Кога почнав да развивам контролна единица со мотор без четки (мотор на тркала), имаше многу прашања за тоа како да се поклопат вистински моторсо апстрактен дијаграм од три намотки и магнети, на кои, по правило, секој го објаснува принципот на контролирање на мотори без четки.
Кога имплементирав контрола со помош на сензорите на Хол, сè уште не разбирав што се случува во моторот надвор од апстрактните три намотки и два пола: зошто 120 степени и зошто контролниот алгоритам беше токму таков.
Сè дојде на свое место кога почнав да ја разбирам идејата за контрола без сензор на мотор без четки - разбирањето на процесот што се случува во вистинско парче хардвер помогна да се развие хардверот и да се разбере контролниот алгоритам.
Подолу ќе се обидам да го опишам мојот пат кон разбирање на принципот на контролирање на мотор без четки DC.
За работа мотор без четкичкиПотребно е постојаното магнетно поле на роторот да биде внесено со ротирачкото електромагнетно поле на статорот, како кај конвенционалниот DC мотор.
Ротацијата на магнетното поле на статорот се врши со префрлување на намотките со помош на електронска контролна единица.
Дизајнот на моторот без четки е сличен на оној на синхрониот мотор ако поврзете мотор без четкички брусен мотордо трифазна мрежа AC, задоволувајќи ги електричните параметри на моторот, тој ќе работи.
Одредено префрлување на намотките на моторот без четки овозможува да се контролира од извор на еднонасочна струја. За да разберете како да креирате табела за комутација за мотор без четки, треба да ја земете предвид контролата на синхроната машина со наизменична струја.
Синхрона машина
Синхроната машина се контролира од трифазна мрежа на наизменична струја. Моторот има 3 електрични намотки, поместени за 120 електрични степени.
Откако ќе го вклучите трифазен мотор во режим на генератор, постојаното магнетно поле ќе предизвика EMF на секоја од намотките на моторот, намотките на моторот се распределуваат рамномерно, на секоја од фазите ќе се индуцира синусоидален напон и овие сигнали ќе се поместат меѓу себе за 1/3 од периодот (слика 1). Обликот на EMF се менува според синусоидален закон, периодот на синусоидот е 2P (360), бидејќи се работи за електрични големини (EMF, напон, струја), да го наречеме електрични степени и да го измериме периодот во нив.
Кога се напојува трифазен напон на моторот, во секој момент од времето ќе има одредена вредност на струјата на секое намотување.
Слика 1. Бранова форма на трифазен извор на наизменична струја.
Секоја ликвидација генерира вектор на магнетно поле пропорционален на струјата во намотката. Со додавање на 3 вектори можете да го добиете добиениот вектор на магнетно поле. Бидејќи со текот на времето струјата во намотките на моторот се менува според синусоидалниот закон, големината на векторот на магнетното поле на секоја намотка се менува, а добиениот вкупен вектор го менува аголот на ротација, додека големината на овој вектор останува константна.
Слика 2. Еден електричен период на трифазен мотор.
Слика 2 покажува еден електричен период на трифазен мотор. Да поставиме 3 намотки на моторот поместени за 120 електрични степени еден во однос на друг (Слика 3).
Слика 3. Момент 1. Вектори на магнетно поле на секое намотување (лево) и на добиениот вектор на магнетно поле (десно).
По должината на секоја фаза, се конструира вектор на магнетно поле создаден од намотката на моторот. Насоката на векторот се определува со насоката на директната струја во ликвидацијата ако напонот што се применува на ликвидацијата е позитивен, тогаш векторот е насочен кон спротивната странаод ликвидацијата, ако е негативна, тогаш по должината на ликвидацијата. Големината на векторот е пропорционална на големината на напонот на фазата во во моментот.
За да се добие добиениот вектор на магнетно поле, потребно е да се додадат векторските податоци според законот за собирање на вектор.
Конструкцијата е слична во вториот и третиот момент на времето.
Слика 4. Момент 2. Вектори на магнетно поле на секое намотување (лево) и вектор на магнетно поле што се добива (десно).
Така, со текот на времето, добиениот вектор непречено ја менува својата насока.
Слика 5. Приказ на ротирачкото магнетно поле генерирано од намотките на статорот на моторот.
Овој вектор на електричното магнетно поле го следи магнетното поле на постојаните магнети на роторот во секој момент од времето (Слика 6).
Слика 6. Постојан магнет (ротор) ја следи насоката на магнетното поле генерирано од статорот.
Вака функционира синхроната машина со наизменична струја.
Имајќи извор на директна струја, неопходно е самостојно да се формира еден електричен период со промена на насоките на струјата на три намотки на моторот. Бидејќи моторот без четкички е ист во дизајнот како и синхрониот мотор и има идентични параметри во режимот на генератор, неопходно е да се изгради на Слика 5, која го покажува генерираното ротирачко магнетно поле.
Постојан напон
DC изворот има само 2 жици „плус моќност“ и „минус моќност“, што значи дека е можно да се напојува напон само на две од трите намотки. Потребно е приближно да се приближи Слика 5 и да се истакнат сите моменти во кои е можно да се поврзат 2 фази од три.
Бројот на пермутации од множеството 3 е 6, затоа, постојат 6 опции за поврзување на намотките.
