Il funzionamento di un motore elettrico senza spazzole si basa su azionamenti elettrici che creano un campo magnetico rotante. Attualmente esistono diversi tipi di dispositivi con caratteristiche diverse. Con lo sviluppo delle tecnologie e l'utilizzo di nuovi materiali, caratterizzati da un'elevata forza coercitiva e da un sufficiente livello di saturazione magnetica, è stato possibile ottenere un forte campo magnetico e, di conseguenza, strutture valvolari di nuovo tipo, in cui non c'è avvolgimento sugli elementi del rotore o sullo starter. L'uso diffuso di interruttori del tipo a semiconduttore con potenza elevata e costo ragionevole ha accelerato la creazione di tali progetti, facilitato l'esecuzione ed eliminato molte difficoltà di commutazione.

Principio di funzionamento

L'aumento dell'affidabilità, la riduzione dei costi e una produzione più semplice sono garantiti dall'assenza di elementi di commutazione meccanici, avvolgimenti del rotore e magneti permanenti. Allo stesso tempo, è possibile un aumento dell'efficienza grazie alla diminuzione delle perdite per attrito nel sistema di collettori. Il motore brushless può funzionare a corrente alternata o continua. Quest'ultima opzione ha una notevole somiglianza con la sua caratteristica è la formazione di un campo magnetico rotante e l'uso di una corrente pulsata. Si basa su un interruttore elettronico, che aumenta la complessità del design.

Calcolo della posizione

La generazione di impulsi avviene nel sistema di controllo dopo un segnale che riflette la posizione del rotore. Il grado di tensione e alimentazione dipende direttamente dalla velocità di rotazione del motore. Un sensore nello starter rileva la posizione del rotore e fornisce un segnale elettrico. Insieme ai poli magnetici che passano vicino al sensore, l'ampiezza del segnale cambia. Esistono anche tecniche di posizionamento senza sensori, inclusi percorsi di corrente e trasduttori. Il PWM sui terminali di ingresso fornisce il mantenimento del livello di tensione variabile e il controllo dell'alimentazione.

Per un rotore con magneti permanenti, l'alimentazione di corrente non è necessaria, per cui non ci sono perdite nell'avvolgimento del rotore. Il motore dell'avvitatore brushless è caratterizzato da una bassa inerzia dovuta all'assenza di avvolgimenti e di un commutatore meccanizzato. Pertanto, è diventato possibile utilizzare ad alta velocità senza scintille e rumore elettromagnetico. Correnti elevate e una più facile dissipazione del calore si ottengono posizionando i circuiti di riscaldamento sullo statore. Da segnalare anche la presenza di un'unità elettronica integrata su alcuni modelli.

Elementi magnetici

La posizione dei magneti può variare in funzione della taglia del motore, ad esempio sui poli o intorno all'intero rotore. La creazione di magneti di alta qualità con maggiore potenza è possibile attraverso l'uso del neodimio in combinazione con boro e ferro. Nonostante le elevate prestazioni, il motore brushless per avvitatori a magneti permanenti presenta alcuni svantaggi, tra cui la perdita delle caratteristiche magnetiche alle alte temperature. Ma sono più efficienti e non hanno perdite rispetto alle macchine che hanno avvolgimenti nel loro design.

Gli impulsi dell'inverter determinano il meccanismo. Con una frequenza di alimentazione costante, il motore funziona a velocità costante in un anello aperto. Di conseguenza, la velocità di rotazione varia a seconda del livello della frequenza di alimentazione.

Caratteristiche

Funziona in modalità impostate e ha la funzionalità di un pennello analogico, la cui velocità dipende dalla tensione applicata. Il meccanismo ha molti vantaggi:

nessun cambiamento nella magnetizzazione e nella dispersione di corrente;
rispetto della velocità di rotazione e della coppia stessa;
la velocità non si limita a influenzare il collettore e l'avvolgimento elettrico rotante;
non è necessario un interruttore e un avvolgimento di eccitazione;
i magneti utilizzati sono leggeri e di dimensioni compatte;
elevato momento di forza;
saturazione ed efficienza energetica.

Utilizzo

La corrente continua con magneti permanenti si trova principalmente nei dispositivi con una potenza entro i 5 kW. In apparecchiature più potenti, il loro uso è irrazionale. Vale anche la pena notare che i magneti in questo tipo di motori sono particolarmente sensibili alle alte temperature e ai forti campi. Le opzioni di induzione e pennello sono prive di tali svantaggi. I motori vengono utilizzati attivamente nelle trasmissioni automobilistiche a causa dell'assenza di attrito nel collettore. Tra le caratteristiche, è necessario evidenziare l'uniformità di coppia e corrente, che garantisce la riduzione del rumore acustico.

Motori senza spazzole

I motori elettrici brushless sono entrati nella modellazione relativamente di recente, negli ultimi 5-7 anni. A differenza dei motori a collettore, sono alimentati da corrente alternata trifase. I motori brushless funzionano in modo efficiente su una gamma di giri più ampia e sono più efficienti. Il design del motore è più semplice, non ha un gruppo spazzole e non necessita di manutenzione. Possiamo dire che i motori brushless praticamente non si consumano. Il costo dei motori brushless è leggermente superiore a quello dei motori a spazzole. Questo perché tutti i motori brushless hanno cuscinetti e sono generalmente di qualità superiore. Tuttavia, il divario di prezzo tra un buon motore con spazzole e un motore senza spazzole di una classe simile non è così grande.

