Бесколлекторный двигатель своими руками для авто. Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы. Основные характеристики двигателя

Опубліковано 11.04.2014

Схема регулятора

Схема условно разделена на две части: левая – микроконтроллер с логикой, правая – силовая часть. Силовую часть можно модифицировать для работы с двигателями другой мощности или с другим питающим напряжением.

Контроллер – ATMEGA168 . Гурманы могут сказать, что хватило бы и ATMEGA88 , а AT90PWM3 – это было бы “вааще по феншую”. Первый регулятор я как раз делал “по феншую”. Если у Вас есть возможность применять AT90PWM3 – это будет наиболее подходящий выбор. Но для моих задумок решительно не хватало 8 килобайт памяти. Поэтому я применил микроконтроллер ATMEGA168 .

Эта схема задумывалась как испытательный стенд. На котором предполагалось создать универсальный настраиваемый регулятор для работы с различными “калибрами” бесколлекторных двигателей: как с датчиками, так и без датчиков положения. В этой статье я опишу схему и принцип работы прошивки регулятора для управления бесколлекторными двигателями с датчиками Холла и без датчиков.

Питание

Питание схемы раздельное. Поскольку драйверы ключей требуют питание от 10В до 20В, используется питание 12В. Питание микроконтроллера осуществляется через DC-DC преобразователь, собранный на микросхеме . Можете применять линейный стабилизатор с выходным напряжением 5В. Предполагается, что напряжение VD может быть от 12В и выше и ограничивается возможностями драйвера ключей и самими ключами.

ШИМ и сигналы для ключей

На выходе OC0B(PD5) микроконтроллера U1 генерируется ШИМ сигнал. Он поступает на переключатели JP2 , JP3 . Этими переключателями можно выбрать вариант подачи ШИМ на ключи (на верхние, нижние или на все ключи). На схеме переключатель JP2 установлен в положение для подачи ШИМ сигнала на верхние ключи. Переключатель JP3 на схеме установлен в положение для отключения подачи ШИМ сигнала на нижние ключи. Не трудно догадаться, что если отключить ШИМ на верхних и нижних ключах, мы получим на выходе перманентный “полный вперед”, что может разорвать двигатель или регулятор в хлам. Поэтому, не забываем включать голову, переключая их. Если Вам не потребуется такие эксперименты – и Вы знаете, на какие ключи Вы будите подавать ШИМ, а на какие нет, просто не делайте переключателей. После переключателей ШИМ сигнал поступает на входы элементы логики “&” (U2 , U3 ). На эту же логику поступают 6 сигналов с выводов микроконтроллера PB0..PB5 , которые являются управляющими сигналами для 6 ключей. Таким образом, логические элементы (U2 , U3 ) накладывают ШИМ сигнал на управляющие сигналы. Если Вы уверены, что будете подавать ШИМ, скажем, только на нижние ключи, тогда ненужные элементы (U2 ) можно исключить из схемы, а соответствующие сигналы с микроконтроллера подавать на драйверы ключей. Т.е. на драйверы верхних ключей сигналы пойдут напрямую с микроконтроллера, а на нижние – через логические элементы.

Обратная связь (контроль напряжения фаз двигателя)

Напряжение фаз двигателя W ,V ,U через резистивные делители W – (R17,R25) , V – (R18, R24) , U – (R19, R23) поступают на входа контроллера ADC0(PC0) , ADC1(PC1) , ADC2(PC2) . Эти выводы используются как входы компараторов. (В примере описанном в AVR444.pdf от компании Atmel применяют не компараторы, а измерение напряжения с помощью ADC (АЦП). Я отказался от этого метода, поскольку время преобразования ADC не позволяло управлять скоростными двигателями). Резистивные делители выбираются таким образом, чтобы напряжение, подаваемое на вход микроконтроллера, не превышало допустимое. В данном случае, резисторами 10К и 5К делится на 3. Т.е. При питании двигателя 12В. на микроконтроллер будет подаваться 12В*5К/(10К+5К) = 4В . Опорное напряжение для компаратора (вход AIN1 ) подается от половинного напряжения питания двигателя через делитель (R5 , R6 , R7 , R8 ). Обратите внимание, резисторы (R5 , R6 ) по номиналу такие же, как и (R17,R25 ), (R18, R24 ),(R19, R23 ). Далее напряжение уменьшается вдвое делителем R7, R8 , после чего поступает на ногу AIN1 внутреннего компаратора микроконтроллера. Переключатель JP1 позволяет переключить опорное напряжение на напряжение “средней точки” формируемое резисторами (R20, R21, R22 ). Это делалось для экспериментов и себя не оправдало. Если нет в необходимости, JP1, R20, R21, R22 можно исключить из схемы.

