Kui alustasin harjadeta mootori (rattamootori) juhtseadme väljatöötamist, tekkis palju küsimusi, kuidas sobitada päris mootor kolme mähise ja magneti abstraktse diagrammiga, millel reeglina kõik selgitavad harjadeta mootorite juhtimise põhimõtet.
Halli andurite abil juhtimist rakendades ei saanud ma ikka veel õieti aru, mis toimub mootoris väljaspool abstraktset kolme mähist ja kahte poolust: miks 120 kraadi ja miks juhtimisalgoritm oli täpselt selline.
Kõik loksus paika, kui hakkasin mõistma harjadeta mootori anduriteta juhtimise ideed - reaalses riistvaraosas toimuva protsessi mõistmine aitas riistvara arendada ja juhtimisalgoritmi mõista.
Allpool püüan kirjeldada oma teed harjadeta mootori juhtimise põhimõtte mõistmiseks alalisvool.
Töö jaoks harjadeta mootor on vajalik, et rootori konstantse magnetvälja haaraks kaasa staatori pöörlev elektromagnetväli, nagu tavalises alalisvoolumootoris.
Staatori magnetvälja pöörlemine toimub mähiste ümberlülitamisega elektroonilise juhtseadme abil.
Harjadeta mootori konstruktsioon sarnaneb sünkroonmootoriga, kui ühendate harjadeta mootori harjatud mootor kolmefaasilisse võrku vahelduvvoolu, mis vastab mootori elektrilistele parameetritele, see töötab.
Harjadeta mootori mähiste teatud ümberlülitamine võimaldab seda juhtida alalisvooluallikast. Et mõista, kuidas harjadeta mootori jaoks kommutatsioonitabelit luua, tuleb arvestada vahelduvvoolu sünkroonmasina juhtimisega.
Sünkroonne masin
Sünkroonmasinat juhitakse kolmefaasilisest vahelduvvooluvõrgust. Mootoril on 3 elektrimähist, mis on nihkes 120 elektrikraadi võrra.
Pärast kolmefaasilise mootori käivitamist generaatorirežiimis indutseerib konstantne magnetväli igale mootorimähisele elektromagnetvälja, mootori mähised jaotuvad ühtlaselt, igale faasile indutseeritakse siinuspinge ja neid signaale nihutatakse. omavahel 1/3 perioodist (joonis 1). EMF-i kuju muutub siinuseseaduse järgi, sinusoidi periood on 2P (360), kuna tegemist on elektriliste suurustega (EMF, pinge, vool), nimetagem seda elektrilisteks kraadideks ja mõõdame nendes perioodi.
Kui mootorile antakse kolmefaasiline pinge, on igal ajahetkel igal mähisel teatud vooluväärtus.
Joonis 1. Kolmefaasilise vahelduvvooluallika lainekuju.
Iga mähis tekitab magnetvälja vektori, mis on võrdeline mähises oleva vooluga. Lisades 3 vektorit, saate saadud magnetvälja vektori. Kuna aja jooksul muutub mootori mähiste vool vastavalt sinusoidaalsele seadusele, muutub iga mähise magnetvälja vektori suurus ja sellest tulenev koguvektor muudab pöördenurka, samas kui selle vektori suurus jääb muutumatuks.
Joonis 2. Kolmefaasilise mootori üks elektriline periood.
Joonisel 2 on kujutatud kolmefaasilise mootori üks elektriline periood, mis on tähistatud 3 suvalise momendiga, et konstrueerida igal nendel hetkedel see periood, 360 elektrikraadi; Asetame 3 mootori mähist, mis on üksteise suhtes 120 elektrikraadi võrra nihutatud (joonis 3).
Joonis 3. Moment 1. Iga mähise magnetvälja vektorid (vasakul) ja saadud magnetvälja vektor (paremal).
Mööda iga faasi konstrueeritakse mootori mähise poolt loodud magnetvälja vektor. Vektori suund määratakse mähises oleva alalisvoolu suuna järgi, kui mähisele rakendatav pinge on positiivne, siis vektor on suunatud sisse vastaskülg mähist, kui negatiivne, siis mööda mähist. Vektori suurus on võrdeline sisendfaasi pinge suurusega Sel hetkel.
Saadud magnetvälja vektori saamiseks on vaja lisada vektorandmed vastavalt vektori liitmise seadusele.
Konstruktsioon on teise ja kolmanda ajahetke jaoks sarnane.
Joonis 4. Moment 2. Iga mähise magnetvälja vektorid (vasakul) ja saadud magnetvälja vektor (paremal).
Nii et aja jooksul muudab saadud vektor sujuvalt oma suunda. Joonisel 5 on näidatud saadud vektorid ja staatori magnetvälja täielik pöörlemine ühe elektrilise perioodi jooksul.
Joonis 5. Mootori staatori mähiste poolt tekitatud pöörleva magnetvälja vaade.
Sellele elektrilise magnetvälja vektorile järgneb igal ajahetkel rootori püsimagnetite magnetväli (joonis 6).
Joonis 6. Püsimagnet (rootor) järgib staatori tekitatava magnetvälja suunda.
Nii töötab vahelduvvoolu sünkroonmasin.
Alalisvooluallika olemasolul on vaja iseseisvalt moodustada üks elektriline periood koos voolusuundade muutumisega kolmel mootorimähisel. Kuna harjadeta mootor on konstruktsioonilt sama mis sünkroonmootoril ja generaatorrežiimis on identsete parameetritega, siis tuleb lähtuda joonisest 5, millel on kujutatud tekitatud pöörlev magnetväli.
Pidev surve
Alalisvooluallikal on ainult 2 juhet “plussvõimsus” ja “miinusvõimsus”, mis tähendab, et kolmest mähisest on võimalik anda pinget vaid kahele. On vaja läheneda joonisele 5 ja tuua esile kõik hetked, mil on võimalik ühendada 2 faasi kolmest.
