Amikor elkezdtem fejleszteni egy kefe nélküli motor (kerékmotor) vezérlőegységét, sok kérdés merült fel azzal kapcsolatban, hogyan lehet összehasonlítani egy valódi motort egy három tekercsből és mágnesből álló absztrakt áramkörrel, amelyen általában mindenki elmagyarázza a kefe nélküli motor elvét. motorok vezérlése.
Amikor a Hall érzékelőkkel való vezérlést megvalósítottam, még mindig nem igazán értettem, mi történik a motorban az absztrakt három tekercselésen és két póluson túl: miért 120 fok, és miért pont ugyanaz a vezérlési algoritmus.
Minden a helyére került, amikor elkezdtem megérteni a kefe nélküli motor érzékelő nélküli vezérlésének gondolatát - a valódi hardverben zajló folyamat megértése segített a hardver fejlesztésében és a vezérlési algoritmus megértésében.
Az alábbiakban megpróbálom leírni a kefe nélküli egyenáramú motor vezérlési elvének megértéséhez vezető utat.
A kefe nélküli motor működéséhez szükséges, hogy a forgórész állandó mágneses terét az állórész forgó elektromágneses tere elvigye, 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 a kefe nélküli motort a motor elektromos paramétereinek megfelelő háromfázisú váltakozó áramú hálózatra csatlakoztatja, akkor működni fog.
A kefe nélküli motor tekercseinek bizonyos kommutációja lehetővé teszi egyenáramú vezérlését. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan készítsünk kommutációs táblázatot egy kefe nélküli motorhoz, figyelembe kell venni az AC szinkrongép vezérlését.
Szinkron gép
A szinkrongép vezérlése háromfázisú váltakozó áramú hálózatról történik. A motor 3 elektromos tekercseléssel rendelkezik, 120 elektromos fokkal eltolva.
A háromfázisú motor generátor üzemmódban történő elindítása után állandó mágneses mező EMF-et indukál az egyes motortekercseken, a motortekercsek egyenletesen oszlanak el, minden fázison szinuszos feszültség indukálódik, és ezek a jelek az időszak 1/3-ával eltolódott egymás között (1. ábra). Az EMF alakja szinuszos törvény szerint változik, a szinusz periódusa 2P (360), mivel elektromos mennyiségekkel (EMF, feszültség, áram) van dolgunk, ezt elektromos fokoknak nevezzük, és a periódus mérése őket.
Ha háromfázisú feszültséget kapcsolunk a motorra, minden pillanatban egy bizonyos áramerősség lesz minden tekercsen.
1. ábra Háromfázisú váltakozó áramú forrás jelképe.
Mindegyik tekercs a tekercsben lévő áramerősséggel arányos mágneses térvektort hoz létre. 3 vektor összeadásával megkaphatja a mágneses tér eredő vektorát. 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, erre az időszakra 3 tetszőleges nyomaték van feltüntetve, hogy a mágneses térvektor mindegyik momentumába beépüljön, ezt az időszakot, 360 elektromos fokkal, egy körön elhalasztjuk. Helyezzen 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).
A motor tekercselése által generált mágneses tér vektorát az egyes fázisok mentén ábrázoljuk. A vektor irányát a tekercsben lévő egyenáram iránya határozza meg, ha a tekercsre adott feszültség pozitív, akkor a vektor a tekercseléssel ellenkező irányba, ha negatív, akkor a tekercs mentén. A vektor nagysága arányos a fázis feszültségének nagyságával egy adott 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 az irányát, az 5. ábra a kapott vektorokat mutatja, és az állórész mágneses mezőjének teljes forgását egy elektromos periódusban.
5. ábra: A motor állórészén lévő tekercsek által generált forgó mágneses mező nézete.
Az elektromos mágneses tér ezen vektora mögé a forgórész permanens mágneseinek mágneses tere minden pillanatban elszáll (6. ábra).
6. ábra Az állandó mágnes (rotor) követi az állórész által keltett mágneses tér irányát.
Így működik egy szinkron váltakozó áramú gép.
Egyenáramú forrás esetén önállóan kell egy elektromos periódust létrehozni az áram irányának változásával három motortekercsen. Mivel a kefe nélküli motor felépítése megegyezik a szinkronmotoréval, generátor üzemmódban azonos paraméterekkel rendelkezik, ezért az 5. ábrából kell kiindulni, amely a generált forgó mágneses teret mutatja.
Állandó nyomás
Az egyenáramú tápegységnek 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 választani az összes olyan pillanatot, amikor a háromból 2 fázis csatlakoztatható.
A permutációk száma a 3-as halmazból 6, ezért 6 lehetőség van a tekercsek csatlakoztatására.
Ábrázoljuk a lehetséges kommutációs lehetőségeket, és válasszunk ki egy sorozatot, amelyben a vektor lépésről lépésre forog tovább, amíg el nem éri a periódus végét és elölről kezdődik.
Az elektromos periódust az első vektortól számítjuk.
7. ábra Az egyenáramú forrásból a három tekercsből kettő átkapcsolásával létrehozható mágneses tér hat vektorának nézete.