Датчики Холла

Поскольку регулятор универсальный, он должен принимать сигналы от датчиков Холла в том случае, если используется двигатель с датчиками. Предполагается, что датчики Холла дискретные, тип SS41 . Допускается применение и других типов датчиков с дискретным выходом. Сигналы от трех датчиков поступают через резисторы R11, R12, R13 на переключатели JP4, JP5, JP6 . Резисторы R16, R15, R14 выступают в качестве подтягивающих резисторов. C7, С8, С9 – фильтрующие конденсаторы. Переключателями JP4, JP5, JP6 выбирается тип обратной связи с двигателем. Кроме изменения положения переключателей в программных настройках регулятора следует указать соответствующий тип двигателя (Sensorless или Sensored ).

Измерения аналоговых сигналов

На вход ADC5(PC5) через делитель R5, R6 подается напряжения питания двигателя. Это напряжение контролируется микроконтроллером.

На вход ADC3(PC3) поступает аналоговый сигнал от датчика тока. Датчик тока ACS756SA . Это датчик тока на основе эффекта Холла. Преимущество этого датчика в том, что он не использует шунт, а значит, имеет внутреннее сопротивление близкое к нулю, поэтому на нем не происходит тепловыделения. Кроме того, выход датчика аналоговый в пределах 5В, поэтому без каких-либо преобразований подается на вход АЦП микроконтроллера, что упрощает схему. Если потребуется датчик с большим диапазоном измерения тока, Вы просто заменяете существующий датчик новым, абсолютно не изменяя схему.

Если Вам хочется использовать шунт с последующей схемой усиления, согласования – пожалуйста.

Задающие сигналы

Сигнал, задающий обороты двигателя, с потенциометра RV1 поступает на вход ADC4(PC4) . Обратите внимание на резистор R9 – он шунтирует сигнал в случае обрыва провода к потенциометру.

Кроме того, есть вход RC сигнала, который повсеместно используется в дистанционно управляемых моделях. Выбор управляющего входа и его калибровка выполняется в программных настройках регулятора.

UART интерфейс

Сигналы TX, RX используются для настройки регулятора и выдачи информации о состоянии регулятора – обороты двигателя, ток, напряжение питания и т.п. Для настройки регулятора его можно подключить к USB порту компьютера, используя . Настройка выполняется через любую программу терминала. Например: Hyperterminal или Putty .

Прочее

Также имеются контакты реверса – вывод микроконтроллера PD3 . Если замкнуть эти контакты перед стартом двигателя, двигатель будет вращаться в обратном направлении.

Светодиод, сигнализирующий о состоянии регулятора, подключен к выводу PD4 .

Силовая часть

Драйвера ключей использовались IR2101 . У этого драйвера одно преимущество – низкая цена. Для слаботочных систем подойдет, для мощных ключей IR2101 будет слабоват. Один драйвер управляет двумя “N” канальными MOSFET транзисторами (верхним и нижним). Нам понадобиться три таких микросхемы.

Ключи нужно выбирать в зависимости от максимального тока и напряжения питания двигателя (выбору ключей и драйверов будет посвящена отдельная статья). На схеме обозначены IR540 , в реальности использовались K3069 . K3069 рассчитаны на напряжение 60В и ток 75А. Это явный перебор, но мне они достались даром в большом количестве (желаю и Вам такого счастья).