Permutatsioonide arv komplektist 3 on 6, seega on mähiste ühendamiseks 6 võimalust.
Kujutame võimalikud variandid kommutatsioonid ja valige järjestus, milles vektor pöörleb samm-sammult edasi, kuni jõuab perioodi lõpuni ja algab otsast.
Loendame elektrilist perioodi alates esimesest vektorist.
Joonis 7. Vaade kuuele magnetväljavektorile, mida saab luua alalisvooluallikast, lülitades kaks mähist kolmest.
Jooniselt 5 on näha, et kolmefaasilise siinuspinge juhtimisel on palju vektoreid, mis ajas sujuvalt pöörlevad ja alalisvooluga lülitamisel on võimalik saada vaid 6 vektori suurune pöörlemisväli ehk lülituda järgmisele. samm peab toimuma iga 60 elektrikraadi järel.
Joonise 7 tulemused on kokku võetud tabelis 1.
Tabel 1. Mootori mähiste ümberlülitamise jada.
Saadud juhtsignaali välimus vastavalt tabelile 1 on näidatud joonisel 8. Kus -V on lülitumine toiteallika miinuspunktile (GND) ja +V on toiteallika plussile lülitumine.
Joonis 8. Harjadeta mootori alalisvooluallika juhtsignaalide vaade. Kollane – W faas, sinine – U, punane – V.
Tegelik pilt mootori faasidest on aga sarnane siinussignaaliga joonisel 1. Signaal moodustab trapetsikujulise kuju, kuna hetkedel, mil mootori mähis pole ühendatud, kutsuvad rootori püsimagnetid sellele EMF-i ( Joonis 9).
Joonis 9. Vaade signaalile harjadeta mootori mähistelt töörežiimis.
Ostsilloskoobi peal näeb see välja järgmine:
Joonis 10. Ostsilloskoobi akna vaade ühe mootorifaasi mõõtmisel.
Disaini omadused
Nagu varem öeldud, moodustatakse mähiste 6 lülituse jaoks üks 360 elektrikraadine elektriperiood.
See periood tuleb seostada rootori tegeliku pöördenurgaga. Ühe pooluste paari ja kolmehambalise staatoriga mootoreid kasutatakse äärmiselt harva.
Joonisel 11 on kujutatud ühe pooluste paari ja kahe pooluste paariga mootorimudeleid.
A. b.
Joonis 11. Ühe (a) ja kahe (b) pooluste paariga mootori mudel.
Kahe pooluste paariga mootoril on 6 mähist, iga mähis on paar, iga 3 mähise rühm on nihutatud 120 elektrikraadi võrra. Joonisel 12b. Üks periood hilineb 6 mähise korral. Mähised U1-U2, V1-V2, W1-W2 on omavahel ühendatud ja konstruktsioonis esindavad 3 faasi väljundjuhtmeid. Joonise lihtsustamiseks pole ühendusi näidatud, kuid pidage meeles, et U1-U2, V1-V2, W1-W2 on samad.
Joonisel 12, mis põhineb tabeli 1 andmetel, on näidatud ühe ja kahe pooluste paari vektorid.
A. b.
Joonis 12. Ühe (a) ja kahe (b) pooluste paariga mootori magnetvälja vektorite skeem.
Joonisel 13 on kujutatud ühe pooluste paariga mootorimähiste 6 kommutatsiooniga loodud vektoreid. Rootor koosneb püsimagnetitest, 6 sammuga pöörleb rootor 360 mehaanilist kraadi.
Joonisel on kujutatud rootori lõppasendid kahe kõrvutiasendi vahel, rootor pöörleb eelmisest lülitatud olekusse; Kui rootor jõuab sellesse lõppasendisse, peaks toimuma järgmine lülitus ja rootor kaldub uude seatud asendisse, nii et selle magnetvälja vektor joondub vektoriga elektromagnetväli staator.
Joonis 13. Rootori lõppasendid ühe pooluste paariga harjadeta mootori kuuekäigulise kommuteerimise ajal.
N pooluste paariga mootorites on mehaanilise pöörde sooritamiseks vaja N elektrilist perioodi.
Kahe pooluste paariga mootoril on kaks magnetit poolustega S ja N ning 6 mähist (joonis 14). Iga 3 mähise rühm on üksteisest nihutatud 120 elektrikraadi võrra.
Joonis 14. Rootori lõplikud asendid kahe pooluste paariga harjadeta mootori kuuekäigulise kommuteerimise ajal.
Harjadeta mootori rootori asendi määramine
Nagu varem mainitud, on mootori töötamiseks vaja õiged hetked aeg pinge ühendamiseks vajalike staatori mähistega. Mootori mähistele on vaja rakendada pinget sõltuvalt rootori asendist, nii et staatori magnetväli juhiks alati rootori magnetvälja. Mootori rootori ja mähiste lülituste asukoha määramiseks kasutage elektrooniline üksus juhtimine.
Rootori asendi jälgimine on võimalik mitmel viisil:
1. Halli andurite järgi
2. Autor taga emf
Reeglina varustavad tootjad mootori väljalaske juures Halli anduritega, seega on see kõige levinum juhtimismeetod.
Mähiste ümberlülitamine vastavalt tagumiste EMF-i signaalidele võimaldab loobuda mootorisse sisseehitatud anduritest ja kasutada andurina mootori vaba faasi analüüsi, millele magnetväli indutseerib tagumise EMF-i.
Harjadeta mootori juhtimine Halli anduritega
Mähiste õigel ajal ümberlülitamiseks on vaja jälgida rootori asendit elektrikraadides. Selleks kasutatakse Halli andureid.
Kuna magnetvälja vektoril on 6 olekut, on vaja 3 Halli andurit, mis esindavad ühte absoluutne kodeerija positsioonid kolmebitise väljundiga. Halli andurid paigaldatakse samamoodi nagu mähised, üksteisest 120 elektrikraadi võrra nihkes. See võimaldab rootori magneteid kasutada anduri käivituselemendina.
