Julkaistu 4.11.2014

Säädinpiiri

Piiri on perinteisesti jaettu kahteen osaan: vasen on logiikalla varustettu mikro-ohjain, oikea on teho-osa. Teho-osaa voidaan muokata toimimaan eri tehoisten moottoreiden tai eri syöttöjännitteen moottoreiden kanssa.

Ohjain - ATMEGA168. Herkuttelijat voivat sanoa, että se riittäisi ATMEGA88, A AT90PWM3- Se olisi "ainakin Feng Shuin mukaan". Tein juuri ensimmäisen säätimen "Feng Shuin mukaan". Jos sinulla on mahdollisuus käyttää AT90PWM3– Tämä on sopivin valinta. Mutta omiin ideoihini 8 kilotavua muistia ei todellakaan riittänyt. Käytin siis mikro-ohjainta ATMEGA168.

Tämä piiri oli tarkoitettu testipenkkiksi. Jolle piti luoda yleinen, muokattavissa oleva ohjain erilaisten harjattomien moottoreiden "kaliiperien" kanssa työskentelemiseen: sekä antureilla että ilman asentoantureita. Tässä artikkelissa kuvaan ohjaimen laiteohjelmiston piiriä ja toimintaperiaatetta harjattomien moottoreiden ohjaamiseen Hall-antureilla ja ilman.

Ravitsemus

Piirin virtalähde on erillinen. Koska avainohjaimet vaativat 10 V - 20 V tehoa, käytetään 12 V tehoa. Mikro-ohjain saa virtansa DC-DC-muuntimesta, joka on koottu mikropiiriin. Voit käyttää lineaarista stabilaattoria, jonka lähtöjännite on 5 V. Oletetaan, että VD-jännite voi olla 12 V:sta tai enemmän, ja sitä rajoittavat avainohjaimen ja itse näppäinten ominaisuudet.

PWM ja signaalit näppäimille

Uloskäynnissä OC0B(PD5) mikro-ohjain U1 PWM-signaali syntyy. Se menee kytkimiin JP2, JP3. Näillä kytkimillä voit valita vaihtoehdon käyttää PWM:ää näppäimiin (ylempiin, alempiin tai kaikkiin näppäimiin). Kaaviossa on kytkin JP2 aseta asentoon PWM-signaalin syöttämiseksi ylemmille näppäimille. Vaihtaa JP3 kaaviossa se on asetettu asentoon, jossa PWM-signaalin syöttö alemmille näppäimille poistetaan käytöstä. Ei ole vaikea arvata, että jos kytkemme PWM:n pois päältä ylä- ja alakytkimistä, saamme ulostuloon pysyvän "täyden nopeuden eteenpäin", joka voi repiä moottorin tai säätimen roskiin. Siksi älä unohda kääntää päätäsi, kun vaihdat niitä. Jos et tarvitse tällaisia ​​kokeiluja - ja tiedät mihin kytkimiin käytät PWM:ää ja mihin et, älä vain tee kytkimiä. PWM-kytkennän jälkeen signaali menee logiikkaelementtien “&” tuloihin ( U2, U3). Sama logiikka vastaanottaa 6 signaalia mikro-ohjaimen nastoista PB0..PB5, jotka ovat ohjaussignaaleja 6 näppäimelle. Siten loogiset portit ( U2, U3) asettaa PWM-signaalin ohjaussignaalien päälle. Jos olet varma, että käytät PWM:ää esimerkiksi vain alemmille näppäimille, niin tarpeettomia elementtejä ( U2) voidaan sulkea pois piiristä, ja vastaavat signaalit mikro-ohjaimesta voidaan syöttää avainajureille. Nuo. Signaalit siirtyvät ylempien näppäinten ajureille suoraan mikro-ohjaimesta ja alemmille - logiikkaelementtien kautta.

Palaute (moottorin vaihejännitteen valvonta)

Moottorin vaihejännite W,V,U resistiivisten jakajien kautta W – (R17, R25), V – (R18, R24), U – (R19, R23) saapuvat ohjaimen tuloon ADC0(PC0), ADC1(PC1), ADC2(PC2). Näitä nastoja käytetään vertailutuloina. (kohdassa kuvatussa esimerkissä AVR444.pdf yrityksestä Atmel He eivät käytä vertailulaitteita, vaan mittaavat jännitteen ADC:n avulla. Hylkäsin tämän menetelmän, koska ADC-muunnosaika ei ollut sopiva nopeiden moottoreiden ajamiseen). Resistiiviset jakajat valitaan siten, että mikrokontrollerin tuloon syötetty jännite ei ylitä sallittua arvoa. Tässä tapauksessa vastukset 10K ja 5K jaetaan 3:lla. Kun moottoria syötetään 12V. toimitetaan mikro-ohjaimelle 12V*5K/(10K+5K) = 4V. Vertailun vertailujännite (tulo AIN1) syötetään puolelta moottorin syöttöjännitteestä jakajan kautta ( R5, R6, R7, R8). Huomaa, että vastukset ( R5, R6) ovat nimellisarvoltaan samat kuin ( R17, R25), (R18, R24),(R19, ​​R23). Seuraavaksi jännite puolitetaan jakajalla R7, R8, jonka jälkeen se menee jalkaan AIN1 mikro-ohjaimen sisäinen vertailija. Vaihtaa JP1 voit vaihtaa referenssijännitteen vastusten synnyttämään "keskipisteen" jännitteeseen ( R20, R21, R22). Tämä tehtiin kokeiden vuoksi, eikä se oikeuttanut itseään. Jos ei ole välttämätöntä, JP1, R20, R21, R22 voidaan jättää järjestelmän ulkopuolelle.

Hall anturit

Koska säädin on yleiskäyttöinen, sen on vastaanotettava signaaleja Hall-antureilta, jos käytetään antureilla varustettua moottoria. Oletetaan, että Hall-anturit ovat erillisiä, tyyppisiä SS41. On myös mahdollista käyttää muun tyyppisiä antureita erillisellä lähdöllä. Kolmen anturin signaalit vastaanotetaan vastusten kautta R11, R12, R13 kytkimiin JP4, JP5, JP6. Vastukset R16, R15, R14 toimivat vetovastuksina. C7, C8, C9- suodatinkondensaattorit. Kytkimet JP4, JP5, JP6 moottorin takaisinkytkennän tyyppi valitaan. Kytkimien asennon muuttamisen lisäksi säätimen ohjelmistoasetuksissa tulee määrittää sopiva moottorityyppi ( Anturiton tai Sensoroitu).