Конденсатор С19 включается параллельно питающей батареи. Чем больше его емкость – тем лучше. Этот конденсатор защищает батарею от бросков тока и ключи от значительной просадки напряжения. При отсутствии этого конденсатора Вам обеспечены как минимум проблемы с ключами. Если подключать батарею сразу к VD – может проскакивать искра. Искрогасящий резистор R32 используется в момент подключения к питающей батарее. Сразу подключаем “– ” батареи, затем подаем “+ ” на контакт Antispark . Ток течет через резистор и плавно заряжает конденсатор С19 . Через несколько секунд, подключаем контакт батареи к VD . При питании 12В можно Antispark не делать.

Возможности прошивки

возможность управлять двигателями с датчиками и без;
для бездатчикового двигателя три вида старта: без определения первоначального положения; с определением первоначального положения; комбинированный;
настройка угла опережения фазы для бездатчикового двигателя с шагом 1 градус;
возможность использовать один из двух задающих входов: 1-аналоговый, 2-RC;
калибровка входных сигналов;
реверс двигателя;
настройка регулятора по порту UART и получение данных от регулятора во время работы (обороты, ток, напряжение батареи);
частота ШИМ 16, 32 КГц.
настройка уровня ШИМ сигнала для старта двигателя;
контроль напряжения батарей. Два порога: ограничение и отсечка. При снижении напряжения батареи до порога ограничения обороты двигателя понижаются. При снижении ниже порога отсечки происходит полная остановка;
контроль тока двигателя. Два порога: ограничение и отсечка;
настраиваемый демпфер задающего сигнала;
настройка Dead time для ключей

Работа регулятора

Включение

Напряжение питания регулятора и двигателя раздельное, поэтому может возникнуть вопрос: в какой последовательности подавать напряжение. Я рекомендую подавать напряжение на схему регулятора. А затем подключать напряжение питания двигателя. Хотя при другой последовательности проблем не возникало. Соответственно, при одновременной подаче напряжения также проблем не возникало.

После включения двигатель издает 1 короткий сигнал (если звук не отключен), включается и постоянно светится светодиод. Регулятор готов к работе.

Для запуска двигателя следует увеличивать величину задающего сигнала. В случае использования задающего потенциометра, запуск двигателя начнется при достижении задающего напряжения уровня примерно 0.14 В. При необходимости можно выполнить калибровку входного сигнала, что позволяет использовать раные диапазоны управляющих напряжений. По умолчанию настроен демпфер задающего сигнала. При резком скачке задающего сигнала обороты двигателя будут расти плавно. Демпфер имеет несимметричную характеристику. Сброс оборотов происходит без задержки. При необходимости демпфер можно настроить или вовсе отключить.

Запуск

Запуск бездатчикового двигателя выполняется с установленным в настройках уровнем стартового напряжения. В момент старта положение ручки газа роли значения не имеет. При неудачной попытке старта попытка запуска повторяется, пока двигатель не начнет нормально вращаться. Если двигатель не может запуститься в течение 2-3 секунд попытки следует прекратить, убрать газ и перейти к настройке регулятора.

При опрокидывании двигателя или механическом заклинивании ротора срабатывает защита, и регулятор пытается перезапустить двигатель.

Запуск двигателя с датчиками Холла также выполняется с применением настроек для старта двигателя. Т.е. если для запуска двигателя с датчиками дать полный газ, то регулятор подаст напряжение, которое указано в настройках для старта. И только после того, как двигатель начнет вращаться, будет подано полное напряжение. Это несколько нестандартно для двигателя с датчиками, поскольку такие двигатели в основном применяются как тяговые, а в данном случае достичь максимального крутящего момента на старте, возможно, будет сложно. Тем не менее, в данном регуляторе присутствует такая особенность, которая защищает двигатель и регулятор от выхода со строя при механическом заклинивании двигателя.

Во время работы регулятор выдает данные об оборотах двигателя, токе, напряжении батарей через порт UART в формате:

E:минимальное напряжение батареи: максимальное напряжение батареи: максимальный ток: обороты двигателя (об/мин) A:текущее напряжение батареи: текущий ток: текущие обороты двигателя (об/мин)

Данные выдаются с периодичностью примерно 1 секунда. Скорость передачи по порту 9600.