Joonis 15. Halli andurite signaalid mootori ühe elektrilise pöörde kohta.
Mootori pööramiseks on vajalik, et staatori magnetväli oleks rootori magnetväljast eespool, asend, mil rootori magnetvälja vektor on suunatud koos staatori magnetvälja vektoriga, on selle kommutatsiooni jaoks lõplik, see on antud hetkel et üleminek järgmisele kombinatsioonile peaks toimuma, et vältida rootori rippumist paigal
Võrdleme Halli andurite signaale ümberlülitamist vajavate faaside kombinatsiooniga (tabel 2)
Tabel 2. Halli anduri signaalide võrdlus mootori faasilülitusega.
| Mootori asend | HU (1) | HV(2) | HW(3) | U | V | W |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | - | + |
| 1 | 0 | 1 | + | - | 0 | |
| 1 | 0 | 0 | + | 0 | - | |
| 1 | 1 | 0 | 0 | + | - | |
| 0 | 1 | 0 | - | + | 0 | |
| 360/N | 0 | 1 | 1 | - | 0 | + |
Kui mootor pöörleb ühtlaselt, saavad andurid signaali, mis on nihutatud 1/6 perioodist, 60 elektrikraadi (joonis 16).
Joonis 16. Halli andurite signaali vaade.
Juhtimine tagumise EMF-signaali abil
On olemas harjadeta mootorid ilma asendianduriteta. Rootori asend määratakse analüüsi abil EMF signaal mootori vabas faasis. Igal ajahetkel on "+" ühendatud ühe faasiga teise "-" toiteallikaga, üks faasidest jääb vabaks. Pöörlemise ajal indutseerib rootori magnetväli vabas mähises EMF-i. Pöörlemisel muutub vaba faasi pinge (joonis 17).
Joonis 17. Pingemuutus mootori faasis.
Mootori mähise signaal jaguneb 4 hetkeks:
1. Mähis ühendatud 0-ga
2. Mähis pole ühendatud (vaba faas)
3. Mähis on ühendatud toitepingega
4. Mähis pole ühendatud (vaba faas)
Võrreldes faaside signaali juhtsignaaliga, on selge, et järgmisse olekusse ülemineku hetke saab tuvastada keskpunkti (pool toitepingest) lõikepunktist faasiga, mis ei ole hetkel ühendatud (joonis 18).
Joonis 18. Juhtsignaali võrdlus mootori faaside signaaliga.
Pärast ristmiku tuvastamist peate peatama ja järgmise oleku sisse lülitama. Selle joonise põhjal koostati mähise olekute vahetamise algoritm (tabel 3).
Tabel 3. Algoritm mootori mähiste ümberlülitamiseks
| Praegune seis | U | V | W | Järgmine olek |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Ootab keskpunkti üleminekut + punktist - | 4 |
| 4 | + | Oodatakse keskpunkti üleminekut punktist – punktini + | - | 5 |
| 5 | Ootab keskpunkti üleminekut + punktist - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Oodatakse keskpunkti üleminekut punktist – punktini + | 1 |
Keskpunkti ristumiskohta on kõige lihtsam tuvastada komparaatoriga keskpunkti pinge ja teise faasipinge.
Joonis 19. Keskpunkti tuvastamine komparaatoriga.
Komparaator käivitub, kui pinge läbib keskpunkti ja genereerib signaali mikrokontrolleri jaoks.
Mootorifaaside signaali töötlemine
Kuid PWM-i kiiruse reguleerimise faaside signaal erineb välimuselt ja on impulsi iseloomuga (joonis 21), sellises signaalis on võimatu tuvastada ristumist keskpunktiga.
Joonis 20. Faasisignaali tüüp PWM kiiruse reguleerimisel.
Sellepärast see signaal tuleks ümbriku saamiseks filtreerida RC-filtriga ja jagada ka vastavalt võrdlusseadme nõuetele. Kui töötsükkel suureneb, suureneb PWM-signaali amplituud (joonis 22).
Joonis 21. Signaalijaguri ja filtri vooluahel mootori faasist.
Joonis 22. Signaali mähisjoon PWM-i töötsükli muutmisel.
Keskpunkti diagramm
Joonis 23. Virtuaalse keskpunkti vaade. Pilt võetud saidilt avislab.com/
Signaalid eemaldatakse faasidest läbi voolu piiravate takistite ja kombineeritakse ning selline pilt on meil:
Joonis 24. Virtuaalse keskpunkti pinge ostsillogrammi vaade.
PWM-i tõttu ei ole keskpunkti pinge konstantne, signaal vajab ka filtreerimist. Keskpunkti pinge pärast silumist on üsna suur (mootori toitepinge piirkonnas), see tuleb jagada pingejaguriga pooleks toitepingest.
Pärast signaali läbimist filtrist tasandatakse võnkumised ja saadakse tasane pinge, mille suhtes saab tuvastada tagumise EMF-i ristumiskoha.
Joonis 26. Pinge pärast jagurit ja madalpääsfiltrit.
Keskpunkt muudab oma väärtust sõltuvalt pingest (PWM töötsükkel) ja signaali mähisjoonest.
Komparaatoritelt vastuvõetud signaalid saadetakse mikrokontrollerile, mis töötleb neid vastavalt ülaltoodud algoritmile.
Praeguseks kõik.
Mitme rootoriga masinate mootoreid on kahte tüüpi: harjatud ja harjadeta. Nende peamine erinevus seisneb selles, et harjatud mootoril on mähised rootoril (pöörleval osal), harjadeta mootoril aga staatoril. Detailidesse laskumata ütleme, et harjadeta mootor on eelistatavam kui harjatud mootor, kuna see vastab kõige paremini enne seda seatud nõuetele. Seetõttu keskendub see artikkel seda tüüpi mootoritele. Harjadeta ja harjatud mootorite erinevuste kohta saate üksikasjalikult lugeda.