Analogisten signaalien mittaukset

Sisäänkäynnillä ADC5(PC5) jakajan kautta R5, R6 Moottorin syöttöjännite syötetään. Tätä jännitettä ohjaa mikro-ohjain.

Sisäänkäynnillä ADC3(PC3) Analoginen signaali vastaanotetaan virta-anturista. Virta-anturi ACS756SA. Tämä on Hall-ilmiöön perustuva virta-anturi. Tämän anturin etuna on, että se ei käytä shunttia, mikä tarkoittaa, että sen sisäinen vastus on lähellä nollaa, joten siinä ei synny lämpöä. Lisäksi anturin lähtö on analoginen 5V sisällä, joten se syötetään mikrokontrollerin ADC-tuloon ilman muunnoksia, mikä yksinkertaistaa piiriä. Jos tarvitset anturin, jolla on suurempi virranmittausalue, vaihda olemassa oleva anturi uuteen ilman, että piiriä muutettaisiin ollenkaan.

Jos haluat käyttää shunttia myöhemmän vahvistus- ja sovituspiirin kanssa, tee niin.

Signaalien asettaminen

Signaali moottorin nopeuden säätö potentiometristä RV1 saapuu sisääntuloon ADC4 (PC4). Kiinnitä huomiota vastukseen R9– se ohittaa signaalin, jos potentiometrin johto katkeaa.

Lisäksi on sisäänkäynti R.C. signaali, jota käytetään laajalti kauko-ohjattavissa malleissa. Ohjaustulon valinta ja sen kalibrointi suoritetaan säätimen ohjelmistoasetuksissa.

UART-liitäntä

Signaalit TX, RX käytetään säätimen konfigurointiin ja ohjaimen tilatietojen antamiseen - moottorin käyntinopeus, virta, syöttöjännite jne. Voit määrittää ohjaimen liittämällä sen tietokoneesi USB-porttiin käyttämällä . Konfigurointi suoritetaan minkä tahansa pääteohjelman kautta. Esimerkiksi: Hyperterminaali tai Kitti .

Muut

Siellä on myös käänteiset koskettimet - mikro-ohjaimen lähtö PD3. Jos suljet nämä koskettimet ennen moottorin käynnistämistä, moottori pyörii vastakkaiseen suuntaan.

Säätimen tilan ilmaiseva LED on kytketty lähtöön PD4.

Teho osa

Käytetyt ajurit IR2101. Tällä kuljettajalla on yksi etu - alhainen hinta. Sopii pienivirtajärjestelmiin, tehokkaille näppäimille IR2101 tulee olemaan heikko. Yksi ohjain ohjaa kahta "N"-kanavaista MOSFET-transistoria (ylempi ja alempi). Tarvitsemme kolme tällaista mikropiiriä.

Avaimet on valittava moottorin maksimivirran ja syöttöjännitteen mukaan (näppäinten ja ajurien valinnalle on omistettu erillinen artikkeli). Kaavio näyttää IR540, olivat todella käytössä K3069. K3069 suunniteltu jännitteelle 60V ja virralle 75A. Tämä on selvästi liikaa, mutta sain niitä ilmaiseksi suuria määriä (toivotan sinulle samaa onnea).

Kondensaattori C19 kytkeytyy päälle rinnan syöttöakun kanssa. Mitä suurempi sen kapasiteetti, sitä parempi. Tämä kondensaattori suojaa akkua virtapiikeiltä ja näppäimiä merkittäviltä jännitehäviöiltä. Jos tätä kondensaattoria ei ole, taataan, että sinulla on vähintään ongelmia avainten kanssa. Jos liität akun suoraan VD– kipinä voi hypätä. Kipinänvaimennusvastus R32 käytetään, kun se on kytketty virta-akkuun. Yhdistämme välittömästi " – "paristot, palvele sitten" + " ottaa yhteyttä Antispark. Virta kulkee vastuksen läpi ja lataa kondensaattorin tasaisesti C19. Kytke akun liitin muutaman sekunnin kuluttua VD. 12V virtalähteellä et voi tehdä Antisparkia.

Laiteohjelmiston ominaisuudet

• kyky ohjata moottoreita antureilla ja ilman;
• anturittomalla moottorilla on kolme käynnistystyyppiä: ilman alkuasennon määrittämistä; alkuasennon määrittämisellä; yhdistetty;
• anturittoman moottorin vaiheen etenemiskulman säätäminen 1 asteen välein;
• kyky käyttää yhtä kahdesta päätulosta: 1-analoginen, 2-RC;
• tulosignaalien kalibrointi;
• moottorin peruutus;
• säätimen asettaminen UART-portin kautta ja tietojen vastaanottaminen ohjaimesta käytön aikana (rpm, virta, akun jännite);
• PWM-taajuus 16,32 KHz.
• PWM-signaalin tason asettaminen moottorin käynnistämiseksi;
• Akun jännitteen säätö. Kaksi kynnystä: raja ja raja. Kun akun jännite laskee raja-arvoon, moottorin nopeus laskee. Kun raja-arvo putoaa alle, tapahtuu täydellinen pysähtyminen;
• moottorin virran ohjaus. Kaksi kynnystä: rajoitus ja raja;
• säädettävä ohjaussignaalin vaimennin;
• avainten kuolleen ajan asettaminen

Säätimen toiminta

Inkluusio

Säätimen ja moottorin syöttöjännite ovat erillisiä, joten voi herää kysymys: missä järjestyksessä jännite kytketään. Suosittelen jännitteen kytkemistä säädinpiiriin. Ja sitten kytke moottorin syöttöjännite. Vaikka toisessa sarjassa ei ollut ongelmia. Näin ollen ei ollut ongelmia käytettäessä jännitettä samanaikaisesti.

Käynnistyksen jälkeen moottori antaa 1 lyhyen signaalin (jos ääntä ei sammuteta), LED syttyy ja palaa jatkuvasti. Säädin on käyttövalmis.