Az 5. ábrán látható, hogy háromfázisú szinuszos feszültség vezérlésekor sok vektor zökkenőmentesen forog az idő múlásával, egyenárammal történő kapcsolásnál pedig mindössze 6 vektoros forgómezőt kaphatunk, vagyis átkapcsolhatunk a következő lépésre. 60 elektromos fokonként meg kell történnie.
A 7. ábra eredményeit az 1. táblázat foglalja össze.
1. táblázat A motortekercsek kommutációinak eredményül kapott sorozata.
A kapott vezérlőjel nézete az 1. táblázat szerint a 8. ábrán látható. Ahol -V a tápegység mínuszára (GND), a + V pedig a tápegység pluszjára kapcsol.
8. ábra: Kefe nélküli motor egyenáramú forrásának vezérlőjeleinek nézete. Sárga - W fázis, kék - U, piros - V.
A motorfázisok valós képe azonban 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 jelének képe működési módban.
Oszcilloszkópon ez így néz ki:
10. ábra: Oszcilloszkóp ablak nézet egy motorfázis mérésekor.
Tervezési jellemzők
Mint korábban említettük, a tekercsek 6 kapcsolásához egy 360 elektromos fokos elektromos periódus jön létre.
Ezt az időszakot össze kell kapcsolni a forgórész valós forgásszögével. Egy póluspárral és háromfogú állórésszel rendelkező motorokat ritkán használnak, a motoroknak N pár pólusa van.
A 11. ábrán egy póluspár és két póluspár motormodell látható.
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 egymástól. 12b. ábra. késleltetett egy periódust 6 tekercsnél. Az U1-U2, V1-V2, W1-W2 tekercsek össze vannak kötve, és a kivitelben 3 fázisú kimeneti vezetéket képviselnek. Az egyszerűség kedvéért a csatlakozások nincsenek feltüntetve, 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 ábrázolja.
a. b.
12. ábra: Egy (a) és két (b) póluspárral rendelkező motor mágneses térvektorainak vázlata.
A 13. ábra a motortekercsek egy póluspáros 6 kommutációjával létrehozott vektorokat mutatja. A forgórész állandó mágnesekből áll, 6 lépésben a forgórész 360 mechanikai fokban forog.
Az ábrán a forgórész végállásai láthatók, két szomszédos helyzet közötti intervallumokban a rotor az előző kapcsolt állapotból a következő kapcsolt állapotba fordul. Amikor a forgórész eléri ezt a véghelyzetet, a következő átkapcsolásnak meg kell történnie, és a forgórész egy új célhelyzetbe kerül, így a mágneses térvektora egyirányú lesz az állórész elektromágneses térvektorával.
13. ábra: A forgórész véghelyzetei egy póluspárral rendelkező szénkefe nélküli motor hatfokozatú kommutációjához.
Az N póluspárral rendelkező motoroknál N elektromos perióduson kell átmenni egy teljes mechanikai fordulathoz.
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 forgórész véghelyzetei két póluspárral rendelkező szénkefe nélküli motor hatfokozatú kommutációjában.
Kefe nélküli motor forgórészhelyzetének meghatározása
Amint azt korábban említettük, a motor működéséhez szükséges a megfelelő időben csatlakoztatni a feszültséget a szükséges állórész tekercsekhez. A motor tekercseire a forgórész helyzetétől függően kell feszültséget adni, hogy az állórész mágneses tere mindig megelőzze a forgórész mágneses terejét. A motor forgórészének helyzetének és a tekercsek kapcsolásának meghatározására elektronikus vezérlőegység szolgál.
A rotor helyzetének követése többféle módon lehetséges:
1. Hall érzékelőkkel
2. Hátsó EMF
Általános szabály, hogy a gyártók a motort Hall-érzékelőkkel szerelik fel kiadáskor, így ez a leggyakoribb szabályozási módszer.
A tekercsek átkapcsolása a hátsó EMF jelek szerint lehetővé teszi a motorba épített érzékelők elhagyását és a motor szabad fázisának elemzését érzékelőként, amelyet a hátsó EMF mágneses tér indukál.
Hall szenzoros kefe nélküli motorvezérlés
A tekercsek megfelelő időben történő kapcsolásához szükséges a forgórész helyzetét elektromos fokban követni. Ehhez Hall-érzékelőket használnak.
Mivel a mágneses térvektornak 6 állapota van, 3 Hall érzékelőre van szükség, amelyek egy abszolút kódolót képviselnek három bites kimenettel. A Hall-érzékelőket ugyanúgy kell felszerelni, mint a tekercseket, egymástól 120 elektromos fokkal eltolva. Ez lehetővé teszi, hogy a rotor mágneseit az érzékelő működtető elemeként használják.
15. ábra Hall-érzékelők jelei a motor egy elektromos fordulatánál.
A motor forgatásához szükséges, hogy az állórész mágneses tere megelőzze a forgórész mágneses terét, az a helyzet, amikor a rotor mágneses térvektora egyirányú az állórész mágneses térvektorával, véges egy adott kommutációnál, ebben a pillanatban a következő kombinációra való átkapcsolásnak meg kell történnie, hogy a forgórész ne lebegjen álló helyzetben.
