х 20 х 38mm (Д * Ш * В)

Параметры комплекта:
Размер упаковки: 10.5 х 8 х 6 см
Масса упаковки: 390 гр
Фирменная упаковка с логотипом GoolRC

Состав комплекта:
1 * GoolRC 3660 3800KV Motor
1 * GoolRC 60A ESC
1 * GoolRC 9KG Servo
1 * Информационный листок


Размеры для справки и внешний вид двигателя GoolRC 3660 с указанием основных моментов

Теперь несколько слов о самой посылке.
Посылка пришла в виде небольшого почтового пакета с коробкой внутри


Доставлялась альтернативной почтовой службой, не почтой России, о чем и гласит транспортная накладная


В посылке фирменная коробочка GoolRC


Внутри комплект бесколлекторного двигателя типоразмера 3660 (36х60 мм), ESC-контроллера для него и сервомашинки с комплектом


Теперь рассмотрим весь комплект по отдельным составляющим. Начнем с самого главного — с двигателя.

БК двигатель GoolRC представляет собой цилиндр из алюминия, размеры 36 на 60 мм. С одной стороны выходят три толстых провода в силиконовой оплетке с «бананами», с другой стороны вал 5 мм. Ротор с двух сторон установлен на подшипниках качения. На корпусе присутствует маркировка модели


Еще фотография. Внешняя рубашка неподвижная, т.е. тип мотора Inrunner.


Маркировка на корпусе


С заднего торца видно подшипник


Заявлена защита от брызг и влаги
Выходят три толстых, коротких провода для подключения фаз: u v w. Если будете искать клеммы для подключения — это бананы 4 мм


Провода имеют термоусадку разного цвета: желтый, оранжевый и синий


Размеры мотора: диаметр и длина вала совпадают с заявленными: Вал 5х17 мм


Габариты корпуса двигателя 36х60 мм


Сравнение с коллекторным 775 двигателем


Сравнение с б/к шпинделем на 300Вт (и ценой около $100). Напоминаю, что у GoolRC 3660 заявлена пиковая мощность 1200Вт. Даже если использовать треть мощности, все равно это дешевле и больше, чем у этого шпинделя


Сравнение с другими модельными двигателями


Для корректной работы двигателя потребуется специальный ESC контроллер (который есть в комплекте)

ESC контроллер — это плата драйвера двигателя с преобразователем сигнала и мощными ключами. На простых моделях вместо корпуса используется термоусадка, на мощных — корпус с радиатором и активным охлаждением.


На фото контроллер GoolRC ESC 60A по сравнению с «младшим» братом ESC 20A


Обратите внимание: присутствует тумблер выключения-выключения на отрезке провода, который можно встроить в корпус устройства/игрушки


Присутствует полный комплект разъемов: входные Т-коннекторы, 4 мм бананы-гнезда, 3-пиновый вход управляющего сигнала


Силовые бананы 4 мм — гнезда, маркируются аналогично по цветам: желтый, оранжевый и синий. При подключении перепутать можно только умышленно


Входные Т-коннекторы. Аналогично перепутать полярность можно если вы очень сильный)))))


На корпусе присутствует маркировка с названием и характеристиками, что очень удобно


Охлаждение активное, работает и регулируется автоматически.

Для оценки размеров приложил PCB ruller

В наборе также присутствует сервомашинка GoolRC на 9 кг.


Плюс как и для любой другой сервомашинки в комплекте идет набор рычагов (двойной, крест, звезда, колесо) и крепежная фурнитура (понравилось, что есть проставки из латуни)


Макрофото вала сервомашинки


Пробуем закрепить крестообразный рычаг для фотографии


На самом деле интересно проверить заявленные зарактеристики — это металлический комплект шестерен внутри. Разбираем сервомашинку. Корпус сидит на герметике по кругу, а внутри присутствует обильная смазка. Шестерни и правда металлические.


Фото платы управления сервой

Для чего все это затевалось: для того, чтобы попробовать БК двигатель как сверлилку/гравировалку. Все таки заявлена пиковая мощность 1200Вт.
Я выбрал проект сверлильного станка для подготовки печатных плат на . Там есть множество проектов для изготовления светильного настольного станка. Как правило, все эти проекты малогабаритные и предназначены для установки небольшого двигателя постоянного тока.


Я выбрал один из и доработал крепление в части держателей двигателя 3660 (родной двигатель был меньше и имел другие размеры креплений)

Привожу чертеж посадочных мест и габаритов двигателя 3660


В оригинале стоит более слабый двигатель. Вот эскиз крепления (6 отверстий для М3х6)


Скрин из программы для печати на принтере


Заодно напечатал и хомут для крепления сверху


Мотор 3660 с установленным цанговым патроном типа ER11


Для подключения и проверки БК мотора потребуется собрать следующую схему: источник питания, сервотестер или плата управления, ESC-контроллер двигателя, двигатель.
Я использую самый простой сервотестер, он также дает нужный сигнал. Его можно использовать для включения и для регулировки оборотов двигателя


При желании можно подключить микроконтроллер (Ардуино и т.п.). Привожу схему из интернета с подключением аутраннера и 30А контроллера. Скетчи найти не проблема.


Соединяем все, по цветам.


Источник показывает, что холостой ток контроллера небольшой (0.26А)


Теперь сверлильный станок.
Собираем все и крепим на стойку


Для проверки собираю без корпуса, потом допечатаю корпус, куда можно установить штатный выключатель, крутилку сервотестера


Еще одно применение подобного 3660 БК двигателя — в качестве шпинделя станков для сверления и фрезеровки печатных плат


Про сам станок обзор доделаю чуть позже. Будет интересно проверить гравировку печатных плат с помощью GoolRC 3660

Заключение

Двигатель качественный, мощный, крутящий момент с запасом подойдет под любительские цели.
Конкретно живучесть подшипников при боковом усилии при фрезеровки/гравировки покажет время.
Определенно существует выгода применения модельных двигателей в любительских целях, а также простота работы и сборки конструкций на них по сравнению с шпинделями для ЧПУ, которые дороже и требуют специального оборудования (источники питания с регулировкой оборотов, драйверы, охлаждение и т.п.).

При заказе пользовался купоном SALE15 со скидкой 5% на все товары магазина.

Спасибо за внимание!

Планирую купить +59 Добавить в избранное Обзор понравился +92 +156

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем — понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.


Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.
Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина
Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.


Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.


Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).


Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.
Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.
Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.


Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.


Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).


Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение
Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.
Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.


Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.
Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.


Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).


Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:


Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности
Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.
Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.
На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.


а. б.
Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.


а. б.
Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.
На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.


Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.
Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.


Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя
Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.
Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:
1. По датчикам Холла
2. По обратной ЭДС
Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.
Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла
Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.
Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.


Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.
Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

Положение двигателя HU(1) HV(2) HW(3) U V W
0 0 0 1 0 +
1 0 1 + 0
1 0 0 + 0
1 1 0 0 +
0 1 0 + 0
360/N 0 1 1 0 +

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).


Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС
Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).


Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:
1. Обмотка подключена к 0
2. Обмотка не подключена (свободная фаза)
3. Обмотка подключена к питающему напряжению
4. Обмотка не подключена (свободная фаза)
Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).


Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Текущее состояние U V W Следующее состояние
1 + 2
2 + 3
3 + Ожидание пересечения средней точки из + в — 4
4 + Ожидание пересечения средней точки из — в + 5
5 Ожидание пересечения средней точки из + в — + 6
6 + Ожидание пересечения средней точки из — в + 1

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.


Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя
Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.


Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).


Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.


Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой


Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:


Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.
бесколлекторный двигатель

  • ЭДС
  • BLDC
  • Добавить метки

    Задача электрического двигателя создать вращение, что приводит в движение радиоуправляемые модели.Часто одни и те же радиоуправляемые модели — автомодели, авиамодели, судомодели — сильно отличаются друг от друга по цене — почти в 2 раза. Эти модели могут быть укомплектованы коллекторными и бесколлекторными двигателями и соответственными регуляторами. Нужно понять, какой двигатель выбрать.

    Существует 2 основных типа электродвигателей, использующихся в радиоуправляемых моделях: коллекторные и бесколлекторные.

    (brushed, щеточные) дешеле, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость и такие моторы менее надежны.

    Определяющей особенностей коллекторных двигателей является наличие щеточно-коллекторного узла, который обеспечивает движение радиоуправляемой модели. Главным внешним отличием коллекторного двигателя от бесколлекторного является наличие у него двух проводов вместо трех. Коллекторный двигатель состоит из подвижной части — ротор и неподвижной — статор (корпус). Коллектор — набор контактов, расположены на роторе и щётки — скользящие контакты, расположены вне ротора и прижаты к коллектору. Ротор с обмотками вращается внутри статора. Щётки используются, чтобы передавать электрическую энергию на катушки вращающихся обмоток ротора. Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости.

    Коллекторные двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях, работают от постоянного тока. К примеру, подав на два провода двигателя соответствующее напряжение от источника постоянного тока, например, обычной батарейки или аккумулятора, приводим вал двигателя в движение. Схема регулятора для коллекторного двигателя простая, что так же уменьшает стоимость такой комплектации. Ротор двигателя разгоняет магнитное поле, создаваемое на обмотках. Величина этого поля зависит от напряжения приложенного к обмоткам, чем большее магнитное поле будет создано, тем быстрее будет крутиться ротор. На двигателе обычно указывается число оборотов обмотки двигателя, чем меньше число, тем выше скорость вращения вала двигателя.
    Среди преимуществ коллекторных двигателей радиоуправляемых моделей можно выделить: малые размеры, вес, а также относительно низкая стоимость. Поэтому такой тип двигателя наиболее часто применяется в бюджетных комплектациях моделей или в моделях начального уровня. Если говорить о надежности коллекторного двигателя, то он сильно уступает бесколлекторному. При всей их простоте, у них один огромный недостаток — ограниченный ресурс. Наличие щеточно-коллекторного узла подразумевает механическую систему подвижных контактов, то есть механическая работа щеточек и коллектора может привести к искрению при перегреве и быстрый износ при неблагоприятных условиях эксплуатации (влага, грязь, пыль). В процессе работы коллекторных двигателей происходит постепенный износ графитовых щеток и металла коллектора, по которым щетки скользят и рано или поздно они выходят из строя. Перед началом эксплуатации модели, двигатель желательно обкатать при пониженной нагрузке для того, чтобы щетки правильно притерлись к коллектору. При агрессивной (может быть 2 заезда) или длительной эксплуатации модели замена коллекторного моторчика – это частое и обыденное явление.

    Бесколлекторные двигатели (brushless, бесщёточные) – дороже, но способны развить большую скорость, а также более износостойкие. Модель, оборудованная современной бесколлекторной системой, ездит и быстрее, и дольше.

    Высокая эффективность (коэффициент полезного действия) и износостойкость достигается благодаря отсутствию щеточно-коллекторного узла. Бесколлекторные моторы являются более мощными, чем коллекторные моторы того же размера. Главным внешним отличием бесколлекторного мотора от коллекторного является наличие у него трёх проводов вместо двух. У бесколлекторного двигателя подвижной частью является как раз статор (корпус) с постоянными магнитами, а неподвижной частью — ротор с трехфазной обмоткой. Переключение обмоток происходит за счет относительно сложной электронной схемы — регулятора.

    Бесколлекторный двигатель приводится во вращение трёхфазным переменным током, поэтому для их работы необходим специальный контроллер скорости (регулятор), преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный. Как бесколлекторный двигатель, так и регулятор для бесколлекторного двигателя имеет более сложную конструкцию, в силу чего, стоимость возрастает.

    Двигатели, используемые в моделях, имеют закрытый корпус, что делает их устойчивыми к влаге, пыли, грязи. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Изнашиваться могут только подшипники. Единственная возможность разбить мотор — в столкновении. Еще можно сжечь контроллер — как и любой регулятор, но при наличии в контроллере защиты по току он тоже прослужит долго.

    Значения характеристик двигателя для радиоуправляемых моделей
    .

    Помимо деления на коллекторные и бесколлекторные, двигатели делятся по следующим значимым характеристикам: мощности, КV, напряжению, максимальному току.

    По размерам . Для коллекторного двигателя — эта характеристика называется класс, где цифрой, к примеру, 280, 300,400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, обозначается длина корпуса двигателя. Существует набор классов.
    Пример: класс двигателя определяется его длиной — если мы говорим о двигателе 400-го класса, то речь идет о моторе с длиной корпуса 400мм. У Бесколлектоных двигателей важной характеристикой яляется его размер — длина и ширина. Различия в размерах дает представление о мощности бесколлекторного электромотора. Чем больше размер — тем выше мощность.
    Пример: Двигатель 4274 означает:
    диаметр — 42 мм,
    длина — 74 мм.

    Например, двигатель с такими размерами один из самых мощных, он подойдет на автомодель масштаба 1:8.

    Мощность двигателя (power, watt) — определяет работу, которую двигатель может выполнить в единицу времени. Самая важная характеристика мотора. Зная мощность, можно определить максимальную нагрузку которую может выдержать двигатель по формуле.
    Мощность (Ватт) = Напряжение питания (Вольт) * Сила тока (Ампер).
    Зная мощность можно подобрать аккумулятор и регулятор по максимальной силе тока, получаемой из формулы.

    Обороты , об/В (KV, RPM) — обороты на вольт.
    Важный параметр указывает скорость вращения вала двигателя. Обороты в минуту определяются количеством вращений в минуту, проще говоря как быстро вращается мотор. Скорость вращения ротора, измеряется в KV. Так принято обозначать коэффициент отношения частоты вращения оборотов мотора (об/мин) к напряжению питания мотора (В). Грубо говоря kV показывает насколько быстро будут вращаться разные моторы при одинаковом напряжении.
    Максимальные обороты = KV * Напряжение питания двигателя.
    Например: мотор мощностью 980 KV, на который подаются 11.1V от батарейки будет вращаться при 980 x 11.1 = 10878 оборотах в минуту без нагрузки.
    Показания тока могут представлять максимальный непрерывный ток и предельные значения тока, который может подаваться на двигатель. Выбирая аккумулятор и регулятор, выбирайте те, на которых указаны значения максимального непрерывного тока равного и больше, чем значения тока на моторе.
    Для разных моделей, разных используемых шестеренок и пропеллеров требуемый kV мотора подбирается и вычисляется индивидуально. По этому параметру можно подобрать применение мотора, аккумулятор и пропеллер. Так моторы с KV больше 2000, как правило, применяют на вертолетах либо на скоростных моделях. Мотор с высоким KV можно использовать с батарей из меньшего количества банок и он более эффективен с пропеллером с меньшим шагом. Моторы этого класса чаще используют на летающих крыльях. Моторы с меньшим KV позволяют ставить аккумуляторы с большим количеством банок, таким образом несколько набирая вес, но увеличивая продолжительность полета — не за счет емкости, а за счет снижения максимальных токов при той же работе выполняемой мотором. Чем выше KV моторов, тем компактнее должны быть винты. Винты небольшого размера обеспечивают более высокую скорость, но снижают эффективность. Конфигурацию с винтами большого размера и, соответственно, моторы с более низким значением KV проще заставить стабильно летать, она расходует меньше энергии, позволяет поднять большую массу.
    KV — значимая характеристика для бесколлекторных моторов. У коллекторных моторов обычно на KV не смотрят. Если моделист принял решение заменить коллекторный мотор, то обычно меняет на точно такой же.