Moottorin käynnistämiseksi komentosignaalin arvoa on lisättävä. Jos käytetään pääpotentiometriä, moottori käynnistyy, kun komentojännite saavuttaa noin 0,14 V. Tarvittaessa voit kalibroida tulosignaalin, jolloin voit käyttää aikaisempia ohjausjännitealueita. Oletussignaalin vaimennin on konfiguroitu. Kun asetettu signaali hyppää jyrkästi, moottorin nopeus kasvaa tasaisesti. Vaimentimella on epäsymmetrinen ominaisuus. Nopeuden nollaus tapahtuu ilman viivettä. Pelti voidaan tarvittaessa säätää tai sulkea kokonaan.

Tuoda markkinoille

Anturiton moottori käynnistetään asetuksissa asetetulla käynnistysjännitetasolla. Käynnistyshetkellä kaasuvivun asennolla ei ole väliä. Jos käynnistysyritys epäonnistuu, käynnistysyritystä toistetaan, kunnes moottori alkaa pyöriä normaalisti. Jos moottori ei käynnisty 2-3 sekunnissa, lopeta yrittäminen, poista kaasu ja siirry säätimen säätämiseen.

Kun moottori sammuu tai roottori juuttuu mekaanisesti, suoja laukeaa ja säädin yrittää käynnistää moottorin uudelleen.

Moottorin käynnistäminen Hall-antureilla suoritetaan myös moottorin käynnistysasetuksista. Nuo. Jos annat täyden kaasun käynnistääksesi moottorin antureilla, säädin syöttää käynnistysasetuksissa määritellyn jännitteen. Ja vasta sen jälkeen, kun moottori alkaa pyöriä, syötetään täysi jännite. Tämä on hieman epätavallista anturimoottorille, koska tällaisia ​​moottoreita käytetään ensisijaisesti vetomoottoreina, ja tässä tapauksessa suurimman vääntömomentin saavuttaminen käynnistyksen yhteydessä voi olla vaikeaa. Tässä säätimessä on kuitenkin ominaisuus, joka suojaa moottoria ja säädintä vaurioilta, jotka johtuvat moottorin mekaanisesta jumiutumisesta.

Käytön aikana säädin antaa tietoja moottorin nopeudesta, virrasta ja akun jännitteestä UART-portin kautta muodossa:

E: pienin akun jännite: suurin akun jännite: maksimivirta: moottorin nopeus (rpm) A: nykyinen akun jännite: virtavirta: nykyinen moottorin nopeus (rpm)

Tiedot toimitetaan noin 1 sekunnin välein. Siirtonopeus portissa 9600.

Säätimen asetus

Ohjaimen konfigurointia varten se on liitettävä tietokoneeseen käyttämällä . Siirtonopeus portissa 9600.

Säädin kytkeytyy asetustilaan, kun säädin käynnistetään, kun potentiometrin asetussignaali on suurempi kuin nolla. Nuo. Voit vaihtaa säätimen asetustilaan kääntämällä säätöpotentiometrin nuppia ja kytkemällä sitten säätimen päälle. Päätteeseen tulee kehote symbolin muodossa > ". Tämän jälkeen voit kirjoittaa komentoja.

Ohjain hyväksyy seuraavat komennot (asetukset ja komennot voivat vaihdella eri laiteohjelmistoversioissa):

h– näyttää komentoluettelon;
? – asetusten tulostus;
c– ajosignaalin kalibrointi;
d– palauta asetukset tehdasasetuksiin.

tiimi " ? ” näyttää päätteessä listan kaikista käytettävissä olevista asetuksista ja niiden merkityksestä. Esimerkiksi:

Moottori.tyyppi=0 moottori.magneetteja=12 moottori.kulma=7 moottori.käynnistystyyppi=0 moottori.aloitusaika=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 jännite.raja=128 jännite.katkaisu =120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1

Voit muuttaa haluttua asetusta komennolla seuraavassa muodossa:

<настройка>=<значение>

Esimerkiksi:

pwm.start=15

Jos komento annettiin oikein, asetus otetaan käyttöön ja tallennetaan. Voit tarkistaa nykyiset asetukset vaihtamisen jälkeen komennolla " ? “.

Analogisten signaalien (jännite, virta) mittaukset suoritetaan ADC-mikrokontrollerilla. ADC toimii 8-bittisessä tilassa. Mittaustarkkuutta alennetaan tarkoituksella hyväksyttävän analogisen signaalin muunnosnopeuden varmistamiseksi. Vastaavasti ohjain tulostaa kaikki analogiset arvot 8-bittisen numeron muodossa, ts. 0 - 255.

Asetusten tarkoitus:

Luettelo asetuksista, niiden kuvaus:

Parametri	Kuvaus	Merkitys
moottori.tyyppi	Moottorin tyyppi	0-Anturiton; 1-Anturi
moottori.magneetit	Magneettien lukumäärä moottorin roottorissa. Käytetään vain moottorin kierrosluvun laskemiseen.	0..255, kpl.
moottori.kulma	Vaiheen etenemiskulma. Käytetään vain anturittomille moottoreille.	0..30 astetta
moottori.käynnistystyyppi	Aloitustyyppi. Käytetään vain anturittomille moottoreille.	0 - ilman roottorin asennon määrittämistä; 1 - roottorin asennon määrittämisellä; 2-yhdistetty;
moottori.aloitusaika	Aloitusaika.	0..255, ms
pwm	PWM-taajuus	16, 32, KHz
pwm.start	PWM-arvo (%) moottorin käynnistykselle.	0..50 %
pwm.min	PWM:n vähimmäisarvon arvo (%), jolla moottori pyörii.	0..30 %
jännite.raja	Akun jännitettä, jolla moottoriin syötettävä teho on rajoitettava. Ilmoitettu ADC-lukemissa.	0..255*
jännite.katkaisu	Akun jännite, jolla moottori tulee sammuttaa. Ilmoitettu ADC-lukemissa.	0..255*
nykyinen.raja	Virta, jolla moottoriin syötettävä teho on rajoitettava. Ilmoitettu ADC-lukemissa.	0..255**
nykyinen.katkaisu	Virta, jolla moottori tulee sammuttaa. Ilmoitettu ADC-lukemissa.	0..255**
system.sound	Ota moottorin äänimerkki käyttöön/pois käytöstä	0-off; 1-on;
system.input	Signaalin asetus	0-potentiometri; 1-RC-signaali;
järjestelmä.pelti	Sisääntulon vaimennus	0..255, tavanomaiset yksiköt
system.deadtime	Avainten kuollut aika -arvo mikrosekunteina	0..2, µs

* – 8-bittisen analogia-digitaalimuuntimen numeerinen arvo.
Laskettu kaavalla: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5
Missä: U– jännite voltteina; R5, R6– jakajavastusten resistanssi ohmeina.

