Keď som začal vyvíjať riadiacu jednotku pre bezkomutátorový motor (kolesový motor), bolo veľa otázok o tom, ako porovnať skutočný motor s abstraktným obvodom troch vinutí a magnetov, na ktorých spravidla každý vysvetľuje princíp bezkomutátorového motora. ovládanie motorov.
Keď som implementoval riadenie Hallovými senzormi, stále som skutočne nechápal, čo sa deje v motore za abstraktnými tromi vinutiami a dvoma pólmi: prečo je 120 stupňov a prečo je riadiaci algoritmus úplne rovnaký.
Všetko zapadlo na svoje miesto, keď som začal chápať myšlienku bezsenzorového riadenia bezkomutátorového motora - pochopenie procesu prebiehajúceho v skutočnom kuse železa pomohlo vyvinúť hardvér a pochopiť riadiaci algoritmus.
Nižšie sa pokúsim opísať moju cestu k pochopeniu princípu ovládania bezkomutátorového jednosmerného motora.
Pre prevádzku bezkomutátorového motora je potrebné, aby konštantné magnetické pole rotora bolo unášané za rotujúce elektromagnetické pole statora, ako pri bežnom jednosmernom motore.
Otáčanie magnetického poľa statora sa vykonáva prepínaním vinutí pomocou elektronickej riadiacej jednotky.
Konštrukcia bezkomutátorového motora je podobná ako u synchrónneho motora, ak bezkomutátorový motor pripojíte na trojfázovú striedavú sieť, ktorá spĺňa elektrické parametre motora, bude fungovať.
Určitá komutácia vinutí bezkomutátorového motora umožňuje jeho ovládanie zo zdroja jednosmerného prúdu. Aby sme pochopili, ako vyrobiť komutačný stôl pre bezkomutátorový motor, je potrebné zvážiť riadenie synchrónneho stroja na striedavý prúd.
Synchrónny stroj
Synchrónny stroj je riadený z trojfázovej siete striedavého prúdu. Motor má 3 elektrické vinutia posunuté o 120 elektrických stupňov.
Po spustení trojfázového motora v režime generátora bude konštantné magnetické pole indukovať EMF na každom vinutí motora, vinutia motora sú rovnomerne rozložené, na každej z fáz sa indukuje sínusové napätie a tieto signály budú sa medzi sebou posunuli o 1/3 obdobia (obrázok 1). Tvar EMF sa mení podľa sínusového zákona, perióda sínusoidy je 2P (360), keďže sa zaoberáme elektrickými veličinami (EMF, napätie, prúd) budeme to nazývať elektrické stupne a periódu budeme merať v ich.
Keď sa na motor aplikuje trojfázové napätie, v každom okamihu bude na každom vinutí určitá sila prúdu.
Obrázok 1. Pohľad na signál trojfázového zdroja striedavého prúdu.
Každé vinutie generuje vektor magnetického poľa úmerný prúdu vo vinutí. Pridaním 3 vektorov získate výsledný vektor magnetického poľa. Keďže v priebehu času sa prúd vo vinutí motora mení podľa sínusového zákona, mení sa veľkosť vektora magnetického poľa každého vinutia a výsledný celkový vektor mení uhol natočenia, pričom veľkosť tohto vektora zostáva konštantná.
Obrázok 2. Jedna elektrická perióda trojfázového motora.
Obrázok 2 ukazuje jednu elektrickú periódu trojfázového motora, pre túto periódu sú označené 3 ľubovoľné momenty, aby sme do každého z týchto momentov postavili vektor magnetického poľa, odložíme túto periódu, 360 elektrických stupňov, na kruh. Umiestnite 3 vinutia motora navzájom posunuté o 120 elektrických stupňov (obrázok 3).
Obrázok 3. Moment 1. Vektory magnetického poľa každého vinutia (vľavo) a výsledný vektor magnetického poľa (vpravo).