    Напряжение питания, В (cell count, volts)
    Напряжение, к которому приспособлен двигатель. Определяет количество банок аккумулятора, которое можно использовать с мотоустановкой. При превышении резко уменьшается время жизни мотора.
    Например, имеются моторы с рабочим напряжением 4,8 вольта, 6 вольт, и 7,2 вольта. Эти цифры указывают, с каким количеством банок в батарее предназначен работать этот двигатель. Напряжение на одной банке NiMH (никель-металгидридном) аккумулятора составляет 1,2 вольта — мотор с рабочим напряжением 4,8 вольт предназначен для работы от 4-х баночного аккумулятора. Эти цифры ориентировочные, моторы способны работать и при повышенных напряжениях.
    Напряжение и KV связаны.

    , А (max load, peak current, max amps, surge current)
    Сила тока, которую способен без повреждения выдержать двигатель и регулятор. Максимальный ток тем больше,чем больше физические размеры бесколлекторного двигателя. , А (current load, continuous current)
    Количество ампер длительно и без перегрузки пропускаемое мотором при номинальном напряжении. Позволяет посчитать, сколько времени прослужит аккумулятор с этим мотором.

    Максимальная эффективность , % (max efficiency)
    КПД — то количество энергии, которое мотор переводит непосредственно в полезную работу. Чем выше — тем лучше.

    По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Эта характеристика говорит о конструктивной особенности мотора.
    Двигатели Inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Большенству радиоуправляемых моделей — машин и лодок требуются бесколлекторный мотор Inrunner.
    Двигатели Outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами, т. е. в аутраннерах вращается внешняя часть мотора. Аутранеры выбирают для авиамоделей, т. к. они в силу своей конструкции лучше охлаждаются и у них больше вариаций, как их можно прикрепить. Моторы Outrunner имеют меньшие значения в Киловольтах, что означает, что они движутся с меньшей скоростью, но с большим крутящим (вращающим) моментом. Обычно мощность Аутранеров не определяют по внешним габаритам. Аутраннеры благодаря своей конструкции позволяют использовать большее число магнитных полюсов.

    Количество полюсов магнитов , используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным.
    По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Моторы с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения, но зато больший крутящий момент.

    Также бесколлекторные двигатели бывают сенсорные и бессенсорные.
    Сенсорные лучше, так как сенсор обеспечивает более плавную работу двигателя, быстрый и плавный старт, более рациональное использование энергии.

    LV8804FV – драйвер трехфазного бесколлекторного двигателя постоянного тока, не требующий применения датчика Холла

    Автор: admin

    27 Фев

    Микросхема LV8804FV компании ON Semiconductor предназначена для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока в вентиляторах персональных компьютеров, серверов и холодильников.

    LV8804FV представляет собой бездатчиковый драйвер трехфазного электродвигателя, обеспечивающий малое энергопотребление и низкий уровень вибрации. Отсутствие необходимости применения датчика Холла позволяет уменьшить размер готового решения. Драйвер LV8804FV ориентирован на применение в приложениях, требующих высокой надежности при длительном сроке эксплуатации, таких как вентиляторы серверов и холодильников.

    Внутренняя архитектура LV8804FV

    Отличительные особенности:

    • Бездатчиковый драйвер трехфазного электродвигателя с функцией внешней ШИМ
    • Полностью интегрированное однокристальное решение
    • Интегрированная схема ограничения тока фаз (используется внешний резисторный датчик тока, при R = 0.25 Ом, Imax = 1 А)
    • Схема защиты от повреждения при блокировке двигателя с функцией автоматического возобновления работы
    • Интегрированная схема тепловой защиты
    • Вход сигнала внешней схемы ШИМ
    • Схема мягкого запуска двигателя
    • Схема мягкой коммутации силовых ключей
    • Интегрированные силовые ключи на N–канальных DMOS транзисторах
    • Выход датчика оборотов двигателя
    • Диапазон напряжения питания от 6 В до 15 В
    • Доступны в компактных 20 – выводных корпусах SSOP20J размером 5.2 мм x 4.4 мм x 1.5 мм
    • Диапазон рабочих температур от -30°C до +95°C

    Область применения:

    • Персональные компьютеры
    • Серверы
    • Холодильники

     

    Запросить образцы, средства разработки или техническую поддержку

     

    Документация на LV8804FV (англ.)

     

  • Рубрика: ON Semiconductor
  • Схема бесщеточного контроллера

    « Бесщеточные двигатели, 3-фазные инверторы, схемы

     

    Параметры и функции контроллера

    1. Характеристики:
    • – Использует аналогичный чип без программного обеспечения внутри.
    • – Работать только с бесколлекторными двигателями с датчиками.
    • – Скорость регулируется потенциометром
    • — Регулируемое ускорение замедление
    • – Управление контуром
    • – Фэкворд/Вперед
    • — Динамическое прерывание
    • – Датчик перегрузки по току от внешнего шунтирующего резистора, пороговый уровень 100 мВ.
    • — Защита от перегрева.
    • – Защита от пониженного напряжения.
    • — Полностью доступный усилитель ошибок для сервосистем с замкнутым контуром
    • — Регулируемая частота ШИМ
    • — опорное напряжение 6,25 В, способное подавать питание на датчик Холла

    Я использовал Eagle Cad для создания схемы и платы.

     

    Новая версия схемы и легко понять:

     

    Очень важно!!! без DC-DC преобразователя(выше IR2103) контроллер работать не может.

    Это еще одна версия с большим количеством параллельных мосфетов и другими драйверами.

    Я использовал только N-канальные МОП-транзисторы в соединении с драйвером полумостового МОП-транзистора IR2110.

    Вам также потребуется инвертор для верхних приводов (4049)

    Это новейшая версия с 4 параллельными мосфетами на коммутатор IR4110, но не имеет значения, какой мосфет вы используете в качестве напряжения, и ток вам подходит.

    Контакт 3 JP8 идет к плате 2 (командный модуль) на контакте 1 JP20

    Контакт 1 JP8 идет на плату 2 JP20, контакт 2

    Контакт 3 JP9 подключается к плате 2 на контакте 3 JP20

    Контакт 1 JP9 подключается к плате 2 JP20 на контакте 4

    Контакт 3 JP10 идет на плату 2 JP20 контакт 5

    Контакт 1 JP10 идет на плату 2 jp20 контакт 6

    Контакт 1 заземления JP5, JP6.JP7 можно оставить в воздухе. потому что земля общая.

     

     

     

     

    В верхней части расположен датчик тока Allegro ACS758 200A.

    Вы также можете увидеть слева нижний модуль, рядом с ним драйвер + верхний модуль.