In base alla progettazione, i motori brushless sono divisi in due gruppi: inrunner (pronunciato "inrunner") e outrunner (pronunciato "outrunner"). I motori del primo gruppo hanno avvolgimenti situati sulla superficie interna dell'alloggiamento e un rotore magnetico che ruota all'interno. I motori del secondo gruppo - "outrunners", hanno avvolgimenti fissi all'interno del motore, attorno ai quali ruota l'alloggiamento con magneti permanenti posti sulla sua parete interna. Il numero di poli magnetici utilizzati nei motori brushless può variare. Dal numero di poli, puoi giudicare la coppia e la velocità del motore. I motori con rotore a due poli hanno la massima velocità di rotazione con la coppia più bassa. Questi motori possono essere solo "inrunner" per progettazione. Tali motori sono spesso venduti con riduttori epicicloidali già montati su di essi, in quanto i loro giri sono troppo elevati per la rotazione diretta dell'elica. A volte tali motori vengono utilizzati senza cambio, ad esempio vengono montati su aeromodelli da corsa. I motori con un numero elevato di poli hanno una velocità di rotazione inferiore, ma una coppia maggiore. Tali motori consentono l'utilizzo di eliche di grande diametro, senza la necessità di riduttori. In generale, le eliche di grande diametro con passo piccolo a un numero di giri relativamente basso forniscono una maggiore spinta ma danno al modello una bassa velocità, mentre le eliche di piccolo diametro con un passo grande a un numero di giri elevato forniscono un'alta velocità a una spinta relativamente bassa. Pertanto, i motori multipolari sono ideali per i modelli che richiedono un elevato rapporto spinta/peso, mentre i motori bipolari senza riduttore sono ideali per i modelli ad alta velocità. Per una selezione più accurata del motore e dell'elica per un particolare modello, è possibile utilizzare lo speciale programma MotoCalc.

Poiché i motori brushless sono alimentati a corrente alternata, per funzionare necessitano di uno speciale controller (regolatore), che converte la corrente continua delle batterie in corrente alternata. L'ESC per motori brushless è un dispositivo programmabile che permette di controllare tutti i parametri vitali del motore. Consentono non solo di modificare la velocità e la direzione del motore, ma anche di fornire, a seconda delle necessità, un avvio dolce o brusco, un limite massimo di corrente, una funzione "freno" e una serie di altre impostazioni del motore per il esigenze del modellista. Per programmare il regolatore si utilizzano dei dispositivi che lo collegano ad un computer, oppure in campo si può fare utilizzando un trasmettitore ed un apposito ponticello.

Ci sono molti produttori di motori e regolatori brushless per loro. Strutturalmente e dimensioni, anche i motori brushless variano notevolmente. Inoltre, l'autoproduzione di motori brushless basati su parti di unità CD e altri motori brushless industriali è diventata piuttosto comune negli ultimi tempi. Forse è per questo motivo che i motori brushless oggi non hanno nemmeno una classificazione generale così approssimativa come le loro controparti da collezione. Riassumiamo brevemente. Oggi i motori a spazzole vengono utilizzati principalmente su modelli per hobby a basso costo o modelli sportivi entry-level. Questi motori sono economici, facili da usare e sono ancora il tipo più popolare di motori elettrici modello. Vengono sostituiti da motori brushless. L'unico fattore limitante finora è il loro prezzo. Insieme al regolatore, un motore brushless costa il 30-70% in più. Tuttavia, i prezzi dell'elettronica e dei motori stanno diminuendo e il graduale spostamento dei motori elettrici dei collettori dalla modellazione è solo una questione di tempo.

AVR492: Controllo motore CC senza spazzole AT90PWM3

Caratteristiche distintive:

Informazioni generali su BKEPT
Utilizza il controller dello stadio di potenza
Implementazione hardware
Esempio di codice di programma

introduzione

Questa nota applicativa descrive come implementare un controllo motore CC senza spazzole (BCEM) utilizzando encoder basati sul microcontrollore AVR AT90PWM3.

Il nucleo AVR ad alte prestazioni del microcontrollore, che contiene il controller dello stadio di potenza, consente di implementare un dispositivo di controllo del motore CC senza spazzole ad alta velocità.

Questo documento descrive brevemente il principio di funzionamento di un motore CC senza spazzole, discute in dettaglio il controllo dell'UCSF in modalità touch e descrive lo schema elettrico del progetto di riferimento ATAVRMC100 su cui si basa questa raccomandazione applicativa.

Viene anche discussa un'implementazione software con un loop di controllo implementato da software basato su un controller PID. Per controllare il processo di commutazione, è implicito utilizzare solo sensori di posizione basati sull'effetto Hall.

Principio operativo

Le aree di applicazione di BKEPT sono in costante aumento, grazie a una serie di vantaggi:

L'assenza di un gruppo collettore, che semplifica o addirittura elimina la manutenzione.
Generazione di livelli di rumorosità acustica ed elettrica inferiori rispetto ai motori a collettore DC universali.
Capacità di lavorare in ambienti pericolosi (con prodotti infiammabili).
Buon equilibrio tra peso e potenza...

I motori di questo tipo sono caratterizzati da una piccola inerzia del rotore, tk. gli avvolgimenti si trovano sullo statore. La commutazione è controllata elettronicamente. I momenti di commutazione sono determinati dalle informazioni provenienti dai sensori di posizione o misurando la forza controelettromotrice generata dagli avvolgimenti.

Se controllato mediante sensori, il BKEPT è costituito, di norma, da tre parti principali: lo statore, il rotore e i sensori Hall.

Lo statore di un classico BKEPT trifase contiene tre avvolgimenti. In molti motori, gli avvolgimenti sono divisi in più sezioni per ridurre il ripple di coppia.

La Figura 1 mostra il circuito elettrico equivalente dello statore. Consiste di tre avvolgimenti, ognuno dei quali contiene tre elementi collegati in serie: induttanza, resistenza e forza controelettromotrice.

Figura 1. Circuito equivalente dello statore elettrico (tre fasi, tre avvolgimenti)

Il rotore BKEPT è costituito da un numero pari di magneti permanenti. Anche il numero di poli magnetici nel rotore influisce sulla dimensione del passo e sull'ondulazione della coppia. Maggiore è il numero di poli, minore è la dimensione del passo di rotazione e minore è l'ondulazione di coppia. Possono essere utilizzati magneti permanenti con 1..5 coppie di poli. In alcuni casi, il numero di coppie polari sale a 8 (Figura 2).