Hasonlítsuk össze a Hall-érzékelők jeleit a csatlakoztatandó fázisok kombinációjával (2. táblázat)
2. táblázat Hall-érzékelő jeleinek összehasonlítása motorfázis-kommutációval.
| 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 | + |
A motor egyenletes forgása mellett az érzékelőktől a periódus 1/6-ával, 60 elektromos fokkal eltolt jel érkezik (16. ábra).
16. ábra. A Hall-érzékelők jelének nézete.
Hátsó EMF vezérlés
Vannak kefe nélküli motorok helyzetérzékelők nélkül. A forgórész helyzetének meghatározása az EMF jel elemzésével történik a motor szabad fázisában. Minden időpillanatban a „+” a tápegység másik „-” fázisához kapcsolódik, az egyik fázis szabad marad. A rotor mágneses tere forogva EMF-et indukál a szabad tekercsben. A forgás előrehaladtával a szabad fázis feszültsége változik (17. ábra).
17. ábra Feszültségváltozás egy motorfázisban.
A motor tekercséből érkező jel 4 pontra oszlik:
1. A tekercs 0-hoz van kötve
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 összehasonlítva látható, hogy a felezőpontot (a tápfeszültség felét) egy pillanatnyilag nem kapcsolt fázissal átlépve érzékelhető a következő állapotba való átmenet pillanata (ábra 18).
18. ábra A vezérlőjel és a motorfázisok jelének összehasonlítása.
A kereszteződés észlelése után szünetet kell tartani és be kell kapcsolni a következő állapotot. Ennek az ábrának megfelelően összeállítottunk egy algoritmust a tekercsek állapotának átkapcsolására (3. táblázat).
3. táblázat: Algoritmus motortekercsek kapcsolására
| Jelen állapot | U | V | W | Következő állapot |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Várakozás a középpont átlépésére + és - között | 4 |
| 4 | + | Várakozás a felezőpont átlépésére -ról +-ra | - | 5 |
| 5 | Várakozás a középpont átlépésére + és - között | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Várakozás a felezőpont átlépésére -ról +-ra | 1 |
A középponti kereszteződést legkönnyebben komparátorral lehet észlelni, a komparátor egyik bemenetét a középponti feszültség, a másikat az áramfázis feszültséggel látják el.
19. ábra Középpont-érzékelés komparátorral.
A komparátor akkor aktiválódik, amikor a feszültség átlépi a felezőpontot, és jelet generál a mikrokontroller számára.
Jelfeldolgozás motorfázisokból
A PWM-sebesség szabályozásánál a fázisokból érkező jel azonban eltérő megjelenésű, és impulzus jellegű (21. ábra), ilyen jelben nem lehet észlelni a felezőponttal való metszéspontot.
20. ábra A fázisjel nézete a PWM sebesség szabályozásakor.
Ezért ezt a jelet RC szűrővel kell szűrni, hogy borítékot kapjunk, és fel kell osztani a komparátor követelményei szerint. A munkaciklus növekedésével a PWM jel amplitúdója nő (22. ábra).
21. ábra A motorfázisból érkező jel osztójának és szűrőjének vázlata.
22. ábra Jelburkológörbe a PWM munkaciklus megváltoztatásakor.
Középpont séma
23. ábra A virtuális felezőpont nézete. A kép az avislab.com/ oldalról készült
A jeleket áramkorlátozó ellenállásokon keresztül távolítják el a fázisokról, és kombinálják, 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 egy feszültségosztóval el kell osztani a tápfeszültség felének értékére.
A jel szűrőn való átengedése után a rezgések kisimulnak, és egyenletes feszültséget kapunk, amelyhez képest a hátsó EMF keresztezése érzékelhető.
26. ábra Feszültség osztó és aluláteresztő szűrő után.
A felezőpont a feszültségtől (PWM munkaciklus), valamint a jel burkológörbéjétől függően megváltoztatja értékét.
A komparátoroktól kapott jelek a mikrokontrollerbe kerülnek, amely a fenti algoritmus szerint feldolgozza azokat.
Ez minden most.
A több rotoros készülékek motorjai kétféleek: kollektoros és kefe nélküli. Legfőbb különbségük, hogy kollektoros motorban a tekercselés a forgórészen (forgó rész), a kefe nélküli motorban pedig az állórészen található. Anélkül, hogy a részletekbe mennénk, mondjuk el, hogy a kefe nélküli motor előnyösebb, mint a kollektoros motor, mert az felel meg leginkább a vele szemben támasztott követelményeknek. Ezért ez a cikk csak az ilyen típusú motorokra összpontosít. A kefe nélküli és a kefés motorok közötti különbségről itt olvashat bővebben.
Annak ellenére, hogy a BC motorokat viszonylag nemrég kezdték el használni, a készülékük ötlete már régen megjelent. A tranzisztoros kapcsolók és az erős neodímium mágnesek megjelenése azonban lehetővé tette kereskedelmi felhasználásukat.
BK készülék - motorok
A kefe nélküli motor kialakítása egy forgórészből áll, amelyen mágnesek vannak rögzítve, és egy állórészből, amelyen a tekercsek találhatók. Csak ezen alkatrészek egymáshoz viszonyított helyzete alapján a BC motorok befutó és kifutó motorokra oszthatók.