Ајде да прикажеме можни опциикомутации и изберете секвенца во која векторот ќе ротира понатаму чекор по чекор додека не стигне до крајот на периодот и не започне одново.
Ќе го броиме електричниот период од првиот вектор.
Слика 7. Приказ на шесте вектори на магнетно поле кои можат да се создадат од извор на директна струја со префрлување на две од трите намотки.
Слика 5 покажува дека при контролирање на трифазен синусоидален напон, има многу вектори кои непречено ротираат со текот на времето, а при префрлување со еднонасочна струја, можно е да се добие ротирачко поле од само 6 вектори, односно префрлување на следното чекор мора да се случува на секои 60 електрични степени.
Резултатите од Слика 7 се сумирани во Табела 1.
Табела 1. Резултирачката низа на префрлување на намотките на моторот.
Изгледот на добиениот контролен сигнал во согласност со Табела 1 е прикажан на слика 8. Каде што -V е префрлување на минус на напојувањето (GND), а +V е префрлување на плус на изворот на енергија.
Слика 8. Приказ на контролни сигнали од DC извор за мотор без четкички. Жолта – W фаза, сина – U, црвена – V.
Сепак, вистинската слика од фазите на моторот ќе биде слична на синусоидалниот сигнал од Слика 1. Сигналот формира трапезоидна форма, бидејќи во моментите кога намотката на моторот не е поврзана, постојаните магнети на роторот предизвикуваат EMF на него ( Слика 9).
Слика 9. Приказ на сигналот од намотките на мотор без четкички во режим на работа.
На осцилоскоп изгледа вака:
Слика 10. Поглед на прозорецот на осцилоскопот при мерење на една моторна фаза.
Дизајнерски карактеристики
Како што беше кажано претходно, за 6 префрлувања на намотките се формира еден електричен период од 360 електрични степени.
Неопходно е да се поврзе овој период со вистинскиот агол на ротација на роторот. Моторите со еден пар столбови и статор со три заби се користат исклучително ретко моторите имаат N парови.
Слика 11 прикажува моторни модели со еден пар столбови и два пара столбови.
А. б.
Слика 11. Модел на мотор со еден (а) и два (б) пара столбови.
Мотор со два пара столбови има 6 намотки, секоја намотка е пар, секоја група од 3 намотки е поместена за 120 електрични степени. На слика 12б. Еден период е одложен за 6 намотки. Намотките U1-U2, V1-V2, W1-W2 се поврзани едни со други и во дизајнот претставуваат 3 фазни излезни жици. За да се поедностави сликата, врските не се прикажани, но запомнете дека U1-U2, V1-V2, W1-W2 се исти.
Слика 12, врз основа на податоците во Табела 1, ги прикажува векторите за еден и два пара полови.
А. б.
Слика 12. Дијаграм на вектори на магнетно поле за мотор со еден (а) и два (б) пара полови.
Слика 13 ги прикажува векторите создадени со 6 комутации на намотките на моторот со еден пар полови. Роторот се состои од постојани магнети, во 6 чекори роторот ќе ротира за 360 механички степени.
Сликата ги прикажува конечните позиции на роторот во интервалите помеѓу две соседни позиции, роторот се врти од претходната кон следната состојба. Кога роторот ќе ја достигне оваа конечна положба, треба да се случи следното префрлување и роторот ќе се стреми кон новата поставена положба, така што неговиот вектор на магнетно поле ќе се израмни со векторот. електромагнетно полестатор.
Слика 13. Крајните позиции на роторот за време на шест-брзинска комутација на мотор без четкички со еден пар полови.
Кај моторите со N парови на столбови, потребни се N електрични периоди за да се заврши механичката револуција.
Мотор со два пара полови ќе има два магнети со столбови S и N и 6 намотки (Слика 14). Секоја група од 3 намотки се поместени едни од други за 120 електрични степени.
Слика 14. Конечни позиции на роторот за време на шест-брзинска комутација на мотор без четкички со два пара полови.
Одредување на положбата на роторот на мотор без четка
Како што беше споменато претходно, за да работи моторот, неопходно е да вистинските моментивреме за поврзување на напонот со потребните намотки на статорот. Потребно е да се примени напон на намотките на моторот во зависност од положбата на роторот, така што магнетното поле на статорот секогаш го води магнетното поле на роторот. За да ја одредите положбата на прекинувачите на роторот на моторот и намотката, користете електронска единицауправување.
Следењето на положбата на роторот е можно на неколку начини:
1. Со сензори на Хол
2. Од страна на назад emf
Како по правило, производителите го опремуваат моторот со сензори Хол при издувните гасови, така што ова е најчестиот метод за контрола.
Префрлувањето на намотките во согласност со задните EMF сигнали ви овозможува да ги напуштите сензорите вградени во моторот и да ја користите како сензор анализата на слободната фаза на моторот, на која задниот EMF ќе биде индуциран од магнетното поле.
Контрола на моторот без четкички со сензори Hall
За да ги префрлите намотките во вистинско време, неопходно е да се следи положбата на роторот во електрични степени. За ова се користат сензори за сала.