Hoolimata asjaolust, et BC-mootoreid hakati kasutama suhteliselt hiljuti, tekkis nende disaini idee üsna kaua aega tagasi. Transistorlülitite ja võimsate neodüümmagnetite tulek tegi aga võimalikuks nende kaubandusliku kasutamise.
BC mootorite projekteerimine
Harjadeta mootori konstruktsioon koosneb rootorist, millele on kinnitatud magnetid, ja staatorist, millel paiknevad mähised. Nende komponentide suhtelise positsiooni alusel jagatakse BC mootorid sisse- ja väljasõidumootoriteks.
Mitme rootoriga süsteemides kasutatakse sageli Outrunneri disaini, kuna see võimaldab suurimat pöördemomenti.
BC mootorite plussid ja miinused
Plussid:
- Lihtsustatud mootori disain kommutaatori välistamise tõttu.
- Rohkem kõrge efektiivsusega.
- Hea jahutus
- BC mootorid võivad töötada vees! Kuid ärge unustage, et kuna vesi mehaanilised osad Mootor võib mõne aja pärast roostetada ja laguneda. Selliste olukordade vältimiseks on soovitatav mootoreid töödelda vetthülgava määrdeainega.
- Kõige vähem raadiohäireid
Miinused:
Ainus miinus on see, et neid mootoreid ei saa kasutada ilma ESC-ta (pöörlemiskiiruse regulaatorid). See muudab disaini mõnevõrra keerulisemaks ja muudab BC-mootorid kallimaks kui kommutaatormootorid. Kui aga projekteerimise keerukus on prioriteet, siis on olemas sisseehitatud kiirusregulaatoritega BC-mootorid.
Kuidas valida kopterile mootoreid?
Harjadeta mootorite valimisel peaksite esimese asjana tähelepanu pöörama järgmised omadused:
- Maksimaalne vool - see omadus näitab, millist maksimaalset voolu suudab mootori mähis lühikese aja jooksul vastu pidada. Kui see aeg ületatakse, on mootori rike vältimatu. See parameeter mõjutab ka ESC valikut.
- Maksimaalne pinge - täpselt nagu maksimaalne vool, näitab, kui palju pinget saab mähisele lühikese aja jooksul rakendada.
- KV on mootori pöörete arv volti kohta. Kuna see indikaator sõltub otseselt mootori võlli koormusest, on see näidustatud juhuks, kui koormust pole.
- Vastupidavus – sõltub vastupanuvõimest Mootori efektiivsus. Seega, mida vähem vastupanu, seda parem.
Harjadeta mootorid
Harjadeta elektrimootorid on modelleerimisse tulnud suhteliselt hiljuti, viimase 5-7 aasta jooksul. Erinevalt harjatud mootoritest töötavad need kolmefaasilise vahelduvvooluga. Harjadeta mootorid töötavad tõhusalt laiemas pööretevahemikus ja on suurema efektiivsusega. Mootori konstruktsioon on lihtsam, sellel pole harjakomplekti ja seda pole vaja hooldus. Võib öelda, et harjadeta mootorid praktiliselt ei kulu. Harjadeta mootorite maksumus on veidi kõrgem kui harjaga mootoritel. Selle põhjuseks on asjaolu, et kõik harjadeta mootorid on varustatud laagritega ja on reeglina kvaliteetsemad. Kuigi hinnavahe hea harjatud mootori ja sarnase klassi harjadeta mootori vahel ei ole nii suur.
Disaini järgi jagunevad harjadeta mootorid kahte rühma: inrunner (hääldatakse "sissekäija") ja outrunner (hääldatakse "outrunner"). Esimese rühma mootorid asuvad mööda sisepind mähisega korpus ja sees pöörlev magnetrootor. Teise grupi mootoritel - "välisjooksudel" on mootori sees statsionaarsed mähised, mille ümber korpus pöörleb selle siseseinale asetatud mähistega. püsimagnetid. Harjadeta mootorites kasutatavate magnetpooluste arv võib varieeruda. Pooluste arvu järgi saate hinnata mootori pöördemomenti ja kiirust. Kahepooluseliste rootoritega mootoritel on suurim kiirus pöörlemine väikseima pöördemomendiga. Disaini järgi saavad need mootorid olla ainult "sissesõitjad". Selliseid mootoreid müüakse sageli juba nende külge kinnitatud planetaarkäigukastidega, kuna nende kiirus on propelleri otseseks pöörlemiseks liiga suur. Mõnikord kasutatakse selliseid mootoreid ilma käigukastita - näiteks paigaldatakse need võidusõidulennukite mudelitele. Rohkemate poolustega mootoritel on väiksem pöörlemiskiirus, kuid suurem pöördemoment. Sellised mootorid võimaldavad kasutada propellereid suur läbimõõt, ilma et oleks vaja käigukaste kasutada. Üldiselt annavad suure läbimõõduga ja väikese sammuga propellerid suhteliselt madalal pöörlemiskiirusel suurema tõukejõu, kuid annavad mudelile väikese kiiruse, samas kui väikese läbimõõduga suure sammuga propellerid tagavad väikese kiiruse. suur kiirus pakkuda suur kiirus, suhteliselt väikese tõukejõuga. Seega on mitmepooluselised mootorid ideaalsed mudelitele, mis nõuavad suurt tõukejõu ja kaalu suhet ning kahepooluselised ilma käigukastita mootorid on ideaalsed kiirete mudelite jaoks. Lisateabe saamiseks täpne valik mootor ja propeller teatud mudel, saate kasutada spetsiaalset MotoCalci programmi.