Több rotoros rendszerekben az Outrunner sémát gyakrabban használják, mivel ez lehetővé teszi a legnagyobb nyomaték elérését.
A BC - motorok előnyei és hátrányai
Előnyök:
- A motor egyszerűsített kialakítása a kollektor kizárása miatt.
- Magasabb hatásfok.
- Jó hűtés
- A BK motorok vízben is járhatnak! Ne feledje azonban, hogy a víz hatására rozsda képződhet a motor mechanikus részein, és egy idő után eltörik. Az ilyen helyzetek elkerülése érdekében javasolt a motorokat vízlepergető kenőanyaggal kezelni.
- Legalacsonyabb RFI
Mínuszok:
A mínuszok közül csak azt lehet megjegyezni, hogy ezeket a motorokat ESC (sebességszabályozók) nélkül nem lehet használni. Ez némileg bonyolítja a tervezést, és drágábbá teszi a BC motorokat, mint a kollektoros motorokat. Ha azonban a tervezés összetettsége prioritási paraméter, akkor vannak beépített fordulatszám-szabályozóval ellátott BC motorok.
Hogyan válassz motort a helikopteredhez?
A kefe nélküli motorok kiválasztásakor mindenekelőtt a következő jellemzőkre kell figyelnie:
- Maximális áramerősség - ez a jellemző megmutatja, hogy a motor tekercselése mekkora maximális áramot képes ellenállni rövid időn belül. Ha ezt az időt túllépjük, akkor elkerülhetetlen a motor meghibásodása. Ez a paraméter az ESC kiválasztását is befolyásolja.
- A maximális feszültség - valamint a maximális áramerősség megmutatja, hogy milyen feszültséget lehet rövid ideig a tekercsre kapcsolni.
- KV a motor voltonkénti fordulatszáma. Mivel ez a mutató közvetlenül függ a motor tengelyének terhelésétől, arra az esetre vonatkozik, amikor nincs terhelés.
- Ellenállás - a motor hatékonysága az ellenállástól függ. 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 kollektoros motoroktól eltérően háromfázisú váltakozó árammal működnek. A kefe nélküli motorok szélesebb fordulatszám-tartományban működnek hatékonyan, és hatékonyabbak. A motor kialakítása egyszerűbb, nincs kefe összeszerelés, és nincs szükség karbantartásra. Elmondhatjuk, hogy a kefe nélküli motorok gyakorlatilag nem kopnak. A kefe nélküli motorok ára valamivel magasabb, mint a kefés motorok ára. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy minden kefe nélküli motor csapággyal van felszerelve, és általában jobb minőségűek. Bár nem olyan nagy az árkülönbség egy jó kefés motor és egy azonos osztályú kefe nélküli motor között.
Tervezés szerint a kefe nélküli motorok két csoportra oszthatók: befutó (ejtsd: "inrunner") és outrunner (ejtsd: "outrunner"). Az első csoport motorjainak tekercselése a ház belső felülete mentén helyezkedik el, és benne egy mágneses forgórész forog. A második csoportba tartozó motorok - "outrunners" - a motor belsejében rögzített tekercsekkel rendelkeznek, amelyek körül egy test forog a belső falán elhelyezett állandó mágnesekkel. A kefe nélküli motorokban használt mágnesek pólusainak száma változhat. A pólusok száma alapján meg lehet ítélni a motor nyomatékát és fordulatszámát. A kétpólusú rotorral rendelkező motorok a legnagyobb fordulatszámmal és a legkisebb nyomatékkal rendelkeznek. Kialakításuk szerint ezek a motorok csak „belsőek” lehetnek. Ezeket a motorokat gyakran már rájuk szerelt bolygókerekes hajtóművekkel árulják, mivel sebességük túl magas ahhoz, hogy a propeller közvetlenül forogjon. Néha az ilyen motorokat sebességváltó nélkül használják - például versenyrepülőgép-modellekre helyezik őket. A több pólusú motoroknak kisebb a fordulatszáma, de nagyobb a nyomatékuk. Ezek a motorok lehetővé teszik nagy átmérőjű légcsavarok használatát sebességváltó nélkül. Általánosságban elmondható, hogy a nagy átmérőjű, kis menetemelkedésű légcsavarok viszonylag alacsony fordulatszámon nagy tolóerőt biztosítanak, de alacsony fordulatszámot adnak a modellnek, míg a kis átmérőjű, nagy menetemelkedésű légcsavarok nagy fordulatszámon nagy sebességet, viszonylag kis tolóerővel. Így a többpólusú motorok ideálisak a nagy tolóerő-tömeg arányt igénylő modellekhez, a fogaskerekek nélküli bipoláris motorok pedig ideálisak a nagy sebességű modellekhez. A motor és a légcsavar pontosabb kiválasztásához egy adott modellhez 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 olyan programozható eszközök, amelyek lehetővé teszik a motor összes létfontosságú paraméterének ellenőrzését. Nemcsak a motor fordulatszámának és irányának megváltoztatását teszik lehetővé, hanem igény szerint sima vagy éles indítást, maximális áramkorlátozást, "fék" funkciót és számos egyéb finom motorbeállítást is biztosítanak az igényeknek megfelelően. modellező. A szabályozó programozásához eszközöket használnak a számítógéphez történő csatlakoztatáshoz, vagy terepen ez adó és speciális jumper segítségével történhet.