Moottoreita käytetään monilla tekniikan aloilla. Jotta moottorin roottori voisi pyöriä, pyörivän magneettikentän on oltava läsnä. Perinteisissä tasavirtamoottoreissa tämä pyöriminen suoritetaan mekaanisesti kommutaattoria pitkin liukuvilla harjoilla. Tässä tapauksessa syntyy kipinöitä, ja lisäksi tällaiset moottorit vaativat jatkuvaa huoltoa harjojen kitkan ja kulumisen vuoksi.

Tekniikan kehityksen ansiosta on tullut mahdolliseksi tuottaa elektronisesti pyörivä magneettikenttä, joka sisältyi harjattomiin tasavirtamoottoreihin (BLDC).

Laite ja toimintaperiaate

BDPT:n pääelementit ovat:

• roottori, johon kestomagneetit on asennettu;
• staattori, johon käämit on asennettu;
• elektroninen ohjain.

Suunnittelun mukaan tällainen moottori voi olla kahta tyyppiä:

sisäisellä roottorijärjestelyllä (inrunner)

ulkoisella roottorijärjestelyllä (outrunner)

Ensimmäisessä tapauksessa roottori pyörii staattorin sisällä ja toisessa roottori pyörii staattorin ympäri.

Inrunner-tyyppinen moottori käytetään, kun on tarpeen saavuttaa suuria pyörimisnopeuksia. Tällä moottorilla on yksinkertaisempi vakiorakenne, joka mahdollistaa kiinteän staattorin käytön moottorin asentamiseen.

Outrunner-tyyppinen moottori Soveltuu suuren vääntömomentin saavuttamiseen pienillä nopeuksilla. Tässä tapauksessa moottori asennetaan kiinteällä akselilla.

Inrunner-tyyppinen moottori- suuri nopeus, pieni vääntömomentti. Outrunner-tyyppinen moottori- alhainen nopeus, suuri vääntömomentti.

Napojen lukumäärä BLDC:ssä voi olla erilainen. Napojen lukumäärän perusteella voidaan arvioida joitain moottorin ominaisuuksia. Esimerkiksi moottorilla, jossa on 2-napainen roottori, on suurempi kierrosluku ja pieni vääntömomentti. Moottoreissa, joissa on suurempi napamäärä, on enemmän vääntömomenttia, mutta vähemmän kierroksia. Roottorin napojen lukumäärää muuttamalla voit muuttaa moottorin nopeutta. Näin ollen moottorin rakennetta muuttamalla valmistaja voi valita tarvittavat moottorin parametrit vääntömomentin ja nopeuden suhteen.

BDPT ohjaus

Nopeussäädin, ulkonäkö

Käytetään harjattoman moottorin ohjaamiseen erikoisohjain - moottorin akselin nopeuden säädin tasavirta. Sen tehtävänä on tuottaa ja syöttää tarvittava jännite haluttuun käämiin oikeaan aikaan. 220 V:n verkosta saavien laitteiden säätimessä käytetään useimmiten invertteripiiriä, jossa 50 Hz:n taajuudella oleva virta muunnetaan ensin tasavirraksi ja sitten signaaleiksi pulssinleveysmodulaatiolla (PWM). Syöttöjännitteen syöttämiseksi staattorikäämeille käytetään tehokkaita elektronisia kytkimiä bipolaarisissa transistoreissa tai muissa tehoelementeissä.

Moottorin tehoa ja nopeutta säädetään muuttamalla pulssien käyttöjaksoa ja siten moottorin staattorikäämeihin syötettävän jännitteen tehollista arvoa.

Nopeussäätimen kaavio. K1-K6 - avaimet D1-D3 - roottorin asentoanturit (Hall-anturit)

Tärkeä kysymys on sähköisten avainten oikea-aikainen liittäminen jokaiseen käämiin. Tämän varmistamiseksi ohjaimen on määritettävä roottorin asento ja sen nopeus. Tällaisten tietojen saamiseksi voidaan käyttää optisia tai magneettisia antureita (esim. Hall anturit), sekä käänteiset magneettikentät.

Yleisempi käyttö Hall anturit, mikä reagoida magneettikentän läsnäoloon. Anturit on sijoitettu staattoriin siten, että roottorin magneettikenttä vaikuttaa niihin. Joissakin tapauksissa anturit asennetaan laitteisiin, joiden avulla voit muuttaa anturien asentoa ja vastaavasti säätää ajoitusta.

Roottorin nopeuden säätimet ovat erittäin herkkiä sen läpi kulkevan virran voimakkuudelle. Jos valitset ladattavan akun, jonka virtateho on suurempi, säädin palaa loppuun! Valitse oikea ominaisuuksien yhdistelmä!

Hyödyt ja haitat

Verrattuna perinteisiin BLDC-moottoreihin niillä on seuraavat edut:

• korkea hyötysuhde;
• korkea suorituskyky;
• mahdollisuus muuttaa pyörimisnopeutta;
• ei kipinöiviä harjoja;
• pieniä ääniä, sekä ääni- että korkeataajuusalueella;
• luotettavuus;
• kyky kestää vääntömomentin ylikuormituksia;
• erinomainen mittojen ja tehon suhde.

Harjaton moottori on erittäin tehokas. Se voi olla 93-95%.

BD:n mekaanisen osan korkea luotettavuus selittyy sillä, että siinä käytetään kuulalaakereita eikä siinä ole harjoja. Kestomagneettien demagnetoituminen tapahtuu melko hitaasti, varsinkin jos ne on valmistettu harvinaisten maametallien avulla. Virtasuojaussäätimessä käytettynä tämän yksikön käyttöikä on melko pitkä. Itse asiassa BLDC-moottorin käyttöikä voidaan määrittää kuulalaakerien käyttöiän perusteella.