Настройка регулятора

Для настройки регулятора его следует подключить к компьютеру с помощью . Скорость передачи по порту 9600.

Переход регулятора в режим настройки происходит при включении регулятора, когда задающий сигнал потенциометра больше нуля. Т.е. Для перевода регулятора в режим настройки следует повернуть ручку задающего потенциометра, после чего включить регулятор. В терминале появится приглашение в виде символа “> “. После чего можно вводить команды.

Регулятор воспринимает следующие команды (в разных версиях прошивки набор настроек и команд может отличаться):

h – вывод списка команд;
? – вывод настроек;
c – калибровка задающего сигнала;
d – сброс настроек к заводским настройкам.

команда “? ” выводит в терминал список всех доступных настроек и их значение. Например:

Motor.type=0 motor.magnets=12 motor.angle=7 motor.start.type=0 motor.start.time=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 voltage.limit=128 voltage.cutoff=120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1

Изменить нужную настройку можно командой следующего формата:

<настройка>=<значение>

Например:

pwm.start=15

Если команда была дана корректно, настройка будет применена и сохранена. Проверить текущие настройки после их изменения можно командой “? “.

Измерения аналоговых сигналов (напряжение, ток) выполняются с помощью АЦП микроконтроллера. АЦП работает в 8-ми битном режиме. Точность измерения занижена намеренно для обеспечения приемлемой скорости преобразования аналогового сигнала. Соответственно, все аналоговые величины регулятор выдает в виде 8-ми битного числа, т.е. от 0 до 255.

Назначение настроек:

Список настроек, их описание:

Параметр	Описание	Значение
motor.type	Тип мотора	0-Sensorless; 1-Sensored
motor.magnets	Кол.во магнитов в роторе двигателя. Изпользуется только для расчета оборотов двигателя.	0..255, шт.
motor.angle	Угол опережения фазы. Используется только для Sensorless двигателей.	0..30, градусов
motor.start.type	Тип старта. Используется только для Sensorless двигателей.	0-без определения положения ротора; 1-с определением положения ротора; 2-комбинированный;
motor.start.time	Время старта.	0..255, мс
pwm	Частота PWM	16, 32, КГц
pwm.start	Значение PWM (%) для старта двигателя.	0..50 %
pwm.min	Значение минимального значения PWM (%), при котором двигатель вращается.	0..30 %
voltage.limit	Напряжение батареи, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255*
voltage.cutoff	Напряжение батареи, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255*
current.limit	Ток, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255**
current.cutoff	Ток, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC.	0..255**
system.sound	Включить/выключить звуковой сигнал, издаваемый двигателем	0-выключен; 1-включен;
system.input	Задающий сигнал	0-потенциометр; 1-RC сигнал;
system.damper	Демпфирование входного сигнала	0..255, условные единицы
system.deadtime	Значение Dead Time для ключей в микросекундах	0..2, мкс

* – числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя.
Рассчитывается по формуле: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5
Где: U – напряжение в Вольтах; R5, R6 – сопротивление резисторов делителя в Омах.

Двигатели используются во многих областях техники. Для того чтобы происходило вращение ротора двигателя необходимо наличие вращающегося магнитного поля. В обычных двигателях постоянного тока это вращение осуществляется механическим способом с помощью щеток, скользящих по коллектору. При этом возникает искрение, а, кроме того, из-за трения и износа щеток для таких двигателей необходимо постоянное техническое обслуживание.

Благодаря развитию техники стало возможным генерировать вращающееся магнитное поле электронным способом, что было воплощено в бесколлекторных двигателях постоянного тока (БДПТ).

Устройство и принцип действия

Основными элементами БДПТ являются:

ротор , на котором укреплены постоянные магниты;
статор , на котором установлены обмотки;
электронный контроллер .

По конструкции такой двигатель может быть двух типов:

с внутренним расположением ротора (inrunner)

с внешним расположением ротора (outrunner)

В первом случае ротор вращается внутри статора, а во втором – ротор крутится вокруг статора.