Figura 2. Statore e rotore di un BKEPT trifase a tre avvolgimenti

Gli avvolgimenti sono installati in modo permanente e il magnete ruota. Il rotore BKEPT è caratterizzato da un peso più leggero rispetto al rotore di un motore CC universale convenzionale, in cui gli avvolgimenti si trovano sul rotore.

Sensore Hall

Per valutare la posizione del rotore, tre sensori Hall sono integrati nell'alloggiamento del motore. I sensori sono installati con un angolo di 120° l'uno rispetto all'altro. Con l'ausilio di questi sensori è possibile effettuare 6 diverse commutazioni.

La commutazione di fase dipende dallo stato dei sensori Hall.

La tensione di alimentazione agli avvolgimenti cambia dopo aver modificato gli stati di uscita dei sensori Hall. Quando la commutazione sincronizzata viene eseguita correttamente, la coppia rimane approssimativamente costante e alta.

Figura 3. Segnali del sensore Hall durante la rotazione

Cambio di fase

Ai fini di una descrizione semplificata del funzionamento di un BKEPT trifase, considereremo solo la sua versione con tre avvolgimenti. Come mostrato in precedenza, la commutazione di fase dipende dai valori di uscita dei sensori Hall. Con la tensione corretta applicata agli avvolgimenti del motore, viene creato un campo magnetico e viene avviata la rotazione. Il metodo di controllo della commutazione più comune e semplice utilizzato per controllare il BKEPT è un circuito on-off, quando l'avvolgimento conduce corrente oppure no. Contemporaneamente possono essere alimentati solo due avvolgimenti e il terzo rimane spento. Il collegamento degli avvolgimenti ai binari di alimentazione provoca il flusso di corrente elettrica. Questo metodo è chiamato commutazione trapezoidale o commutazione a blocchi.

Per controllare il BKEPT viene utilizzato uno stadio di potenza composto da 3 semiponti. Il diagramma dello stadio di potenza è mostrato in Figura 4.

Figura 4. Stadio di potenza

In base ai valori letti dai sensori Hall, viene determinato quali chiavi devono essere chiuse.

Pubblicato il 11.04.2013

Dispositivo condiviso (Inrunner, Outrunner)

Un motore CC senza spazzole è costituito da un rotore con magneti permanenti e uno statore con avvolgimenti. Esistono due tipi di motori: Inrunner, in cui i magneti del rotore sono all'interno dello statore con avvolgimenti, e Fuoriclasse, in cui i magneti si trovano all'esterno e ruotano attorno a uno statore fisso con avvolgimenti.

schema Inrunner solitamente utilizzato per motori ad alta velocità con un numero ridotto di poli. Fuoriclasse se necessario, procurarsi un motore a coppia elevata con velocità relativamente basse. Strutturalmente, gli Inrunner sono più semplici grazie al fatto che lo statore fisso può fungere da alloggiamento. I dispositivi di montaggio possono essere montati su di esso. Nel caso di Outrunners, l'intera parte esterna ruota. Il motore è fissato da un asse fisso o parti dello statore. Nel caso di una motoruota, il fissaggio viene effettuato per l'asse fisso dello statore, i fili vengono portati allo statore attraverso l'asse cavo.

magneti e poli

Il numero di poli sul rotore è pari. La forma dei magneti utilizzati è generalmente rettangolare. I magneti cilindrici sono usati meno spesso. Sono installati con pali alternati.

Il numero di magneti non sempre corrisponde al numero di poli. Diversi magneti possono formare un polo:

In questo caso, 8 magneti formano 4 poli. La dimensione dei magneti dipende dalla geometria del motore e dalle caratteristiche del motore. Più forti sono i magneti utilizzati, maggiore è il momento di forza sviluppato dal motore sull'albero.

I magneti sul rotore sono fissati con uno speciale adesivo. Meno comuni sono i modelli con un supporto magnetico. Il materiale del rotore può essere magneticamente conduttivo (acciaio), non magneticamente conduttivo (leghe di alluminio, plastica, ecc.), combinato.

Avvolgimenti e denti

L'avvolgimento di un motore brushless trifase viene effettuato con un filo di rame. Il filo può essere unipolare o essere costituito da più nuclei isolati. Lo statore è costituito da diversi fogli di acciaio magneticamente conduttivo piegati insieme.

Il numero di denti dello statore deve essere diviso per il numero di fasi. quelli. per un motore brushless trifase, il numero di denti dello statore deve essere divisibile per 3. Il numero di denti dello statore può essere maggiore o minore del numero di poli sul rotore. Ad esempio, ci sono motori con schemi: 9 denti / 12 magneti; 51 denti / 46 magneti.

Un motore con uno statore a 3 denti viene utilizzato molto raramente. Poiché solo due fasi funzionano in qualsiasi momento (quando accese da una stella), le forze magnetiche agiscono sul rotore in modo non uniforme attorno all'intera circonferenza (vedi Fig.).

Le forze che agiscono sul rotore cercano di deformarlo, il che porta ad un aumento delle vibrazioni. Per eliminare questo effetto, lo statore è realizzato con un numero elevato di denti e l'avvolgimento è distribuito sui denti dell'intera circonferenza dello statore nel modo più uniforme possibile.

In questo caso le forze magnetiche che agiscono sul rotore si annullano a vicenda. Non c'è squilibrio.

Opzioni per la distribuzione degli avvolgimenti di fase per denti dello statore

Opzione di avvolgimento per 9 denti

Opzione di avvolgimento per 12 denti

Nei diagrammi sopra, il numero di denti è scelto in modo tale che esso divisibile non solo per 3. Ad esempio, quando 36 denti contabilizzati 12 denti per fase. 12 denti possono essere distribuiti come segue:

Lo schema più preferito è 6 gruppi di 2 denti.

Esiste motore con 51 denti sullo statore! 17 denti per fase. 17 è un numero primo, è divisibile solo per 1 e per se stesso. Come distribuire l'avvolgimento sui denti? Purtroppo, non sono riuscito a trovare esempi e tecniche in letteratura che aiuterebbero a risolvere questo problema. Si è scoperto che l'avvolgimento era distribuito come segue:

Considera un vero circuito di avvolgimento.