BLDC:n haittoja ovat ohjausjärjestelmän monimutkaisuus ja korkeat kustannukset.

Sovellus

BDTP:n käyttöalueet ovat seuraavat:

• mallien luominen;
• lääke;
• autoteollisuus;
• Öljy- ja kaasuteollisuus;
• Kodinkoneet;
• sotilasvarusteet.

Käyttö Tietokanta lentokonemalleille tarjoaa merkittävän edun tehon ja koon suhteen. Perinteisen Speed-400-tyyppisen kommutaattorimoottorin ja saman luokan Astro Flight 020 BDTP:n vertailu osoittaa, että ensimmäisen tyypin moottorin hyötysuhde on 40-60 %. Toisen moottorin hyötysuhde samoissa olosuhteissa voi olla 95%. Näin ollen tietokannan käyttö mahdollistaa mallin tehoosan tehon tai sen lentoajan kasvattamisen lähes 2-kertaiseksi.

Alhaisen melun ja käytön aikana ei kuumenemisen vuoksi BLDC:itä käytetään laajalti lääketieteessä, erityisesti hammaslääketieteessä.

Autoissa tällaisia ​​moottoreita käytetään ikkunanostimet, sähköiset tuulilasinpyyhkimet, ajovalojen pesurit ja sähköiset istuinnostimen säätimet.

Ei kommutaattorin tai harjan kipinöitä mahdollistaa tietokantojen käytön lukituslaitteiden elementteinä öljy- ja kaasuteollisuudessa.

Esimerkkinä BD:n käytöstä kodinkoneissa voidaan mainita LG:n suoralla rumpukäytöllä varustettu pesukone. Tämä yritys käyttää Outrunner-tyyppistä RDU:ta. Moottorin roottorissa on 12 magneettia ja staattorissa 36 kelaa, jotka on kierretty halkaisijaltaan 1 mm:n langalla magneettisesti johtavasta teräksestä valmistettuihin ytimiin. Kelat on kytketty sarjaan, 12 kappaletta per vaihe. Kunkin vaiheen vastus on 12 ohmia. Hall-anturia käytetään roottorin asentotunnistimena. Moottorin roottori on kiinnitetty pesukoneen altaaseen.

Tätä moottoria käytetään laajalti tietokoneiden kiintolevyissä, mikä tekee niistä kompakteja, CD- ja DVD-asemissa sekä mikroelektronisten laitteiden jäähdytysjärjestelmissä ja muissa.

Pienten ja keskitehoisten BD-moottorien ohella suuria BLDC-moottoreita käytetään yhä enemmän raskaassa käytössä, merenkulku- ja sotilasteollisuudessa.

Suuritehoisia tietokantoja kehitetään Yhdysvaltain laivastolle. Esimerkiksi Powertec on kehittänyt 220 kW BDHP:n, jonka nopeus on 2000 rpm. Moottorin vääntömomentti on 1080 Nm.

Näiden lisäksi DB:itä käytetään työstökoneiden, puristimien, muovinkäsittelylinjojen projekteissa sekä tuulienergiassa ja hyökyaaltoenergian käytössä.

Ominaisuudet

Moottorin pääominaisuudet:

• nimellisteho;
• suurin teho;
• maksimivirta;
• suurin käyttöjännite;
• suurin nopeus(tai Kv-kerroin);
• käämitysvastus;
• etukulma;
• toimintatila;
• kokonaismitat ja painoominaisuudet moottori.

Moottorin pääindikaattori on sen nimellisteho, eli moottorin pitkän käyttöjakson aikana tuottama teho.

Suurin teho- Tämä on teho, jonka moottori pystyy toimittamaan lyhyen ajan rikkoutumatta. Esimerkiksi edellä mainitussa Astro Flight 020 -harjattomassa moottorissa se on 250 W.

Maksimivirta. Astro-lennolla 020 se on 25 A.

Suurin käyttöjännite– jännite, jonka moottorin käämit voivat kestää. Astro Flight 020:n käyttöjännitealue on 6–12 V.

Moottorin suurin nopeus. Joskus passissa näkyy Kv-kerroin - moottorin kierrosten lukumäärä volttia kohti. Astro-lennolle 020 Kv = 2567 r/V. Tässä tapauksessa maksiminopeus voidaan määrittää kertomalla tämä kerroin suurimmalla käyttöjännitteellä.

Yleensä käämitysvastus moottoreille on ohmin kymmenesosa tai tuhannesosa. Astro Flight 020 R = 0,07 Ohm. Tämä vastus vaikuttaa BLDC-moottorin tehokkuuteen.

Edistykulma edustaa käämien kytkentäjännitteiden etenemistä. Se liittyy käämivastuksen induktiiviseen luonteeseen.

Toimintatapa voi olla pitkä- tai lyhytaikainen. Pitkäaikaisessa tilassa moottori voi käydä pitkään. Samalla sen tuottama lämpö haihtuu kokonaan, eikä se ylikuumene. Moottorit toimivat tässä tilassa esimerkiksi puhaltimissa, kuljettimissa tai liukuportaissa. Lyhytaikaista tilaa käytetään laitteille, kuten hissille, sähköparranajokoneelle. Näissä tapauksissa moottori käy lyhyen aikaa ja jäähtyy sitten pitkään.

Moottorin tiedot osoittavat sen mitat ja painon. Lisäksi esimerkiksi lentokonemallien moottoreille ilmoitetaan laskeutumismitat ja akselin halkaisija. Erityisesti seuraavat ominaisuudet on annettu Astro Flight 020 -moottorille:

• pituus on 1,75";
• halkaisija on 0,98";
• akselin halkaisija on 1/8";
• paino on 2,5 unssia.

Johtopäätökset:

1. Mallinnuksessa, erilaisissa teknisissä tuotteissa, teollisuudessa ja puolustustekniikassa käytetään BLDC:itä, joissa elektroniikkapiirin avulla muodostetaan pyörivä magneettikenttä.
2. Suunnittelun mukaan BLDC-moottoreissa voi olla sisäinen (inrunner) tai ulkoinen (outrunner) roottorijärjestely.
3. Muihin BLDC-moottoreihin verrattuna niillä on useita etuja, joista tärkeimmät ovat harjojen ja kipinöinnin puuttuminen, korkea hyötysuhde ja korkea luotettavuus.