Двигатель типа inrunner используется в том случае, когда необходимо получить большие обороты вращения. Этот двигатель имеет более простую стандартную конструкцию, которая позволяет использовать неподвижный статор для крепления двигателя.

Двигатель типа outrunner подходит для получения большого момента при низких оборотах. В этом случае крепление двигателя производится с использованием неподвижной оси.

Двигатель типа inrunner — большие обороты, низкий крутящий момент. Двигатель типа outrunner — маленькие обороты, высокий крутящий момент.

Число полюсов в БДПТ может быть разным. По числу полюсов можно судить о некоторых характеристиках двигателя. Например, двигатель с ротором, имеющим 2 полюса, имеет большее число оборотов и малый момент. Двигатели с увеличенным количеством полюсов имеют больший момент, но меньшее число оборотов. Изменением числа полюсов ротора можно менять число оборотов двигателя. Таким образом, изменяя конструкцию двигателя, производитель может подобрать необходимые параметры двигателя по моменту и числу оборотов.

Управление БДПТ

Регулятор оборотов, внешний вид

Для управления бесколлекторным двигателем используется специальный контролер — регулятор скорости вращения вала двигателя постоянного тока. Его задачей является генерация и подача в нужный момент на нужную обмотку необходимого напряжения. В контроллере для приборов с питанием от сети 220 В чаще всего используется инверторная схема, в которой происходит преобразование тока с частотой 50 Гц сначала в постоянный ток, а затем в сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для подачи питающего напряжения на обмотки статора используются мощные электронные ключи на биполярных транзисторах или других силовых элементах.

Регулировка мощности и числа оборотов двигателя осуществляется изменением скважности импульсов, а, следовательно, и действующим значением напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Принципиальная схема регулятора оборотов. К1-К6 — ключи D1-D3 — датчики положения ротора (датчики Холла)

Важным вопросом является своевременное подключение электронных ключей к каждой обмотке. Для обеспечения этого контроллер должен определять положение ротора и его скорость . Для получения такой информации могут быть использованы оптические или магнитные датчики (например, датчики Холла ), а также обратные магнитные поля.

Более распространено использование датчиков Холла , которые реагируют на наличие магнитного поля . Датчики размещаются на статоре таким образом, чтобы на них действовало магнитное поле ротора. В некоторых случаях датчики устанавливают в устройствах, которые позволяют изменять положение датчиков и, соответственно, регулировать угол опережения (timing).

Регуляторы оборотов вращения ротора очень чувствительны к силе тока, проходящего через него. Если вы подберете аккумуляторную батарейку с большей выдаваемой силой тока, то регулятор сгорит! Правильно подбирайте сочетания характеристик!

Достоинства и недостатки

По сравнению с обычными двигателями БДПТ имеют следующие достоинства:

большой кпд ;
высокое быстродействие ;
возможность изменения частоты вращения ;
отсутствие искрящих щеток ;
малые шумы , как в звуковом, так и высокочастотном диапазонах;
надежность ;
способность противостоять перегрузкам по моменту ;
отличное соотношение габаритов и мощности .

Бесколлекторный двигатель отличается большим кпд. Он может достигать 93-95%.

Высокая надежность механической части БД объясняется тем, что в нем используются шарикоподшипники и отсутствуют щетки. Размагничивание постоянных магнитов происходит довольно медленно, особенно, если они выполнены с использованием редкоземельных элементов. При использовании в контроллере защиты по току срок службы этого узла довольно высок. Фактически срок службы БДПТ может определяться сроком службы шарикоподшипников .

Недостатками БДПТ является сложность системы управления и высокая стоимость.

Применение

Области применения БДТП следующие:

создание моделей ;
медицина ;
автомобилестроение ;
нефтегазовая промышленность ;
бытовые приборы ;
военная техника .

Использование БД для авиамоделей дает значительное преимущество по мощности и габаритам. Сравнение обычного коллекторного двигателя типа Speed-400 и БДТП того же класса Astro Flight 020 показывает, что двигатель первого типа имеет кпд 40-60%. Кпд второго двигателя в тех же условиях может достигать 95%. Таким образом, использование БД позволяет увеличить почти в 2 раза мощность силовой части модели или время ее полета.