    В правом верхнем углу модуль управления и в нижнем углу модуль преобразователя постоянного тока с ebay.

    для питания модуля cmomand и платы драйвера.

    Вы можете поставить любой канал мосфета N, который вам нужен.Лучше всего с как можно более низким внутренним сопротивлением и более высоким током.

     

     

     

     

     

     

    Эта диаграмма была нарисована посетителем веб-сайта по имени «Билл Каталена» по моей спецификации.

    Это 3-я плата с нижними мосфетами.

    U,V,W необходимо соединить с U,V,W в верхней части полевых МОП-транзисторов.

    Контакт 1 JP1 подключается к контакту 2 JP5 от платы 1

    Контакт 2 JP1 идет на контакт 2 JP6 с платы 1

    Контакт 3 JP1 идет на контакт 2 JP7 с платы 1

    Штырь заземления подключен от источника питания 48В

     

     

     

     

    Этот инвертор модуля toyota prius igbt был из металлолома, и я разобрал плату драйвера.теперь я строю свою собственную доску для ныряния.

    Чтобы запустить двигатель таким образом, вам необходимо подключить плавающий источник питания постоянного тока к IR2110

    Я протестировал несколько модулей IGBT FZ600R12KE3 на 1200 В, 600 А, входная емкость составила ~ 55 нФ. Время промывки, полученное с помощью avago ICPL-P343, составило 1,2 мкс при частоте 12 кГц, что не так хорошо, если вы хотите, чтобы потери при переключении были низкими. техническое описание: http://www.farnell.com/datasheets/1676975.pdf

    В этом видео я использовал 12 Mosfets irf3205z и драйвер IR2110

     

     

     

     

     

     

    А теперь самое главное: тестирование электрического картинга для измерения результатов

    %PDF-1.3 % 2014 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 2014 132 0000000016 00000 н 0000003015 00000 н 0000003200 00000 н 0000003341 00000 н 0000003374 00000 н 0000003433 00000 н 0000004293 00000 н 0000004562 00000 н 0000004632 00000 н 0000004777 00000 н 0000004875 00000 н 0000004984 00000 н 0000005046 00000 н 0000005180 00000 н 0000005242 00000 н 0000005373 00000 н 0000005545 00000 н 0000005737 00000 н 0000005866 00000 н 0000005991 00000 н 0000006185 00000 н 0000006297 00000 н 0000006437 00000 н 0000006589 00000 н 0000006741 00000 н 0000006887 00000 н 0000007054 00000 н 0000007211 00000 н 0000007346 00000 н 0000007484 00000 н 0000007618 00000 н 0000007804 00000 н 0000007918 00000 н 0000008065 00000 н 0000008197 00000 н 0000008374 00000 н 0000008556 00000 н 0000008681 00000 н 0000008816 00000 н 0000008961 00000 н 0000009075 00000 н 0000009189 00000 н 0000009321 00000 н 0000009456 00000 н 0000009594 00000 н 0000009778 00000 н 0000009921 00000 н 0000010035 00000 н 0000010146 00000 н 0000010285 00000 н 0000010425 00000 н 0000010582 00000 н 0000010735 00000 н 0000010871 00000 н 0000011012 00000 н 0000011201 00000 н 0000011294 00000 н 0000011384 00000 н 0000011505 00000 н 0000011605 00000 н 0000011706 00000 н 0000011803 00000 н 0000011901 00000 н 0000011999 00000 н 0000012097 00000 н 0000012195 00000 н 0000012293 00000 н 0000012391 00000 н 0000012489 00000 н 0000012587 00000 н 0000012685 00000 н 0000012783 00000 н 0000012881 00000 н 0000012979 00000 н 0000013077 00000 н 0000013175 00000 н 0000013273 00000 н 0000013372 00000 н 0000013471 00000 н 0000013570 00000 н 0000013669 00000 н 0000013768 00000 н 0000013867 00000 н 0000013966 00000 н 0000014065 00000 н 0000014164 00000 н 0000014263 00000 н 0000014362 00000 н 0000014461 00000 н 0000014560 00000 н 0000014659 00000 н 0000014758 00000 н 0000014857 00000 н 0000014956 00000 н 0000015055 00000 н 0000015154 00000 н 0000015253 00000 н 0000015352 00000 н 0000015451 00000 н 0000015550 00000 н 0000015649 00000 н 0000015748 00000 н 0000015847 00000 н 0000015946 00000 н 0000016045 00000 н 0000016144 00000 н 0000016244 00000 н 0000016405 00000 н 0000017803 00000 н 0000017912 00000 н 0000018001 00000 н 0000018095 00000 н 0000018181 00000 н 0000018205 00000 н 0000024697 00000 н 0000024721 00000 н 0000029603 00000 н 0000029627 00000 н 0000034838 00000 н 0000034862 00000 н 0000040219 00000 н 0000040243 00000 н 0000045803 00000 н 0000045827 00000 н 0000045917 00000 н 0000050262 00000 н 0000050286 00000 н 0000054621 00000 н 0000054645 00000 н 0000059393 00000 н 0000003476 00000 н 0000004270 00000 н трейлер ] >> startxref 0 %%EOF 2015 0 объект > эндообъект 2016 0 объект a_

    Схема привода бесщеточного двигателя постоянного тока.

