Бесколлекторный электродвигатель

Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель - это синхронный двигатель , основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока , потому что коллектор такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Описание ВД

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока . Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесконтактных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессора обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор

Статор бесколлекторного электродвигателя

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины . Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз - синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов , так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах - фотоэлектрический , индуктивный, на эффекте Холла , и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке 1 (желтая точечка). Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающийся градиент магнитных полей.

Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором . Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера , в связи с большим количество вычислительных операций по управлению двигателем.

Принцип работы ВД

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора - Ф 0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M , который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости - у двигателей с векторным управлением . С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением - контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

• Широкий диапазон изменения частоты вращения
• Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания - бесколлекторная машина
• 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 постоянных магнитов в конструкции ротора
• Во многих случаях более рациональным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты .

Для применений, комбинирующих максимально достижимый КПД с предельно простыми и надёжными блоками управления (ключевой коммутатор, не использующий ШИМ), можно также выделить следующую особенность: Несмотря на то, что обороты могут широко варьироваться управляющим блоком, приемлемый КПД можно получить лишь в относительно узком интервале угловых скоростей. Это определяется индуктивностью обмоток. Если скорость будет ниже оптимальной, продолжающаяся подача тока в данную фазу, после достижения предела магнитного потока, будет приводить лишь к ненужному нагреву. На скоростях выше оптимальной, магнитный поток в полюсе не достигнет максимума из-за ограниченного индуктивностью времени нарастания тока. Примерами таких двигателей являются модельные бесколлекторные комплекты. Они должны быть эффективными, лёгкими и надёжными, а для того чтобы обеспечить оптимальную угловую скорость при заданной нагрузочной характеристике, производители выпускают модельные ряды с различными индуктивностями (числом витков) обмоток. При этом, меньшее число витков соответствует более быстроходному двигателю.

См. также

Ссылки

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Управление двухфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4.Вентильные двигатели
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm Про бесколлекторный двигатель и использование шагового двигателя в качестве бесколлекторного

Паровая машина Двигатель Стирлинга Пневматический двигатель По виду рабочего тела Газовые Газотурбинная установка Газотурбинная электростанция Газотурбинные двигатели‎ Паровые Парогазовая установка Конденсационная турбина Гидравлические турбины‎ Пропеллерная турбина Гидротрансформатор По конструктивным особенностям Осевая (аксиальная) турбина Центробежная турбина (радиальная,

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.

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.

AVR492: Управление бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с помощью AT90PWM3

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.

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД – это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

• Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
• Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
• Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» – отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» – положительный, «А» – отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

• Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокий КПД.
• Быстрый набор максимальной скорости вращения.
• Он более мощный, чем КД.
• Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
• Не требуется дополнительное охлаждение.
• Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Опубліковано 11.04.2013

Общее устройство (Inrunner, Outrunner)

Бесколлекторный двигатель постоянного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два типа двигателей: Inrunner , у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner , у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками.

Схему Inrunner обычно применяют для высокооборотистых двигателей с небольшим количеством полюсов. Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую ось.

Магниты и полюса

Количество полюсов на роторе четное. Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Цилиндрические магниты применяются реже. Устанавливаются они с чередованием полюсов.

Количество магнитов не всегда соответствует количеству полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс:

В этом случае 8 магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу.

Магниты на роторе закрепляются с помощью специального клея. Реже встречаются конструкции с держателем магнитов. Материал ротора может быть магнитопроводящим (стальным), немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.), комбинированным.

Обмотки и зубья

Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется медным проводом. Провод может быть одножильным или состоять из нескольких изолированных жил. Статор выполняется из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали.

Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. т.е. для трехфазного бесколлекторного двигателя количество зубьев статора должно делиться на 3 . Количество зубьев статора может быть как больше так и меньше количества полюсов на роторе. Например существуют моторы со схемами: 9 зубьев/12 магнитов; 51 зуб/46 магнитов.

Двигателя с 3-х зубым статором применяют крайне редко. Поскольку в каждый момент времени работает только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор не равномерно по всей окружности (см. рис.).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее.

В этом случае магнитные силы, воздействующие на ротор, компенсируют друг друга. Дисбаланса не возникает.

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Вариант обмотки на 12 зубов

В приведенных схемах число зубов выбрано таким образом, чтобы оно делилось не только на 3 . Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так:

Наиболее предпочтительна схема 6 групп по 2 зуба.

Существует двигатель с 51 зубом на статоре! 17 зубов на одну фазу. 17 – это простое число , оно нацело делится только на 1 и на само себя. Как же распределить обмотку по зубьям? Увы, но я не смог найти в литературе примеров и методик, которые помогли бы решить эту задачу. Оказалось, что обмотка распределялась следующим образом:

Рассмотрим реальную схему обмотки.