Vektor magnetického poľa generovaného vinutím motora je vynesený pozdĺž každej z fáz. Smer vektora je určený smerom jednosmerného prúdu vo vinutí, ak je napätie aplikované na vinutie kladné, potom je vektor nasmerovaný v opačnom smere od vinutia, ak je negatívny, potom pozdĺž vinutia. Veľkosť vektora je úmerná veľkosti napätia na fáze v danom momente.
Na získanie výsledného vektora magnetického poľa je potrebné pridať vektorové dáta podľa zákona sčítania vektorov.
Konštrukcia je podobná pre druhý a tretí okamih času.
Obrázok 4. Moment 2. Vektory magnetického poľa každého vinutia (vľavo) a výsledný vektor magnetického poľa (vpravo).
Takže v priebehu času výsledný vektor plynulo mení svoj smer, Obrázok 5 zobrazuje výsledné vektory a zobrazuje úplnú rotáciu magnetického poľa statora za jednu elektrickú periódu.
Obrázok 5. Pohľad na rotujúce magnetické pole generované vinutiami na statore motora.
Za týmto vektorom elektrického magnetického poľa je magnetické pole permanentných magnetov rotora v každom okamihu unášané preč (obrázok 6).
Obrázok 6. Permanentný magnet (rotor) sleduje smer magnetického poľa generovaného statorom.
Takto funguje synchrónny AC stroj.
Pri zdroji jednosmerného prúdu je potrebné nezávisle vytvoriť jednu elektrickú periódu so zmenou smeru prúdu na troch vinutiach motora. Keďže konštrukcia bezkomutátorového motora je rovnaká ako synchrónneho motora, v režime generátora má totožné parametre, je potrebné vychádzať z obrázku 5, na ktorom je znázornené generované točivé magnetické pole.
Konštantný tlak
Jednosmerný zdroj má len 2 vodiče "plus power" a "minus power", čo znamená, že je možné napájať napätie len do dvoch z troch vinutí. Je potrebné aproximovať obrázok 5 a vybrať všetky momenty, v ktorých je možné pripojiť 2 fázy z troch.
Počet permutácií zo sady 3 je 6, preto existuje 6 možností pripojenia vinutí.
Ukážme si možné možnosti komutácií a vyberme postupnosť, v ktorej sa bude vektor otáčať krok za krokom ďalej, až kým nedosiahne koniec periódy a nezačne odznova.
Elektrická perióda sa bude počítať od prvého vektora.
Obrázok 7. Pohľad na šesť vektorov magnetického poľa, ktoré možno vytvoriť zo zdroja jednosmerného prúdu prepnutím dvoch z troch vinutí.
Obrázok 5 ukazuje, že pri riadení trojfázového sínusového napätia sa v priebehu času plynule otáča veľa vektorov a pri prepínaní jednosmerným prúdom je možné získať točivé pole iba 6 vektorov, to znamená prepnutie na ďalší krok. musí nastať každých 60 elektrických stupňov.
Výsledky z obrázku 7 sú zhrnuté v tabuľke 1.
Tabuľka 1. Výsledná postupnosť komutácií vinutí motora.
Pohľad na výsledný riadiaci signál v súlade s tabuľkou 1 je znázornený na obrázku 8. Kde -V je prepínanie na mínus zdroja (GND) a + V je prepínanie na plus zdroja.
Obrázok 8. Pohľad na riadiace signály z jednosmerného zdroja pre bezkomutátorový motor. Žltá - fáza W, modrá - U, červená - V.
Reálny obraz z fáz motora však bude podobný sínusovému signálu z obrázku 1. Signál má lichobežníkový tvar, pretože v momentoch, keď nie je pripojené vinutie motora, permanentné magnety rotora na ňom indukujú EMF. (Obrázok 9).
Obrázok 9. Pohľad na signál z vinutia bezkomutátorového motora v prevádzkovom režime.
Na osciloskope to vyzerá takto:
Obrázok 10. Pohľad z okna osciloskopu pri meraní jednej fázy motora.