Бидејќи има 6 состојби на векторот на магнетното поле, потребни се 3 Хол сензори, кои ќе претставуваат еден апсолутен енкодерпозиции со трибитен излез. Сензорите на сала се инсталираат на ист начин како намотките, поместени едни од други за 120 електрични степени. Ова им овозможува на магнетите на роторот да се користат како елемент за активирање на сензорот.
Слика 15. Сигнали од сензорите на Хол за едно електрично вртење на моторот.
За да се ротира моторот, неопходно е магнетното поле на статорот да биде пред магнетното поле на роторот, позицијата кога векторот на магнетното поле на роторот е истовремено насочен со векторот на магнетното поле на статорот е конечна за ова префрлување, тоа е во овој момент дека префрлувањето на следната комбинација треба да се случи за да се спречи роторот да виси во неподвижна положба
Ајде да ги споредиме сигналите од сензорите на Хол со комбинацијата на фази што треба да се префрлат (Табела 2)
Табела 2. Споредба на сигналите на сензорот Хол со прекинување на фазата на моторот.
| Положба на моторот | HU (1) | HV(2) | HW (3) | У | В | В |
| 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 | + |
Кога моторот се ротира подеднакво, сензорите добиваат сигнал поместен за 1/6 од периодот, 60 електрични степени (Слика 16).
Слика 16. Приказ на сигналот од сензорите на Хол.
Контрола со помош на заден EMF сигнал
Постојат мотори без четкички без сензори за положба. Позицијата на роторот се одредува со помош на анализа EMF сигналво слободната фаза на моторот. Во секој момент, „+“ се поврзува со една од фазите со другото „-“ напојување, една од фазите останува слободна. Додека се ротира, магнетното поле на роторот предизвикува EMF во слободното намотување. Како што се случува ротација, напонот на слободната фаза се менува (Слика 17).
Слика 17. Промена на напонот на фазата на моторот.
Сигналот од намотката на моторот е поделен на 4 моменти:
1. Намотување поврзано на 0
2. Намотувањето не е поврзано (слободна фаза)
3. Намотката е поврзана со напонот за напојување
4. Намотувањето не е поврзано (слободна фаза)
Со споредување на сигналот од фазите со контролниот сигнал, јасно е дека моментот на премин во следната состојба може да се открие со пресекот на средната точка (половина од напонот на напојување) со фазата што моментално не е поврзана (слика 18).
Слика 18. Споредба на контролниот сигнал со сигналот на фазите на моторот.
Откако ќе откриете раскрсница, мора да паузирате и да ја вклучите следната состојба. Врз основа на оваа слика, беше составен алгоритам за префрлување на состојби на намотување (Табела 3).
Табела 3. Алгоритам за прекинувачки намотки на моторот
| Тековен статус | У | В | В | Следна состојба |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Се чека средната точка да премине од + на - | 4 |
| 4 | + | Се чека средната точка да премине од - на + | - | 5 |
| 5 | Се чека средната точка да премине од + на - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Се чека средната точка да премине од - на + | 1 |
Пресекот на средната точка е најлесно за откривање со компаратор, напонот на средната точка се испорачува на еден влез на компараторот, а тековниот фазен напон се снабдува на вториот.
Слика 19. Откривање на средна точка со компаратор.
Компараторот се активира кога напонот поминува низ средната точка и генерира сигнал за микроконтролерот.
Обработка на сигнали од моторни фази
Сепак, сигналот од фазите при регулирање на брзината на PWM се разликува по изглед и има импулсна природа (Слика 21), во таков сигнал е невозможно да се открие пресек со средната точка.
Слика 20. Тип на фазен сигнал при регулирање на брзината на PWM.
Затоа овој сигналтреба да се филтрира со RC филтер за да се добие плик, а исто така да се подели според барањата на компараторот. Како што се зголемува работниот циклус, сигналот PWM ќе се зголемува во амплитудата (Слика 22).
Слика 21. Коло на разделник на сигнал и филтер од фазата на моторот.
Слика 22. Обвивка на сигналот при промена на работниот циклус на PWM.
Дијаграм на средна точка
Слика 23. Поглед на виртуелната средна точка. Сликата е преземена од avislab.com/
Сигналите се отстрануваат од фазите преку отпорници со ограничување на струјата и се комбинираат, а ова е сликата што ја добиваме:
Слика 24. Приказ на виртуелниот осцилограм на напон на средната точка.
Поради PWM, напонот на средната точка не е константен, сигналот исто така треба да се филтрира. Напонот на средната точка по измазнувањето ќе биде доста голем (во регионот на напонот за напојување на моторот), мора да се подели со делител на напон до половина од напонот за напојување.
Откако сигналот ќе помине низ филтерот, осцилациите се измазнуваат и се добива рамен напон во однос на кој може да се открие пресекот на задниот EMF.
Слика 26. Напон по делител и нископропусен филтер.
Средната точка ќе ја промени својата вредност во зависност од напонот (напорниот циклус на PWM), како и од обвивката на сигналот.
Примените сигнали од компараторите се испраќаат до микроконтролерот, кој ги обработува според горенаведениот алгоритам.
Тоа е се за сега.