Nagyon sok kefe nélküli motort és szabályozót gyártanak hozzájuk. A kefe nélküli motorok kialakítása és mérete is nagyon eltérő. Ezenkívül az utóbbi években meglehetősen általánossá vált a kefe nélküli motorok saját gyártása CD-meghajtók és egyéb ipari kefe nélküli motorok alkatrészei alapján. Talán emiatt a mai kefe nélküli motorok még csak hozzávetőleges általános besorolással sem rendelkeznek, mint a kefés társaiké. Foglaljuk össze röviden. Manapság a kefés motorokat többnyire olcsó hobbi modelleken, vagy belépő szintű sportmodelleken használják. Ezek a motorok olcsók, könnyen kezelhetők, és még mindig a modell legelterjedtebb villanymotor-típusát alkotják. Ezeket kefe nélküli motorokra cserélik. Az egyetlen visszatartó tényező továbbra is az ára. A kormányzóval együtt egy kefe nélküli motor 30-70%-kal többe kerül. Az elektronikai cikkek és a motorok árai azonban esnek, és csak idő kérdése, hogy a kollektormotorok fokozatosan kiszoruljanak a modelliparból.
AVR492: Kefe nélküli egyenáramú motorvezérlés AT90PWM3-mal
Megkülönböztető tulajdonságok:
- Általános információk a BLDC motorról
- Teljesítményvezérlőt használ
- Hardveres megvalósítás
- Minta programkód
Bevezetés
Ez az alkalmazási megjegyzés leírja, hogyan kell megvalósítani egy kefe nélküli egyenáramú motorvezérlőt (BLDC motor) az AT90PWM3 AVR mikrokontrolleren alapuló helyzetérzékelők használatával.
A nagy teljesítményű AVR mikrokontroller mag, amely a teljesítményfokozat vezérlőt tartalmazza, lehetővé teszi egy nagy sebességű kefe nélküli egyenáramú motorvezérlő eszköz megvalósítását.
Ez a dokumentum röviden leírja a kefe nélküli egyenáramú motor működési elvét, és részletezi a BLDC motor érintéses üzemmódjának vezérlését, valamint leírja az ATAVRMC100 referenciakonstrukció sematikus diagramját, amelyen ez az alkalmazási megjegyzés alapul.
Szintén szóba kerül a PID-szabályozón alapuló, szoftveresen megvalósított vezérlőhurokkal rendelkező szoftveres megvalósítás. A kapcsolási folyamat szabályozásához feltételezzük, hogy csak a Hall-effektuson alapuló helyzetérzékelőket használnak.
Működési elve
A BLDC motorok felhasználási területei folyamatosan bővülnek, ami számos előnnyel jár:
- Elosztószerelvény hiánya, ami leegyszerűsíti vagy akár ki is küszöböli a karbantartást.
- Alacsonyabb szintű akusztikus és elektromos zajt generál, mint az általános célú kefés egyenáramú motorok.
- Veszélyes környezetben való munkavégzés képessége (gyúlékony termékekkel).
- Jó súly- és méretarányú jellemzők és teljesítmény...
Az ilyen típusú motorokat a forgórész kis tehetetlensége jellemzi, mert a tekercsek az állórészen találhatók. A kommutáció elektronikus vezérlésű. A kapcsolási nyomatékokat vagy a helyzetérzékelőktől származó információ, vagy a tekercsek által generált hátsó emf mérése határozza meg.
Érzékelőkkel történő vezérlés esetén a BLDC motor 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, hogy csökkentsék a nyomaték hullámzását.
Az 1. ábra az elektromos állórész egyenértékű áramkörét mutatja. Három tekercsből áll, amelyek mindegyike három sorba kapcsolt elemet tartalmaz: induktivitás, ellenállás és fordított emf.
1. ábra Az állórész egyenértékének elektromos áramköre (három fázis, három tekercs)
A BLDC motor forgórésze páros számú állandó mágnesből áll. A rotor mágneses pólusainak száma is befolyásolja a menetemelkedést és a nyomaték hullámzását. Minél nagyobb a pólusok száma, annál kisebb a forgásszög és annál kisebb a nyomaték hullámzása. 1..5 póluspárú állandó mágnesek használhatók. Egyes esetekben a póluspárok száma 8-ra nő (2. ábra).
2. ábra Háromfázisú, három tekercses BLDC motor állórésze és forgórésze
A tekercsek állandóan fel vannak szerelve, és a mágnes forog. A BLDC motor forgórészét a hagyományos univerzális egyenáramú motor rotorjához képest kisebb súly jellemzi, amelyben a tekercsek a forgórészen találhatók.
Hall érzékelő
A motorházba három Hall érzékelő van beépítve, amelyek a rotor helyzetét értékelik. Az érzékelők egymáshoz képest 120°-os szögben vannak felszerelve. Ezen érzékelők segítségével 6 különböző kapcsolást lehet végrehajtani.