Dizajnové prvky
Ako už bolo spomenuté, pre 6 prepnutí vinutí sa vytvorí jedna elektrická perióda 360 elektrických stupňov.
Toto obdobie je potrebné spojiť so skutočným uhlom natočenia rotora. Motory s jedným párom pólov a trojzubým statorom sa používajú zriedka, motory majú N párov pólov.
Obrázok 11 zobrazuje modely motora s jedným pólovým párom a dvoma pólovými pármi.
a. b.
Obrázok 11. Model motora s jedným (a) a dvoma (b) pólovými pármi.
Motor s dvoma pármi pólov má 6 vinutí, každé z vinutí je pár, každá skupina 3 vinutí je voči sebe posunutá o 120 elektrických stupňov. Obrázok 12b. oneskorená jedna perióda pre 6 vinutí. Vinutia U1-U2, V1-V2, W1-W2 sú vzájomne prepojené a v prevedení predstavujú 3 fázové výstupné vodiče. Kvôli jednoduchosti nie sú zobrazené pripojenia, ale nezabudnite, že U1-U2, V1-V2, W1-W2 sú rovnaké.
Obrázok 12, na základe údajov v tabuľke 1, znázorňuje vektory pre jeden a dva páry pólov.
a. b.
Obrázok 12. Schéma vektorov magnetického poľa pre motor s jedným (a) a dvoma (b) pólovými pármi.
Obrázok 13 ukazuje vektory vytvorené 6 komutáciami vinutia motora s jedným pólovým párom. Rotor pozostáva z permanentných magnetov, v 6 krokoch sa rotor otočí o 360 mechanických stupňov.
Na obrázku sú znázornené koncové polohy rotora, v intervaloch medzi dvoma susednými polohami sa rotor otáča z predchádzajúceho do nasledujúceho zapnutého stavu. Keď rotor dosiahne túto koncovú polohu, musí nastať ďalšie prepnutie a rotor bude smerovať do novej cieľovej polohy, takže jeho vektor magnetického poľa sa stane kosmerný s vektorom elektromagnetického poľa statora.
Obrázok 13. Koncové polohy rotora pre šesťstupňovú komutáciu bezkomutátorového motora s jedným pólovým párom.
V motoroch s N pármi pólov musí prejsť N elektrických periód na úplnú mechanickú otáčku.
Motor s dvoma pármi pólov bude mať dva magnety s pólmi S a N a 6 vinutí (obrázok 14). Každá skupina 3 vinutí je vzájomne posunutá o 120 elektrických stupňov.
Obrázok 14. Koncové polohy rotora v šesťstupňovej komutácii bezkomutátorového motora s dvoma pármi pólov.
Určenie polohy rotora bezkomutátorového motora
Ako už bolo spomenuté vyššie, aby motor fungoval, je potrebné v správnom čase pripojiť napätie k požadovaným statorovým vinutiam. Napätie musí byť privedené na vinutia motora v závislosti od polohy rotora tak, aby magnetické pole statora bolo vždy pred magnetickým poľom rotora. Na určenie polohy rotora motora a spínania vinutí sa používa elektronická riadiaca jednotka.
Sledovanie polohy rotora je možné niekoľkými spôsobmi:
1. Hallovými snímačmi
2. Späť EMF
Výrobcovia spravidla vybavujú motor Hallovými snímačmi pri uvedení na trh, takže ide o najbežnejší spôsob ovládania.
Prepínanie vinutí v súlade so spätnými EMF signálmi vám umožňuje opustiť senzory zabudované v motore a použiť analýzu voľnej fázy motora ako senzor, ktorý bude indukovaný spätným EMF magnetickým poľom.
Ovládanie bezkomutátorového motora Hallovým senzorom
Na prepínanie vinutí v správnych časoch je potrebné sledovať polohu rotora v elektrických stupňoch. Na to slúžia Hallove senzory.