Harjattoman tasavirtamoottorin (BCDC) toimintaperiaate on ollut tiedossa jo pitkään, ja harjattomat moottorit ovat aina olleet mielenkiintoinen vaihtoehto perinteisille ratkaisuille. Tästä huolimatta tällaiset sähkökoneet löysivät laajan käytön tekniikassa vasta 2000-luvulla. Ratkaiseva tekijä laajalle leviämiselle oli BDKP-taajuusmuuttajan ohjauselektroniikan kustannusten moninkertainen aleneminen.

Ongelmia harjattujen moottoreiden kanssa

Perustasolla minkä tahansa sähkömoottorin tehtävänä on muuntaa sähköenergia mekaaniseksi energiaksi. Sähkökoneiden suunnittelun taustalla on kaksi pääasiallista fyysistä ilmiötä:

Moottori on suunniteltu siten, että kuhunkin magneettiin luodut magneettikentät ovat aina vuorovaikutuksessa keskenään, jolloin roottori pyörii. Perinteinen tasavirtamoottori koostuu neljästä pääosasta:

• staattori (kiinteä elementti magneettirenkaalla);
• ankkuri (pyörivä elementti käämeillä);
• hiiliharjat;
• keräilijä.

Tämä rakenne mahdollistaa ankkurin ja kommutaattorin pyörimisen samalla akselilla suhteessa kiinteisiin harjoihin. Virta kulkee lähteestä hyvän kontaktin jousikuormitteisten harjojen kautta kommutaattoriin, joka jakaa sähkön ankkurikäämien välillä. Jälkimmäisessä indusoitu magneettikenttä on vuorovaikutuksessa staattorin magneettien kanssa, mikä saa staattorin pyörimään.

Perinteisen moottorin suurin haittapuoli on, että mekaanista kosketusta harjoihin ei voida saavuttaa ilman kitkaa. Nopeuden kasvaessa ongelma korostuu. Keräinyksikkö kuluu ajan myötä ja on lisäksi altis kipinöille ja pystyy ionisoimaan ympäröivän ilman. Näin ollen yksinkertaisuudesta ja alhaisista tuotantokustannuksista huolimatta Tällaisilla sähkömoottoreilla on joitain ylitsepääsemättömiä haittoja:

• harja kulumista;
• kaaresta johtuva sähköinen melu;
• enimmäisnopeusrajoitukset;
• vaikeudet pyörivän sähkömagneetin jäähdyttämisessä.

Prosessoritekniikan ja tehotransistorien tulo mahdollisti suunnittelijoiden luopumisen mekaanisesta kytkentäyksiköstä ja muuttaa roottorin ja staattorin roolia tasavirtasähkömoottorissa.

BDKP:n toimintaperiaate

Harjattomassa sähkömoottorissa, toisin kuin edeltäjässään, mekaanisen kommutaattorin roolia hoitaa elektroninen muuntaja. Tämä mahdollistaa "inside out" BDKP-piirin toteuttamisen - sen käämit sijaitsevat staattorissa, mikä eliminoi keräimen tarpeen.

Toisin sanoen tärkein perustavanlaatuinen ero klassisen moottorin ja BDKP:n välillä on, että kiinteiden magneettien ja pyörivien kelojen sijaan jälkimmäinen koostuu kiinteistä käämeistä ja pyörivistä magneeteista. Huolimatta siitä, että itse vaihto tapahtuu samalla tavalla, sen fyysinen toteutus harjattomissa asemissa on paljon monimutkaisempi.

Pääasia on harjattoman moottorin tarkka ohjaus, mikä edellyttää yksittäisten käämitysosien oikeaa kytkentäjärjestystä ja -taajuutta. Tämä ongelma on konstruktiivisesti ratkaistavissa vain, jos on mahdollista jatkuvasti määrittää roottorin nykyinen asento.

Sähköiseen käsittelyyn tarvittavat tiedot saadaan kahdella tavalla:

• havaitaan akselin absoluuttinen sijainti;
• mittaamalla staattorin käämeissä indusoitunut jännite.

Ohjauksen toteuttamiseksi ensimmäisellä tavalla käytetään useimmiten joko optisia pareja tai staattoriin kiinteästi asennettuja Hall-antureita, jotka reagoivat roottorin magneettivuon. Tällaisten järjestelmien tärkein etu tiedon keräämiseksi akselin asennosta on niiden suorituskyky jopa erittäin alhaisilla nopeuksilla ja levossa.

Anturiton ohjaus vaatii vähintään roottorin minimikierroksen kelojen jännitteen arvioimiseksi. Siksi tällaisissa malleissa on tila moottorin käynnistämiseksi nopeuksille, joilla käämien jännite voidaan arvioida, ja lepotila testataan analysoimalla magneettikentän vaikutusta käämien läpi kulkeviin testivirtapulsseihin.

Kaikista luetelluista suunnitteluvaikeuksista huolimatta harjattomat moottorit ovat saamassa yhä suositumpaa suorituskykynsä ja ominaisuuksiensa ansiosta, joihin harjatuilla moottoreilla ei ole pääsyä. Lyhyt luettelo BDKP:n tärkeimmistä eduista klassisiin verrattuna näyttää tältä:

• ei mekaanista energiahäviötä harjan kitkan vuoksi;
• suhteellisen hiljainen toiminta;
• pyörimisen kiihtyvyys ja hidastuminen on helppoa roottorin alhaisen inertian ansiosta;
• tarkkuus pyörimisen ohjaus;
• mahdollisuus järjestää jäähdytys lämmönjohtavuuden vuoksi;
• kyky työskennellä suurilla nopeuksilla;
• kestävyys ja luotettavuus.

Nykyiset sovellukset ja näkymät

On monia laitteita, joiden käytettävyyden lisääminen on kriittistä. Tällaisissa laitteissa BDKP:n käyttö on aina perusteltua, huolimatta niiden suhteellisen korkeista kustannuksista. Näitä voivat olla vesi- ja polttoainepumput, ilmastointilaitteiden ja moottoreiden jäähdytysturbiinit jne. Harjattomia moottoreita käytetään monissa sähköajoneuvojen malleissa. Tällä hetkellä autoteollisuus on vakavasti alkanut kiinnittää huomiota harjattomiin moottoreihin.

