Amikor elkezdtem fejleszteni egy kefe nélküli motor (kerékmotor) vezérlőegységet, sok kérdés merült fel a párosítással kapcsolatban. igazi motor három tekercs és mágnes absztrakt diagramjával, amelyen általában mindenki elmagyarázza a kefe nélküli motorok vezérlésének elvét.
Amikor Hall-érzékelőkkel valósítottam meg a vezérlést, még mindig nem igazán értettem, mi történik a motorban az absztrakt három tekercselésen és két póluson túl: miért 120 fok, és miért pont ilyen a vezérlési algoritmus.
Minden a helyére került, amikor elkezdtem megérteni a kefe nélküli motor szenzor nélküli vezérlésének gondolatát – a valódi hardverdarabban végbemenő folyamat megértése segített a hardver fejlesztésében és a vezérlési algoritmus megértésében.
Az alábbiakban megpróbálom leírni a kefe nélküli motor vezérlési elvének megértéséhez vezető utat egyenáram.
Munkához kefe nélküli motor szükséges, hogy a forgórész állandó mágneses terét magával ragadja az állórész forgó elektromágneses tere, mint a hagyományos egyenáramú motoroknál.
Az állórész mágneses mezőjének forgatása a tekercsek elektronikus vezérlőegység segítségével történő átkapcsolásával történik.
A kefe nélküli motor felépítése hasonló a szinkronmotorokéhoz, ha kefe nélküli motort csatlakoztat csiszolt motor háromfázisú hálózatra váltakozó áram, kielégítve a motor elektromos paramétereit, működni fog.
A kefe nélküli motor tekercseinek bizonyos kapcsolása lehetővé teszi egyenáramú forrásról történő vezérlését. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan lehet kommutációs táblázatot létrehozni egy kefe nélküli motorhoz, figyelembe kell venni az AC szinkrongép vezérlését.
Szinkron gép
A szinkrongép vezérlése háromfázisú váltóáramú hálózatról történik. A motor 3 elektromos tekercseléssel rendelkezik, 120 elektromos fokkal eltolva.
A háromfázisú motor generátor üzemmódban történő elindítása után az állandó mágneses mező EMF-et indukál az egyes motortekercseken, a motortekercsek egyenletesen oszlanak el, minden fázison szinuszos feszültség indukálódik, és ezek a jelek eltolódnak. egymás között az időszak 1/3-ával (1. ábra). Az EMF alakja szinuszos törvény szerint változik, a szinusz periódusa 2P (360), hiszen elektromos mennyiségekkel (EMF, feszültség, áram) van dolgunk, nevezzük elektromos fokoknak, és mérjük azokban a periódusokat.
Ha a motort háromfázisú feszültséggel látják el, minden pillanatban minden tekercsen egy bizonyos áramérték lesz.
1. ábra Háromfázisú váltakozó áramú forrás hullámformája.
Mindegyik tekercs a tekercsben lévő áramerősséggel arányos mágneses térvektort hoz létre. 3 vektor hozzáadásával megkaphatjuk a kapott mágneses térvektort. Mivel az idő múlásával a motor tekercseinek árama szinuszos törvény szerint változik, az egyes tekercsek mágneses térvektorának nagysága megváltozik, és a kapott teljes vektor megváltoztatja a forgásszöget, miközben ennek a vektornak a nagysága állandó marad.
2. ábra Háromfázisú motor egy elektromos periódusa.
A 2. ábrán egy háromfázisú motor egy elektromos periódusa látható, amelyen 3 tetszőleges momentum van megjelölve a mágneses térvektorok mindegyikében. Helyezzünk el 3 motortekercset egymáshoz képest 120 elektromos fokkal eltolva (3. ábra).
3. ábra. 1. momentum. Az egyes tekercsek mágneses térvektorai (balra) és a kapott mágneses térvektorok (jobbra).
Minden fázis mentén a motor tekercselése által létrehozott mágneses térvektor épül fel. A vektor irányát a tekercsben lévő egyenáram iránya határozza meg, ha a tekercsre adott feszültség pozitív, akkor a vektor befelé irányul az ellenkező oldalt a tekercstől, ha negatív, akkor a tekercs mentén. A vektor nagysága arányos a bemeneti fázis feszültségének nagyságával Ebben a pillanatban.
A kapott mágneses térvektor megszerzéséhez össze kell adni a vektoradatokat a vektorösszeadás törvénye szerint.
A konstrukció a második és a harmadik pillanatban is hasonló.
4. ábra. 2. momentum. Az egyes tekercsek mágneses térvektorai (balra) és a kapott mágneses térvektorok (jobbra).
Tehát idővel a kapott vektor simán változtatja irányát. Az 5. ábra mutatja a kapott vektorokat, és az állórész mágneses mezőjének teljes forgását egy elektromos periódusban.
5. ábra: A motor állórészén lévő tekercsek által generált forgó mágneses mező nézete.
Ezt az elektromos mágneses térvektort minden időpillanatban követi a forgórész állandó mágneseinek mágneses tere (6. ábra).
6. ábra Egy állandó mágnes (rotor) követi az állórész által keltett mágneses tér irányát.
Így működik egy AC szinkrongép.
Egyenáramú forrás esetén önállóan kell létrehozni egy elektromos periódust az áram irányának megváltoztatásával három motortekercsen. Mivel a kefe nélküli motor felépítése megegyezik a szinkronmotoréval, és generátor üzemmódban is azonos paraméterekkel rendelkezik, ezért az 5. ábrára kell építeni, amely a generált forgó mágneses teret mutatja.
Állandó nyomás
Az egyenáramforrásnak csak 2 vezetéke van „plusz teljesítmény” és „mínusz teljesítmény”, ami azt jelenti, hogy a három tekercs közül csak kettőt lehet feszültséggel ellátni. Közelíteni kell az 5. ábrát, és ki kell emelni az összes olyan pillanatot, amikor a háromból 2 fázis csatlakoztatható.