Моторите во машините со повеќе ротори се од два вида: четкани и без четкички. Нивната главна разлика е во тоа што четканиот мотор има намотки на роторот (ротирачки дел), додека моторот без четка има намотки на статорот. Без да навлегуваме во детали, ќе кажеме дека моторот без четкички е подобар од четканиот мотор бидејќи најдобро ги задоволува барањата поставени пред него. Затоа, оваа статија ќе се фокусира на овој тип на мотор. Можете детално да прочитате за разликата помеѓу моторите без четки и четканите.
И покрај фактот дека моторите BC почнаа да се користат релативно неодамна, самата идеја за нивниот дизајн се појави многу одамна. Сепак, појавата на транзисториските прекинувачи и моќните неодимиумски магнети ја овозможија нивната комерцијална употреба.
Дизајн на мотори BC
Дизајнот на мотор без четкички се состои од ротор на кој се прикачени магнети и статор на кој се наоѓаат намотките. Врз основа на релативната положба на овие компоненти, BC моторите се поделени на вкрстен и надвозник.
Во мулти-роторските системи, дизајнот Outrunner често се користи бидејќи овозможува најголем вртежен момент.
Добрите и лошите страни на моторите BC
Добрите страни:
- Поедноставен дизајн на моторот поради исклучувањето на комутаторот.
- Повеќе висока ефикасност.
- Добро ладење
- BC моторите можат да работат во вода! Сепак, не заборавајте дека поради водата механички деловиМоторот може да развие 'рѓа и да се расипе по некое време. За да се избегнат вакви ситуации, се препорачува да се третираат моторите со водоотпорен лубрикант.
- Најмали радио пречки
Конс:
Единствениот недостаток е неможноста да се користат овие мотори без ESC (регулатори за брзина на ротација). Ова донекаде го комплицира дизајнот и ги прави BC моторите поскапи од моторите со комутатори. Меѓутоа, ако комплексноста на дизајнот е приоритет, тогаш има мотори BC со вградени контролери за брзина.
Како да изберете мотори за хеликоптер?
При изборот на мотори без четки, првото нешто на што треба да обрнете внимание е следните карактеристики:
- Максимална струја - оваа карактеристика покажува каква максимална струја може да издржи намотката на моторот за краток временски период. Ако ова време се надмине, дефектот на моторот е неизбежен. Овој параметар, исто така, влијае на изборот на ESC.
- Максимален напон - исто како и максималната струја, покажува колку напон може да се примени на ликвидацијата за краток временски период.
- KV е бројот на вртежи на моторот по волт. Бидејќи овој индикатор директно зависи од оптоварувањето на вратилото на моторот, тој е индициран за случај кога нема оптоварување.
- Отпор - зависи од отпорот Ефикасност на моторот. Затоа, колку помал отпор, толку подобро.
Мотори без четки
Електричните мотори без четки влегоа во моделирање релативно неодамна, во последните 5-7 години. За разлика од четканите мотори, тие се напојуваат со трифазна наизменична струја. Моторите без четки работат ефикасно во поширок опсег на вртежи во минута и имаат поголема ефикасност. Дизајнот на моторот е поедноставен, нема склоп на четка и нема потреба од тоа одржување. Можеме да кажеме дека моторите без четки практично не се истрошуваат. Цената на моторите без четки е малку повисока од онаа на четканите мотори. Ова се должи на фактот дека сите мотори без четки се опремени со лежишта и, по правило, се направени со повисок квалитет. Иако, разликата во цената помеѓу добар четкан мотор и мотор без четки од слична класа не е толку голема.
Според дизајнот, моторите без четкички се поделени во две групи: inrunner (се изговара „inrunner“) и outrunner (се изговара „outrunner“). Моторите од првата група се наоѓаат по должината внатрешна површинакуќиште за намотување и магнетен ротор што ротира внатре. Моторите од втората група - „надминувачи“, имаат стационарни намотки во внатрешноста на моторот, околу кои куќиштето се ротира со намотки поставени на неговиот внатрешен ѕид. постојани магнети. Бројот на магнетни столбови што се користат кај моторите без четки може да варира. Според бројот на столбови можете да го процените вртежниот момент и брзината на моторот. Моторите со двополни ротори имаат најголема брзинаротација со најмал вртежен момент. Според дизајнот, овие мотори можат да бидат само „превозници“. Таквите мотори често се продаваат со планетарни менувачи веќе прикачени на нив, бидејќи нивната брзина е превисока за директно ротирање на пропелерот. Понекогаш таквите мотори се користат без менувач - на пример, тие се инсталирани на модели на тркачки авиони. Моторите со повеќе столбови имаат помала брзина на ротација, но поголем вртежен момент. Таквите мотори дозволуваат употреба на пропелери голем дијаметар, без потреба од употреба на менувачи. Општо земено, пропелерите со голем дијаметар и мал чекор, со релативно мала брзина на ротација, обезбедуваат поголем потисок, но даваат мала брзина на моделот, додека пропелери со мал дијаметар со голем чекор обезбедуваат мала брзина. голема брзинаобезбеди голема брзина, со релативно мал потисок. Така, повеќеполните мотори се идеални за модели кои бараат висок сооднос на потисок и тежина, а двополните мотори без менувач се идеални за модели со голема брзина. За повеќе прецизен избормоторот и пропелерот одреден модел, можете да ја користите специјалната програма MotoCalc.