    Контекст 1

    … бесщеточный двигатель постоянного тока быстро становится более популярным, чем щеточный двигатель постоянного тока. Он требует меньшего обслуживания и имеет более длительный срок службы, поскольку не содержит изнашиваемых щеток, имеет плоские характеристики скорости и крутящего момента, более высокий КПД и лучшую терморегуляцию, поскольку обмотки на статоре обеспечивают эффективное рассеивание тепла и лучший динамический отклик при более низкой инерции ротора. Однако бесщеточный двигатель постоянного тока дороже и имеет более сложную конструкцию контроллера [1].Он также имеет проблемы с безопасностью, проблемы с размагничиванием и высокий риск отказа инвертора [2]. Различия между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока заключаются в том, что у последних обмотки построены на статоре, а постоянные магниты на роторе, а коммутация осуществляется электронным способом, а не с помощью щеток. Существует два вида бесщеточных двигателей; а именно, бесщеточные двигатели переменного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Разница между бесщеточным двигателем переменного тока (также известным как синхронный двигатель с постоянными магнитами) и бесщеточным двигателем постоянного тока зависит от подаваемой формы волны тока; бесщеточный двигатель переменного тока питается синусоидальным током, тогда как бесщеточный двигатель постоянного тока питается прямоугольным током [3].Были проведены исследования по измерению пульсаций крутящего момента в бесщеточном двигателе постоянного тока [4, 5]. Однако статьи, в которых описывается расчет электромагнитного момента, создаваемого бесщеточным двигателем постоянного тока, с использованием только информации о фазном токе, встречаются редко. Крутящий момент двигателя можно измерить непосредственно с помощью датчика крутящего момента, который является дорогостоящим и иногда может быть слишком громоздким, чтобы его можно было реализовать в определенных приложениях. Таким образом, очень желательны оценки электромагнитного момента с измеримыми параметрами, такими как противо-ЭДС, скорость вращения ротора и фазный ток.Электромагнитный момент бесщеточного двигателя постоянного тока можно оценить путем измерения фазных токов [6]. В [6] утверждается, что для оценки электромагнитного момента требуется не менее двух датчиков тока. Кроме того, ток шины постоянного тока также можно использовать для оценки выходного крутящего момента, как показано в [7]. Мгновенный крутящий момент рассчитывался путем умножения константы крутящего момента на ток в звене постоянного тока с помощью функции формы междуфазной противоЭДС в [8, 9]. В [10] получено аналитическое уравнение из классической теории синхронных двигателей, которое коррелирует электромагнитный момент со скоростью двигателя.Для описания электромагнитного крутящего момента уравнение требовало такой информации, как постоянная противо-ЭДС, фазовое сопротивление и индуктивность, скорость двигателя и напряжение источника постоянного тока. В [11] оценивается мгновенный электромагнитный момент с помощью обратной ЭДС и скорости ротора, при этом обратная ЭДС оценивалась с помощью наблюдателя в скользящем режиме, а скорость ротора оценивалась с помощью упрощенного расширенного фильтра Калмана. В этой статье описывается, как можно рассчитать электромагнитный момент, создаваемый трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока, с помощью измерения однофазного тока.Выведено уравнение для расчета электромагнитного момента на основе теории бесщеточного двигателя постоянного тока. Кроме того, в микроконтроллере Arduino был реализован алгоритм для измерения электромагнитного крутящего момента в режиме реального времени. Испытания на динамометрическом стенде были проведены для проверки работоспособности предложенного уравнения и алгоритма измерения. Интересно отметить, что система отсчета abc (переменная фаза) синхронного двигателя с постоянными магнитами обычно преобразуется в систему отсчета dq0 (пространственный вектор) для упрощения анализа трехфазной цепи, питаемой синусоидальной волной (следовательно, синусоидальная обратная связь). ЭДС).Преобразование dq0 не подходит и не было реализовано в этой статье, потому что бесщеточный двигатель постоянного тока питается прямоугольной волной и имеет трапециевидную противоЭДС. Принципиальная схема привода бесщеточного двигателя постоянного тока (соединенного звездой) показана на рис. 1. Уравнения, показанные в последней части этой статьи, основаны на этой системе. Соединение звездой выбрано в этом исследовании, потому что оно применяется в большинстве приложений благодаря более простой логике коммутации, которая менее подвержена замыканию моста [12].Сделано несколько допущений, чтобы уменьшить математическую сложность бесколлекторного двигателя постоянного тока. Это: 1) симметричная трехфазная обмотка, 2) отсутствие магнитного насыщения, 3) отсутствие потерь на гистерезис и вихревые токи, 4) равномерный воздушный зазор, 5) пренебрежение взаимной индуктивностью, 6) якорь. реакция игнорируется. Математическая модель обмотки якоря …

    Контекст 2

    … противо-ЭДС каждой фазы бесколлекторного двигателя постоянного тока имеет трапецеидальную форму волны, а ток имеет форму импульса, который меняет свое направление каждые полволны. , как показано на рис.2. Осциллограммы, показанные на рис. 2, являются результатом последовательности переключений, показанной в таблице 1. Последовательность переключений показывает, что двигатель вращается по часовой стрелке. Ссылаясь на рис. 1, S1-S6 являются силовыми ключами (например, MOSFET, IGBT и т. д.), а D1-D6 являются соответствующими диодами. Предполагая, что обмотки трех фаз симметричны, величины противо-ЭДС и токов должны быть одинаковыми для трех фаз. Из уравнения (11) и рис. 2 видно, что электромагнитный момент, развиваемый бесщеточным двигателем постоянного тока в любой момент времени …

    Драйвер бесколлекторного двигателя постоянного тока | BLDC двигатель

    Растет использование бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC). Но для их управления обычно требуется информация о положении ротора для выбора соответствующего угла коммутации. Обычно датчик Холла используется для определения положения ротора. Но в чувствительных к стоимости приложениях часто желательна схема коммутации без датчиков. Описанная здесь схема драйвера бесщеточного двигателя постоянного тока использует микросхему драйвера DRV10866 для управления небольшим вентилятором BLDC без использования каких-либо датчиков положения.Скорость вентилятора BLDC можно изменять плавно, без обычных шагов, связанных с обычным вентилятором переменного тока.

    Цепь драйвера бесщеточного двигателя постоянного тока

    На рис. 1 показана схема бессенсорного драйвера двигателя постоянного тока. Схема построена на NE555 (IC1), DRV10866 (IC2) и нескольких других компонентах.

    Рис. 1: Схема драйвера бесколлекторного двигателя постоянного тока Драйвер

    DRV10866 IC от Texas Instruments используется для управления небольшим трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока (M1). Схема представляет собой трехфазный драйвер двигателя без датчика со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, обеспечивающими пиковый ток возбуждения до 680 мА.DRV10866 специально разработан для приводов вентиляторов с низким уровнем шума и малым количеством компонентов. Для управления трехфазным двигателем используется бессенсорная схема обратной ЭДС 150°.

    Подтягивающий резистор 100 кОм (R2) используется на выводе 1 микросхемы IC2. Контакты 2, 4, 7 и 6 IC2 подключены к общему проводу, фазе A, фазе B и фазе C двигателя BLDC соответственно. Контакт 10 IC2 подключен к контакту 7 IC1, чтобы получить сигнал с широтно-импульсной модуляцией (PWM) от IC1 для управления скоростью двигателя BLDC.

    Выходной сигнал (ШИМ) доступен на выводе 7 (DIS) IC1, а не на обычном выводе 3 IC.Рабочий цикл ШИМ-сигнала частотой 25 кГц (приблизительно) можно регулировать в диапазоне от 5% до 95% с помощью потенциометра VR1. Скоростью двигателя BLDC можно управлять, изменяя рабочий цикл ШИМ-сигнала. Поворот VR1 против часовой стрелки снижает рабочий цикл, что, в свою очередь, снижает скорость двигателя, и наоборот.

    Строительство и испытания

    Односторонняя печатная плата драйвера бесщеточного двигателя постоянного тока показана на рис. 2, а расположение ее компонентов — на рис. 3. Соберите схему на рекомендованной печатной плате, чтобы свести к минимуму ошибки сборки.IC2 должен быть установлен на стороне пайки печатной платы.

    Рис. 2: Односторонняя печатная плата драйвера бесколлекторного двигателя постоянного токаРис. 3: Компоновка компонентов для печатной платы
    Загрузить PDF-файлы с компоновкой печатных плат и компонентов: нажмите здесь

    После сборки компонентов подключите источник постоянного тока 5 В к разъему CON1. Чтобы проверить правильность работы этой схемы драйвера бесщеточного двигателя постоянного тока, проверьте правильность питания 5 В для цепи на TP1 по отношению к TP0. Поверните VR1 по часовой стрелке или против часовой стрелки, чтобы увеличить или уменьшить скорость двигателя.

    Чтобы узнать о других интересных схемах, нажмите здесь


    Автор имеет степень бакалавра технических наук (электроника и связь) из GGSIPU, Нью-Дели

    Эта статья была впервые опубликована 6 февраля 2017 г. и обновлена ​​15 декабря 2020 г.

    Самодельная схема ESC с датчиком

    ВВЕДЕНИЕ

    В прошлом уроке мы построили ESC для бесколлекторных двигателей без датчиков. Без датчиков нам пришлось реализовать обнаружение обратной электродвижущей силы и сделать последовательность переключений с этим.Схема стала довольно сложной, да и код был не самым лучшим.