A fázisváltás a Hall érzékelők állapotától függ.
A tekercsek tápfeszültsége a Hall érzékelők kimeneti állapotának megváltoztatása után megváltozik. Ha a szinkronizált kommutációt megfelelően hajtják végre, a nyomaték megközelítőleg állandó és magas marad.
3. ábra Hall-érzékelők jelei forgás közben
Fázisváltás
A háromfázisú BLDC motor működésének egyszerűsített leírása érdekében csak a három tekercses változatát vesszük figyelembe. Amint korábban bemutattuk, a fázisváltás a Hall érzékelők kimeneti értékétől függ. Ha a feszültséget megfelelően kapcsolják a motor tekercseire, mágneses mező jön létre, és megindul a forgás. A BLDC motorok vezérlésére használt leggyakoribb és legegyszerűbb kapcsolási vezérlési módszer egy be-ki áramkör, ahol a tekercs vagy vezető, vagy nem. Egyszerre csak két tekercs feszültség alá helyezhető, a harmadik pedig kikapcsolt marad. A tekercseknek a tápsínekhez való csatlakoztatása elektromos áramot eredményez. Ezt a módszert trapézkapcsolásnak vagy blokkkapcsolásnak nevezik.
A BLDC motor vezérléséhez teljesítményfokozatot használnak, amely 3 félhídból áll. A teljesítményfokozat diagramja a 4. ábrán látható.
4. ábra Teljesítményfokozat
A Hall érzékelők leolvasott értékei alapján meghatározzák, hogy mely kulcsokat 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 ez a cikk érdekesnek tűnik az Ön számára, külön, részletesebben elmondjuk Önnek munkánk azon szakaszait, amelyek leginkább érdeklik Önt.
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, valamint a fordulatszám-szabályozás pontossága figyelhető meg.Ma a modern elektronika fejlődésének és a ritkaföldfém alapú erős mágnesek megjelenésének köszönhetően nagyobb teljesítményű, ugyanakkor kompakt és könnyű "kefe nélküli" villanymotorokat lehet létrehozni. Ugyanakkor tervezésük egyszerűsége miatt a valaha készült legmegbízhatóbb villanymotorok. Egy ilyen motor létrehozását ebben a cikkben tárgyaljuk.
Motor leírása
A "kefe nélküli motorokban" nincs olyan "kefe" elem, amely mindenki számára ismerős egy elektromos szerszám szétszereléséből, amelynek feladata az áram átvitele a forgó rotor tekercsére. A kefe nélküli motorokban egy nem mozgó állórész tekercsébe áramlik az áram, amely az egyes pólusainál felváltva mágneses teret hoz létre, és forgatja a forgórészt, amelyen a mágnesek rögzítve vannak.Az első ilyen motort kísérletképpen mi nyomtattuk ki 3D-ben. Az elektromos acélból készült speciális lemezek helyett hagyományos műanyagot használtunk a rotorházhoz és az állórész maghoz, amelyre a réz tekercset feltekerték. A rotorra négyszög keresztmetszetű neodímium mágnesek kerültek rögzítésre. Természetesen egy ilyen motor nem volt képes maximális teljesítmény leadására. Ez azonban elég volt ahhoz, hogy a motor 20 ezres fordulatszámig pörögjön, ami után a műanyag nem bírta, és a motor forgórésze szétrepedt, a mágnesek pedig szétszóródtak. Ez a kísérlet késztetett bennünket egy teljes értékű motor létrehozására.
Az első néhány prototípus
A rádióvezérlésű modellek kedvelőinek véleményének megismerése után feladatként az „540-es” szabvány méretű versenyautók motorját választottuk a legkeresettebbnek. Ennek a motornak a mérete 54 mm hosszú és 36 mm átmérőjű.
Az új motor forgórészét egyetlen neodímium mágnesből készítettük henger alakúra. Egy próbagyártás során szerszámacélból megmunkált tengelyre epoxi mágnest ragasztottak.
Az állórészt lézerrel vágjuk le egy 0,5 mm vastag transzformátor acéllemezből. Ezután minden lemezt gondosan lelakkoztunk, majd körülbelül 50 lemezből ragasztottuk a kész állórészt. A lemezeket lakkal borították, hogy elkerüljék a köztük lévő rövidzárlatot, és kizárják a Foucault-áramok miatti energiaveszteséget, amely az állórészben keletkezhet.
A motorház két konténer alakú alumínium alkatrészből készült. Az állórész szorosan illeszkedik az alumínium házba, és jól tapad a falakhoz. Ez a kialakítás jó hűtést biztosít a motor számára.
Jellemzők mérése
Tervei teljesítményének maximalizálása érdekében megfelelően ki kell értékelnie és pontosan mérnie kell a teljesítményt. Ehhez egy speciális dinót terveztünk és szereltünk össze.
Az állvány fő eleme egy nagy terhelés alátét formájában. A mérés során a motor az adott terhelésen pörög, és a szögsebességből és gyorsulásból számítják ki a motor kimenő teljesítményét és nyomatékát.