Kuna harjadeta mootorid töötavad vahelduvvooluga, on nende töötamiseks vaja spetsiaalset kontrollerit (regulaatorit), mis muundab akude alalisvoolu vahelduvvooluks. Harjadeta mootorite regulaatorid on programmeeritav seade, mis võimaldab kõike eluliselt juhtida olulised parameetrid mootor. Need võimaldavad teil mitte ainult muuta mootori kiirust ja töösuunda, vaid ka vastavalt vajadusele tagada sujuva või järsu käivitamise, piirates maksimaalne vool, "piduri" funktsioon ja mitmed teised peened seaded mootor vastavalt modelleerija vajadustele. Kontrolleri programmeerimiseks kasutatakse seadmeid selle ühendamiseks arvutiga või välitingimused seda saab teha saatja ja spetsiaalse hüppaja abil.
Harjadeta mootorite ja nende jaoks mõeldud regulaatorite tootjaid on palju. Harjadeta mootorid erinevad suuresti ka disaini ja suuruse poolest. Enamgi veel, isetootmine Harjadeta mootorid, mis põhinevad CD-seadmete osadel ja muudel tööstuslikel harjadeta mootoritel, on viimasel ajal muutunud üsna tavaliseks. Võib-olla just sel põhjusel pole harjadeta mootoritel tänapäeval isegi sellist ligikaudset väärtust üldine klassifikatsioon nagu nende kolleegid kollektsionääridest. Teeme lühidalt kokkuvõtte. Tänapäeval kasutatakse kommutaatormootoreid peamiselt odavatel hobimudelitel või spordimudelid algtaseme. Need mootorid on odavad, hõlpsasti kasutatavad ja on jätkuvalt kõige populaarsem elektrimootori mudelitüüp. Neid asendavad harjadeta mootorid. Ainsaks piiravaks teguriks on siiani jäänud nende hind. Koos regulaatoriga maksab harjadeta mootor 30-70% rohkem. Elektroonika ja mootorite hinnad aga langevad ning harjatud elektrimootorite järkjärguline väljatõrjumine modelleerimisest on vaid aja küsimus.
AVR492: harjadeta alalisvoolumootori juhtimine AT90PWM3-ga
Iseloomulikud omadused:
- Üldteave BLDC mootorite kohta
- Kasutab jõuastme kontrollerit
- Riistvara juurutamine
- Näidiskood
Sissejuhatus
See rakenduse märkus kirjeldab harjadeta alalisvoolumootori (BLDC) mootori juhtimist, kasutades AT90PWM3 AVR mikrokontrolleril põhinevaid asendiandureid.
Suure jõudlusega AVR-i mikrokontrolleri südamik, mis sisaldab võimsusastme kontrollerit, võimaldab rakendada suure kiirusega harjadeta alalisvoolumootori juhtseadet.
See dokument kirjeldab lühidalt tööpõhimõtet harjadeta elektrimootorÜksikasjalikult käsitletakse alalisvoolu ja BLDC mootorite juhtimist puuterežiimis ning antakse ka kirjeldus skemaatiline diagramm etalondisain ATAVRMC100, millel need rakendusmärkused põhinevad.
Käsitletakse ka PID-kontrolleril põhineva tarkvaralise juhtimisahelaga tarkvararakendust. Lülitusprotsessi juhtimiseks eeldatakse, et kasutatakse ainult Halli efektil põhinevaid asendiandureid.
Tööpõhimõte
BLDC mootorite kasutusalad suurenevad pidevalt, mis on seotud nende mitmete eelistega:
- Puudub kollektori koost, mis lihtsustab või isegi välistab hoolduse.
- Põlvkond rohkem madal tase akustiline ja elektriline müra võrreldes universaalsete harjatud alalisvoolumootoritega.
- Oskus töötada ohtlikes keskkondades (süttivate toodetega).
- Hea kaalu-suuruse omaduste ja võimsuse suhe...
Seda tüüpi mootoreid iseloomustab madal rootori inerts, kuna mähised asuvad staatoril. Lülitusi juhitakse elektrooniliselt. Kommutatsioonimomendid määratakse kas asendiandurite teabe põhjal või mähiste poolt genereeritud tagumise emf mõõtmise teel.
Andurite abil juhtimisel koosneb BLDC üldiselt kolmest põhiosast: staator, rootor ja Halli andurid.
Klassikalise kolmefaasilise BLDC mootori staator sisaldab kolme mähist. Paljudes mootorites on mähised jagatud mitmeks osaks, mis vähendab pöördemomendi pulsatsiooni.
Joonisel 1 on näidatud staatori elektriline ekvivalentskeem. See koosneb kolmest mähisest, millest igaüks sisaldab kolme järjestikku ühendatud elementi: induktiivsus, takistus ja tagumine emf.
1. pilt. Elektriskeem staatori vahetus (kolm faasi, kolm mähist)
BLDC rootor koosneb paarisarvust püsimagnetitest. Rootori magnetpooluste arv mõjutab ka pöörlemisastme suurust ja pöördemomendi pulsatsiooni. Mida suurem on pooluste arv, seda väiksem on pöörlemisastme suurus ja väiksem pöördemomendi pulsatsioon. Kasutada saab 1..5 pooluste paariga püsimagneteid. Mõnel juhul suureneb pooluste paaride arv 8-ni (joonis 2).
Joonis 2. Kolmefaasilise kolme mähisega BLDC staator ja rootor
Mähised on paigaldatud statsionaarselt ja magnet pöörleb. BLDC rootor on tavalise rootoriga võrreldes kergem. universaalne mootor alalisvool, mille mähised asuvad rootoril.
Halli andur
Rootori asendi hindamiseks on mootori korpusesse sisse ehitatud kolm Halli andurit. Andurid on paigaldatud üksteise suhtes 120° nurga all. Nende anduritega on võimalik sooritada 6 erinevat lülitust.
Faasilülitus sõltub Halli andurite olekust.