Благодаря малому шуму и отсутствию нагревания при работе БДПТ широко используются в медицине, особенно в стоматологии.

В автомобилях такие двигатели используются в подъемниках стекол, электростеклоочистителях, омывателях фар и электрорегуляторах подъема кресел .

Отсутствие коллектора и искрения щеток позволяет использовать БД в качестве элементов запорных устройств в нефтегазовой промышленности .

В качестве примера использования БД в бытовой технике можно отметить стиральную машину с прямым приводом барабана компании LG. Эта компания использует БДТП типа Outrunner. На роторе двигателя имеется 12 магнитов, а на статоре – 36 катушек индуктивности, которые намотаны проводом диаметром в 1 мм на сердечники из магнитопроводящей стали. Катушки соединены последовательно по 12 штук в фазе. Сопротивление каждой фазы равно 12 Ом. В качестве датчика положения ротора используется датчик Холла. Ротор двигателя крепится к баку стиральной машины.

Повсеместно данный двигатель используется в жестких дисках для компьютеров, что делает их компактными, в CD и DVD приводах и системах охлаждения для микро-электронотехнических устройств и не только.

Наряду с БД малой и средней мощности в промышленности с тяжелыми условиями работы, судовой и военной промышленностях все больше используются большие БДПТ.

БД большой мощности разработаны для американских ВМС. Например, компания Powertec разработала БДТП мощностью 220 кВт со скоростью в 2000 об/мин. Момент двигателя достигает 1080 Нм.

Кроме указанных областей, БД применяются в проектах станков, прессов, линий для обработки пластмасс, а также в ветроэнергетике и использовании энергии приливных волн.

Характеристики

Основные характеристики двигателя:

номинальная мощность ;
максимальная мощность ;
максимальный ток ;
максимальное рабочее напряжение ;
максимальные обороты (или коэффициент Kv);
сопротивление обмоток ;
угол опережения ;
режим работы ;
габаритно-массовые характеристики двигателя.

Основным показателем двигателя является его номинальная мощность, то есть мощность, вырабатываемая двигателем в течение длительного времени его работы.

Максимальная мощность – это мощность, которую может отдать двигатель в течение кратковременного отрезка времени, не разрушаясь. Например, для упомянутого выше бесколлекторного двигателя Astro Flight 020 она равна 250 Вт.

Максимальный ток . Для Astro Flight 020 он равен 25 А.

Максимальное рабочее напряжение – напряжение, которое могут выдержать обмотки двигателя. Для Astro Flight 020 задан диапазон рабочих напряжений от 6 до 12 В.

Максимальное число оборотов двигателя . Иногда в паспорте указывается коэффициент Kv – число оборотов двигателя на один вольт. Для Astro Flight 020 Kv= 2567 об/В. В этом случае максимальное число оборотов можно определить умножением этого коэффициента на максимальное рабочее напряжение.

Обычно сопротивление обмоток для двигателей составляет десятые или тысячные доли Ома. Для Astro Flight 020 R= 0,07 Ом. Это сопротивление влияет на кпд БДПТ.

Угол опережения представляет собой опережение переключения напряжений на обмотках. Оно связано с индуктивным характером сопротивления обмоток.

Режим работы может быть длительным или кратковременным. При долговременном режиме двигатель может работать длительное время. При этом выделяемое им тепло полностью рассеивается и он не перегревается. В таком режиме работают двигатели, например, в вентиляторах, конвейерах или эскалаторах. Кратковременный режим используется для таких устройств, как например, лифт, электробритва. В этих случаях двигатель работает короткое время, а затем долгое время остывает.

В паспорте на двигатель приводятся его размеры и масса. Кроме того, например, для двигателей, предназначенных для авиамоделей, приводятся посадочные размеры и диаметр вала. В частности, для двигателя Astro Flight 020 приведены следующие характеристики:

длина равна 1,75”;
диаметр равен 0,98”;
диаметр вала равен 1/8”;
вес равен 2,5 унции.