Si prega di notare che l'avvolgimento ha diverse direzioni di avvolgimento su denti diversi. Diverse direzioni di avvolgimento sono indicate da lettere maiuscole e maiuscole. I dettagli sulla progettazione degli avvolgimenti sono disponibili nella letteratura offerta alla fine dell'articolo.

L'avvolgimento classico viene eseguito con un filo per una fase. Quelli. tutti gli avvolgimenti sui denti di una fase sono collegati in serie.

Gli avvolgimenti dei denti possono anche essere collegati in parallelo.

Possono esserci anche inclusioni combinate

La connessione parallela e combinata consente di ridurre l'induttanza dell'avvolgimento, che porta ad un aumento della corrente dello statore (quindi della potenza) e della velocità del motore.

Fatturati elettrici e reali

Se il rotore del motore ha due poli, quindi con un giro completo del campo magnetico sullo statore, il rotore compie un giro completo. Con 4 poli, sono necessari due giri del campo magnetico sullo statore per far compiere all'albero motore un giro completo. Maggiore è il numero di poli del rotore, più giri elettrici sono necessari per far ruotare l'albero motore di un giro. Ad esempio, abbiamo 42 magneti sul rotore. Per far compiere al rotore un giro sono necessari 42/2 = 21 giri elettrici. Questa proprietà può essere utilizzata come una sorta di riduttore. Selezionando il numero di poli richiesto, è possibile ottenere un motore con le caratteristiche di velocità desiderate. Inoltre, la comprensione di questo processo sarà necessaria per noi in futuro, quando si scelgono i parametri del controller.

Sensori di posizione

Il design dei motori senza sensori differisce dai motori con sensori solo in assenza di questi ultimi. Non ci sono altre differenze fondamentali. I più comuni sensori di posizione basati sull'effetto Hall. I sensori rispondono a un campo magnetico, di solito sono posizionati sullo statore in modo tale da essere influenzati dai magneti del rotore. L'angolo tra i sensori deve essere di 120 gradi.

Significa gradi "elettrici". Quelli. per un motore multipolare la disposizione fisica dei sensori potrebbe essere:

A volte i sensori si trovano all'esterno del motore. Ecco un esempio della posizione dei sensori. In effetti, era un motore senza sensori. In un modo così semplice, era dotato di sensori Hall.

Su alcuni motori i sensori sono montati su un apposito dispositivo che consente di spostare i sensori entro certi limiti. Con l'aiuto di un tale dispositivo, i tempi sono impostati. Tuttavia, se il motore deve essere invertito, sarà necessaria una seconda serie di sensori impostati per l'inversione. Poiché il tempismo non è critico all'avvio e ai bassi regimi, è possibile impostare i sensori sul punto zero e regolare l'angolo di anticipo in modo programmatico quando il motore inizia a ruotare.

Principali caratteristiche del motore

Ogni motore è calcolato per esigenze specifiche e presenta le seguenti caratteristiche principali:

Modalità di lavoro per cui il motore è progettato: a lungo termine oa breve termine. Lungo modalità di funzionamento implica che il motore possa funzionare per ore. Tali motori sono calcolati in modo tale che il trasferimento di calore nell'ambiente sia superiore al rilascio di calore del motore stesso. In questo caso, non si riscalderà. Esempio: ventilazione, azionamento di scale mobili o nastri trasportatori. Breve termine - significa che il motore verrà acceso per un breve periodo, durante il quale non avrà il tempo di riscaldarsi alla temperatura massima, seguito da un lungo periodo, durante il quale il motore avrà il tempo di raffreddarsi. Esempio: azionamento dell'ascensore, rasoi elettrici, asciugacapelli.
Resistenza dell'avvolgimento del motore. La resistenza dell'avvolgimento del motore influisce sull'efficienza del motore. Minore è la resistenza, maggiore è l'efficienza. Misurando la resistenza, puoi scoprire la presenza di un circuito interturn nell'avvolgimento. La resistenza dell'avvolgimento del motore è di millesimi di ohm. Per misurarlo è necessario un dispositivo speciale o una tecnica di misurazione speciale.
Tensione massima di esercizio. La tensione massima che l'avvolgimento dello statore può sopportare. La tensione massima è correlata al seguente parametro.
Numero massimo di giri. A volte indicano non la velocità massima, ma kv- il numero di giri del motore per volt senza carico sull'albero. Moltiplicando questa cifra per la tensione massima, otteniamo il regime massimo del motore senza carico sull'albero.
Corrente massima. La massima corrente di avvolgimento consentita. Di norma viene indicato anche il tempo durante il quale il motore può sopportare la corrente specificata. La limitazione di corrente massima è associata ad un possibile surriscaldamento dell'avvolgimento. Pertanto, a basse temperature ambiente, il tempo reale di funzionamento con la massima corrente sarà più lungo e con tempo caldo il motore si brucerà prima.
Massima potenza del motore. Direttamente correlato al parametro precedente. Questa è la potenza di picco che il motore può sviluppare per un breve periodo di tempo, solitamente pochi secondi. Con un funzionamento prolungato alla massima potenza, il surriscaldamento del motore e il suo guasto sono inevitabili.
Potenza nominale. La potenza che il motore può sviluppare durante tutto il tempo di accensione.
Angolo di anticipo di fase (temporizzazione). L'avvolgimento dello statore ha una certa induttanza, che rallenta la crescita della corrente nell'avvolgimento. La corrente raggiungerà il suo massimo dopo un po'. Per compensare questo ritardo, la commutazione di fase viene eseguita con un certo anticipo. Simile all'accensione in un motore a combustione interna, in cui la fasatura dell'accensione viene impostata tenendo conto del tempo di accensione del carburante.

