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:

Отсутствие коллекторного узла, что упрощает или даже вообще исключает техническое обслуживание.
Генерация более низкого уровня акустического и электрического шума по сравнению с универсальными коллекторными двигателями постоянного тока.
Возможность работы в опасных средах (с воспламеняемыми продуктами).
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.

Отличительные особенности:

Общие сведения о БКЭПТ
Использует контроллер силового каскада
Пример программного кода

Введение

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.

Принцип действия

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

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

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

Рисунок 2. Статор и ротор трехфазного, трехобмоточного БКЭПТ

Датчик Холла

Коммутация фаз зависит от состояния датчиков Холла.

Рисунок 3. Сигналы датчиков Холла в процессе вращения

Коммутация фаз

Рисунок 4. Силовой каскад

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

Таблица 1. Коммутация ключей по часовой стрелке

У двигателей с несколькими полями электрическое вращение не соответствует механическому вращению. Например, у четырехполюсных БКЭПТ четыре цикла электрического вращения соответствуют одному механическому вращению.

От силы магнитного поля зависит мощность и частота вращения двигателя. Регулировать частоту вращения и вращающий момент двигателя можно за счет изменения тока через обмотки. Наиболее распространенный способ управления током через обмотки является управление средним током. Для этого используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), рабочий цикл которой определяет среднее значение напряжения на обмотках, а, следовательно, и среднее значение тока и, как следствие, частоту вращения. Скорость может регулироваться при частотах от 20 до 60 кГц.

Вращающееся поле трехфазного, трехобмоточного БКЭПТ показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Ступени коммутации и вращающееся поле

Процесс коммутации создает вращающееся поле. На ступени 1 фаза А подключается к положительной шине питания ключом SW1, фаза В подключается к общему с помощью ключа SW4, а фаза С остается неподключенной. Фазами А и В создаются два вектора магнитного потока (показаны красной и синий стрелками, соответственно), а сумма этих двух векторов дает вектор магнитного потока статора (зеленая стрелка). После этого ротор пытается следовать магнитному потоку. Как только ротор достигает некоторого положения, в котором изменяется состояние датчиков Холла со значения "010" на "011", выполняется соответствующим образом переключение обмоток двигателя: фаза В остается незапитанной, а фаза С подключается к общему. Это приводит к генерации нового вектора магнитного потока статора (ступень 2).

Если следовать схеме коммутации, показанной на рисунке 3 и в таблице 1, то получим шесть различных векторов магнитного потока, соответствующих шести ступеням коммутации. Шесть ступеней соответствуют одному обороту ротора.

Стартовый набор ATAVRMC100

Принципиальная электрическая схема представлена на рисунках 21, 22, 23 и 24 в конце документа.

Программа содержит контур управления скоростью с помощью ПИД-регулятора. Такой регулятор состоит из трех звеньев, каждый из которых характеризуется собственным коэффициентом передачи: Kп, Kи и Kд.

Кп - коэффициент передачи пропорционального звена, Kи - коэффициент передачи интегрирующего звена и Kд - коэффициент передачи дифференцирующего звена. Отклонение заданной скорости от фактической (на рисунке 6 называется "сигнал рассогласования") обрабатывается каждым из звеньев. Результат данных операций складывается и подается на двигатель для получения требуемой частоты вращения (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Структурная схема ПИД-регулятора

Коэффициент Кп влияет на длительность переходного процесса, коэффициент Ки позволяет подавить статические ошибки, а Кд используется, в частности, для стабилизации положения (см. описание контура управления в архиве с программным обеспечением для изменения коэффициентов).

Описание аппаратной части

Как показано на рисунке 7 микроконтроллер содержит 3 контроллера силового каскада (PSC). Каждый PSC можно рассматривать как широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с двумя выходными сигналами. Во избежание возникновения сквозного тока PSC поддерживает возможность управления задержкой неперекрытия силовых ключей (см. документацию на AT90PWM3 для более детального изучения работы PSC, а также рисунок 9).

Аварийный вход (Over_Current, токовая перегрузка) связан с PSCIN. Аварийный вход разрешает микроконтроллеру отключить все выходы PSC.

Рисунок 7. Аппаратная реализация

Для измерения тока можно использовать два дифференциальных канала с программируемым усилительным каскадом (Ку=5, 10, 20 или 40). После выбора коэффициента усиления необходимо подобрать номинал шунтового резистора для наиболее полного охвата диапазона преобразования.

Сигнал Over_Current формируется внешним компаратором. Пороговое напряжение компаратора можно регулироваться с помощью внутреннего ЦАП.