Mähiste toitepinge toide muutub pärast Halli andurite väljundite olekute muutumist. Kell õige täitmine Sünkroniseeritud kommutatsiooni korral jääb pöördemoment ligikaudu konstantseks ja kõrgeks.
Joonis 3. Halli anduri signaalid pöörlemise ajal
Faasivahetus
Kolmefaasilise BLDC toimimise lihtsustatud kirjelduse eesmärgil käsitleme ainult selle kolme mähisega versiooni. Nagu varem näidatud, sõltub faasivahetus Halli andurite väljundväärtustest. Kui mootori mähistele on pinge õigesti rakendatud, tekib magnetväli ja käivitatakse pöörlemine. Kõige levinumad ja lihtsal viisil BLDC juhtimiseks kasutatav lülitusjuhtimine on sisse-välja ahel, kus mähis on juhtiv või mitte. Korraga saab pingestada ainult kahte mähist, samas kui kolmas jääb lahti. Mähiste ühendamine jõusiinidega põhjustab lekkeid elektrivool. See meetod nimetatakse trapetsikujuliseks lülituseks või plokklülituseks.
BLDC juhtimiseks kasutatakse 3 poolsillast koosnevat toitekaskaadi. Toiteastme skeem on näidatud joonisel 4.
Joonis 4. Võimsusaste
Halli andurite lugemisväärtuste põhjal määratakse kindlaks, millised klahvid tuleb sulgeda.
Selles artiklis tahaksime rääkida sellest, kuidas lõime elektrimootori nullist: ideest ja esimesest prototüübist kuni täisväärtusliku mootorini, mis on läbinud kõik testid. Kui leiate selle artikli huvitavaks, räägime teile eraldi ja üksikasjalikumalt meie töö etappidest, mis teid enim huvitasid.
Pildil vasakult paremale: rootor, staator, osaline mootorikoost, mootorikoost
Sissejuhatus
Elektrimootorid ilmusid rohkem kui 150 aastat tagasi, kuid selle aja jooksul pole nende konstruktsioonis olulisi muudatusi tehtud: pöörlev rootor, vasest staatori mähised, laagrid. Aastate jooksul on toimunud vaid elektrimootorite massi vähenemine, efektiivsuse tõus ja ka kiiruse reguleerimise täpsus.Täna, tänu arengule kaasaegne elektroonika ja haruldaste muldmetallidel põhinevate võimsate magnetite tulekul on võimalik luua võimsamaid ja samas kompaktsemaid ja kergemaid “harjadeta” elektrimootoreid kui kunagi varem. Samas on need oma disaini lihtsuse tõttu kõige töökindlamad elektrimootorid, mis eales loodud. Sellise mootori loomist arutatakse selles artiklis.
Mootori kirjeldus
IN" Harjadeta mootorid“Puudu on elektritööriistade lahtivõtmisest kõigile tuttav element “Pintslid”, mille ülesanne on voolu edastada pöörleva rootori mähisele. Harjadeta mootorites antakse vool mitteliikuva staatori mähistele, mis tekitades vaheldumisi magnetvälja oma üksikutele poolustele, keerutab rootorit, millele magnetid on kinnitatud.Esimese sellise mootori prindisime katse korras 3D-printerile. Elektriterasest spetsiaalsete plaatide asemel kasutasime rootori korpuseks ja staatori südamikuks tavalist plastikut, millele keriti vaskpool. Rootori külge kinnitati ristkülikukujulise ristlõikega neodüümmagnetid. Loomulikult ei olnud selline mootor võimeline tootma maksimaalne võimsus. Sellest aga piisas, et mootor pöörleks kuni 20k p/min, misjärel plastik ei pidanud vastu ja mootori rootor rebenes laiali ning magnetid läksid laiali. See katse inspireeris meid looma täisväärtuslikku mootorit.
Mitu esimest prototüüpi
Olles õppinud amatööride arvamust raadio teel juhitavad mudelid, valisime ülesandeks mootori võidusõiduautod standardsuurus “540”, kui kõige populaarsem. Selle mootori mõõtmed on 54 mm pikkused ja 36 mm läbimõõduga.
Uue mootori rootori tegime ühest silindrikujulisest neodüümmagnetist. Magnet liimiti epoksiidiga katsetootmistehases tööriistaterasest töödeldud võllile.
Lõikasime staatori laseriga 0,5 mm paksusest trafo terasplaatidest. Seejärel kaeti iga plaat hoolikalt lakiga ja seejärel liimiti valmis staator umbes 50 plaadist kokku. Plaadid kaeti lakiga, et vältida nendevahelisi lühiseid ja välistada staatoris tekkida võivatest Foucault vooludest tingitud energiakadusid.
Mootori korpus oli valmistatud kahest konteinerikujulisest alumiiniumosast. Staator sobib tihedalt alumiiniumkorpusesse ja sobib hästi seintega. See disain pakub hea jahutus mootor.
Karakteristikute mõõtmine
Saavutuse eest maksimaalsed omadused nende arengutest on vaja läbi viia tunnuste adekvaatne hindamine ja täpne mõõtmine. Selleks konstrueerisime ja panime kokku spetsiaalse düno.
Stendi põhielemendiks on raske koorem litri kujul. Mõõtmiste ajal pöörleb mootor seda koormust ja nurkkiirus ja kiirendus, arvutatakse mootori väljundvõimsus ja pöördemoment.
Koormuse pöörlemiskiiruse mõõtmiseks võllil paar magnetit ja magnet digitaalne andur A3144 põhineb saaliefektil. Muidugi oleks võimalik pöördeid mõõta impulsside abil otse mootori mähistest, kuna see mootor on sünkroonne. Anduriga variant on aga töökindlam ja töötab ka väga madalatel pööretel, mille juures on impulsid loetamatud.