A terhelés forgási sebességének mérésére a tengelyen lévő mágnespár és a hall-effektuson alapuló A3144 digitális mágneses érzékelő szolgál. Természetesen a fordulatszámok mérése közvetlenül a motor tekercséből érkező impulzusokkal is lehetséges, mivel ez a motor szinkron. A szenzoros változat azonban megbízhatóbb, és még nagyon alacsony fordulatszámon is működik, amelynél az impulzusok olvashatatlanok lesznek.
Állványunk a fordulatszámon kívül több 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 / kívül. A hőmérséklet mérése félvezető termisztorral történik;
Ennek eredményeként tesztpadunk bármikor képes mérni a következő motorjellemzőket:
- fogyasztott áram;
- fogyasztott feszültség;
- energiafogyasztás;
- kimeneti teljesítmény;
- tengelyfordulatok;
- pillanat a tengelyen;
- az energia hőbe kerül;
- hőmérséklet a motor belsejében.
Vizsgálati eredmények
Az állvány teljesítményének tesztelésére először egy hagyományos R540-6022 kollektormotoron teszteltük. Ennek a motornak a paramétereiről keveset tudni, de ez elég volt a mérési eredmények értékeléséhez, amelyek elég közel állnak a gyárihoz.Aztán tesztelték a motorunkat. Természetesen jobb hatékonyságot (65% versus 45%) és ugyanakkor nagyobb nyomatékot (1200 versus 250 g/cm) tudott felmutatni, mint egy hagyományos motor. A hőmérsékletmérés is elég jó eredményt hozott, a tesztelés során a motor nem melegedett 80 fok fölé.
Jelenleg azonban a mérések még nem véglegesek. Nem tudtuk megmérni a motort a teljes fordulatszám tartományban az áramellátás korlátozása miatt. Össze kell hasonlítanunk a motorunkat a hasonló versenytársak motorjaival, és „csatában” kell tesztelnünk, rádióvezérlésű versenyautóra téve, és versenyezni.
Közzétéve: 2013.03.19
Ezzel a cikkel a kefe nélküli egyenáramú motorokról szóló publikációk sorozatát indítom el. Hozzáférhető nyelven leírom az általános információkat, a készüléket, a kefe nélküli motor vezérlési algoritmusait. Különböző típusú motorokat fogunk figyelembe venni, példákat adunk a vezérlőparaméterek kiválasztására. Leírom a szabályozó készülékét és algoritmusát, a tápkapcsolók kiválasztásának módját és a szabályozó főbb paramétereit. A publikációk logikus következtetése egy szabályozó diagram lesz.
A kefe nélküli motorok széles körben elterjedtek az elektronika fejlődése és különösen az olcsó teljesítménytranzisztoros kapcsolók megjelenése miatt. Az erős neodímium mágnesek megjelenése is fontos szerepet játszott.
A kefe nélküli motor azonban nem tekinthető újdonságnak. A kefe nélküli motor ötlete az elektromosság korai napjaira nyúlik vissza. De a technológia elérhetetlensége miatt 1962-ig várt, 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!
Egy kis terminológia
A kefe nélküli egyenáramú motorokat szelepmotoroknak is nevezik, a külföldi szakirodalomban BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) vagy PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) néven.
Szerkezetileg a kefe nélküli motor egy állandó mágneses forgórészből és egy tekercsekkel ellátott állórészből áll. Felhívom a figyelmet arra, hogy a kollektoros motorban a tekercsek a forgórészen vannak. Ezért tovább a szövegben a forgórész a mágnesek, az állórész a tekercsek.
A motor szabályozására elektronikus szabályozót használnak. A külföldi szakirodalomban Speed Controller vagy ESC (Elektronikus sebességszabályozás).
Mi az a kefe nélküli motor?
Általában az emberek, ha valami újjal szembesülnek, analógiákat keresnek. Néha hallani kell a „hát, ez olyan, mint egy szinkron”, vagy ami még rosszabb, „úgy néz ki, mint egy lépés”. Mivel a legtöbb szénkefe nélküli motor háromfázisú, ez még zavaróbb, ami ahhoz a tévhithez vezet, hogy a szabályozó háromfázisú váltakozó árammal táplálja a motort. A fentiek mindegyike csak részben igaz. Az a tény, hogy az aszinkronok kivételével minden motort szinkronnak lehet nevezni. Minden egyenáramú motor önszinkronizáló szinkronmotor, de működési elve eltér az AC szinkronmotorokétól, amelyek nem önszinkronizálnak. Kefe nélküli léptetőmotorként valószínűleg ez is működni fog. De itt van a lényeg: egy tégla, az is tud repülni... bár nem messze, mert nem erre való. A kefe nélküli sugárhajtómű alkalmasabb léptetőmotornak.
Próbáljuk kitalálni, mi az a Brushles egyenáramú motor. Ebben a kifejezésben a válasz már benne van - ez egy DC motor kollektor nélkül. A kollektor funkciókat elektronika látja el.