A 3. halmazból a permutációk száma 6, ezért 6 lehetőség van a tekercsek csatlakoztatására.
Ábrázoljuk lehetséges opciók kommutációkat, és válasszon egy sorozatot, amelyben a vektor lépésről lépésre tovább fog forogni, amíg el nem éri a periódus végét, és elölről kezdi.
Az elektromos periódust az első vektortól fogjuk számolni.
7. ábra A három tekercsből kettő átkapcsolásával egyenáramú forrásból létrehozható hat mágneses térvektor nézete.
Az 5. ábrán látható, hogy háromfázisú szinuszos feszültség szabályozásánál sok olyan vektor van, amely időben egyenletesen forog, és egyenárammal történő kapcsolásnál csak 6 vektoros forgómezőt lehet elérni, vagyis átkapcsolni a következőre. lépésnek 60 elektromos fokonként meg kell történnie.
A 7. ábra eredményeit az 1. táblázat foglalja össze.
1. táblázat A motor tekercseinek kapcsolási sorrendje.
Az eredményül kapott vezérlőjel megjelenése az 1. táblázat szerint a 8. ábrán látható. Ahol -V a tápegység mínuszára (GND), +V pedig az áramforrás pluszpontjára való kapcsolás.
8. ábra: Kefe nélküli motor egyenáramú forrásának vezérlőjeleinek nézete. Sárga – W fázis, kék – U, piros – V.
A valós kép azonban a motor fázisaiból hasonló lesz az 1. ábrán látható szinuszos jelhez. A jel trapéz alakú, mivel azokban a pillanatokban, amikor a motortekercs nincs csatlakoztatva, a forgórész állandó mágnesei EMF-et indukálnak rajta ( 9. ábra).
9. ábra Kefe nélküli motor tekercseinek jele működési módban.
Oszcilloszkópon ez így néz ki:
10. ábra: Az oszcilloszkóp ablakának nézete egy motorfázis mérésekor.
Tervezési jellemzők
Mint korábban említettük, a tekercsek 6 kapcsolásához egy 360 elektromos fokos elektromos periódus jön létre.
Ezt az időszakot a forgórész tényleges forgásszögéhez kell viszonyítani. Az egy póluspárral és háromfogú állórésszel rendelkező motorokat rendkívül ritkán használják.
A 11. ábra egy póluspárral és két póluspárral rendelkező motormodelleket mutat be.
A. b.
11. ábra Egy (a) és két (b) póluspárral rendelkező motor modellje.
A két póluspárral rendelkező motor 6 tekercses, mindegyik tekercs egy pár, mindegyik 3 tekercsből álló csoport 120 elektromos fokkal van eltolva. A 12b. Egy periódus késik 6 tekercsnél. Az U1-U2, V1-V2, W1-W2 tekercsek egymáshoz vannak kötve, és a kialakításban 3 fázisú kimeneti vezetéket képviselnek. Az ábra egyszerűsítése érdekében a csatlakozások nem láthatók, de ne feledje, hogy az U1-U2, V1-V2, W1-W2 ugyanaz.
A 12. ábra az 1. táblázat adatai alapján egy és két póluspár vektorait mutatja.
A. b.
12. ábra Egy (a) és két (b) póluspárral rendelkező motor mágneses térvektorainak diagramja.
A 13. ábra egy póluspárral rendelkező motortekercsek 6 kommutációjával létrehozott vektorokat mutatja. A forgórész állandó mágnesekből áll, 6 lépésben a rotor mechanikailag 360 fokkal fog forogni.
Az ábrán a forgórész végső helyzetei láthatók két szomszédos helyzet közötti intervallumokban, a rotor az előző kapcsolt állapotba fordul. Amikor a forgórész eléri ezt a végső pozíciót, meg kell történnie a következő kapcsolásnak, és a rotor az új beállított pozícióba kerül, így a mágneses mező vektora a vektorhoz igazodik. elektromágneses mezőállórész.
13. ábra: A forgórész véghelyzetei egy póluspárral rendelkező szénkefe nélküli motor hatfokozatú kommutációja során.
Az N póluspárral rendelkező motorokban N elektromos periódus szükséges a mechanikai fordulat végrehajtásához.
A két póluspárral rendelkező motor két S és N pólusú mágnessel és 6 tekercseléssel rendelkezik (14. ábra). Mindegyik 3 tekercsből álló csoport 120 elektromos fokkal van eltolva egymástól.
14. ábra: A rotor végső helyzetei két póluspárral rendelkező kefe nélküli motor hatfokozatú kommutációja során.
Kefe nélküli motor forgórész helyzetének meghatározása
Mint korábban említettük, a motor működéséhez szükséges a megfelelő pillanatokat ideje csatlakoztatni a feszültséget a szükséges állórész tekercsekhez. A motor tekercseire a forgórész helyzetétől függően feszültséget kell adni, hogy az állórész mágneses tere mindig a forgórész mágneses terét vezesse. A motor forgórésze és a tekercskapcsolások helyzetének meghatározásához használja a az elektronikus egység menedzsment.
A rotor helyzetének követése többféle módon lehetséges:
1. Hall érzékelőkkel
2. által hátsó emf
Általában a gyártók a kipufogónál Hall-érzékelőkkel szerelik fel a motort, így ez a leggyakoribb szabályozási módszer.
A tekercsek hátsó EMF jelekkel összhangban történő átkapcsolása lehetővé teszi, hogy elhagyja a motorba épített érzékelőket, és érzékelőként használja a motor szabad fázisának elemzését, amelyre a hátsó EMF-et a mágneses tér indukálja.
Kefe nélküli motorvezérlés Hall érzékelőkkel
A tekercsek megfelelő időben történő kapcsolásához szükséges a forgórész helyzetének elektromos fokban történő figyelése. Ehhez Hall-érzékelőket használnak.