    Итак, в этом уроке мы создадим еще один тип регулятора скорости для бесколлекторных двигателей, а также улучшим код. В этом случае мы создадим сенсорный контроллер двигателя, что в основном означает, что двигатели будут иметь датчики для определения их положения во время вращения. Таким образом, нам больше не нужно интегрировать обратную магнитную силу и делать переключатель пересечения нуля.


    См. полный список деталей здесь:

    ЧАСТЬ 1 Подготовка двигателя

    Я достал бесколлекторный двигатель из старого CD-привода.Это должен быть двигатель с датчиком, поэтому убедитесь, что вы видите 3 маленьких датчика на плате двигателя, как показано на фотографии ниже. Не все приводы для записи CD/DVD оснащены бесщеточными двигателями с датчиками, так что вам нужно убедиться в этом. Следующим шагом является определение контактов двигателя, всего 11 контактов.


    Я беру свой мультиметр, ищу булавку за булавкой и записываю их на листе бумаги. Не все двигатели от пишущих приводов компакт-дисков имеют одинаковую распиновку, поэтому убедитесь, что у вас есть. Первый двигатель имеет следующую распиновку, как вы можете видеть ниже.Каждый датчик имеет 4 контакта, положительный и отрицательный выход датчика, а также положительное и отрицательное питание. Таким образом, для контактов двигателя у нас будет 6 выходов датчиков, 5 В, GND и 3 входа для катушек бесколлекторного двигателя.


    Хорошо, теперь обратите внимание. Мотор, который я использовал для этого урока, отличается от приведенного выше. Мотор тот же, но распиновка другая. Ниже на этой печатной плате у нас есть распиновка двигателя, которую я использовал для этого проекта. Итак, у нас есть вход для 3 катушек трехфазного бесколлекторного двигателя.Затем у нас есть отрицательный источник питания, в данном случае GND, отрицательный и положительный выход каждого датчика и, наконец, положительный источник питания, в данном случае 5 В.

    Так зачем же там печатная плата с этой микросхемой? Что ж, выход датчика определяется разницей между положительным (Out+) и отрицательным (Out-) выходами. Таким образом, мы должны сравнить эти выходы с помощью операционного усилителя, и когда положительный выход выше отрицательного (обнаружен магнит отрицательной полярности), у нас будет положительный выход «1», а когда отрицательный выше (обнаружен магнит положительной полярности). ) у нас будет отрицательный «0».


    Схема датчиков Холла

    Итак, теперь мы берем каждый из выходных сигналов датчиков Холла и сравниваем их с помощью операционного усилителя. Я использовал операционный усилитель LM324, так как он имеет 4 усилителя, а нам нужно 3. Подайте 5 вольт на все датчики Холла через резистор 100 Ом, чтобы ограничить ток. Также подайте 5 В на операционные усилители и подключите GND ко всему. Теперь подключите отрицательные выходы датчиков к отрицательным входам операционных усилителей, а положительные к положительным входам.


    Установите приведенную выше схему на просверленную печатную плату и подключите провода для 3 входов катушек, питания 5 В и GND, а также для 3 выходов датчиков, залы A, B и C.Теперь мы подготовили мотор. Если вы используете коммерческий двигатель с датчиком, его выходной сигнал уже будет усилен.

    Теперь подключите выход датчика A и B к осциллографу и поверните двигатель. Как вы можете видеть ниже, у нас есть два прямоугольных сигнала с разницей фаз 1/3 между собой. Далее, если мы соединим A и C, у нас будет разница в фазе 2/3. Датчики разнесены друг от друга на 40 градусов, поэтому, используя эти 3 сигнала, мы будем определять положение вращения и управлять двигателем.


    ЧАСТЬ 2 Бесщеточный 3-фазный регулятор

    Итак, давайте еще раз посмотрим, как будет работать управление бесколлекторным двигателем. Я предлагаю вам взглянуть на мой другой учебник по электронным регуляторам скорости на базе Arduino.
    Наш мотор имеет 3 катушки. Я знаю, что внутри мы видим 9 катушек, но правда в том, что это 3 катушки, намотанные на 9 полюсов. На внешней стороне двигателя у нас есть 12 магнитов. В этом двигателе используется магнитная полоса, поэтому мы не можем видеть 12 разных магнитов, но внутри есть 12 магнитов с разной полярностью.


    На фото ниже мы имеем изображение нашего мотора. У нас есть 9 полюсов на статоре, 12 магнитов на роторе и 3 датчика. Поскольку у нас есть 3 катушки, у нас есть 3 входа, A, B и C, поэтому нам понадобится трехфазный мост для управления этим двигателем. Чтобы контролировать скорость вращения, мы должны подать питание на эти 3 входа в определенной последовательности.

    Мы начинаем с положительной мощности на входе A и заземления на B. Мы оставляем вход C плавающим, и к нему ничего не подключено.Это создаст магнитное поле в катушках A, которое будет толкать ротор вправо, и в катушках B, которые также будут тянуть ротор вправо, поскольку положительные с положительным отталкиваются, а отрицательные с положительным притягиваются.


    Но если мы не будем переключать входы, вращения здесь остановятся. Для этого переходим к следующей части последовательности. Мы оставляем B подключенным к земле, но теперь мы подаем положительную мощность на C вместо A. Это заставит C тянуть положительный магнит, и если мы продолжим переключать входы, мы можем создать полный оборот.

    Конструкция бесщеточного двигателя

    и принципы вращения

    В части 3 мы объясним различия в конструкции и принципах вращения бесщеточных двигателей и сравним их с коллекторными двигателями постоянного тока и двигателями переменного тока.

    Конструкция бесколлекторного двигателя и принципы вращения
    Бесщеточные двигатели

    сохраняют превосходную управляемость двигателей постоянного тока, заменяя их щетки и коллектор электронными компонентами.

    2.2.1 Конструкция бесщеточного двигателя

    Ротор содержит постоянные магниты, а статор содержит обмотки, что означает, что конструкция меняет местами расположение статора и ротора в двигателе постоянного тока, показанное на рис. 2.1 (предыдущий пост). В щеточных двигателях постоянного тока двигатель начинает вращение, как только ток подается на его обмотки через коммутатор и щетки. Когда двигатель вращается, следующий набор коммутаторов и щеток получает питание, таким образом направляя поток тока в разные обмотки и продолжая вращение.Поскольку бесщеточные двигатели создают коммутацию без использования щеток или коммутатора, им требуются датчики магнитных полюсов (элементы Холла, ИС на эффекте Холла и т. д.) для определения положений магнитных полюсов постоянных магнитов, а также драйверы для направления тока, протекающего через обмотки в соответствии с обнаруженными положениями магнитных полюсов.

    2.2.2. Принципы вращения бесщеточного двигателя

    Чтобы объяснить принципы вращения бесщеточных двигателей, мы будем использовать упрощенную трехфазную двухполюсную модель, показанную на рис.2.8.

    У роторных магнитов как северный, так и южный полюса имеют угол магнитного полюса 180°. Датчики магнитных полюсов Ha, Hb и Hc расположены на расстоянии 120° друг от друга, они обнаруживают северный полюс магнитов ротора и выдают сигнал.

    В статоре катушки фазы U, катушки фазы V и катушки фазы W разнесены на 120° и смещены от датчика магнитного полюса на 60°.

    Для каждой из фазных обмоток статора южный полюс создается со стороны внутреннего диаметра статора, когда ток течет от цепи привода к двигателю.Северный полюс создается со стороны внутреннего диаметра статора, когда ток течет в противоположном направлении. На рис. 2.8 показано состояние, когда ток течет от фазы U к фазе V.