Бидејќи моторите без четки се напојуваат со наизменична струја, за работа им е потребен посебен контролер (регулатор) кој ја претвора директната струја од батериите во наизменична струја. Регулаторите за мотори без четкички се програмабилен уред кој ви овозможува витално да контролирате сè важни параметримоторот. Тие ви овозможуваат не само да ја промените брзината и насоката на работа на моторот, туку и да обезбедите, во зависност од потребата, непречен или остар старт, ограничувајќи го максимална струја, функцијата „кочница“ и ред други фини прилагодувањамотор за да одговара на потребите на моделарот. За програмирање на контролорот, уредите се користат за поврзување со компјутер или теренски условиова може да се направи со помош на предавател и специјален скокач.
Има многу производители на мотори без четки и регулатори за нив. Моторите без четки, исто така, се разликуваат многу по дизајн и големина. Покрај тоа, самопроизводствоМоторите без четки базирани на делови од ЦД-дискови и други индустриски мотори без четки станаа доста вообичаени во последниве години. Можеби тоа е поради оваа причина што моторите без четки денес немаат ни приближно општа класификацијакако и нивните колекционерски колеги. Да резимираме накратко. Денес, моторите со комутатори главно се користат на евтини модели за хоби, или спортски модели влезно ниво. Овие мотори се евтини, лесни за ракување и продолжуваат да бидат најпопуларниот тип на електрични мотори. Тие се заменуваат со мотори без четкички. Единствениот ограничувачки фактор засега останува нивната цена. Заедно со регулаторот, моторот без четки чини 30-70% повеќе. Сепак, цените на електрониката и моторите паѓаат, а постепеното поместување на четканите електромотори од моделирање е само прашање на време.
AVR492: Контрола на DC мотор без четкички со AT90PWM3
Карактеристични карактеристики:
- Општи информации за BLDC моторите
- Користи контролер за енергетска фаза
- Хардверска имплементација
- Примерок код
Вовед
Оваа белешка за апликација опишува како да се имплементира контрола на моторот со DC мотор без четки (BLDC) со помош на сензори за положба базирани на микроконтролерот AT90PWM3 AVR.
Јадрото на микроконтролерот AVR со високи перформанси, кое содржи контролер на енергетската фаза, овозможува имплементација на уред за контрола на моторот со DC без четкички со голема брзина.
Овој документ дава краток опис на принципот на работа електричен мотор без четкички DC струја и контролата на BLDC моторите во режим на допир се дискутирани детално, а даден е и опис шематски дијаграмреферентен дизајн ATAVRMC100 на кој се засноваат овие белешки за апликација.
Дискутирана е и имплементација на софтвер со софтверски имплементирана контролна јамка базирана на PID контролер. За контрола на процесот на префрлување, се претпоставува дека се користат само сензори за позиција базирани на ефектот Хол.
Принцип на работа
Областите на примена на моторите BLDC постојано се зголемуваат, што е поврзано со голем број на нивните предности:
- Не постои склоп на колектор, што го поедноставува или дури го елиминира одржувањето.
- Генерација повеќе ниско нивоакустичен и електричен шум во споредба со универзалните четкани DC мотори.
- Способност за работа во опасни средини (со запаливи производи).
- Добар однос на карактеристиките на големината на тежината и моќноста...
Моторите од овој тип се карактеризираат со мала инерција на роторот, бидејќи намотките се наоѓаат на статорот. Префрлувањето се контролира електронски. Вртежните моменти на комутација се одредуваат или од информации од сензорите за положба или со мерење на задниот електричен погон генериран од намотките.
Кога се контролира со помош на сензори, BLDC генерално се состои од три главни дела: статор, ротор и Хол сензори.
Статорот на класичен трифазен BLDC мотор содржи три намотки. Во многу мотори, намотките се поделени на неколку делови, што го намалува бранувањето на вртежниот момент.
Слика 1 го прикажува електричното еквивалентно коло на статорот. Се состои од три намотки, од кои секоја содржи три елементи поврзани во серија: индуктивност, отпор и заден емф.
Слика 1. Електричен дијаграмзамена на статорот (три фази, три намотки)
BLDC роторот се состои од парен број постојани магнети. Бројот на магнетни полови во роторот, исто така, влијае на големината на чекорот на ротација и бранувањето на вртежниот момент. Колку е поголем бројот на столбови, толку е помала големината на чекорот на ротација и помалиот бран на вртежниот момент. Може да се користат постојани магнети со 1..5 пара столбови. Во некои случаи, бројот на парови на полови се зголемува на 8 (Слика 2).
Слика 2. Статор и ротор на трифазен BLDC со три намотки
Намотките се инсталирани неподвижни, а магнетот се ротира. BLDC роторот е полесен по тежина во споредба со конвенционалниот ротор. универзален мотордиректна струја, во која намотките се наоѓаат на роторот.
Хол сензор
За да се процени положбата на роторот, три сензори Хол се вградени во куќиштето на моторот. Сензорите се инсталирани под агол од 120° во однос на едни со други. Со овие сензори е можно да се извршат 6 различни префрлувања.
Префрлувањето на фаза зависи од состојбата на сензорите на Хол.