Mivel a mágneses térvektornak 6 állapota van, 3 Hall érzékelőre van szükség, amelyek egyet képviselnek abszolút kódoló pozíciók három bites kimenettel. A Hall-érzékelőket ugyanúgy kell felszerelni, mint a tekercseket, egymástól 120 elektromos fokkal eltolva. Ez lehetővé teszi a forgórész mágnesek használatát az érzékelő működtető elemeként.
15. ábra Hall-érzékelők jelei a motor egy elektromos fordulatánál.
A motor forgatásához szükséges, hogy az állórész mágneses tere megelőzze a rotor mágneses terét, az a helyzet, amikor a rotor mágneses térvektora az állórész mágneses térvektorával együtt van irányítva, a kommutációnál végleges, ebben a pillanatban hogy a forgórész álló helyzetben való lógásának megakadályozása érdekében a következő kombinációra kell váltani
Hasonlítsuk össze a Hall-érzékelők jeleit a kapcsolandó fázisok kombinációjával (2. táblázat)
2. táblázat Hall-érzékelő jeleinek összehasonlítása motor fáziskapcsolással.
| Motor pozíció | 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 | + |
Amikor a motor egyenletesen forog, az érzékelők a periódus 1/6-ával, 60 elektromos fokkal eltolt jelet kapnak (16. ábra).
16. ábra Hall-érzékelők jelének nézete.
Vezérlés hátsó EMF jellel
Vannak kefe nélküli motorok helyzetérzékelők nélkül. A rotor helyzetét elemzéssel határozzuk meg EMF jel a motor szabad fázisában. Minden pillanatban a „+” az egyik fázishoz kapcsolódik a másik „-” tápegységhez, az egyik fázis szabad marad. Forgás közben a forgórész mágneses tere EMF-et indukál a szabad tekercsben. A forgás során a szabad fázis feszültsége megváltozik (17. ábra).
17. ábra Feszültségváltozás a motor fázisán.
A motor tekercséből érkező jel 4 pillanatra oszlik:
1. Tekercs 0-ra csatlakoztatva
2. A tekercs nincs csatlakoztatva (szabad fázis)
3. A tekercs csatlakozik a tápfeszültségre
4. A tekercs nincs csatlakoztatva (szabad fázis)
A fázisokból érkező jelet a vezérlőjellel összevetve jól látható, hogy a felezőpont (a tápfeszültség fele) és az éppen be nem kapcsolt fázis metszéspontjából a következő állapotba való átmenet pillanata érzékelhető (ábra 18).
18. ábra A vezérlőjel és a motorfázisok jelének összehasonlítása.
A kereszteződés észlelése után szünetet kell tartania, és be kell kapcsolnia a következő állapotot. Ezen ábra alapján összeállítottam a tekercselési állapotok váltására szolgáló algoritmust (3. táblázat).
3. táblázat: Algoritmus motortekercsek kapcsolására
| Jelen állapot | U | V | W | Következő állapot |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Várakozás a középpont átlépésére +-ról - | 4 |
| 4 | + | Várakozás a felezőpont átlépésére -ból +-ba | - | 5 |
| 5 | Várakozás a középpont átlépésére +-ról - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Várakozás a felezőpont átlépésére -ból +-ba | 1 |
A felezőpont metszéspontja a komparátorral a legkönnyebben érzékelhető a komparátor egyik bemenetére, az aktuális fázisfeszültség pedig a másodikra.
19. ábra Középpont-érzékelés komparátorral.
A komparátor akkor aktiválódik, amikor a feszültség áthalad a felezőponton, és jelet generál a mikrokontroller számára.
Jelfeldolgozás motorfázisokból
A PWM-sebesség szabályozása során a fázisokból származó jel azonban eltérő megjelenésű és impulzus jellegű (21. ábra), ilyen jelben nem lehet észlelni a felezőponttal való metszéspontot.
20. ábra Fázisjel típusa a PWM sebesség szabályozásánál.
Ezért ezt a jelet RC szűrővel kell szűrni, hogy borítékot kapjunk, és fel is kell osztani a komparátor követelményei szerint. A munkaciklus növekedésével a PWM jel amplitúdója nő (22. ábra).
21. ábra Jelosztó és szűrő áramköre a motor fázisból.
22. ábra Jelburkológörbe a PWM munkaciklus megváltoztatásakor.
Középpont diagram
23. ábra A virtuális felezőpont nézete. A kép az avislab.com/
A jeleket áramkorlátozó ellenállásokon keresztül távolítják el a fázisokról és kombinálják, és a következő képet kapjuk:
24. ábra A virtuális középponti feszültségoszcillogram nézete.
A PWM miatt a középponti feszültség nem állandó, a jelet is szűrni kell. A simítás utáni középponti feszültség elég nagy lesz (a motor tápfeszültségének tartományában), ezt feszültségosztóval kell felosztani a tápfeszültség felére.
Miután a jel áthalad a szűrőn, a rezgések kisimulnak, és lapos feszültséget kapunk, amelyhez képest a hátsó EMF metszéspontja észlelhető.
26. ábra Feszültség az osztó és az aluláteresztő szűrő után.
A felezőpont a feszültségtől (PWM munkaciklus), valamint a jel burkológörbéjétől függően megváltoztatja értékét.
A komparátoroktól kapott jelek a mikrokontrollerhez kerülnek, amely a fenti algoritmus szerint feldolgozza azokat.
Ez minden most.
A többrotoros gépek motorjai kétféleek: kefés és kefe nélküli. Legfőbb különbségük, hogy a kefés motornál a forgórészen (forgó részen) van tekercselés, míg a kefe nélküli motornál az állórészen van tekercselés. Anélkül, hogy belemennénk a részletekbe, azt mondjuk, hogy a kefe nélküli motor előnyösebb, mint a kefés motor, mert ez felel meg a legjobban az előtte támasztott követelményeknek. Ezért ez a cikk az ilyen típusú motorokra összpontosít. Itt olvashat részletesen a kefe nélküli és a kefés motorok közötti különbségről.