BDKP:t ovat ihanteellisia pienille ajokoneille, jotka toimivat vaikeissa olosuhteissa tai erittäin tarkasti: syöttölaitteet ja hihnakuljettimet, teollisuusrobotit, paikannusjärjestelmät. On alueita, joilla harjattomat moottorit hallitsevat ilman vaihtoehtoa: kovalevyt, pumput, äänettömät tuulettimet, pienet kodinkoneet, CD/DVD-asemat. Kevyt paino ja suuri teho ovat tehneet BDKP:sta perustan nykyaikaisten akkukäsityökalujen valmistukseen.

Voidaan sanoa, että sähkökäyttöjen alalla on nyt tapahtunut merkittävää edistystä. Digitaalisen elektroniikan hintojen jatkuva lasku on synnyttänyt suuntauksen kohti harjattomien moottoreiden yleistymistä perinteisten moottoreiden sijaan.

Julkaistu 11.4.2013

Jaettu laite (Inrunner, Outrunner)

Harjaton tasavirtamoottori koostuu kestomagneeteilla varustetusta roottorista ja käämitteisestä staattorista. Moottoreita on kahdenlaisia: Inrunner, jossa roottorimagneetit sijaitsevat staattorin sisällä käämityksellä, ja Outrunner, jossa magneetit sijaitsevat ulkopuolella ja pyörivät käämitetyn staattorin ympäri.

Kaavio Inrunner käytetään yleensä nopeille moottoreille, joissa on pieni määrä napoja. Outrunner hanki tarvittaessa suuren vääntömomentin moottori suhteellisen alhaisilla nopeuksilla. Rakenteellisesti Inrunnerit ovat yksinkertaisempia, koska kiinteä staattori voi toimia kotelona. Siihen voidaan kiinnittää kiinnityslaitteet. Outrunnereissa koko ulkopuoli pyörii. Moottori kiinnitetään kiinteällä akselilla tai staattoriosilla. Pyörämoottorin tapauksessa asennus suoritetaan staattorin kiinteälle akselille, johdot johdetaan staattoriin onton akselin kautta.

Magneetit ja navat

Roottorin napojen määrä on parillinen. Käytettyjen magneettien muoto on yleensä suorakaiteen muotoinen. Sylinterimäisiä magneetteja käytetään harvemmin. Ne asennetaan vuorotellen pylväillä.

Magneettien lukumäärä ei aina vastaa napojen määrää. Useat magneetit voivat muodostaa yhden navan:

Tässä tapauksessa 8 magneettia muodostaa 4 napaa. Magneettien koko riippuu moottorin geometriasta ja moottorin ominaisuuksista. Mitä vahvempia magneetteja käytetään, sitä suurempi on moottorin akselille kehittämä vääntömomentti.

Roottorin magneetit kiinnitetään erityisellä liimalla. Magneetin pidikkeellä varustetut mallit ovat harvinaisempia. Roottorin materiaali voi olla magneettisesti johtavaa (teräs), ei-magneettisesti johtavaa (alumiiniseokset, muovit jne.) tai yhdistetty.

Käämit ja hampaat

Kolmivaiheisen harjattoman moottorin käämitys on valmistettu kuparilangasta. Johto voi olla yksijohtiminen tai koostua useista eristetyistä johtimista. Staattori on valmistettu useista magneettisesti johtavasta teräslevystä, jotka on taitettu yhteen.

Staattorin hampaiden määrä on jaettava vaiheiden lukumäärällä. nuo. kolmivaiheiselle harjattomalle moottorille staattorin hampaiden lukumäärä täytyy olla jaollinen 3:lla. Staattorin hampaiden lukumäärä voi olla suurempi tai pienempi kuin roottorin napojen lukumäärä. Esimerkiksi moottoreissa on seuraavat kaaviot: 9 hammasta/12 magneettia; 51 hammasta / 46 magneettia.

3-hampaisella staattorilla varustettuja moottoreita käytetään erittäin harvoin. Koska vain kaksi vaihetta toimii kulloinkin (tähdellä kytkettynä), magneettiset voimat eivät vaikuta tasaisesti roottoriin koko kehällä (katso kuva).

Roottoriin vaikuttavat voimat yrittävät vääristää sitä, mikä lisää tärinää. Tämän vaikutuksen poistamiseksi staattori on valmistettu suurella määrällä hampaita ja käämitys jakautuu staattorin koko kehän hampaille mahdollisimman tasaisesti.

Tässä tapauksessa roottoriin vaikuttavat magneettiset voimat kumoavat toisensa. Ei ole epätasapainoa.

Vaihtoehdot vaihekäämien jakamiseen staattorin hampaiden yli

9-hampainen käämitysvaihtoehto

12-hampainen käämitysvaihtoehto

Yllä olevissa kaavioissa hampaiden lukumäärä on valittu niin, että se ei vain jaollinen kolmella. Esimerkiksi milloin 36 hampaat vastaavat 12 hampaat vaihetta kohti. 12 hammasta voidaan jakaa näin:

Edullisin menetelmä on 6 2 hampaan ryhmää.

Olemassa moottori staattorissa 51 hammasta! 17 hammasta per vaihe. 17 on alkuluku, se on täysin jaollinen vain luvulla 1 ja itsellään. Kuinka jakaa käämitys hampaiden kesken? Valitettavasti en löytänyt kirjallisuudesta esimerkkejä tai tekniikoita, jotka auttaisivat ratkaisemaan tämän ongelman. Kävi ilmi, että käämitys jakautui seuraavasti:

Tarkastellaan todellista käämityspiiriä.

Huomaa, että käämillä on eri käämityssuunnat eri hampaissa. Eri käämityssuunnat on merkitty isoilla ja isoilla kirjaimilla. Voit lukea yksityiskohtaisesti käämien suunnittelusta artikkelin lopussa tarjotusta kirjallisuudesta.

Klassinen käämitys tehdään yhdellä johdolla yhdelle vaiheelle. Nuo. kaikki yhden vaiheen hampaiden käämit on kytketty sarjaan.

Hampaiden käämit voidaan kytkeä myös rinnakkain.

Voi olla myös yhdistettyjä sulkeumia

Rinnakkais- ja yhdistetty kytkentä mahdollistaa käämin induktanssin pienentämisen, mikä johtaa staattorin virran (ja siten tehon) ja moottorin pyörimisnopeuden kasvuun.