Keďže existuje 6 stavov vektora magnetického poľa, sú potrebné 3 Hallove senzory, ktoré budú predstavovať jeden absolútny kodér s trojbitovým výstupom. Hallove snímače sú inštalované rovnakým spôsobom ako vinutia, navzájom posunuté o 120 elektrických stupňov. To umožňuje použitie magnetov rotora ako ovládacieho prvku snímača.
Obrázok 15. Signály z Hallových snímačov pre jednu elektrickú otáčku motora.
Na otáčanie motora je potrebné, aby magnetické pole statora bolo pred magnetickým poľom rotora, poloha, keď je vektor magnetického poľa rotora kosmerný s vektorom magnetického poľa statora, je pre danú komutáciu konečná, práve v tomto momente prepnutie na nasledujúcu kombináciu musí nastať, aby sa zabránilo vznášaniu rotora v stacionárnej polohe.
Porovnajme signály z Hallových snímačov s kombináciou fáz, ktoré je potrebné pripojiť (tabuľka 2)
Tabuľka 2. Porovnanie signálov Hallovho snímača s fázovou komutáciou motora.
| Poloha motora | 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 | + |
Pri rovnomernom otáčaní motora sa prijíma signál zo snímačov, posunutý o 1/6 periódy, 60 elektrických stupňov (obrázok 16).
Obrázok 16. Pohľad na signál z Hallových snímačov.
Späť EMF ovládanie
Existujú bezkomutátorové motory bez snímačov polohy. Stanovenie polohy rotora sa vykonáva analýzou signálu EMF vo voľnej fáze motora. V každom okamihu je „+“ pripojené k jednej z fáz k druhej „-“ napájacieho zdroja, jedna z fáz zostáva voľná. Rotujúce magnetické pole rotora indukuje EMF vo voľnom vinutí. Ako rotácia postupuje, napätie na voľnej fáze sa mení (obrázok 17).
Obrázok 17. Zmena napätia na fáze motora.
Signál z vinutia motora je rozdelený do 4 bodov:
1. Vinutie je pripojené k 0
2. Vinutie nie je pripojené (voľná fáza)
3. Vinutie je pripojené k napájaciemu napätiu
4. Vinutie nie je pripojené (voľná fáza)
Porovnaním signálu z fáz s riadiacim signálom je možné vidieť, že okamih prechodu do ďalšieho stavu možno zistiť prekrížením stredného bodu (polovica napájacieho napätia) s fázou, ktorá momentálne nie je pripojená (obr. 18).
Obrázok 18. Porovnanie riadiaceho signálu so signálom na fázach motora.
Po detekcii križovatky je potrebné dať pauzu a zapnúť ďalší stav. Podľa tohto obrázku je zostavený algoritmus na prepínanie stavov vinutí (tabuľka 3).
Tabuľka 3. Algoritmus prepínania vinutí motora
| Aktuálny stav | U | V | W | Ďalší stav |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Čaká sa na prechod stredom z + do - | 4 |
| 4 | + | Čaká sa na prekročenie stredu z - do + | - | 5 |
| 5 | Čaká sa na prechod stredom z + do - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Čaká sa na prekročenie stredu z - do + | 1 |
Stredný bod je najjednoduchšie detekovateľný komparátorom, jeden vstup komparátora je napájaný stredným napätím a druhý prúdovým fázovým napätím.
Obrázok 19. Detekcia stredného bodu komparátorom.
Komparátor sa spustí, keď napätie prekročí stredný bod a generuje signál pre mikrokontrolér.
Spracovanie signálu z fáz motora
Signál z fáz pri regulácii rýchlosti PWM sa však líši vzhľadom a má pulzný charakter (obrázok 21), v takomto signáli nie je možné zistiť priesečník so stredom.
Obrázok 20. Pohľad na fázový signál pri regulácii rýchlosti PWM.
Preto by mal byť tento signál filtrovaný RC filtrom, aby sa získala obálka, a tiež rozdelený podľa požiadaviek komparátora. So zvyšujúcim sa pracovným cyklom sa bude zvyšovať amplitúda signálu PWM (obrázok 22).