Annak ellenére, hogy a BC motorokat viszonylag nemrégiben kezdték használni, a tervezésük ötlete meglehetősen régen jelent meg. A tranzisztoros kapcsolók és az erős neodímium mágnesek megjelenése azonban lehetővé tette kereskedelmi felhasználásukat.
BC motorok tervezése
A kefe nélküli motor kialakítása egy forgórészből áll, amelyre mágnesek vannak rögzítve, és egy állórészből, amelyen a tekercsek találhatók. Ezen alkatrészek relatív helyzete alapján a BC motorokat befutó és kifutó motorokra osztják.
A több rotoros rendszerekben az Outrunner kialakítást gyakran használják, mert ez teszi lehetővé a legnagyobb nyomatékot.
A BC motorok előnyei és hátrányai
Előnyök:
- Egyszerűsített motortervezés a kommutátor kizárása miatt.
- Több magas hatásfok.
- Jó hűtés
- A BC motorok működhetnek vízben is! Azonban ne felejtsük el, hogy a víz miatt mechanikus alkatrészek A motor rozsdásodhat, és egy idő után elromolhat. Az ilyen helyzetek elkerülése érdekében javasolt a motorokat vízlepergető kenőanyaggal kezelni.
- A legkisebb rádióinterferencia
Mínuszok:
Az egyetlen hátránya, hogy ezeket a motorokat nem lehet ESC (fordulatszám-szabályozó) nélkül használni. Ez némileg bonyolítja a tervezést, és drágábbá teszi a BC motorokat, mint a kommutátoros motorokat. Ha azonban a tervezés bonyolultsága a prioritás, akkor vannak beépített fordulatszám-szabályozóval ellátott BC motorok.
Hogyan válasszunk motort egy helikopterhez?
A kefe nélküli motorok kiválasztásakor az első dolog, amire figyelni kell következő jellemzőket:
- Maximális áramerősség - ez a jellemző megmutatja, hogy a motor tekercselése mekkora maximális áramot képes ellenállni rövid időn belül. Ha ezt az időt túllépjük, a motor meghibásodása elkerülhetetlen. Ez a paraméter az ESC kiválasztását is befolyásolja.
- Maximális feszültség - csakúgy, mint a maximális áramerősség, megmutatja, hogy mekkora feszültséget lehet a tekercsre rövid ideig alkalmazni.
- KV a motor voltonkénti fordulatszáma. Mivel ez a mutató közvetlenül függ a motor tengelyének terhelésétől, arra az esetre vonatkozik, amikor nincs terhelés.
- Ellenállás - az ellenállástól függ A motor hatékonysága. Ezért minél kisebb az ellenállás, annál jobb.
Kefe nélküli motorok
A kefe nélküli villanymotorok viszonylag nemrég, az elmúlt 5-7 évben kerültek a modellezésbe. A kefés motoroktól eltérően háromfázisú váltakozó árammal működnek. A kefe nélküli motorok szélesebb fordulatszám-tartományban működnek hatékonyan, és nagyobb hatásfokkal rendelkeznek. A motor felépítése egyszerűbb, nincs benne kefeszerelvény, és nincs is rá szükség karbantartás. Elmondhatjuk, hogy a kefe nélküli motorok gyakorlatilag nem kopnak. A kefe nélküli motorok költsége valamivel magasabb, mint a kefés motoroké. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy minden kefe nélküli motor csapágyakkal van felszerelve, és általában jobb minőségűek. Bár nem olyan nagy az árkülönbség egy jó kefés motor és egy hasonló osztályú kefe nélküli motor között.
Tervezés szerint a kefe nélküli motorok két csoportra oszthatók: bevezető (ejtsd: „inrunner”) és outrunner (ejtsd: „outrunner”). Az első csoport motorjai mentén helyezkednek el belső felület tekercses ház, és benne egy mágneses forgórész. A második csoportba tartozó motorok - „kifutók” - a motor belsejében álló tekercsekkel rendelkeznek, amelyek körül a ház a belső falára helyezett tekercsekkel forog. állandó mágnesek. A kefe nélküli motorokban használt mágnespólusok száma változhat. A pólusok számából meg lehet ítélni a motor nyomatékát és fordulatszámát. A kétpólusú rotorral rendelkező motorok rendelkeznek legnagyobb sebesség forgás a legkisebb nyomatékon. Tervezésüknél fogva ezek a motorok csak „befutó” lehetnek. Az ilyen motorokat gyakran bolygókerekes sebességváltókkal együtt árulják, mivel sebességük túl magas a propeller közvetlen forgásához. Néha az ilyen motorokat sebességváltó nélkül használják - például versenyrepülőgép-modellekre szerelik fel. A több pólusú motorok fordulatszáma kisebb, de nyomatéka nagyobb. Az ilyen motorok lehetővé teszik a légcsavarok használatát nagy átmérőjű, sebességváltók használata nélkül. Általában a nagy átmérőjű és kis menetemelkedésű propellerek viszonylag kis forgási sebesség mellett nagyobb tolóerőt biztosítanak, de alacsony sebességet biztosítanak a modellnek, míg a kis átmérőjű, nagy menetemelkedésű propellerek csökkentik a tolóerőt. Magassebesség biztosítani Magassebesség, viszonylag kis tolóerővel. Így a többpólusú motorok ideálisak a nagy tolóerő-tömeg arányt igénylő modellekhez, a sebességváltó nélküli kétpólusú motorok pedig a nagy sebességű modellekhez. Többért pontos kiválasztás motor és propeller egy bizonyos modell, használhatja a speciális MotoCalc programot.
Mivel a kefe nélküli motorok váltakozó árammal működnek, működésükhöz speciális vezérlőre (szabályozóra) van szükség, amely az akkumulátorokból származó egyenáramot váltakozó árammá alakítja. A kefe nélküli motorok szabályozói egy programozható eszköz, amely lehetővé teszi, hogy mindent életbevágóan szabályozzon fontos paramétereket motor. Lehetővé teszik nemcsak a motor fordulatszámának és működési irányának megváltoztatását, hanem igény szerint egyenletes vagy éles indítást is biztosítanak, korlátozva a motor sebességét. maximális áramerősség, "fék" funkció és még sok más finom beállítások motor a modellező igényeinek megfelelően. A vezérlő programozásához eszközöket használnak a számítógéphez való csatlakoztatáshoz, ill terepviszonyok ezt egy adó és egy speciális jumper segítségével lehet megtenni.