Sähköinen ja todellinen nopeus

Jos moottorin roottorissa on kaksi napaa, niin yhdellä staattorin magneettikentän täydellä kierroksella roottori tekee yhden täyden kierroksen. 4 napaa käytettäessä moottorin akselin kääntäminen yhden täyden kierroksen verran vaatii staattorin magneettikentän kaksi kierrosta. Mitä enemmän roottorin napoja on, sitä enemmän sähköisiä kierroksia tarvitaan moottorin akselin pyörittämiseen kierrosta kohden. Meillä on esimerkiksi 42 magneettia roottorissa. Roottorin pyörittämiseen yhden kierroksen tarvitaan 42/2 = 21 sähköistä kierrosta. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää eräänlaisena pelkistimenä. Valitsemalla tarvittava määrä napoja saat moottorin, jolla on halutut nopeusominaisuudet. Lisäksi tarvitsemme tämän prosessin ymmärtämistä tulevaisuudessa valittaessa säätimen parametreja.

Paikkaanturit

Ilman antureita olevien moottoreiden rakenne eroaa antureilla varustetuista moottoreista vain, jos jälkimmäistä ei ole. Muita perustavanlaatuisia eroja ei ole. Yleisimmät asentoanturit ovat Hall-ilmiöön perustuvat. Anturit reagoivat magneettikenttään ne sijoitetaan yleensä staattoriin siten, että roottorimagneetit vaikuttavat niihin. Antureiden välisen kulman tulee olla 120 astetta.

Tämä viittaa "sähköisiin" tutkintoihin. Nuo. moninapaisessa moottorissa anturien fyysinen järjestely voi olla seuraava:

Joskus anturit sijaitsevat moottorin ulkopuolella. Tässä yksi esimerkki antureiden sijainnista. Se oli itse asiassa anturiton moottori. Tällä yksinkertaisella tavalla se varustettiin hall-antureilla.

Joissakin moottoreissa anturit on asennettu erityiseen laitteeseen, jonka avulla antureita voidaan siirtää tietyissä rajoissa. Ajoitus asetetaan käyttämällä tällaista laitetta. Jos moottori kuitenkin vaatii peruutusta (pyörimistä vastakkaiseen suuntaan), tarvitaan toinen sarja peruutukselle määritettyjä antureita. Koska ajoitus ei ole kriittinen käynnistyksessä ja alhaisilla nopeuksilla, voit asettaa anturit nollapisteeseen ja säätää etenemiskulmaa ohjelmallisesti, kun moottori alkaa pyöriä.

Moottorin pääominaisuudet

Jokainen moottori on suunniteltu täyttämään tietyt vaatimukset, ja sillä on seuraavat pääominaisuudet:

• Toimintatila jota varten moottori on suunniteltu: pitkäaikainen tai lyhytaikainen. Pitkä käyttötila tarkoittaa, että moottori voi käydä tuntikausia. Tällaiset moottorit on suunniteltu siten, että lämmönsiirto ympäristöön on suurempi kuin itse moottorin lämmön vapautuminen. Tässä tapauksessa se ei lämpene. Esimerkki: ilmanvaihto, liukuportaat tai kuljetinkäyttö. Lyhytaikainen - tarkoittaa, että moottori käynnistetään lyhyeksi ajaksi, jonka aikana se ei ehdi lämmetä maksimilämpötilaan, minkä jälkeen tulee pitkä aika, jonka aikana moottorilla on aikaa jäähtyä. Esimerkki: hissikäyttö, sähköparranajokoneet, hiustenkuivaajat.
• Moottorin käämityksen vastus. Moottorin käämitysvastus vaikuttaa moottorin tehokkuuteen. Mitä pienempi vastus, sitä suurempi hyötysuhde. Mittaamalla vastuksen voit selvittää käämityksen välisen oikosulun olemassaolon. Moottorin käämitysvastus on ohmin tuhannesosaa. Sen mittaamiseen tarvitaan erityinen laite tai erityinen mittaustekniikka.
• Suurin käyttöjännite. Suurin jännite, jonka staattorin käämitys voi kestää. Maksimijännite liittyy seuraavaan parametriin.
• Suurin nopeus. Joskus ne eivät ilmoita enimmäisnopeutta, vaan Kv - moottorin kierrosten lukumäärä volttia kohden ilman akselin kuormitusta. Kun tämä indikaattori kerrotaan enimmäisjännitteellä, saadaan moottorin enimmäisnopeus ilman akselin kuormitusta.
• Maksimivirta. Suurin sallittu käämivirta. Yleensä ilmoitetaan myös aika, jonka moottori kestää määritellyn virran. Maksimivirran rajoitus liittyy käämin mahdolliseen ylikuumenemiseen. Siksi matalissa ympäristön lämpötiloissa todellinen käyttöaika maksimivirralla on pidempi ja kuumalla säällä moottori palaa aikaisemmin.
• Moottorin suurin teho. Liittyy suoraan edelliseen parametriin. Tämä on huipputeho, jonka moottori voi tuottaa lyhyen ajan, yleensä muutaman sekunnin. Käytettäessä pitkään suurimmalla teholla moottorin ylikuumeneminen ja sen vikaantuminen on väistämätöntä.
• Nimellisteho. Teho, jonka moottori voi kehittää koko ajan, kun se on päällä.
• Vaiheen etenemiskulma (ajoitus). Staattorikäämissä on jonkin verran induktanssia, mikä hidastaa virran kasvua käämissä. Virta saavuttaa maksiminsa jonkin ajan kuluttua. Tämän viiveen kompensoimiseksi vaihekytkentä suoritetaan jonkin verran etukäteen. Samanlainen kuin sytytys polttomoottorissa, jossa sytytyksen ajoitus asetetaan ottaen huomioon polttoaineen syttymisaika.

Sinun tulee myös kiinnittää huomiota siihen, että nimelliskuormituksella et saa moottorin akselille maksiminopeutta. Kv tarkoitettu kuormittamattomalle moottorille. Kun moottoria käytetään akuilla, tulee ottaa huomioon syöttöjännitteen "lasku" kuormituksen alaisena, mikä puolestaan ​​laskee myös moottorin maksiminopeutta.