Переключение фаз должно выполняться в соответствии со значением на выходах датчиков Холла. ДХ_A, ДХ_B и ДХ_C подключаются к входам источников внешних прерываний или к трем внутренним компараторам. Компараторы генерируют такой же тип прерываний, что и внешние прерывания. На рисунке 8 показано, как используются порты ввода-вывода в стартовом наборе.

Рисунок 8. Использование портов ввода-вывода микроконтроллера (корпус SO32)

VMOT (Vдв.) и VMOT_Half (1/2 Vдв.) реализованы, но не используются. Они могут использоваться для получения информации о напряжении питания двигателя.

Выходы H_x и L_x используются для управления силовым мостом. Как было сказано выше, они зависят от контроллера силового каскада (PSC), который генерирует ШИМ-сигналы. В таком применении рекомендуется использовать режим с выравниванием по центру (см. рисунок 9), когда регистр OCR0RA используется для синхронизации запуска преобразования АЦП для измерения тока.

Рисунок 9. Осциллограммы сигналов PSCn0 и PSCn1 в режиме с выравниванием по центру

Время вкл. 0 = 2 * OCRnSA * 1/Fclkpsc
Время вкл. 1 = 2* (OCRnRB - OCRnSB + 1) * 1/Fclkpsc
Период PSC = 2 * (OCRnRB + 1) * 1/Fclkpsc

Пауза неперекрытия между PSCn0 и PSCn1:

|OCRnSB - OCRnSA| * 1/Fclkpsc

Блок PSC тактируется сигналов CLKPSC.

Для подачи ШИМ-сигналов в силовой каскад может использоваться один из двух способов. Первый заключается в приложении ШИМ-сигналов к верхним и нижним частям силового каскада, а второй - в приложении ШИМ-сигналов только к верхним частям.

Описание программного обеспечения

Atmel разработала библиотеки для управления БКЭПТ. Первый шаг их использования заключается в конфигурации и инициализации микроконтроллера.

Конфигурация и инициализация микроконтроллера

Для этого необходимо использовать функцию mc_init_motor(). Она вызывает функции инициализации аппаратной и программной части, а также инициализирует все параметры двигателя (направление вращения, частота вращения и останов двигателя).

Структура программной реализации

После конфигурации и инициализации микроконтроллера может быть выполнен запуск двигателя. Для управления двигателем необходимо только несколько функций. Все функции определены в mc_lib.h:

Void mc_motor_run(void) - Используется для запуска двигателя. Вызывается функция контура стабилизации для установки рабочего цикла ШИМ. После этого выполняется первая фаза коммутации. Bool mc_motor_is_running(void) - Определение состояния двигателя. Если "1", то двигатель работает, если "0", то двигатель остановлен. void mc_motor_stop(void) - Используется для остановки двигателя. void mc_set_motor_speed(U8 speed) - Установка заданной пользователем скорости. U8 mc_get_motor_speed(void) - Возвращает заданную пользователем скорость. void mc_set_motor_direction(U8 direction) - Установка направления вращения "CW" (по часовой стрелке) или "CCW" (против часовой стрелки). U8 mc_get_motor_direction(void) - Возвращает текущее направление вращения двигателя. U8 mc_set_motor_measured_speed(U8 measured_speed) - Сохранение измеренной скорости в переменной measured_speed. U8 mc_get_motor_measured_speed(void) - Возвращает измеренную скорость. void mc_set_Close_Loop(void) void mc_set_Open_Loop(void) - Конфигурация контура стабилизации: замкнутый контур или разомкнутый (см. рисунок 13).

Рисунок 10. Конфигурация AT90PWM3

Рисунок 11. Структура программного обеспечения

На рисунке 11 показаны четыре переменные mc_run_stop (пуск/стоп), mc_direction (направление), mc_cmd_speed (заданная скорость) и mc_measured_speed (измеренная скорость). Они являются основными программными переменными, доступ к которым может выполняться посредством ранее описанных пользовательских функций.

Программную реализацию можно рассматривать как черный ящик с наименованием "Управление двигателем" (рисунок 12) и несколькими входами (mc_run_stop, mc_direction, mc_cmd_speed, mc_measured_speed) и выходами (все сигналы управления силовым мостом).

Рисунок 12. Основные программные переменные

Большинство функций доступны в mc_drv.h. Только некоторые из них зависят от типа двигателя. Функции можно разделить на четыре основных класса:

Инициализация аппаратной части

Void mc_init_SW(void); Используется для инициализации программного обеспечения. Разрешает все прерывания.