Nagyon sok kefe nélküli motort és szabályozót gyártanak hozzájuk. A kefe nélküli motorok kialakítása és mérete is nagyon eltérő. Ráadásul, saját gyártás A CD-meghajtókból és más ipari kefe nélküli motorokból álló kefe nélküli motorok az elmúlt években meglehetősen elterjedtek. Talán ez az oka annak, hogy manapság a kefe nélküli motoroknak nincs is ilyen közelítő értéke Általános besorolás mint gyűjtő társaik. Foglaljuk össze röviden. A kommutátoros motorokat ma már főleg olcsó hobbi modelleken alkalmazzák, ill sportmodellek belépő szint. Ezek a motorok olcsók, könnyen kezelhetők, és továbbra is a legnépszerűbb elektromos motortípusok. Ezeket kefe nélküli motorokra cserélik. Az egyetlen korlátozó tényező egyelőre az ára. A szabályozóval együtt egy kefe nélküli motor 30-70%-kal többe kerül. Az elektronika és a motorok ára azonban csökken, és a kefés villanymotorok fokozatos kiszorítása a modellezésből csak idő kérdése.
AVR492: Kefe nélküli egyenáramú motorvezérlés AT90PWM3-mal
Megkülönböztető jellegzetességek:
- Általános információk a BLDC motorokról
- Teljesítményvezérlőt használ
- Hardveres megvalósítás
- Minta kód
Bevezetés
Ez az alkalmazási megjegyzés leírja, hogyan kell megvalósítani a kefe nélküli egyenáramú motor (BLDC) motorvezérlését az AT90PWM3 AVR mikrokontrolleren alapuló helyzetérzékelőkkel.
A nagy teljesítményű AVR mikrokontroller mag, amely egy teljesítményfokozat vezérlőt tartalmaz, lehetővé teszi egy vezérlő eszköz megvalósítását egy nagy sebességű kefe nélküli egyenáramú motorhoz.
Ez a dokumentum rövid leírást ad a működési elvről kefe nélküli villanymotor Az egyenáramról és a BLDC motorok érintés üzemmódban történő vezérléséről részletesen szó esik, és leírást is adunk sematikus ábrája ATAVRMC100 referenciaterv, amelyen ezek az alkalmazási megjegyzések alapulnak.
Szintén szóba kerül a PID-szabályozón alapuló, szoftveresen megvalósított szabályozóhurokkal rendelkező szoftveres megvalósítás. A kapcsolási folyamat szabályozásához feltételezzük, hogy csak a Hall-effektuson alapuló helyzetérzékelőket használnak.
Működési elve
A BLDC motorok alkalmazási területei folyamatosan bővülnek, ami számos előnnyel jár:
- Nincs elosztószerelvény, ami leegyszerűsíti vagy akár ki is küszöböli a karbantartást.
- Több generáció alacsony szint akusztikus és elektromos zaj az univerzális kefés egyenáramú motorokhoz képest.
- Veszélyes környezetben való munkavégzés képessége (gyúlékony termékekkel).
- A súly-méret jellemzők és a teljesítmény jó aránya...
Az ilyen típusú motorokat alacsony forgórész tehetetlenség jellemzi, mivel a tekercsek az állórészen találhatók. A kapcsolás vezérlése elektronikusan történik. A kommutációs nyomatékokat vagy a helyzetérzékelők információi alapján, vagy a tekercsek által generált hátsó emf mérésével határozzák meg.
Érzékelőkkel történő vezérlés esetén a BLDC általában három fő részből áll: állórészből, rotorból és Hall-érzékelőkből.
A klasszikus háromfázisú BLDC motor állórésze három tekercset tartalmaz. Sok motorban a tekercsek több részre vannak osztva, ami csökkenti a nyomaték hullámzását.
Az 1. ábra az állórész elektromos egyenértékű áramkörét mutatja. Három tekercsből áll, amelyek mindegyike három sorba kapcsolt elemet tartalmaz: induktivitás, ellenállás és hátsó emf.
1. kép Elektromos diagramállórész csere (három fázis, három tekercs)
A BLDC rotor páros számú állandó mágnesből áll. A rotor mágneses pólusainak száma is befolyásolja a forgási lépések méretét és a nyomaték hullámzását. Minél nagyobb a pólusok száma, annál kisebb a forgási lépés mérete és annál kisebb a nyomaték hullámzása. 1..5 pár pólusú állandó mágnesek használhatók. Egyes esetekben a póluspárok száma 8-ra nő (2. ábra).
2. ábra Háromfázisú, három tekercses BLDC állórésze és forgórésze
A tekercsek álló helyzetben vannak felszerelve, és a mágnes forog. A BLDC rotor súlya könnyebb, mint a hagyományos rotor. univerzális motor egyenáram, amelyben a tekercsek a forgórészen találhatók.
Hall érzékelő
A forgórész helyzetének értékeléséhez három Hall érzékelő van beépítve a motorházba. Az érzékelők egymáshoz képest 120°-os szögben vannak felszerelve. Ezekkel az érzékelőkkel 6 különböző kapcsolást lehet végrehajtani.
A fázisváltás a Hall érzékelők állapotától függ.
A tekercsek tápfeszültsége megváltozik, miután a Hall érzékelők kimeneteinek állapota megváltozik. Nál nél helyes kivitelezés Szinkronizált kommutáció esetén a nyomaték megközelítőleg állandó és magas marad.