Напојувањето на напоните за напојување на намотките се менува откако ќе се променат состојбите на излезите на сензорите Хол. На правилно извршувањеСо синхронизирана комутација, вртежниот момент останува приближно константен и висок.
Слика 3. Сигнали од сензорот на Хол за време на ротација
Фазно префрлување
За целите на поедноставен опис на работата на трифазен BLDC, ќе ја разгледаме само неговата верзија со три намотки. Како што беше прикажано претходно, фазното префрлување зависи од излезните вредности на сензорите Хол. Кога напонот е правилно применет на намотките на моторот, се создава магнетно поле и се започнува ротација. Најчестите и на едноставен начинКонтролата на префрлување што се користи за контролирање на BLDC е коло за вклучување-исклучување каде што намотувањето е или спроводливо или не. Само две намотки можат да се напојуваат истовремено, додека третата останува исклучена. Поврзувањето на намотките со електричните автобуси предизвикува истекување електрична струја. Овој методнаречено трапезоидно префрлување или блокско префрлување.
За контрола на BLDC, се користи енергетска каскада која се состои од 3 полу-мостови. Дијаграмот на енергетската фаза е прикажан на слика 4.
Слика 4. Степен на моќност
Врз основа на вредностите за читање на сензорите на Хол, се одредува кои клучеви треба да се затворат.
Во оваа статија би сакале да зборуваме за тоа како создадовме електричен мотор од нула: од идејата и првиот прототип до полноправен мотор кој ги помина сите тестови. Ако оваа статија ви е интересна, одделно, подетално, ќе ви кажеме за фазите на нашата работа што најмногу ве интересирале.
На сликата од лево кон десно: ротор, статор, парцијален склоп на мотор, склоп на мотор
Вовед
Електричните мотори се појавија пред повеќе од 150 години, но за тоа време нивниот дизајн не претрпе значителни промени: ротирачки ротор, бакарни намотки на статорот, лежишта. Со текот на годините, има само намалување на тежината на електричните мотори, зголемување на ефикасноста, а исто така и во точноста на контролата на брзината.Денес, благодарение на развојот модерна електроникаи појавата на моќни магнети засновани на метали од ретки земји, можно е да се создадат помоќни и во исто време компактни и лесни електрични мотори без четкички од кога било досега. Во исто време, поради едноставноста на нивниот дизајн, тие се најсигурните електрични мотори некогаш создадени. За создавање на таков мотор ќе се дискутира во овој напис.
Опис на моторот
ВО" Мотори без четки„Недостасува елементот „Четки“, познат на сите од расклопувањето на електричните алати, чија улога е да пренесува струја до намотувањето на ротирачкиот ротор. Кај моторите без четкички, струјата се доставува до намотките на статорот што не се движи, кој со создавање на магнетно поле наизменично на неговите поединечни полови, го врти роторот на кој се прикачени магнетите.Првиот таков мотор беше испечатен од нас на 3D печатач како експеримент. Наместо специјални плочи од електричен челик, користевме обична пластика за куќиштето на роторот и јадрото на статорот, на кое беше намотана бакарната намотка. На роторот беа прикачени неодимиумски магнети со правоаголен пресек. Секако, таков мотор не беше способен да произведува максимална моќност. Сепак, ова беше доволно за моторот да се врти до 20 илјади вртежи во минута, по што пластиката не издржа и роторот на моторот се распарчи, а магнетите беа расфрлани наоколу. Овој експеримент не инспирираше да создадеме полноправен мотор.
Неколку први прототипови
Откако го научив мислењето на аматерите радио контролирани модели, како задача избравме мотор за тркачки автомобилистандардна големина „540“, како најпопуларна. Овој мотор има димензии од 54 mm во должина и 36 mm во дијаметар.
Роторот на новиот мотор го направивме од еден неодимиумски магнет во форма на цилиндар. Магнетот беше залепен со епоксид на вратило обработено од челик за алат во пилот производствен капацитет.
Ние ласерски го исечевме статорот од збир на трансформаторски челични плочи со дебелина од 0,5 mm. Секоја плоча потоа беше внимателно обложена со лак и потоа готовиот статор беше залепен од околу 50 плочи. Плочите беа обложени со лак за да се избегнат кратки споеви меѓу нив и да се елиминираат загубите на енергија поради струите на Фуко што може да се појават во статорот.
Куќиштето на моторот беше направено од два алуминиумски делови во форма на контејнер. Статорот цврсто се вклопува во алуминиумското куќиште и добро се вклопува на ѕидовите. Овој дизајн обезбедува добро ладењемотор.
Мерење на перформансите
За да се постигне максимални карактеристикина нивниот развој, неопходно е да се изврши соодветна проценка и точно мерење на карактеристиките. За таа цел дизајниравме и составивме специјално дино.
Главниот елемент на штандот е тежок товар во форма на пакување. За време на мерењата, моторот го врти овој товар и аголна брзинаи забрзувањето, се пресметуваат излезната моќност и вртежниот момент на моторот.
За мерење на брзината на ротација на товарот, пар магнети на вратилото и магнетна дигитален сензор A3144 базиран на ефект на сала. Се разбира, би било можно да се измерат вртежи со импулси директно од намотките на моторот, бидејќи овој моторе синхроно. Сепак, опцијата со сензор е посигурна и ќе работи дури и при многу мали брзини, при што импулсите ќе бидат нечитливи.