Előnyök és hátrányok
Egy meglehetősen bonyolult, nehéz és szikrázó szerelvény - a kollektor - kikerült a motor kialakításából. A motor kialakítása jelentősen leegyszerűsödik. A motor könnyebb és kompaktabb. A kapcsolási veszteségek jelentősen csökkennek, mivel a kollektor és a kefe érintkezőit elektronikus kulcsok helyettesítik. Ennek eredményeként a legjobb hatásfokkal és saját tömeg kilogrammonkénti teljesítménnyel rendelkező villanymotort kapunk, a legnagyobb fordulatszám-ingadozással. A gyakorlatban a kefe nélküli motorok hűvösebben működnek, mint kefés társai. Nagy nyomatékterhelést hordoznak. Az erős neodímium mágnesek használata még kompaktabbá tette a kefe nélküli motorokat. A kefe nélküli motor kialakítása lehetővé teszi, hogy vízben és korrozív környezetben is üzemeltethető (természetesen csak a motor, a szabályozót nagyon drága lesz nedvesíteni). A kefe nélküli motorok gyakorlatilag nem okoznak rádióinterferenciát.
Az egyetlen hátránya a bonyolult és drága elektronikus vezérlőegység (szabályozó vagy ESC). Ha azonban szabályozni akarjuk a motor fordulatszámát, az elektronika nélkül nem megy. Ha nem kell szabályozni 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 kommutátor motor működését. Az iskolai fizika tantárgyból arra emlékszünk, hogyan hat a mágneses tér egy keretre árammal. Az árammal rendelkező keret mágneses térben forog. Ráadásul nem állandóan forog, hanem egy bizonyos pozícióba forog. A folyamatos forgás érdekében a keret helyzetétől függően váltani kell az áram irányát a keretben. Esetünkben az árammal rendelkező keret a motor tekercselése, és a kommutátor kapcsolásban vesz részt - egy kefével és érintkezőkkel ellátott eszköz. A legegyszerűbb motor eszköze, lásd az ábrát.
Ugyanezt teszi a kefe nélküli motort vezérlő elektronika is - a megfelelő pillanatokban állandó feszültséget köt a szükséges állórész tekercsekre.
Helyzetérzékelők, motorok érzékelők nélkül
A fentiek alapján fontos megérteni, hogy a forgórész helyzetétől függően feszültséget kell adni a motor tekercseire. Ezért az elektronikának meg kell tudnia határozni a motor forgórészének helyzetét. . Ehhez helyzetérzékelőket használnak. Különféle típusúak lehetnek, optikai, mágneses stb. Jelenleg nagyon elterjedtek a diszkrét Hall-effektus érzékelők (pl. SS41). A 3 fázisú kefe nélküli motor 3 érzékelőt használ. Az ilyen érzékelőknek köszönhetően az elektronikus vezérlőegység mindig tudja, hogy a forgórész milyen helyzetben van, és adott időpontban melyik tekercsekre kell feszültséget adni. Később megvizsgáljuk a háromfázisú kefe nélküli motor vezérlési algoritmusát.
Vannak kefe nélküli motorok, amelyek nem rendelkeznek érzékelőkkel. Az ilyen motorokban a forgórész helyzetét a nem használt tekercselés feszültségének adott időpontban történő mérésével határozzák meg. Ezekről a módszerekről szintén később lesz szó. Figyelni kell egy lényeges 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, és milyen érzékelő nélküli motorokat? mi a különbség köztük?
Az enkóderrel ellátott motorok műszakilag előnyösebbek. Az ilyen motorok vezérlési algoritmusa sokkal egyszerűbb. Vannak azonban hátrányai is: biztosítani kell az érzékelők áramellátását, valamint a motorban lévő érzékelőktől a vezérlőelektronikáig vezető vezetékeket; az egyik érzékelő meghibásodása esetén 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 érzékelős motoroktól. De az elektronikus egységnek képesnek kell lennie a motor érzékelők nélküli vezérlésére. Ebben az esetben a vezérlőegységnek meg kell felelnie egy adott motormodell jellemzőinek.
Ha a motornak jelentős terhelés mellett kell elindulnia a motortengelyen (elektromos járművek, emelőszerkezetek stb.), érzékelőkkel ellátott motorokat kell használni.
Ha a motor tengelyterhelés 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 a motor érzékelők nélküli indításakor a motor tengelyének különböző irányú forgási oszcillációi lehetségesek. Ha ez kritikus a rendszere szempontjából, használjon érzékelőkkel ellátott motort.
Három fázis
A háromfázisú kefe nélküli motorok váltak a legelterjedtebbekké. 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 hatékonyság/bonyolultság arányát tekintve, ezért is terjedt el annyira. Ezenkívül csak a háromfázisú sémát tekintjük a leggyakoribbnak. Valójában a fázisok a motor tekercsei. Ezért ha azt mondod, hogy "három tekercselés", szerintem az is helyes lesz. A három tekercs csillag vagy delta kapcsolású. A háromfázisú kefe nélküli motornak három vezetéke van - tekercselő vezetékek, lásd az ábrát.
Az enkóderrel ellátott motorok további 5 vezetékkel rendelkeznek (2 helyzetérzékelő táplálása és 3 jel az érzékelőktől).
Háromfázisú rendszerben a három tekercs közül kettőre egy adott időpontban feszültséget kapcsolnak. Így 6 lehetőség van a motor tekercseinek egyenfeszültség ellátására, az alábbi ábrán látható módon.