3. ábra Hall-érzékelő jelei forgás közben
Fázisváltás
A háromfázisú BLDC működésének egyszerűsített leírása céljából csak a három tekercses változatát vesszük figyelembe. Amint korábban bemutattuk, a fáziskapcsolás a Hall érzékelők kimeneti értékétől függ. Ha a feszültséget megfelelően kapcsolják a motor tekercseire, mágneses mező jön létre, és megindul a forgás. A leggyakoribb és egyszerű módon A BLDC vezérlésére használt kapcsolási vezérlés egy be-ki áramkör, ahol a tekercs vezető vagy nem. Egyszerre csak két tekercs feszültség alá helyezhető, míg a harmadik leválasztva marad. A tekercseknek az erősáramú buszokhoz való csatlakoztatása szivárgást okoz elektromos áram. Ez a módszer trapézkapcsolásnak vagy blokkkapcsolásnak nevezzük.
A BLDC vezérléséhez 3 félhídból álló teljesítmény-kaszkádot használnak. A teljesítményfokozat diagramja a 4. ábrán látható.
4. ábra Teljesítményfokozat
A Hall érzékelők leolvasott értékei alapján meghatározzák, hogy mely gombokat kell zárni.
Ebben a cikkben arról szeretnénk beszélni, hogyan hoztunk létre egy villanymotort a semmiből: az ötlettől és az első prototípustól a teljes értékű motorig, amely minden teszten átment. Ha érdekesnek találja ezt a cikket, külön-külön elmondjuk Önnek részletesebben munkánk azon szakaszait, amelyek a leginkább érdekeltek.
A képen balról jobbra: forgórész, állórész, motor részegység, motorszerelvény
Bevezetés
Az elektromos motorok több mint 150 éve jelentek meg, de ez idő alatt a kialakításuk nem változott jelentős mértékben: forgó rotor, réz állórész tekercsek, csapágyak. Az évek során csak a villanymotorok tömegének csökkenése, a hatásfok növekedése és a fordulatszám szabályozás pontossága is nőtt.Ma a fejlesztésnek köszönhetően modern elektronikaés a ritkaföldfém alapú erős mágnesek megjelenésével minden eddiginél erősebb, ugyanakkor kompakt és könnyű „kefe nélküli” villanymotorokat lehet létrehozni. Ugyanakkor tervezésük egyszerűsége miatt ezek a valaha készült legmegbízhatóbb villanymotorok. Egy ilyen motor létrehozását ebben a cikkben tárgyaljuk.
A motor leírása
BAN BEN " Kefe nélküli motorok„Hiányzik az elektromos kéziszerszámok szétszereléséből mindenki számára ismerős „Kefék” elem, amelynek az a szerepe, hogy áramot továbbítson a forgó rotor tekercsére. A kefe nélküli motoroknál egy nem mozgó állórész tekercsébe áramlik az áram, amely az egyes pólusainál felváltva mágneses teret hozva forgatja a forgórészt, amelyre a mágnesek rögzítve vannak.Az első ilyen motort kísérletképpen mi nyomtattuk ki 3D nyomtatón. Az elektromos acélból készült speciális lemezek helyett közönséges műanyagot használtunk a rotorházhoz és az állórész maghoz, amelyre a réz tekercset feltekerték. A forgórészre négyszög keresztmetszetű neodímium mágnesek kerültek. Természetesen egy ilyen motor nem volt képes termelni maximális teljesítmény. Ez azonban elég volt ahhoz, hogy a motor 20 ezres fordulatszámig pörögjön, ami után a műanyag nem bírta és szétszakadt a motor forgórésze, a mágnesek pedig szétszóródtak. Ez a kísérlet inspirált bennünket egy teljes értékű motor megalkotására.
Számos első prototípus
Megtanulva az amatőrök véleményét rádióvezérlésű modellek, feladatként motort választottunk versenyautók szabványos méret „540”, mint a legnépszerűbb. Ennek a motornak a mérete 54 mm hosszú és 36 mm átmérőjű.
Az új motor forgórészét egyetlen neodímium mágnesből készítettük henger alakúra. A mágnest epoxival ragasztották a szerszámacélból megmunkált tengelyre egy kísérleti üzemben.
Lézerrel vágjuk le az állórészt egy 0,5 mm vastag transzformátoracél lemezből. Ezután minden lemezt gondosan bevontak lakkal, majd körülbelül 50 lemezből összeragasztották a kész állórészt. A lemezeket lakkal vonták be, hogy elkerüljék a köztük lévő rövidzárlatokat, és kiküszöböljék az állórészben fellépő Foucault-áramok miatti energiaveszteséget.
A motorház két alumínium részből készült, konténer alakban. Az állórész szorosan illeszkedik az alumínium házba, és jól illeszkedik a falakhoz. Ez a kialakítás biztosítja jó hűtés motor.
Jellemzők mérése
A teljesítményért maximális jellemzők fejlesztéseik során szükséges a jellemzők megfelelő felmérése és pontos mérése. Erre a célra egy speciális dinót terveztünk és szereltünk össze.
Az állvány fő eleme egy nagy teher, korong formájában. A mérések során a motor megpörgeti ezt a terhelést és szögsebességés gyorsulás, a motor kimenő teljesítménye és nyomatéka kiszámításra kerül.
A terhelés forgási sebességének mérésére egy pár mágnes a tengelyen és egy mágnes digitális érzékelő A3144 hall-effektus alapján. Természetesen közvetlenül a motortekercsekről impulzusokkal is lehetne fordulatszámot mérni, hiszen ezt a motort szinkron van. Az érzékelővel ellátott opció azonban megbízhatóbb, és még nagyon alacsony fordulatszámon is működik, amelynél az impulzusok olvashatatlanok lesznek.