Покрај револуциите, нашиот штанд е способен да мери уште неколку важни параметри:
- струја на напојување (до 30 А) со помош на струен сензор базиран на ефектот на сала ACS712;
- напон на напојување. Мерено директно преку ADC на микроконтролерот, преку делител на напон;
- температура внатре/надвор од моторот. Температурата се мери со користење на полупроводнички термички отпор;
Како резултат на тоа, нашиот штанд е способен да ги мери следните карактеристики на моторот во секое време:
- тековна потрошувачка;
- потрошен напон;
- потрошувачка на енергија;
- излезна моќност;
- вртежи на вратило;
- момент на вратило;
- моќта се губи во топлина;
- температура во внатрешноста на моторот.
Резултати од тестот
За да ги провериме перформансите на држачот, прво го тестиравме на конвенционален мотор со комутатор R540-6022. За овој мотор се познати доста параметри, но ова беше доволно за да се проценат резултатите од мерењето, кои се покажаа доста блиску до фабричките.Тогаш нашиот мотор беше тестиран. Секако, тој можеше да покаже подобра ефикасност (65% наспроти 45%) и во исто време поголем вртежен момент (1200 наспроти 250 g на cm) од конвенционалниот мотор. Мерењата на температурата исто така дадоа доволно добри резултати, за време на тестирањето моторот не се загреал над 80 степени.
Но, во моментов мерењата се уште не се конечни. Не можевме да го измериме моторот во целиот опсег на вртежи во минута поради ограничувањата на напојувањето. Исто така, мораме да го споредиме нашиот мотор со слични мотори од конкурентите и да го тестираме „во битка“, ставајќи го на трка радио контролиран автомобили се натпреваруваат.
Објавено на 19.03.2013 година
Со оваа статија започнувам серија публикации за DC мотори без четкички. На достапен јазикЌе опишам општи информации, уред, контролни алгоритми за мотор без четкички. Ќе се разгледува различни видовимотори, дадени се примери за избор на параметри на регулаторот. Ќе го опишам уредот и алгоритмот за работа на регулаторот, методот за избор на прекинувачи за напојување и главните параметри на регулаторот. Логичниот заклучок на публикациите ќе биде дијаграмот на регулаторот.
Моторите без четки станаа широко распространети поради развојот на електрониката, вклучително и појавата на евтини прекинувачи за напојување транзистори. Појавата на моќни неодимиумски магнети исто така одигра важна улога.
Сепак, моторот без четки не треба да се смета за нов производ. Идејата за мотор без четки датира од почетокот на електричната енергија. Но, поради недостапноста на технологијата, го чекаше своето време до 1962 година, кога се појави првиот комерцијален DC мотор без четкички. Оние. Повеќе од половина век има различни сериски имплементации на овој тип на електричен погон!
Некоја терминологија
Моторите со еднонасочна струја без четки се нарекуваат и мотори со вентили, во странска литература BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Синхрон мотор со постојан магнет).
Структурно, моторот без четкички се состои од ротор со постојани магнети и статор со намотки. Ви го обрнувам вниманието на фактот дека во мотор со комутатор, напротив, намотките се на роторот. Затоа, понатаму во текстот роторот е магнет, статорот е намотки.
За контрола на моторот се користи електронски гувернер. Во странската литература Speed Controller или ESC (Електронска контрола на брзината).
Што е мотор без четки?
Обично луѓето, кога се соочуваат со нешто ново, бараат аналогии. Понекогаш ги слушате фразите „добро, тоа е како синхронизирана машина“, или уште полошо, „изгледа како степер“. Бидејќи повеќето мотори без четкички се трифазни, ова додава дополнителна конфузија, што доведува до заблуда дека регулаторот го „храни“ моторот 3-фазна наизменична струја. Сето горенаведено е само делумно точно. Факт е дека сите мотори освен асинхрони може да се наречат синхрони. Сите DC мотори се самосинхронизирани мотори, но нивниот принцип на работа е различен од синхрони моторинаизменична струја, кои немаат самосинхронизација. Веројатно може да работи и како степер мотор без четкички. Но, тука е работата: може да лета и тула... иако не е далеку, бидејќи не е наменета за тоа. Како чекор моторПопогоден е мотор со прекинувач.
Ајде да се обидеме да откриеме што е DC мотор без четки (Brushles Direct Current Motor). Самата фраза веќе го содржи одговорот - тоа е DC мотор без комутатор. Функциите на колекторот ги врши електрониката.
Предности и недостатоци
Прилично сложена, тешка и искри единица која бара одржување е отстранета од структурата на моторот - колекторот. Дизајнот на моторот е значително поедноставен. Моторот е полесен и покомпактен. Загубите при префрлување се значително намалени како што се заменуваат контактите на комутаторот и четката електронски клучеви. Како резултат на тоа, добиваме електричен мотор со најдобра изведбаИндикатор за ефикасност и моќност по килограм мртва тежина, со најмногу широк опсегпромени во брзината на ротација. Во пракса, моторите без четка работат поладно од нивните четкани колеги. Носете големо оптоварување со вртежен момент. Употребата на моќни неодимиумски магнети ги направи моторите без четки уште покомпактни. Дизајнот на моторот без четки овозможува да се користи во вода и агресивни средини (се разбира, ќе биде многу скапо да се навлажни само моторот и регулаторот). Моторите без четки практично не создаваат радио пречки.