Dovresti anche prestare attenzione al fatto che al carico nominale non otterrai la velocità massima sull'albero motore. kv indicato per motore scarico. Quando si alimenta il motore dalle batterie, si dovrebbe tener conto della "caduta" della tensione di alimentazione sotto carico, che a sua volta ridurrà anche la velocità massima del motore.

Caratteristiche distintive:

Informazioni generali su BKEPT
Utilizza il controller dello stadio di potenza
Esempio di codice di programma

introduzione

Questa nota applicativa descrive come implementare un controllo motore CC senza spazzole (BCEM) utilizzando encoder basati sul microcontrollore AVR AT90PWM3.

Questo documento descrive brevemente il principio di funzionamento di un motore CC senza spazzole, discute in dettaglio il controllo in modalità touch dell'UECPT e descrive lo schema elettrico del progetto di riferimento ATAVRMC100 su cui si basa questa raccomandazione applicativa.

Principio operativo

Le aree di applicazione di BKEPT sono in costante aumento, grazie a una serie di vantaggi:

L'assenza di un gruppo collettore, che semplifica o addirittura elimina la manutenzione.
Generazione di livelli di rumorosità acustica ed elettrica inferiori rispetto ai motori a collettore DC universali.
Capacità di lavorare in ambienti pericolosi (con prodotti infiammabili).
Buon equilibrio tra peso e potenza...

Se controllato mediante sensori, il BKEPT è costituito, di norma, da tre parti principali: lo statore, il rotore e i sensori Hall.

Lo statore di un classico BKEPT trifase contiene tre avvolgimenti. In molti motori, gli avvolgimenti sono divisi in più sezioni per ridurre il ripple di coppia.

Figura 1. Circuito equivalente dello statore elettrico (tre fasi, tre avvolgimenti)

Figura 2. Statore e rotore di un BKEPT trifase a tre avvolgimenti

Sensore Hall

La commutazione di fase dipende dallo stato dei sensori Hall.

Figura 3. Segnali del sensore Hall durante la rotazione

Cambio di fase

Per controllare il BKEPT viene utilizzato uno stadio di potenza composto da 3 semiponti. Il diagramma dello stadio di potenza è mostrato in Figura 4.

Figura 4. Stadio di potenza

In base ai valori letti dai sensori Hall, viene determinato quali chiavi devono essere chiuse.

Tabella 1. Tasti di commutazione in senso orario

Per i motori multicampo, la rotazione elettrica non corrisponde alla rotazione meccanica. Ad esempio, BKEPT quadripolare quattro cicli di rotazione elettrica corrispondono a una rotazione meccanica.

La potenza e la velocità del motore dipendono dalla forza del campo magnetico. La velocità e la coppia del motore possono essere controllate modificando la corrente attraverso gli avvolgimenti. Il modo più comune per controllare la corrente attraverso gli avvolgimenti è controllare la corrente media. Per questo viene utilizzata la modulazione di larghezza di impulso (PWM), il cui duty cycle determina il valore medio della tensione attraverso gli avvolgimenti e, di conseguenza, il valore medio della corrente e, di conseguenza, la velocità di rotazione. La velocità può essere regolata a frequenze da 20 a 60 kHz.

Il campo rotante di un BKEPT trifase a tre avvolgimenti è mostrato in Figura 5.

Figura 5. Passi di commutazione e campo rotante

Il processo di commutazione crea un campo rotante. Nello stadio 1, la fase A è collegata alla barra di alimentazione positiva con l'interruttore SW1, la fase B è collegata al comune con l'interruttore SW4 e la fase C rimane scollegata. Le fasi A e B creano due vettori di flusso magnetico (indicati rispettivamente dalle frecce rossa e blu) e la somma di questi due vettori fornisce il vettore di flusso dello statore (freccia verde). Successivamente, il rotore cerca di seguire il flusso magnetico. Non appena il rotore raggiunge una certa posizione, in cui lo stato dei sensori di Hall passa dal valore "010" a "011", gli avvolgimenti del motore vengono commutati di conseguenza: la fase B rimane non alimentata e la fase C è collegata al comune. Ciò porta alla generazione di un nuovo vettore di flusso magnetico dello statore (fase 2).

Se seguiamo lo schema di commutazione mostrato in Figura 3 e Tabella 1, otterremo sei diversi vettori di flusso magnetico corrispondenti a sei stadi di commutazione. Sei passi corrispondono a un giro del rotore.

Kit di avviamento ATAVRMC100

Lo schema elettrico è mostrato nelle figure 21, 22, 23 e 24 alla fine del documento.

Il programma contiene un anello di controllo della velocità che utilizza un controller PID. Tale regolatore è costituito da tre collegamenti, ognuno dei quali è caratterizzato da un proprio coefficiente di trasmissione: Kp, Ki e Kd.

Kp è il coefficiente di trasferimento del collegamento proporzionale, Ki è il coefficiente di trasferimento del collegamento di integrazione e Kd è il coefficiente di trasferimento del collegamento di derivazione. La deviazione della velocità data da quella effettiva (nella Figura 6 è chiamata "segnale di disadattamento") viene elaborata da ciascuno dei collegamenti. Il risultato di queste operazioni viene sommato e inviato al motore per ottenere la velocità richiesta (vedi figura 6).

Figura 6. Schema strutturale del controller PID

Il coefficiente Kp influisce sulla durata del processo transitorio, il coefficiente Ki consente di sopprimere gli errori statici e Kd viene utilizzato, in particolare, per stabilizzare la posizione (vedere la descrizione dell'anello di controllo nell'archivio con il software per la modifica del coefficienti).

Descrizione hardware

Come mostrato nella Figura 7, il microcontrollore contiene 3 Power Stage Controller (PSC). Ogni PSC può essere pensato come un modulatore di larghezza di impulso (PWM) con due segnali di uscita. Il PSC supporta la capacità di controllare il ritardo di non sovrapposizione degli interruttori di alimentazione (vedere la documentazione AT90PWM3 per una spiegazione più dettagliata del funzionamento del PSC, nonché la Figura 9) per evitare il verificarsi di corrente passante.