Выводы:

В моделировании, в различных технических изделиях, в промышленности и в оборонной технике используются БДПТ, в которых вращающееся магнитное поле формируется электронной схемой.
По своей конструкции БДПТ могут быть с внутренним (inrunner) и внешним (outrunner) расположением ротора.
По сравнению с другими двигателями БДПТ имеют ряд преимуществ, основными из которых являются отсутствие щеток и искрения, большой кпд и высокая надежность.

Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока (БКДП) был известен очень давно, и бесщёточные моторы всегда были интересной альтернативой традиционным решениям. Несмотря на это, подобные электрические машины лишь в XXI веке нашли широкое применение в технике. Решающим фактором повсеместного внедрения стало многократное снижение стоимости электроники управления приводом БДКП.

Проблемы коллекторных двигателей

На фундаментальном уровне работа любого электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую. Существуют два основных физических явления, лежащих в основе устройства электрических машин:

Двигатель сконструирован таким образом, что магнитные поля, создаваемые на каждом из магнитов, всегда взаимодействуют между собой, придавая ротору вращение. Традиционный электродвигатель постоянного тока состоит из четырёх основных частей:

статор (неподвижный элемент с кольцом из магнитов);
якорь (вращающийся элемент с обмотками);
угольные щётки;
коллектор.

Такая конструкция предусматривает вращение якоря и коллектора на одном валу относительно неподвижных щёток. Ток проходит от источника через подпружиненные для хорошего контакта щётки на коммутатор, который распределяет электричество между обмотками якоря. Магнитное поле, индуцированное в последних, взаимодействует с магнитами статора, что заставляет статор вращаться.

Главный недостаток традиционного двигателя в том, что механический контакт на щётках невозможно обеспечить без трения. При увеличении скорости проблема проявляет себя сильнее. Коллекторный узел изнашивается со временем и, кроме того, склонен к искрению и способен ионизировать окружающий воздух. Таким образом, несмотря на простоту и дешевизну в изготовлении, подобные электродвигатели обладают некоторыми непреодолимыми недостатками:

износ щёток;
электрические помехи в результате искрения;
ограничения в максимальной скорости;
сложности с охлаждением вращающегося электромагнита.

Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе, в отличие от предшественника, роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП - его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Главный вопрос - точное управление бесколлекторным двигателем, предполагающее правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Эта задача конструктивно разрешима лишь при возможности непрерывного определения текущего положения ротора.

Необходимые данные для обработки электроникой получают двумя способами :

детектированием абсолютного положения вала;
измерением напряжения, индуцируемого в обмотках статора.

Для реализации контроля первым способом чаще всего используют либо оптические пары, либо закреплённые неподвижно на статоре датчики Холла, реагирующие на магнитный поток ротора. Главным достоинством подобных систем сбора информации о положении вала является их работоспособность даже при очень низких скоростях и в состоянии покоя.

Бессенсорный контроль для оценки напряжения в катушках требуется хотя бы минимального вращения ротора. Поэтому в таких конструкциях предусмотрен режим запуска двигателя до оборотов, при которых напряжение на обмотках может быть оценено, а состояние покоя тестируется с помощью анализа влияния магнитного поля на тестовые импульсы тока, проходящие через катушки.

Несмотря на все перечисленные конструктивные сложности, бесщёточные двигатели завоёвывают всё большую популярность благодаря своей производительности и недоступному для коллекторных набору характеристик. Краткий перечень основных преимуществ БДКП перед классическими выглядит так:

отсутствие механических потерь энергии на трении щёток;
сравнительная бесшумность работы;
лёгкость ускорения и замедление вращения благодаря малой инерции ротора;
точность управления вращением;
возможность организации охлаждения за счёт теплопроводности;
способность к работе на высоких скоростях;
долговечность и надёжность.

Современное применение и перспективы

Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств. В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность.

БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.

Можно сказать, что в области электроприводов сейчас наблюдается значительный прогресс. Продолжающееся падение цен на цифровую электронику породило тенденцию на повсеместное применение бесколлекторных двигателей взамен традиционных.

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.