Void mc_init_port(void); Инициализация порта ввода-вывода путем задания через регистры DDRx, какие выводы функционируют как вход, а какие как выход, а также с указанием, на каких входах необходимо включить подтягивающие резисторы (через регистр PORTx).

Void mc_init_pwm(void); Данная функция запускает ФАПЧ и устанавливает все регистры PSC в исходное состояние.

Void mc_init_IT(void); Модифицируйте данную функцию для разрешения или запрета типов прерываний.

Void PSC0_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC1_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC2_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); PSCx_Init позволяет пользователю выбрать конфигурацию контроллера силового каскада (PSC) микроконтроллера.

Функции коммутации фаз U8 mc_get_hall(void); Считывание состояния датчиков Холла, соответствующее шести ступеням коммутации (HS_001, HS_010, HS_011, HS_100, HS_101, HS_110).
Interrupt void mc_hall_a(void); _interrupt void mc_hall_b(void); _interrupt void mc_hall_c(void); Данные функции выполняются, если выявлено внешнее прерывание (изменение выхода датчиков Холла). Они позволяют выполнить коммутацию фаз и вычислить скорость.
Void mc_duty_cycle(U8 level); Данная функция устанавливает рабочий цикл ШИМ в соответствии с конфигурацией PSC.
Void mc_switch_commutation(U8 position); Коммутация фаз выполняется в соответствии со значением на выходах датчиков Холла и только в случае, если пользователь запустит двигатель.
Конфигурация времени преобразования void mc_config_sampling_period(void); Инициализация таймера 1 для генерации прерывания каждые 250 мкс. _interrupt void launch_sampling_period(void); После активизации 250 мкс-ого прерывания устанавливает флаг. Он может использоваться для управления временем преобразования.
Оценка скорости void mc_config_time_estimation_speed(void); Конфигурация таймера 0 для выполнения функции вычисления скорости.
Void mc_estimation_speed(void); Данная функция вычисляет частоту вращения двигателя на основе принципа измерения периода следования импульсов датчика Холла.
Interrupt void ovfl_timer(void); При возникновении прерывания выполняется приращение 8-разрядной переменной для реализации 16-разрядного таймера с помощью 8-разрядного таймера.
Измерение тока _interrupt void ADC_EOC(void); Функция ADC_EOC выполняется сразу после завершения преобразования усилителя для установки флага, который может использоваться пользователем.
Void mc_init_current_measure(void); Данная функция инициализирует усилитель 1 для измерения тока.
U8 mc_get_current(void); Считывание значения тока, если преобразование завершено.
Bool mc_conversion_is_finished(void); Индицирует завершение преобразования.
Void mc_ack_EOC(void); Сброс флага завершения преобразования.
Детекция токовой перегрузки void mc_set_Over_Current(U8 Level); Устанавливает порог определения токовой перегрузки. В качестве порога выступает выход ЦАП, связанный с внешним компаратором.

Контур стабилизации выбирается с помощью двух функций: разомкнутый (mc_set_Open_Loop()) или замкнутый контур (mc_set_Close_Loop()). На рисунке 13 показан программно-реализованный контур стабилизации.

Рисунок 13. Контур стабилизации

Замкнутый контур представляет собой контур стабилизации скорости на основе ПИД-регулятора.

Как было показано ранее, коэффициент Кп используется для стабилизации времени отклика двигателя. Вначале установите Ки и Кд равными 0. Для получения требуемого времени отклика двигателя необходимо подбирать значение Кп.

Если время отклика слишком мало, то увеличьте Кп.
Если время отклика быстрое, но не стабильное, то снизьте Кп.

Рисунок 14. Настройка Кп

Параметр Ки используется для подавления статической погрешности. Оставьте коэффициент Кп неизменным и установите параметр Ки.

Если погрешность отличается от нуля, то увеличьте Ки.
Если подавлению погрешности предшествовал колебательный процесс, то уменьшите Ки.

Рисунок 15. Настройка Ки

На рисунках 14 и 15 показаны примеры выбора правильных параметров регулятора Кп = 1, Ки = 0.5 и Kд = 0.

Настройка параметра Кд:

Если быстродействие низкое, то увеличьте Кд.
При нестабильности Кд необходимо снижать.

Еще одним существенным параметром является время преобразования. Его необходимо выбирать относительно времени реагирования системы. Время преобразования должно быть, по крайней мере, в два раза меньше времени отклика системы (по правилу Котельникова).

Для конфигурации времени преобразования предусмотрены две функции (обсуждались выше).