    Для объяснения принципов вращения двигателя воспользуемся последовательностью вращения, показанной на рис. 2.9, и предположим, что ориентация магнитов ротора, показанная на рис. 2.8, является начальной точкой (0°).

    1. В интервале (a) датчики магнитных полюсов Ha и Hc обнаруживают северный полюс и выдают сигнал.В этом случае, если транзисторы Tru+ и Trv= включены, ток течет от катушки фазы U к катушке фазы V в статоре. В это время фаза-V намагничивается в северном полюсе (возбуждение), притягивает южный полюс и отталкивает северный полюс в магнитах ротора. Фаза-U намагничивается южным полюсом (возбуждение) и отталкивает южный полюс в магнитах ротора. Это заставляет ротор вращаться по часовой стрелке.

    2. В интервале (b), который превышает 60°, только датчик магнитного полюса Ha обнаруживает северный полюс и выдает сигнал.В этом случае, если транзисторы Tru+ и Trw- включены, ток течет от катушки фазы U к катушке фазы W в статоре. Фаза-U поддерживает возбуждение, притягивает северный полюс и отталкивает южный полюс в магнитах ротора. Фаза-W возбуждается как северный полюс и отталкивает северный полюс в магнитах ротора. Это заставляет ротор вращаться по часовой стрелке.

    3. На каждые 60° поворота меняется комбинация состояний ВКЛ и ВЫКЛ для датчиков магнитных полюсов Ha, Hb и Hc.Для одного оборота двигателя имеется 6 различных комбинаций выходных сигналов датчика магнитного полюса, представленных от (a) до (f). Посредством последовательного переключения определенного набора возбужденных фаз для каждого шаблона непрерывно генерируется вращающееся магнитное поле.

    Кроме того, изменив способ прохождения тока через катушку для каждой из комбинаций выходных сигналов для датчиков магнитного полюса Ha, Hb и Hc, направление вращения двигателя можно изменить на противоположное.

    Например, если транзисторы Trv+ и Tru- включены, когда только датчик магнитного полюса Ha обнаруживает северный полюс и выдает сигнал с интервалом (b), указанным выше, ток течет от катушки фазы V к катушке фазы U в статоре.В это время фаза-U возбуждается как северный полюс, притягивает южный полюс и отталкивает северный полюс в магнитах ротора. Фаза-V возбуждается как южный полюс и отталкивает южный полюс в магнитах ротора. Это заставляет ротор вращаться против часовой стрелки.

    Таким образом, бесщеточные двигатели вращаются, направляя ток через фазовые катушки в соответствии с выходными сигналами датчика магнитного полюса. Обнаружение выходных сигналов датчика, а также автоматическое переключение транзисторов осуществляется с помощью «схемы привода», которую иногда называют «приводом» или «драйвером».

     

    СОВЕТ : Токи бесщеточного двигателя
    Постоянный ток подается на приводные цепи бесщеточных двигателей, но через двигатель протекает переменный ток. По этой причине бесщеточные двигатели иногда называют синхронными двигателями переменного тока.

     

    2.2.3 Характеристики бесщеточного двигателя

    Как поясняется в разделе «2.2.1 Структура бесщеточного двигателя», положение статора и ротора в бесщеточных двигателях противоположно их положению в двигателях постоянного тока.По этой причине основные характеристики скорости и крутящего момента для бесщеточных двигателей имеют такие же наклонные характеристики, как и у щеточных двигателей постоянного тока, как показано на рис. 2.10, и двигатель вращается со скоростью вращения, соответствующей крутящему моменту нагрузки.

    Если скорость снижается, крутящий момент, создаваемый двигателем, увеличивается, и течет ток, пропорциональный крутящему моменту. При протекании большого тока магнитная сила постоянного магнита двигателя может уменьшиться (размагничивание), а обмотки могут перегреться и перегореть.Кроме того, выходной элемент и преобразователь в схеме управления должны выдерживать большие токи, что делает схему управления большой и дорогой.

    Если скорость увеличивается, крутящий момент, создаваемый двигателем, уменьшается, а крутящий момент нагрузки, необходимый для движения, уменьшается, что делает его непригодным для использования. Работа на более высокой скорости увеличивает шум, издаваемый редуктором в сочетании с двигателем, а также приводит к недостаточной смазке редуктора, что влияет на срок службы.

    По указанным выше причинам в бесщеточных двигателях схема привода ограничивает максимальный ток, протекающий через двигатель, и максимальную скорость вращения. Таким образом, характеристики скорости и момента, напечатанные в каталоге продукции Oriental Motor, аналогичны рис. 2.11.

     

     

    СОВЕТ : Размагничивание магнита ротора
    Постоянные магниты намагничиваются за счет приложения сильного магнитного поля к магнитным материалам.И наоборот, избыточный ток, протекающий через двигатель, заставляет статор генерировать диамагнитное поле, которое уменьшает магнитную силу магнитов ротора. Это называется размагничиванием.

     

    Системы двигателя и привода

    Oriental Motor предназначены для предотвращения размагничивания при токе, при котором создается максимальный мгновенный крутящий момент.

    2.2.4 Характеристики бесщеточного двигателя

    Характеристики бесщеточных двигателей указаны ниже.

    По сравнению с двигателями постоянного тока

    • Характеристики крутящего момента имеют те же характеристики наклона, что и у коллекторных двигателей постоянного тока, и обладают отличной управляемостью.
    • Поскольку нет щеток или коллектора, нет необходимости очищать абразивный порошок, заменять щетки или выполнять другое периодическое обслуживание, что продлевает срок их службы.
    • Поскольку нет ни щеток, ни коллектора, нет и электронного шума из-за дуги. Возникает шум переключения.
    • Механический акустический шум (щетки) не генерируется.
    • Для работы необходимы датчики и драйверы магнитных полюсов
    • .
    • Поскольку скорость вращения двигателя определяется по выходному сигналу датчика магнитного полюса и выполняется управление с обратной связью, обеспечивается высокая точность скорости.
    • Поскольку имеется управление с обратной связью, во время работы может быть обнаружено аномальное поведение.

    По сравнению с двигателями с инверторным управлением и двигателями с регулируемой скоростью переменного тока

    • Поскольку крутящий момент не изменяется при переходе от низкой скорости к высокой, передаточное отношение велико для всех практических целей.
    • При одинаковой выходной мощности бесщеточный двигатель компактнее и эффективнее.
    • Может использоваться с источником питания постоянного тока.
    • Поскольку скорость вращения двигателя определяется по выходному сигналу датчика магнитного полюса и выполняется управление с обратной связью, обеспечивается высокая точность скорости.
    • Поскольку имеется управление с обратной связью, во время работы может быть обнаружено аномальное поведение.0

    Поскольку коллекторные двигатели постоянного тока недороги, они используются для различных применений, где требуемый срок службы относительно невелик.Однако для общепромышленного применения существуют не только проблемы со сроком службы и ремонтопригодностью, но и потребность в высоком уровне надежности с точки зрения точности скорости при эксплуатации, обнаружения неисправностей и т. д., что привело к рост популярности бесколлекторных двигателей. Кроме того, поскольку двигатели компактны, имеют высокую выходную мощность и высокий КПД, они используются в устройствах, которые должны быть компактными и легкими, а также в устройствах с батарейным питанием.