Obrázok 21. Schéma deliča a filtra signálu z fázy motora.
Obrázok 22. Obálka signálu pri zmene pracovného cyklu PWM.
Stredová schéma
Obrázok 23. Pohľad na virtuálny stred. Obrázok prevzatý z avislab.com/
Signály sa z fáz odstraňujú cez odpory obmedzujúce prúd a kombinujú sa, získa sa nasledujúci obrázok:
Obrázok 24. Pohľad na virtuálny oscilogram napätia stredného bodu.
Kvôli PWM nie je stredné napätie konštantné, signál musí byť tiež filtrovaný. Stredové napätie po vyhladení bude dostatočne veľké (v oblasti napájacieho napätia motora), treba ho deliť napäťovým deličom na hodnotu polovice napájacieho napätia.
Po prechode signálu cez filter sa oscilácie vyhladia a získa sa rovnomerné napätie, vzhľadom na ktoré je možné detegovať prechod spätného EMF.
Obrázok 26. Napätie za deličom a dolnopriepustným filtrom.
Stredný bod zmení svoju hodnotu v závislosti od napätia (pracovný cyklus PWM), ako aj od obálky signálu.
Prijaté signály z komparátorov sú privádzané do mikrokontroléra, ktorý ich spracováva podľa vyššie uvedeného algoritmu.
To je zatiaľ všetko.
Motory vo viacrotorových zariadeniach sú dvoch typov: kolektorové a bezkartáčové. Ich hlavný rozdiel je v tom, že v kolektorovom motore sú vinutia na rotore (rotujúca časť) a v bezkomutátorovom motore na statore. Bez toho, aby sme zachádzali do detailov, povedzme, že bezkomutátorový motor je vhodnejší ako kolektorový motor, pretože najviac vyhovuje požiadavkám, ktoré sú naň kladené. Preto sa tento článok zameria práve na tento typ motorov. Viac o rozdieloch medzi bezkomutátorovými a kefovými motormi si môžete prečítať v.
Napriek tomu, že motory BC sa začali používať relatívne nedávno, samotná myšlienka ich zariadenia sa objavila už dávno. Nástup tranzistorových spínačov a výkonných neodýmových magnetov však umožnil ich komerčné využitie.
Zariadenie BK - motory
Konštrukcia bezkomutátorového motora pozostáva z rotora, na ktorom sú upevnené magnety a statora, na ktorom sú umiestnené vinutia. Práve podľa relatívnej polohy týchto komponentov sa motory BC delia na inrunner a outrunner.
Vo viacrotorových systémoch sa častejšie používa schéma Outrunner, pretože umožňuje dosiahnuť najvyšší krútiaci moment.
Výhody a nevýhody motorov BC
výhody:
- Zjednodušená konštrukcia motora v dôsledku vylúčenia kolektora z neho.
- Vyššia účinnosť.
- Dobré chladenie
- Motory BK môžu bežať vo vode! Netreba však zabúdať, že vplyvom vody sa na mechanických častiach motora môže vytvoriť hrdza, ktorá po čase praskne. Aby sa predišlo takýmto situáciám, odporúča sa ošetriť motory vodoodpudivým mazivom.
- Najnižšie RFI
mínusy:
Z mínusov možno poznamenať len nemožnosť použitia týchto motorov bez ESC (regulátorov otáčok). To trochu komplikuje dizajn a robí BC motory drahšími ako kolektorové motory. Ak je však prioritným parametrom zložitosť konštrukcie, potom existujú motory BC so zabudovanými regulátormi otáčok.
Ako si vybrať motory pre vašu helikoptéru?
Pri výbere bezkomutátorových motorov by ste mali venovať pozornosť predovšetkým nasledujúcim charakteristikám:
- Maximálny prúd - táto charakteristika ukazuje, aký maximálny prúd znesie vinutie motora v krátkom čase. Ak sa tento čas prekročí, potom je zlyhanie motora nevyhnutné. Tento parameter ovplyvňuje aj výber ESC.