Állványunk a fordulatszámon kívül számos más fontos paraméter mérésére is alkalmas:
- tápáram (30A-ig) az ACS712 hall-effektuson alapuló áramérzékelővel;
- tápfeszültség. Közvetlenül a mikrokontroller ADC-jén, feszültségosztón keresztül mérve;
- hőmérséklet a motoron belül/kint. A hőmérséklet mérése félvezető hőellenállással történik;
Ennek eredményeként állványunk bármikor képes a következő motorjellemzőket mérni:
- a jelenlegi felhasználás;
- fogyasztott feszültség;
- energiafelhasználás;
- kimeneti teljesítmény;
- tengelyfordulatok;
- pillanat a tengelyen;
- hőveszteségbe kerülő energia;
- hőmérséklet a motor belsejében.
Vizsgálati eredmények
Az állvány teljesítményének ellenőrzésére először egy hagyományos R540-6022 kommutátoros motoron teszteltük. Ennek a motornak jó néhány paramétere ismert, de ez is elég volt a mérési eredmények értékeléséhez, amelyek a gyárihoz igencsak közelállónak bizonyultak.Aztán tesztelték a motorunkat. Természetesen jobb hatásfokot (65% versus 45%) és ugyanakkor nagyobb nyomatékot (1200 versus 250 g/cm) tudott felmutatni, mint egy hagyományos motor. A hőmérséklet mérések is eleget adtak jó eredmények, a tesztelés során a motor nem melegedett 80 fok fölé.
De jelenleg a mérések még nem véglegesek. A tápellátás korlátai miatt nem tudtuk megmérni a motor teljes fordulatszám-tartományát. Ezenkívül össze kell hasonlítanunk a motorunkat a versenytársak hasonló motorjaival, és tesztelnünk kell „csatában”, versenyre állítva. rádió vezérlésű autóés versenyeznek.
Közzétéve 2013.03.19
Ezzel a cikkel a kefe nélküli egyenáramú motorokról szóló publikációk sorozatát kezdem. Hozzáférhető nyelven leírom Általános információ, eszköz, vezérlési algoritmusok kefe nélküli motorhoz. Figyelembe kell venni különböző típusok motorok, példák a szabályozó paraméterek kiválasztására. Ismertetem a szabályozó készülékét és működési algoritmusát, a teljesítménykapcsolók kiválasztásának módját és a szabályozó főbb paramétereit. A publikációk logikus következtetése a szabályozó diagram lesz.
A kefe nélküli motorok széles körben elterjedtek az elektronika fejlődésének köszönhetően, beleértve az olcsó teljesítménytranzisztoros kapcsolók megjelenését. Az erős neodímium mágnesek megjelenése is fontos szerepet játszott.
A kefe nélküli motor azonban nem tekinthető új terméknek. A kefe nélküli motor ötlete az elektromosság hajnaláig nyúlik vissza. De a technológia elérhetetlensége miatt 1962-ig várt a maga idejére, amikor is megjelent az első kereskedelmi forgalomban kapható kefe nélküli egyenáramú motor. Azok. Több mint fél évszázada léteznek különféle soros megvalósítások az ilyen típusú elektromos hajtásoknak!
Némi terminológia
A kefe nélküli egyenáramú motorokat szelepmotoroknak is nevezik külföldi irodalom BLDCM (BrushLes egyenáramú motor) vagy PMSM (állandó mágneses szinkronmotor).
Szerkezetileg a kefe nélküli motor egy állandó mágneses forgórészből és egy tekercses állórészből áll. Felhívom a figyelmet arra, hogy a kommutátoros motorban éppen ellenkezőleg, a tekercsek a forgórészen vannak. Ezért a szövegben tovább a forgórész mágnesek, az állórész pedig tekercsek.
A motor vezérlésére elektronikus szabályzót használnak. A külföldi szakirodalomban Speed Controller vagy ESC (Electronic speed control).
Mi az a kefe nélküli motor?
Általában az emberek, ha valami újjal szembesülnek, analógiákat keresnek. Néha hallja a következő mondatokat: „Nos, ez olyan, mint egy szinkronizált gép”, vagy ami még rosszabb, „úgy néz ki, mint egy léptetőgép”. Mivel a legtöbb szénkefe nélküli motor háromfázisú, ez további zavart okoz, ami ahhoz a tévhithez vezet, hogy a szabályozó „táplálja” a motor háromfázisú váltakozó áramát. A fentiek mindegyike csak részben igaz. Az a tény, hogy az aszinkron kivételével minden motort szinkronnak lehet nevezni. Minden egyenáramú motor önszinkronizáló motor, de működési elve eltér ettől szinkron motorok váltóáram, amelyek nem rendelkeznek önszinkronizálással. Valószínűleg kefe nélküli léptetőmotorként is működhet. De itt van a helyzet: egy tégla is tud repülni... bár nem messze, mert nem arra tervezték. Mint léptetőmotor A kapcsolt reluktancia motor alkalmasabb.
Próbáljuk kitalálni, mi az a kefe nélküli egyenáramú motor (Brushles Direct Current Motor). Ez a kifejezés már magában foglalja a választ - ez egy kommutátor nélküli egyenáramú motor. A kollektor funkciókat elektronika látja el.
Előnyök és hátrányok
Egy meglehetősen összetett, nehéz és szikrázó, karbantartást igénylő egységet eltávolítanak a motor szerkezetéből - az elosztóból. A motor kialakítása jelentősen leegyszerűsödött. A motor könnyebb és kompaktabb. A kapcsolási veszteségek jelentősen csökkennek a kommutátor és a kefe érintkezőinek cseréjével elektronikus kulcsok. Ennek eredményeként egy villanymotort kapunk legjobb teljesítmény Hatékonyság és teljesítmény mutató önsúly kilogrammonként, a legtöbb széleskörű a forgási sebesség változásai. A gyakorlatban a szénkefe nélküli motorok hűvösebben működnek, mint kefés társai. Nagy nyomatékú teher viselése. Az erős neodímium mágnesek használata még kompaktabbá tette a kefe nélküli motorokat. A kefe nélküli motor kialakítása lehetővé teszi, hogy vízben és agresszív környezetben is használható (persze nagyon drága lesz csak a motort és a szabályozót nedvesíteni). A kefe nélküli motorok gyakorlatilag nem okoznak rádióinterferenciát.