     

    Хотите узнать больше?

     

    Предыдущий пост

    Следующий пост

     

    Узнайте больше о

    компании Oriental Motor

     

    Подпишитесь (в правом верхнем углу), чтобы получать ежемесячные обновления!

     

    Как работает электронный регулятор скорости для бесщеточного двигателя постоянного тока? И что нужно учитывать при выборе подходящего?

    Существует несколько методов управления скоростью вращения бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC) в зависимости от решаемых проблем.Проблемы управления скоростью двигателя BLDC различаются в зависимости от конкретного применения. В этой статье обсуждается, как регуляторы скорости для бесщеточных двигателей постоянного тока регулируют скорость вращения, их типичные методы, преимущества и основные области применения.

    Основы управления скоростью бесщеточного двигателя постоянного тока

    В бесщеточном двигателе постоянного тока соотношение между приложенным напряжением и крутящим моментом нагрузки определяет скорость вращения. Это означает, что при использовании двигателя вы можете управлять скоростью вращения двигателя, изменяя приложенное напряжение.

    Каждый бесщеточный двигатель постоянного тока имеет цепь привода для вращения двигателя, а скорость бесщеточного двигателя постоянного тока изменяется путем управления цепью привода.

    Управление напряжением с обратной связью является типичным методом управления скоростью двигателей постоянного тока

    Метод управления напряжением широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.

    Схематически управление напряжением двигателя постоянного тока состоит из схемы привода двигателя, контроллера и датчика скорости. Сигнал от датчика скорости возвращается к контроллеру для управления скоростью двигателя на уровне заданной (опорной) скорости или близкой к ней.

    Принципиальная схема управления скоростью двигателя постоянного тока с помощью управления напряжением

    Два типа управления напряжением привода двигателей постоянного тока

    Существует несколько методов изменения напряжения привода двигателя постоянного тока — PWM и PAM.

    Метод ШИМ

    PWM расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. Этот метод подает напряжение на двигатель постоянного тока в виде импульсов. Путем модуляции ширины импульса (величины нагрузки) изменяется напряжение (среднее напряжение), управляющее двигателем.

    PWM реализован с относительно простой конфигурацией схемы и обычно используется в двигателях постоянного тока.

    Метод PAM

    PAM расшифровывается как импульсно-амплитудная модуляция. Этот метод изменяет напряжение, подаваемое на двигатель, путем модуляции уровня напряжения импульсов.

    Метод PAM имеет более сложную конфигурацию схемы, чем метод PWM. Он часто используется в двигателях постоянного тока большого размера, которые приводятся в действие высоковольтными двигателями или двигателями постоянного тока со скоростью 100 000 об/мин или выше, чтобы повысить эффективность этих двигателей.

    Проблемы, о которых следует помнить при выполнении управления скоростью двигателей постоянного тока

    Проблема при проектировании устройства или продукта с двигателем постоянного тока заключается в том, насколько близко вы можете достичь и поддерживать заданную скорость во время работы устройства или продукта.

    Вот примеры проблем с регулированием скорости двигателей постоянного тока.

    Изменения момента нагрузки

    Момент нагрузки изменяется при изменении состояния нагрузки или внешних/внутренних условий (температура, влажность, старение двигателя).Эти изменения повлияют на фактическую скорость двигателя.

    Остаточное отклонение

    Остаточное отклонение — это разница между заданной скоростью и фактической скоростью, которая может возникнуть, даже если скорость постоянно контролируется.

    Это становится проблемой, когда требуется высокая точность скорости.

    Отзывчивость (латентность)

    Момент инерции двигателя вызывает разность фаз, при которой скорость вращения реагирует на крутящий момент привода с задержкой.Когда вы увеличиваете входное напряжение, чтобы получить более высокую скорость вращения, скорость изменяется с задержкой из-за этой характеристики.

    Это становится проблемой, когда фактическая скорость должна быстрее достичь заданной скорости.

    Высокоточные методы управления для решения проблем управления скоростью двигателей постоянного тока

    Ниже приведены методы более точного контроля напряжения, их преимущества, рекомендации и области применения. Какой метод применить, зависит от проблемы, которую вы должны решить.

    Аппаратное управление скоростью

    Аппаратное управление скоростью двигателей постоянного тока реализовано в конфигурации схемы с использованием ИС и использует два типа обратной связи: обратную связь по скорости и обратную связь по фазе.

    Обратная связь по скорости применяет сервопривод FG или дискриминатор скорости. Оба выполняют управление с обратной связью, вычисляя разницу между скоростью, измеренной датчиком, и заданной скоростью.

    PLL — это типичный метод управления фазовой обратной связью. PLL расшифровывается как Phase Locked Loop.Он определяет приложенное напряжение путем оценки разности фаз между импульсным сигналом положения, обнаруженным датчиком, и импульсным сигналом целевого положения.

    Причина, по которой аппаратное управление использует как обратную связь по скорости, так и обратную связь по фазе, заключается в том, что остаточное отклонение все еще слишком велико при использовании только обратной связи по скорости. Поэтому фазовая обратная связь включена для уменьшения остаточного отклонения.

    Сигналы обратной связи по скорости/фазе преобразуются в аналоговое напряжение с помощью контурного фильтра, и напряжение подается на двигатель методом ШИМ или PAM.Контурный фильтр также отвечает за определение характеристик управления, а характеристики регулируются аппаратными компонентами, составляющими схему фильтра, такими как резисторы и конденсаторы. Таким образом, характеристики управления являются фиксированными и должны быть заранее правильно отрегулированы для продукта, в котором используется двигатель.

    Этот метод управления можно использовать только в приложениях, где регулируемая переменная задана заранее. Поскольку этот метод можно реализовать при относительно низких затратах, он используется в большинстве продуктов на рынке, которые не регулируют регулируемую переменную индивидуально.

    приложений
    Устройства, работающие с постоянной скоростью, такие как копировальные аппараты и т. д.

    Блок-схема управления PLL с сервоприводом FG или дискриминатором скорости

    Программное управление скоростью

    При программном управлении скоростью контроллер, сконфигурированный с микрокомпьютером, выполняет ПИД-регулирование. ПИД — это аббревиатура от «Пропорциональный, интегральный и дифференциальный». Он возвращает три управляющих элемента — разницу между фактической скоростью и заданной скоростью, ее интеграл и дифференциал.Интеграл соответствует разности положений (разнице фаз) и играет роль в уменьшении остаточного отклонения. Дифференциал соответствует разнице ускорений и работает на улучшение реакции. Использование микрокомпьютера означает, что характеристики управления являются переменными. Поэтому вы можете настроить их на каждом отдельном устройстве, использующем двигатель.

    Двигатель с этим методом стоит относительно дорого, поскольку в нем используется микрокомпьютер. Однако в последние годы стали широко доступны недорогие микрокомпьютеры, и многие двигатели используют этот метод.

    приложений
    Устройства, требующие дополнительной настройки параметров. Роботы и др.

    Блок-схема ПИД-регулятора

    Выберите бесщеточный двигатель постоянного тока, который имеет методы управления скоростью, подходящие для вашей проблемы и области применения

    Как уже говорилось, существует множество методов управления скоростью бесщеточных двигателей постоянного тока. Выберите двигатель с соответствующими методами управления скоростью, учитывая требования к скорости (максимальная/минимальная, изменения, точность и т. д.).), нагрузки, условия окружающей среды и стоимость двигателя.

    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.