Единствениот недостаток се смета за сложена, скапа електронска контролна единица (регулатор или ESC). Меѓутоа, ако сакате да ја контролирате брзината на моторот, не можете без електроника. Ако не треба да ја контролирате брзината на моторот без четки, сè уште не можете без електронска контролна единица. Мотор без четкички без електроника е само парче хардвер. Не постои начин да се примени напон на него и да се постигне нормална ротација како другите мотори.
Што се случува во гувернер на мотор без четки?
За да разбереме што се случува во електрониката на регулаторот што го контролира моторот без четкички, да се вратиме малку назад и прво да разбереме како работи четканиот мотор. Од училишниот курс по физика се сеќаваме како магнетното поле дејствува на рамка со струја. Рамката што носи струја се ротира во магнетно поле. Во исто време, не се ротира постојано, туку се ротира во одредена положба. За да се појави континуирана ротација, треба да ја смените насоката на струјата во рамката во зависност од положбата на рамката. Во нашиот случај, рамката што носи струја е намотката на моторот, а префрлувањето го врши комутаторот, уред со четки и контакти. Структурата на наједноставниот мотор е прикажана на сликата.
Електрониката што го контролира моторот без четки го прави истото - во вистинските моменти поврзува постојан напон со потребните намотки на статорот.
Сензори за позиција, мотори без сензори
Од горенаведеното, важно е да се разбере дека напонот мора да се напојува на намотките на моторот во зависност од положбата на роторот. Затоа, електрониката мора да може да ја одреди позицијата на роторот на моторот . За ова се користат сензори за позиција. Тие може да бидат разни видови, оптички, магнетни итн. Во моментов, дискретните сензори базирани на ефектот Хол (на пример SS41) се многу чести. Трифазниот мотор без четкички користи 3 сензори. Благодарение на таквите сензори, електронската контролна единица секогаш знае во каква положба е роторот и на кои намотки да примени напон во секое време. Контролниот алгоритам за трифазен мотор без четкички ќе се дискутира подоцна.
Има мотори без четки кои немаат сензори. Кај таквите мотори, положбата на роторот се одредува со мерење на напонот на моментално неискористената намотка. Овие методи, исто така, ќе бидат разгледани подоцна. Треба да обрнете внимание на важна точка: овој метод е релевантен само кога моторот се ротира. Кога моторот не се ротира или ротира многу бавно, овој метод не функционира.
Во кои случаи се користат мотори без четкички со сензори, а во кои случаи се користат без сензори? Која е нивната разлика?
Повеќе се претпочитаат мотори со сензори за позиција техничка точкавизија. Алгоритмот за контрола на таквите мотори е многу поедноставен. Сепак, има и недостатоци: неопходно е да се обезбеди напојување на сензорите и да се постават жици од сензорите во моторот до контролната електроника; Ако еден од сензорите не успее, моторот престанува да работи, а заменувањето на сензорите обично бара расклопување на моторот.
Во случаи кога е структурно невозможно да се постават сензори во куќиштето на моторот, се користат мотори без сензори. Структурно, таквите мотори практично не се разликуваат од моторите со сензори. Но, електронската единица мора да може да го контролира моторот без сензори. Во овој случај, контролната единица мора да одговара на карактеристиките на специфичниот модел на моторот.
Ако моторот мора да започне со значително оптоварување на вратилото на моторот (електрични возила, механизми за подигнување итн.), се користат мотори со сензори.
Ако моторот стартува без оптоварување на вратилото (се користи вентилација, пропелер, центрифугална спојка итн.), може да се користат мотори без сензори. Запомнете: моторот без сензори за положба мора да стартува без оптоварување на вратилото. Ако овој услов не е исполнет, мора да се користи мотор со сензори. Дополнително, кога моторот стартува без сензори, можни се ротациони вибрации на оската на моторот во различни насоки. Ако ова е критично за вашиот систем, користете мотор со сензори.
Три фази
Купени трифазни мотори без четкички најголема дистрибуција. Но, тие можат да бидат една, две, три или повеќе фази. Колку повеќе фази, толку е помазна ротацијата на магнетното поле, но и покомплексен е системот за контрола на моторот. 3-фазниот систем е најоптимален во однос на односот на ефикасност/сложеност, поради што стана толку широко распространет. Понатаму, само трифазното коло ќе се смета како најзастапено. Всушност, фазите се намотките на моторот. Затоа, ако кажете „три-намотки“, мислам дека и тоа би било точно. Трите намотки се поврзани во конфигурација на ѕвезда или триаголник. Трифазен мотор без четкички има три жици - кабли за намотување, видете ја сликата.
Моторите со сензори имаат дополнителни 5 жици (2 напојување за сензорите за положба и 3 сигнали од сензорите).
Во трифазен систем, напонот се применува на две од трите намотки во кое било дадено време. Значи, постојат 6 опции за сервирање DC напонна намотките на моторот како што е прикажано на сликата подолу.