Az egyetlen hátrányt a bonyolult, drága elektronikus vezérlőegység (szabályozó vagy ESC) tekintik. Ha azonban szabályozni szeretné a motor fordulatszámát, nem nélkülözheti az elektronikát. Ha nem kell szabályoznia a kefe nélküli motor fordulatszámát, akkor sem nélkülözheti az elektronikus vezérlőegységet. A kefe nélküli motor elektronika nélkül csak egy hardver. Nincs mód arra, hogy feszültséget adjunk rá és normális forgást érjünk el, mint más motoroknál.
Mi történik egy kefe nélküli motorszabályzóban?
Annak érdekében, hogy megértsük, mi történik a kefe nélküli motort vezérlő szabályozó elektronikájában, menjünk vissza egy kicsit, és először értsük meg a kefés motor működését. Az iskolai fizika tantárgyból emlékszünk arra, hogyan hat a mágneses mező egy keretre árammal. Az áramot szállító keret mágneses térben forog. Ugyanakkor nem forog folyamatosan, hanem egy bizonyos pozícióba forog. A folyamatos forgás érdekében a keret helyzetétől függően váltani kell az áram irányát a keretben. Esetünkben az áramvezető keret a motor tekercselése, a kapcsolást pedig a kommutátor, egy kefés, érintkezős eszköz végzi. A legegyszerűbb motor felépítése az ábrán látható.
A kefe nélküli motort vezérlő elektronika ugyanezt teszi - a megfelelő pillanatokban állandó feszültséget köt a szükséges állórész tekercsekhez.
Helyzetérzékelők, érzékelő nélküli motorok
A fentiek alapján fontos megérteni, hogy a forgórész helyzetétől függően feszültséget kell adni a motor tekercseinek. Ezért az elektronikának meg kell tudnia határozni a motor forgórészének helyzetét . Ehhez helyzetérzékelőket használnak. Lehetnek különféle típusok, optikai, mágneses stb. Jelenleg nagyon elterjedtek a Hall-effektuson alapuló diszkrét érzékelők (például SS41). A háromfázisú kefe nélküli motor 3 érzékelőt használ. Az ilyen érzékelőknek köszönhetően az elektronikus vezérlőegység mindig tudja, hogy a forgórész milyen helyzetben van, és mely tekercsekre kell adott időpontban feszültséget adni. A háromfázisú kefe nélküli motor vezérlési algoritmusáról később lesz szó.
Vannak kefe nélküli motorok, amelyek nem rendelkeznek érzékelőkkel. Az ilyen motorokban a forgórész helyzetét a jelenleg nem használt tekercs feszültségének mérésével határozzák meg. Ezekről a módszerekről később is lesz szó. Figyelni kell egy fontos pontra: ez a módszer csak akkor releváns, ha a motor forog. Ha a motor nem vagy nagyon lassan forog, ez a módszer nem működik.
Milyen esetekben használnak kefe nélküli szenzoros motorokat, és milyen esetekben szenzor nélkül? mi a különbségük?
A helyzetérzékelős motorok előnyösebbek műszaki pont látomás. Az ilyen motorok vezérlési algoritmusa sokkal egyszerűbb. Vannak azonban hátrányai is: árammal kell ellátni az érzékelőket, és vezetékeket kell fektetni a motorban lévő érzékelőktől a vezérlőelektronikáig; Ha az egyik érzékelő meghibásodik, a motor leáll, és az érzékelők cseréje általában a motor szétszerelését igényli.
Azokban az esetekben, amikor szerkezetileg lehetetlen érzékelőket elhelyezni a motorházban, érzékelő nélküli motorokat használnak. Szerkezetileg az ilyen motorok gyakorlatilag nem különböznek az érzékelőkkel ellátott motoroktól. De az elektronikus egységnek képesnek kell lennie a motor érzékelők nélküli vezérlésére. Ebben az esetben a vezérlőegységnek meg kell felelnie az adott motormodell jellemzőinek.
Ha a motornak a motortengely jelentős terhelésével kell elindulnia (elektromos járművek, emelőszerkezetek stb.), érzékelőkkel ellátott motorokat kell használni.
Ha a motor a tengely terhelése nélkül indul (szellőztetés, légcsavar, centrifugális tengelykapcsoló stb.), érzékelő nélküli motorok használhatók. Ne feledje: a helyzetérzékelők nélküli motornak a tengely terhelése nélkül kell elindulnia. Ha ez a feltétel nem teljesül, érzékelőkkel ellátott motort kell használni. Ezenkívül, ha a motor érzékelők nélkül indul, a motor tengelyének különböző irányú forgási rezgései lehetségesek. Ha ez kritikus a rendszere szempontjából, használjon érzékelőkkel ellátott motort.
Három fázis
Háromfázisú kefe nélküli motorok vásároltak legnagyobb elosztás. De lehetnek egy-, két-, három- vagy többfázisúak. Minél több fázis, annál simábban forog a mágneses tér, de annál bonyolultabb a motorvezérlő rendszer is. A 3 fázisú rendszer a legoptimálisabb hatásfok/komplexitás arányát tekintve, ezért is terjedt el annyira. Továbbá csak a háromfázisú áramkört tekintjük a leggyakoribbnak. Valójában a fázisok a motor tekercselései. Ezért, ha azt mondod, hogy „három tekercselés”, szerintem az is helyes lenne. A három tekercs csillag vagy delta konfigurációban van csatlakoztatva. A háromfázisú kefe nélküli motornak három vezetéke van - tekercselő vezetékek, lásd az ábrát.
Az érzékelőkkel ellátott motorok további 5 vezetékkel rendelkeznek (2 tápegység a helyzetérzékelőkhöz és 3 jel az érzékelőktől).
Egy háromfázisú rendszerben a három tekercs közül kettőre egy adott időpontban feszültséget kapcsolnak. Tehát 6 adagolási lehetőség van DC feszültség a motor tekercseire az alábbi ábrán látható módon.