Lisaks pööretele on meie stend võimeline mõõtma mitmeid muid olulisi parameetreid:
- toitevool (kuni 30A), kasutades saaliefektil ACS712 põhinevat vooluandurit;
- toitepinge. Mõõdetakse otse läbi mikrokontrolleri ADC, läbi pingejaguri;
- temperatuur mootori sees/väljas. Temperatuuri mõõdetakse pooljuhtide soojustakistuse abil;
Tänu sellele on meie stendil igal ajal võimalik mõõta järgmisi mootoriomadusi:
- praegune kasutus;
- tarbitud pinge;
- energiatarve;
- väljundvõimsus;
- võlli pöörded;
- hetk võllil;
- soojuseks kaotatud võimsus;
- temperatuur mootori sees.
Testi tulemused
Statiivi jõudluse kontrollimiseks testisime seda esmalt tavapärase R540-6022 kommutaatori mootoriga. Selle mootori parameetreid on teada üsna palju, kuid sellest piisas, et hinnata mõõtmistulemusi, mis osutusid tehase omadele üsna lähedaseks.Seejärel testiti meie mootorit. Loomulikult suutis ta näidata paremat efektiivsust (65% versus 45%) ja samal ajal suuremat pöördemomenti (1200 versus 250 g/cm) kui tavaline mootor. Ka temperatuuri mõõtmised andsid piisavalt häid tulemusi, katsetamise ajal ei kuumene mootor üle 80 kraadi.
Kuid hetkel pole mõõtmised veel lõplikud. Toiteallika piirangute tõttu ei saanud me mõõta mootorit selle täispöördevahemikus. Samuti peame võrdlema oma mootorit konkurentide sarnaste mootoritega ja testima seda "lahingus", pannes selle võidusõidule raadio teel juhitav auto ja võistlema.
Avaldatud 19.03.2013
Selle artikliga alustan väljaannete sarja harjadeta alalisvoolumootorite kohta. Kättesaadavas keeles Ma kirjeldan Üldine informatsioon, seade, harjadeta mootori juhtimisalgoritmid. Arvesse võetakse erinevad tüübid mootorid, tuuakse näiteid regulaatori parameetrite valikust. Kirjeldan regulaatori seadet ja tööalgoritmi, toitelülitite valimise meetodit ja regulaatori põhiparameetreid. Väljaannete loogiline järeldus on regulaatori diagramm.
Harjadeta mootorid on laialt levinud tänu elektroonika arengule, sealhulgas odavate jõutransistorlülitite tulekule. Olulist rolli mängis ka võimsate neodüümmagnetite välimus.
Harjadeta mootorit ei tohiks siiski uueks tooteks pidada. Harjadeta mootori idee pärineb elektri koidikust. Kuid tehnoloogia kättesaamatuse tõttu ootas see oma aega kuni 1962. aastani, mil ilmus esimene harjadeta alalisvoolumootor. Need. Rohkem kui pool sajandit on seda tüüpi elektriajami erinevaid seeriaviisilisi teostusi olnud!
Mingi terminoloogia
Harjadeta alalisvoolumootoreid nimetatakse ka klapimootoriteks väliskirjandus BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) või PMSM (püsimagnetiga sünkroonmootor).
Struktuuriliselt koosneb harjadeta mootor püsimagnetitega rootorist ja mähistega staatorist. Juhin teie tähelepanu asjaolule, et kommutaatori mootoris on mähised vastupidi rootoril. Seetõttu on tekstis edasi rootoriks magnetid, staatoriks mähised.
Mootori juhtimiseks kasutatakse elektroonilist regulaatorit. Väliskirjanduses Speed Controller või ESC (Electronic speed control).
Mis on harjadeta mootor?
Tavaliselt otsivad inimesed millegi uuega silmitsi seistes analoogiaid. Mõnikord kuulete fraase "noh, see on nagu sünkroniseeritud masin" või veelgi hullem: "see näeb välja nagu stepper". Kuna enamik harjadeta mootoreid on kolmefaasilised, lisab see segadust, mis viib eksiarvamuseni, et regulaator "toidab" mootori 3-faasilist vahelduvvoolu. Kõik eelnev on ainult osaliselt tõsi. Fakt on see, et kõiki mootoreid, välja arvatud asünkroonsed, võib nimetada sünkroonseteks. Kõik alalisvoolumootorid on isesünkroniseerivad mootorid, kuid nende tööpõhimõte erineb sünkroonsed mootorid vahelduvvool, millel puudub isesünkroniseerimine. See võib tõenäoliselt töötada ka harjadeta samm-mootorina. Aga siin on asi: telliskivi võib ka lennata... kuigi mitte kaugele, sest see pole selleks mõeldud. Nagu samm-mootor Sobivam on ümberlülitatud reluktantsmootor.
Proovime välja mõelda, mis on harjadeta alalisvoolumootor. See fraas ise sisaldab juba vastust – see on alalisvoolumootor ilma kommutaatorita. Kollektori funktsioone täidab elektroonika.
Eelised ja miinused
Mootori konstruktsioonist - kollektorist - eemaldatakse üsna keeruline, raske ja sädemeid tekitav seade, mis vajab hooldust. Mootori konstruktsioon on oluliselt lihtsustatud. Mootor on kergem ja kompaktsem. Kommutaatori ja harja kontaktide vahetamisel vähenevad lülituskaod oluliselt elektroonilised võtmed. Selle tulemusena saame elektrimootori koos parim esitus Tõhususe ja võimsuse indikaator tühimassi kilogrammi kohta, kusjuures kõige rohkem lai valik pöörlemiskiiruse muutused. Praktikas töötavad harjadeta mootorid jahedamalt kui nende harjatud kolleegid. Kandke suurt pöördemomendi koormust. Võimsate neodüümmagnetite kasutamine on muutnud harjadeta mootorid veelgi kompaktsemaks. Harjadeta mootori konstruktsioon võimaldab seda kasutada vees ja agressiivses keskkonnas (muidugi on ainult mootori ja regulaatori niisutamine väga kulukas). Harjadeta mootorid ei tekita praktiliselt mingeid raadiohäireid.