Их результат отображается в глобальной переменной g_tick, которая устанавливается каждые 250 мкс. С помощью данной переменной возможно настроить время преобразования.

ЦПУ и использование памяти

Все измерения выполняются при частоте генератора 8МГц. Они также зависят от типа двигателя (количество пар полюсов). При использовании двигателя с 5 парами полюсов частота сигнала на выходе датчика Холла в 5 раз ниже частоты вращения двигателя.

Все результаты, приведенные на рисунке 16, получены при использовании трехфазного БКЭПТ с пятью парами полюсов и максимальной частотой вращения 14000 об/мин.

Рисунок 16. Использование быстродействия микроконтроллера

В худшем случае уровень загрузки микроконтроллера около 18% с временем преобразования 80 мс и частотой вращения 14000 об/мин.

Первую оценку можно выполнить для более быстрого двигателя и с добавлением функции стабилизации тока. Время выполнения функции mc_regulation_loop() находится между 45 и 55мкс (необходимо принять во внимание время преобразования АЦП около 7 мкс). Для оценки был выбран БКЭПТ с временем отклика тока около 2-3 мс, пятью парами полюсов и максимальной частотой вращения около 2-3 мс.

Максимальная частота вращения двигателя равна около 50000 об/мин. Если ротор использует 5 пар полюсов, то результирующая частота на выходе датчиков Холла будет равна (50000 об/мин/60)*5 = 4167 Гц. Функция mc_estimation_speed() запускается при каждом нарастающем фронте датчика Холла А, т.е. каждые 240 мкс при длительности выполнения 31 мкс.

Функция mc_switch_commutation() зависит от работы датчиков Холла. Она выполняется при возникновении фронтов на выходе одного из трех датчиков Холла (нарастающий или падающий фронты), таким образом, за один период импульсов на выходе датчика Холла генерируется шесть прерываний, а результирующая периодичность вызова функции равна 240/6 мкс = 40 мкс.

Наконец, время преобразования контура стабилизации должно быть, по крайней мере, в два раза меньше чем время реагирования двигателя (около 1 мс).

Результаты приведены на рисунке 17.

Рисунок 17. Оценка загрузки микроконтроллера

В таком случае уровень загрузки микроконтроллера около 61%.

Все измерения выполнялись с использованием одного и того же программного обеспечения. Коммуникационные ресурсы не используются (УАПП, LIN...).

При таких условиях используется следующий объем памяти:

3175 байт памяти программ (38,7% от всего объема флэш-памяти).
285 байт памяти данных (55,7% от всего объема статического ОЗУ).

Конфигурация и использование ATAVRMC100

На рисунке 18 представлена полная схема различных режимов работы стартового набора ATAVRMC100.

Рисунок 18. Назначение портов ввода-вывода микроконтроллера и коммуникационные режимы

Режим работы

Поддерживается два различных режима работы. Установите перемычки JP1, JP2 и JP3 в соответствии с рисунком 19 для выбора одного из этих режимов. В данных рекомендациях по применению используется только режим с использованием датчиков. Полное описание аппаратной части приведено в руководстве пользователя к набору ATAVRMC100.

Рисунок 19. Выбор режима управления с использованием датчиков

На рисунке 19 показаны исходные установки перемычек, которые соответствуют использованию программного обеспечения, связанного с данными рекомендациями по применению.

Программа, которая поставляется вместе с платой ATAVRMC100, поддерживает два режима работы:

запуск двигателя на максимальной скорости без внешних компонентов.
регулировка скорости двигателя с помощью одного внешнего потенциометра.

Рисунок 20. Подключение потенциометра

Заключение

В данных рекомендациях по применению представлено аппаратное и программное решение устройства управления бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с использованием датчиков. Помимо данного документа, доступен для скачивания полный исходный код.

В состав программной библиотеки входит функции запуска и управления скоростью любого БКЭПТ со встроенными датчиками.

Принципиальная схема содержит минимум внешних компонентов, необходимых для управления БКЭПТ со встроенными датчиками.

Возможности ЦПУ и памяти микроконтроллера AT90PWM3 позволят разработчику расширить функциональные данного решения.

Рисунок 21. Принципиальная электрическая схема (часть 1)

Рисунок 22. Принципиальная электрическая схема (часть 2)

Рисунок 23. Принципиальная электрическая схема (часть 3)

Рисунок 24. Принципиальная электрическая схема (часть 4)

Документация:

Фантастический евроремонт квартир и ремонт коттеджей за большие деньги.

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:

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.
Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
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.

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.

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.