Обратите внимание, что обмотка имеет разные направления намотки на разных зубьях. Разные направления намотки обозначаются прописными и заглавными буквами. Детально о проектировании обмоток можно прочитать в литературе, предложенной в конце статьи.

Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно.

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Так же могут быть комбинированные включения

Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения двигателя.

Обороты электрические и реальные

Если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный оборот. При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот. Например, имеем 42 магнита на роторе. Для того чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 42/2=21 электрический оборот. Это свойство можно использовать как своеобразный редуктор. Подобрав необходимое количество полюсов, можно получить двигатель с желаемыми скоростными характеристиками. Кроме того, понимание этого процесса будет нам необходимо в будущем, при выборе параметров регулятора.

Датчики положения

Устройство двигателей без датчиков отличается от двигателей с датчиками только отсутствием последних. Других принципиальных отличий нет. Наиболее распространены датчики положения, работающие на основе эффекта Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, их располагают, как правило, на статоре таким образом, чтобы на них воздействовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов.

Имеется в виду “электрических” градусов. Т.е. для многополюсного двигателя физическое расположение датчиков может быть таким:

Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Вот один из примеров расположения датчиков. На самом деле это был двигатель без датчиков. Таким простым способом его оснастили датчиками холла.

На некоторых двигателях датчики устанавливают на специальном устройстве, которое позволяет перемещать датчики в определенных пределах. С помощью такого устройства устанавливается угол опережения (timing). Однако, если двигатель требует реверса (вращения в обратную сторону) потребуется второй комплект датчиков, настроенных на обратный ход. Поскольку timing не имеет решающего значения при старте и низких оборотах, можно установить датчики в нулевую точку, а угол опережения корректировать программно, когда двигатель начнет вращаться.

Основные характеристики двигателя

Каждый двигатель рассчитывается под определенные требования и имеет следующие основные характеристики:

• Режим работы на который рассчитан двигатель: длительный или кратковременный. Длительный режим работы подразумевает, что двигатель может работать часами. Такие двигатели рассчитываются таким образом, чтобы теплоотдача в окружающую среду была выше тепловыделения самого двигателя. В этом случае он не будет разогреваться. Пример: вентиляция, привод эскалатора или конвейера. Кратковременный – подразумевает, что двигатель будет включаться на короткий период, за который не успеет разогреться до максимальной температуры, после чего следует длительный период, за время которого двигатель успевает остыть. Пример: привод лифта, электробритвы, фены.
• Сопротивление обмотки двигателя . Сопротивление обмотки двигателя влияет на КПД двигателя. Чем меньше сопротивление, тем выше КПД. Измерив сопротивление, можно выяснить наличие межвиткового замыкания в обмотке. Сопротивление обмотки двигателя составляет тысячные доли Ома. Для его измерения требуется специальный прибор или специальная методика измерения.
• Максимальное рабочее напряжение . Максимальное напряжение, которое способна выдержать обмотка статора. Максимальное напряжение взаимосвязано со следующим параметром.
• Максимальные обороты . Иногда указывают не максимальные обороты, а Kv – количество оборотов двигателя на один вольт без нагрузки на валу. Умножив этот показатель на максимальное напряжение, получим максимальные обороты двигателя без нагрузки на валу.
• Максимальный ток . Максимально допустимый ток обмотки. Как правило, указывается и время, в течение которого двигатель может выдержать указанный ток. Ограничение максимального тока связано с возможным перегревом обмотки. Поэтому при низких температурах окружающей среды реальное время работы с максимальным током будет больше, а в жару двигатель сгорит раньше.
• Максимальная мощность двигателя. Напрямую связана с предыдущим параметром. Это пиковая мощность, которую двигатель может развить на небольшой период времени, обычно – несколько секунд. При длительной работе на максимальной мощности неизбежен перегрев двигателя и выход его из строя.
• Номинальная мощность . Мощность, которую двигатель может развивать на протяжении всего времени включения.
• Угол опережения фазы (timing) . Обмотка статора имеет некоторую индуктивность, которая затормаживает рост тока в обмотке. Ток достигнет максимума через некоторое время. Для того, чтобы компенсировать эту задержку переключение фаз выполняют с некоторым опережением. Аналогично зажиганию в двигателе внутреннего сгорания, где выставляется угол опережения зажигания с учетом времени воспламенения топлива.

Так же следует обратить внимание на то, что при номинальной нагрузке Вы не получите максимальных оборотов на валу двигателя. Kv указывается для не загруженного двигателя. При питании двигателя от батарей следует учесть “проседание” питающего напряжения под нагрузкой, что в свою очередь также снизит максимальные обороты двигателя.