Ainsaks puuduseks peetakse keerukat ja kallist elektroonilist juhtseadet (regulaator või ESC). Kui aga tahad mootori pöördeid juhtida, ei saa ilma elektroonikata hakkama. Kui teil pole vaja harjadeta mootori kiirust reguleerida, ei saa te ikkagi hakkama ilma elektroonilise juhtseadmeta. Harjadeta mootor ilma elektroonikata on vaid riistvara. Sellele pole võimalik pinget rakendada ja normaalset pöörlemist saavutada nagu teistel mootoritel.
Mis juhtub harjadeta mootoriregulaatoris?
Selleks, et mõista, mis toimub harjadeta mootorit juhtiva regulaatori elektroonikas, läheme veidi tagasi ja mõistame kõigepealt, kuidas harjatud mootor töötab. Koolifüüsika kursusest mäletame, kuidas magnetväli vooluga raamile mõjub. Voolu kandev raam pöörleb magnetväljas. Samal ajal ei pöörle see pidevalt, vaid pöörleb teatud asendisse. Pideva pöörlemise toimumiseks peate kaadris sõltuvalt kaadri asendist voolu suunda vahetama. Meie puhul on voolu kandvaks raamiks mootori mähis ja lülitusi teeb kommutaator, harjade ja kontaktidega seade. Kõige lihtsama mootori ehitus on näidatud joonisel.
Sama asja teeb ka harjadeta mootorit juhtiv elektroonika – õigetel hetkedel ühendab vajalike staatorimähistega pideva pinge.
Asendiandurid, anduriteta mootorid
Ülaltoodust on oluline mõista, et mootori mähistele tuleb anda pinge sõltuvalt rootori asendist. Seetõttu peab elektroonika suutma määrata mootori rootori asendi . Selleks kasutatakse asendiandureid. Nad võivad olla erinevat tüüpi, optiline, magnetiline jne. Praegu on Halli efektil põhinevad diskreetsed andurid (näiteks SS41) väga levinud. Kolmefaasiline harjadeta mootor kasutab 3 andurit. Tänu sellistele anduritele teab elektrooniline juhtseade alati, mis asendis on rootor ja millistele mähistele igal ajahetkel pinget rakendada. Hiljem tuleb juttu kolmefaasilise harjadeta mootori juhtimisalgoritmi üle.
On harjadeta mootoreid, millel pole andureid. Sellistes mootorites määratakse rootori asend, mõõtes pinget mähisel, mida praegu ei kasutata. Neid meetodeid käsitletakse ka hiljem. Peaksite pöörama tähelepanu olulisele punktile: see meetod on asjakohane ainult siis, kui mootor pöörleb. Kui mootor ei pöörle või pöörleb väga aeglaselt, siis see meetod ei tööta.
Millistel juhtudel kasutatakse anduritega harjadeta mootoreid ja millistel ilma anduriteta? Mis on nende erinevus?
Eelistatavamad on asendianduritega mootorid tehniline punkt nägemus. Selliste mootorite juhtimisalgoritm on palju lihtsam. Siiski on ka puudusi: vaja on anda anduritele toide ja paigaldada juhtmed anduritest mootorisse juhtelektroonikani; Kui üks anduritest ebaõnnestub, lakkab mootor töötamast ja andurite vahetamine nõuab tavaliselt mootori lahtivõtmist.
Juhtudel, kui andureid pole konstruktsiooniliselt võimalik mootori korpusesse paigutada, kasutatakse ilma anduriteta mootoreid. Struktuurselt ei erine sellised mootorid praktiliselt anduritega mootoritest. Kuid elektrooniline seade peab suutma mootorit juhtida ilma anduriteta. Sel juhul peab juhtseade vastama konkreetse mootorimudeli omadustele.
Kui mootor peab käivituma mootorivõlli olulise koormusega (elektrisõidukid, tõstemehhanismid jne), kasutatakse anduritega mootoreid.
Kui mootor käivitub ilma võlli koormamata (kasutatakse ventilatsiooni, sõukruvi, tsentrifugaalsidurit jne), võib kasutada anduriteta mootoreid. Pidage meeles: ilma asendianduriteta mootor peab käivituma ilma võlli koormata. Kui see tingimus ei ole täidetud, tuleb kasutada anduritega mootorit. Lisaks, kui mootor käivitub ilma anduriteta, on võimalikud mootori telje pöörlevad vibratsioonid erinevates suundades. Kui see on teie süsteemi jaoks kriitiline, kasutage anduritega mootorit.
Kolm faasi
Ostetud on kolmefaasilised harjadeta mootorid suurim levik. Kuid need võivad olla ühe-, kahe-, kolme- või enamafaasilised. Mida rohkem faase, seda sujuvam on magnetvälja pöörlemine, aga ka keerukam on mootori juhtimissüsteem. 3-faasiline süsteem on efektiivsuse/keerukuse suhte poolest kõige optimaalsem, mistõttu on see nii laialt levinud. Lisaks peetakse kõige tavalisemaks ainult kolmefaasilist vooluringi. Tegelikult on faasid mootori mähised. Seetõttu arvan, et kui ütlete "kolme keerdusega", oleks see samuti õige. Kolm mähist on ühendatud tähe või kolmnurga konfiguratsioonis. Kolmefaasilisel harjadeta mootoril on kolm juhet - mähisjuhtmed, vt joonist.
Anduritega mootoritel on lisaks 5 juhet (2 toiteallikat asendianduritele ja 3 signaali anduritelt).
Kolmefaasilises süsteemis rakendatakse igal ajahetkel pinget kahele mähisele kolmest. Seega on 6 serveerimisvõimalust DC pinge mootori mähiste külge, nagu on näidatud alloleval joonisel.