L'ingresso di allarme (Over_Current, sovracorrente) è associato a PSCIN. L'ingresso allarme consente al microcontrollore di disattivare tutte le uscite PSC.

Figura 7. Implementazione hardware

Per la misura della corrente si possono utilizzare due canali differenziali con stadio di amplificazione programmabile (Ku=5, 10, 20 o 40). Dopo aver scelto il guadagno, è necessario scegliere il valore della resistenza di shunt per la più completa copertura del range di conversione.

Il segnale Over_Current è generato da un comparatore esterno. La tensione di soglia del comparatore può essere regolata utilizzando il DAC interno.

La commutazione di fase deve essere eseguita in base al valore alle uscite dei sensori Hall. DC_A, DC_B e DC_C sono collegati agli ingressi di sorgenti di interrupt esterne oa tre comparatori interni. I comparatori generano lo stesso tipo di interrupt degli interrupt esterni. La Figura 8 mostra come vengono utilizzate le porte I/O nello starter kit.

Figura 8. Utilizzo delle porte I/O del microcontrollore (pacchetto SO32)

VMOT (Vmot) e VMOT_Half (1/2 Vmot) sono implementati ma non utilizzati. Possono essere utilizzati per ottenere informazioni sulla tensione di alimentazione del motore.

Le uscite H_x e L_x vengono utilizzate per controllare il ponte di potenza. Come accennato in precedenza, dipendono dal controller dello stadio di potenza (PSC) che genera i segnali PWM. In un'applicazione di questo tipo, si consiglia di utilizzare la modalità allineata al centro (vedere la Figura 9) in cui il registro OCR0RA viene utilizzato per cronometrare l'avvio della conversione ADC per la misurazione della corrente.

Figura 9. Oscillogrammi dei segnali PSCn0 e PSCn1 in modalità allineata al centro

Puntuale 0 = 2 * OCRnSA * 1/Fclkpsc
Puntuale 1 = 2* (OCRnRB - OCRnSB + 1) * 1/Fclkpsc
Periodo PSC = 2 * (OCRnRB + 1) * 1/Fclkpsc

Pausa di non sovrapposizione tra PSCn0 e PSCn1:

|OCRnSB - OCRnSA| *1/Fclkpsc

Il blocco PSC è sincronizzato dai segnali CLKPSC.

Uno dei due metodi può essere utilizzato per fornire segnali PWM allo stadio di potenza. Il primo consiste nell'applicare i segnali PWM alle parti superiore e inferiore dello stadio di potenza e il secondo consiste nell'applicare i segnali PWM solo alle parti superiori.

Descrizione del software

Atmel ha sviluppato librerie per gestire il CKET. Il primo passo per usarli è configurare e inizializzare il microcontrollore.

Configurazione e inizializzazione del microcontrollore

Per fare questo, usa la funzione mc_init_motor(). Richiama le funzioni di inizializzazione hardware e software e inizializza anche tutti i parametri del motore (senso di rotazione, velocità e arresto del motore).

Struttura dell'implementazione del software

Dopo la configurazione e l'inizializzazione del microcontrollore, il motore può essere avviato. Sono necessarie solo poche funzioni per controllare il motore. Tutte le funzioni sono definite in mc_lib.h:

Void mc_motor_run(void) - Utilizzato per avviare il motore. La funzione del ciclo di stabilizzazione viene chiamata per impostare il ciclo di lavoro PWM. Successivamente, viene eseguita la prima fase di commutazione. Bool mc_motor_is_running(void) - Determina lo stato del motore. Se "1", il motore è in funzione, se "0", il motore è fermo. void mc_motor_stop(void) - Utilizzato per arrestare il motore. void mc_set_motor_speed(velocità U8) - Imposta la velocità specificata dall'utente. U8 mc_get_motor_speed(void) - Restituisce la velocità specificata dall'utente. void mc_set_motor_direction(U8 direction) - Imposta la direzione di rotazione su "CW" (in senso orario) o "CCW" (in senso antiorario). U8 mc_get_motor_direction(void) - Restituisce la direzione corrente della rotazione del motore. U8 mc_set_motor_measured_speed(U8 measurement_speed) - Memorizza la velocità misurata nella variabile measurement_speed. U8 mc_get_motor_measured_speed(void) - Restituisce la velocità misurata. void mc_set_Close_Loop(void) void mc_set_Open_Loop(void) - Configurazione del loop di stabilizzazione: closed loop o open loop (vedi Figura 13).

Figura 10. Configurazione AT90PWM3

Figura 11. Struttura del software

La Figura 11 mostra quattro variabili mc_run_stop (avvio/arresto), mc_direction (direzione), mc_cmd_speed (velocità impostata) e mc_measured_speed (velocità misurata). Sono variabili di programma di base a cui è possibile accedere tramite le funzioni definite dall'utente precedentemente descritte.

L'implementazione software può essere vista come una scatola nera con il nome "Controllo motore" (Figura 12) e diversi ingressi (mc_run_stop, mc_direction, mc_cmd_speed, mc_measured_speed) e uscite (tutti i segnali di controllo del ponte di potenza).

Figura 12. Variabili principali del programma

La maggior parte delle funzioni sono disponibili in mc_drv.h. Solo alcuni di essi dipendono dal tipo di motore. Le funzioni possono essere suddivise in quattro classi principali:

Inizializzazione dell'hardware

void mc_init_SW(void); Utilizzato per inizializzare il software. Abilita tutti gli interrupt.

void mc_init_port(void); Inizializza una porta I/O specificando attraverso i registri DDRx quali pin funzionano come input e quali come output, oltre a specificare quali input abilitare i resistori di pull-up (tramite il registro PORTx).

void mc_init_pwm(void); Questa funzione avvia il PLL e resetta tutti i registri PSC.

void mc_init_IT(void); Modificare questa funzione per abilitare o disabilitare i tipi di interrupt.

Void PSC0_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC1_Init(unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC2_Init(unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); PSCx_Init consente all'utente di selezionare la configurazione del controller dello stadio di potenza (PSC) del microcontrollore.