- Maximálne napätie - rovnako ako maximálny prúd, ukazuje, aké napätie môže byť privedené na vinutie na krátku dobu.
- KV je počet otáčok motora na volt. Pretože tento indikátor priamo závisí od zaťaženia hriadeľa motora, je uvedený pre prípad, keď nie je zaťaženie.
- Odpor - účinnosť motora závisí od odporu. Preto čím nižší odpor, tým lepšie.
Bezkartáčové motory
Bezuhlíkové elektromotory prišli do modelovania relatívne nedávno, v posledných 5-7 rokoch. Na rozdiel od kolektorových motorov sú napájané trojfázovým striedavým prúdom. Bezuhlíkové motory pracujú efektívne v širšom rozsahu otáčok a sú efektívnejšie. Konštrukcia motora je jednoduchšia, odpadá montáž kefy a nie je potrebná údržba. Dá sa povedať, že bezkomutátorové motory sa prakticky neopotrebúvajú. Náklady na bezkomutátorové motory sú o niečo vyššie ako na kartáčované. Je to spôsobené tým, že všetky bezkomutátorové motory sú vybavené ložiskami a spravidla sú kvalitnejšie. Aj keď cenový rozdiel medzi dobrým brúseným motorom a bezkomutátorovým motorom rovnakej triedy nie je taký veľký.
Podľa návrhu sú bezkomutátorové motory rozdelené do dvoch skupín: inrunner (vyslovuje sa "inrunner") a outrunner (vyslovuje sa "outrunner"). Motory prvej skupiny majú vinutia umiestnené pozdĺž vnútorného povrchu krytu a magnetický rotor rotujúci vo vnútri. Motory druhej skupiny - "outrunners", majú vo vnútri motora pevné vinutia, okolo ktorých sa otáča teleso s permanentnými magnetmi umiestnenými na jeho vnútornej stene. Počet pólov magnetov používaných v bezkomutátorových motoroch sa môže líšiť. Podľa počtu pólov môžete posúdiť krútiaci moment a rýchlosť motora. Motory s dvojpólovými rotormi majú najvyššiu rýchlosť otáčania s najnižším krútiacim momentom. Podľa návrhu môžu byť tieto motory iba "internovými". Tieto motory sa často predávajú s už namontovanými planétovými prevodovkami, pretože ich otáčky sú príliš vysoké na to, aby sa vrtuľa mohla otáčať priamo. Niekedy sa takéto motory používajú bez prevodovky - napríklad sa dávajú na pretekárske modely lietadiel. Motory s viacerými pólmi majú nižšiu rýchlosť otáčania, ale vyšší krútiaci moment. Tieto motory umožňujú použitie vrtúľ s veľkým priemerom bez potreby prevodoviek. Vo všeobecnosti vrtule s malým priemerom a malým stúpaním pri relatívne nízkych otáčkach poskytujú veľký ťah, ale dávajú modelu nízku rýchlosť, zatiaľ čo vrtule s malým priemerom s veľkým stúpaním pri vysokých otáčkach poskytujú vysokú rýchlosť s relatívne malým ťahom. Viacpólové motory sú teda ideálne pre modely, ktoré potrebujú vysoký pomer ťahu a hmotnosti, a bipolárne bez prevodov sú ideálne pre vysokorýchlostné modely. Pre presnejší výber motora a vrtule pre konkrétny model môžete použiť špeciálny program MotoCalc.
Keďže bezkomutátorové motory sú napájané striedavým prúdom, na prevádzku potrebujú špeciálny ovládač (regulátor), ktorý premieňa jednosmerný prúd z batérií na striedavý. Regulátory pre bezkomutátorové motory sú programovateľné zariadenia, ktoré umožňujú sledovať všetky dôležité parametre motora. Umožňujú nielen meniť otáčky a smer chodu motora, ale podľa potreby zabezpečiť aj plynulý alebo prudký rozbeh, obmedzenie maximálneho prúdu, funkciu „brzdy“ a množstvo ďalších jemných nastavení motora pre potreby motorového vozidla. modelár. Na programovanie regulátora sa používajú zariadenia na pripojenie k počítaču alebo v teréne pomocou vysielača a špeciálnej prepojky.