Funzioni di commutazione di fase U8 mc_get_hall(void); Lettura dello stato dei sensori Hall corrispondenti a sei livelli di commutazione (HS_001, HS_010, HS_011, HS_100, HS_101, HS_110).
Interruzione void mc_hall_a(void); _interrupt void mc_hall_b(void); _interrupt void mc_hall_c(void); Queste funzioni vengono eseguite se viene rilevato un interrupt esterno (variazione dell'uscita dei sensori Hall). Consentono di eseguire la commutazione di fase e calcolare la velocità.
Void mc_duty_cycle(livello U8); Questa funzione imposta il ciclo di lavoro PWM in base alla configurazione del PSC.
Void mc_switch_commutation(posizione U8); La commutazione di fase viene eseguita in base al valore alle uscite dei sensori Hall e solo se l'utente avvia il motore.
Configurazione del tempo di conversione void mc_config_sampling_period(void); Inizializza il timer 1 per generare un interrupt ogni 250 µs. _interrupt void launch_sampling_period(void); Dopo l'attivazione dell'interrupt di 250 µs, il flag viene impostato. Può essere utilizzato per controllare il tempo di conversione.
Stima della velocità void mc_config_time_estimation_speed(void); Configurazione del timer 0 per eseguire la funzione di calcolo della velocità.
void mc_estimation_speed(void); Questa funzione calcola la velocità del motore in base al principio della misurazione del periodo dell'impulso del sensore ad effetto Hall.
Interruzione void ovfl_timer(void); Quando si verifica un interrupt, una variabile a 8 bit viene incrementata per implementare un timer a 16 bit utilizzando un timer a 8 bit.
Misura corrente _interrupt void ADC_EOC(void); La funzione ADC_EOC viene eseguita immediatamente dopo il completamento della conversione dell'amplificatore per impostare un flag che può essere utilizzato dall'utente.
void mc_init_current_measure(void); Questa funzione inizializza l'amplificatore 1 per la misurazione della corrente.
U8 mc_get_current(void); Lettura del valore corrente se la conversione è completata.
bool mc_conversion_is_finished(void); Indica il completamento della conversione.
void mc_ack_EOC(void); Reimposta il flag di completamento della conversione.
Rilevamento sovraccarico di corrente void mc_set_Over_Current(U8 Level); Imposta la soglia per il rilevamento della sovracorrente. La soglia è l'uscita DAC collegata a un comparatore esterno.

Il loop di stabilizzazione viene selezionato utilizzando due funzioni: open (mc_set_Open_Loop()) o closed loop (mc_set_Close_Loop()). La Figura 13 mostra un ciclo di stabilizzazione implementato dal software.

Figura 13. Anello di stabilizzazione

L'anello chiuso è un anello di stabilizzazione della velocità basato su un controller PID.

Come mostrato in precedenza, il fattore Kp viene utilizzato per stabilizzare il tempo di risposta del motore. Impostare dapprima Ki e Kd uguali a 0. Per ottenere il tempo di risposta del motore desiderato è necessario selezionare il valore di Kp.

Se il tempo di risposta è troppo breve, aumentare il Kp.
Se il tempo di risposta è rapido, ma non stabile, ridurre il Kp.

Figura 14. Impostazione Kp

Il parametro Ki viene utilizzato per sopprimere l'errore statico. Lasciare invariato il coefficiente Kp e impostare il parametro Ki.

Se l'errore è diverso da zero, aumentare Ki.
Se la soppressione dell'errore è stata preceduta da un processo oscillatorio, ridurre Ki.

Figura 15. Impostazione Ki

Le figure 14 e 15 mostrano esempi di scelta dei parametri corretti del regolatore Kp = 1, Ki = 0,5 e Kd = 0.

Impostazione del parametro Kd:

Se le prestazioni sono basse, aumentare il cd.
Con instabilità, Kd deve essere ridotto.

Un altro parametro significativo è il tempo di conversione. Deve essere scelto in relazione al tempo di risposta del sistema. Il tempo di conversione deve essere almeno la metà del tempo di risposta del sistema (secondo la regola di Kotelnikov).

Sono disponibili due funzioni per configurare il tempo di conversione (discusso sopra).

Il loro risultato viene visualizzato nella variabile globale g_tick, impostata ogni 250 µs. Con questa variabile è possibile regolare il tempo di conversione.

CPU e utilizzo della memoria

Tutte le misurazioni vengono eseguite a una frequenza dell'oscillatore di 8 MHz. Dipendono anche dal tipo di motore (numero di coppie di poli). Quando si utilizza un motore con 5 coppie di poli, la frequenza del segnale all'uscita del sensore Hall è 5 volte inferiore alla velocità del motore.

Tutti i risultati mostrati in figura 16 sono ottenuti utilizzando un UCFC trifase a 5 coppie con una velocità massima di 14.000 rpm.

Figura 16. Utilizzo della velocità del microcontrollore

Nel peggiore dei casi, il livello di carico del microcontrollore è di circa il 18% con un tempo di conversione di 80 ms e una velocità di rotazione di 14000 rpm.

La prima stima può essere effettuata con un motore più veloce e con l'aggiunta di una funzione di stabilizzazione della corrente. Il tempo di esecuzione della funzione mc_regulation_loop() è compreso tra 45 e 55 µs (si deve tenere conto del tempo di conversione ADC di circa 7 µs). Per la valutazione è stato scelto un BKEPT con un tempo di risposta della corrente di circa 2-3 ms, cinque paia di poli e una velocità di rotazione massima di circa 2-3 ms.

Il regime massimo del motore è di circa 50.000 giri/min. Se il rotore utilizza 5 coppie di poli, la frequenza di uscita risultante dei sensori Hall sarà (50000 rpm/60)*5 = 4167 Hz. La funzione mc_estimation_speed() viene eseguita su ogni fronte di salita del sensore Hall A, ovvero ogni 240 µs per un tempo di esecuzione di 31 µs.

La funzione mc_switch_commutation() dipende dal funzionamento dei sensori Hall. Viene eseguito quando si verificano fronti all'uscita di uno dei tre sensori di Hall (fronti di salita o di discesa), quindi vengono generati sei interrupt all'uscita del sensore di Hall in un periodo di impulso e la frequenza di chiamata della funzione risultante è 240/6 µs = 40 µs.

Infine, il tempo di conversione dell'anello di stabilizzazione deve essere almeno la metà del tempo di risposta del motore (circa 1 ms).

I risultati sono mostrati nella Figura 17.

Figura 17. Valutazione del carico del microcontrollore

In questo caso, il livello di carico del microcontrollore è di circa il 61%.

Tutte le misurazioni sono state eseguite utilizzando lo stesso software. Le risorse di comunicazione non vengono utilizzate (UART, LIN...).

In queste condizioni, viene utilizzata la seguente quantità di memoria:

3175 byte di memoria di programma (38,7% della memoria flash totale).
285 byte di memoria dati (55,7% della RAM statica totale).

Configurazione e utilizzo di ATAVRMC100

La Figura 18 mostra uno schema completo delle varie modalità di funzionamento dello starter kit ATAVRMC100.

Figura 18. Scopo delle porte I/O del microcontrollore e modalità di comunicazione

Modalità di lavoro

Sono supportate due diverse modalità operative. Impostare i ponticelli JP1, JP2 e JP3 secondo la Figura 19 per selezionare una di queste modalità. Questa nota applicativa utilizza solo la modalità sensore. Una descrizione completa dell'hardware è riportata nel manuale d'uso del kit ATAVRMC100.

Figura 19. Selezione della modalità di controllo tramite sensori

La Figura 19 mostra le impostazioni predefinite dei ponticelli che corrispondono all'uso del software associato a questa nota applicativa.

Il programma fornito con la scheda ATAVRMC100 supporta due modalità di funzionamento:

avviare il motore alla massima velocità senza componenti esterni.
controllo della velocità del motore con un potenziometro esterno.

Figura 20 Connessione potenziometro

Conclusione

Questa nota applicativa fornisce una soluzione hardware e software per un controller per motore CC senza spazzole basato su sensori. Oltre a questo documento, il codice sorgente completo è disponibile per il download.

La libreria software include le funzioni di avvio e controllo della velocità di qualsiasi BKEPT con sensori integrati.

Lo schema elettrico contiene un minimo di componenti esterni necessari per controllare il BKEPT con sensori incorporati.

Le capacità della CPU e della memoria del microcontrollore AT90PWM3 consentiranno allo sviluppatore di espandere la funzionalità di questa soluzione.

Figura 21. Diagramma schematico (parte 1)

Figura 22. Diagramma schematico (parte 2)

Figura 23. Diagramma schematico (parte 3)

Figura 24. Diagramma schematico (parte 4)

Documentazione:

Fantastica ristrutturazione di appartamenti e ristrutturazione di cottage per un sacco di soldi.

I motori brushless hanno una potenza migliorata per chilogrammo di peso (proprio) e un'ampia gamma di velocità di rotazione; Anche l'efficienza di questa centrale elettrica è impressionante. È importante che l'impianto non emetta praticamente interferenze radio. Ciò consente di affiancare apparecchiature sensibili alle interferenze senza timore per il corretto funzionamento dell'intero sistema.

Puoi posizionare e utilizzare un motore brushless anche in acqua, questo non lo influenzerà in modo negativo. Inoltre, il suo design prevede l'ubicazione in ambienti aggressivi. Tuttavia, in questo caso, l'ubicazione dell'unità di controllo dovrebbe essere considerata in anticipo. Ricorda che solo con un attento e attento funzionamento della centrale elettrica, funzionerà in modo efficiente e senza intoppi nella tua produzione per molti anni.

Le modalità di funzionamento a lungo ea breve termine sono le principali per il database. Ad esempio, per una scala mobile o un nastro trasportatore, è adatto un ciclo di lavoro lungo, in cui il motore funziona staticamente per un lungo numero di ore. Per il funzionamento a lungo termine, viene fornito un maggiore trasferimento di calore esterno: il rilascio di calore nell'ambiente deve superare il rilascio di calore interno della centrale elettrica.

In una modalità di funzionamento a breve termine, il motore non dovrebbe avere il tempo di riscaldarsi alla temperatura massima durante il suo funzionamento, ad es. deve essere spento prima di questo orario. Durante le pause tra l'accensione e il funzionamento del motore, questo deve avere il tempo di raffreddarsi. Ecco come funzionano i motori brushless nei meccanismi di sollevamento, nei rasoi elettrici, nelle asciugatrici, negli asciugacapelli e in altre apparecchiature elettriche moderne.

La resistenza dell'avvolgimento del motore è correlata all'efficienza della centrale elettrica. La massima efficienza può essere raggiunta con la minima resistenza di avvolgimento.

La massima tensione di esercizio è la tensione limite che può essere applicata all'avvolgimento dello statore della centrale elettrica. La massima tensione operativa è direttamente correlata alla massima velocità del motore e alla massima corrente di avvolgimento. Il valore massimo della corrente di avvolgimento è limitato dalla possibilità di surriscaldamento dell'avvolgimento. È per questo motivo che una condizione facoltativa, ma consigliata, per il funzionamento dei motori elettrici è una temperatura ambiente negativa. Ti consente di compensare in modo significativo il surriscaldamento della centrale elettrica e aumentare la durata del suo funzionamento.

La potenza massima del motore è la potenza massima che il sistema può raggiungere in pochi secondi. Va tenuto presente che il funzionamento prolungato del motore elettrico alla massima potenza porterà inevitabilmente al surriscaldamento del sistema e al suo malfunzionamento.

La potenza nominale è la potenza che la centrale elettrica può sviluppare durante il periodo del periodo di funzionamento autorizzato dichiarato dal produttore (una inclusione).

L'angolo di anticipo di fase è fornito nel motore a causa della necessità di compensare il ritardo di commutazione di fase.