Existuje veľa výrobcov bezkomutátorových motorov a regulátorov pre nich. Bezuhlíkové motory sa tiež veľmi líšia v dizajne a veľkosti. Navyše vlastná výroba bezkomutátorových motorov na základe dielov z CD mechaník a iných priemyselných bezkomutátorových motorov sa v posledných rokoch stala celkom bežnou. Možno z tohto dôvodu dnes bezkomutátorové motory nemajú ani takú približnú všeobecnú klasifikáciu ako ich kartáčované náprotivky. Poďme si to v krátkosti zhrnúť. Dnes sa brúsené motory väčšinou používajú na lacných hobby modeloch alebo na základných športových modeloch. Tieto motory sú lacné, ľahko ovládateľné a stále predstavujú najbežnejší typ elektromotora v modeli. Nahrádzajú ich bezkomutátorové motory. Jediným obmedzujúcim faktorom je stále ich cena. Spolu s regulátorom stojí bezkomutátorový motor o 30-70% viac. Ceny elektroniky a motorov však klesajú a je len otázkou času, kedy dôjde k postupnému vytlačeniu zberateľských motorov z modelárskeho priemyslu.
AVR492: Bezuhlíkové ovládanie jednosmerného motora s AT90PWM3
Charakteristické rysy:
- Všeobecné informácie o BLDC motore
- Používa ovládač výkonového stupňa
- Implementácia hardvéru
- Vzorový kód programu
Úvod
Táto aplikačná poznámka popisuje, ako implementovať bezkomutátorový regulátor jednosmerného motora (BLDC motor) pomocou snímačov polohy založených na mikrokontroléri AT90PWM3 AVR.
Vysokovýkonné jadro mikrokontroléra AVR, ktoré obsahuje regulátor výkonového stupňa, umožňuje implementáciu zariadenia na riadenie vysokorýchlostného bezkomutátorového jednosmerného motora.
Tento dokument stručne popisuje princíp činnosti bezkomutátorového jednosmerného motora, podrobne popisuje ovládanie BLDC motora v dotykovom režime a tiež popisuje schematický diagram referenčného dizajnu ATAVRMC100, na ktorom je založená táto aplikačná poznámka.
Diskutuje sa aj o softvérovej implementácii so softvérovo implementovanou regulačnou slučkou založenou na PID regulátore. Na riadenie spínacieho procesu sa predpokladá, že sa použijú iba snímače polohy založené na Hallovom jave.
Princíp fungovania
Oblasti použitia BLDC motorov sa neustále rozširujú, čo je spojené s množstvom ich výhod:
- Absencia zostavy rozdeľovača, čo zjednodušuje alebo dokonca eliminuje údržbu.
- Vytvára nižšie úrovne akustického a elektrického hluku ako univerzálne kartáčované jednosmerné motory.
- Schopnosť pracovať v nebezpečnom prostredí (s horľavými produktmi).
- Dobrý pomer hmotnostných a rozmerových vlastností a výkonu...
Motory tohto typu sa vyznačujú malou zotrvačnosťou rotora, pretože vinutia sú umiestnené na statore. Prepínanie je elektronicky riadené. Spínacie momenty sú určené buď informáciami zo snímačov polohy, alebo meraním spätného emf generovaného vinutiami.
Pri riadení pomocou snímačov sa BLDC motor zvyčajne skladá z troch hlavných častí: stator, rotor a Hallove snímače.
Stator klasického trojfázového BLDC motora obsahuje tri vinutia. V mnohých motoroch sú vinutia rozdelené do niekoľkých sekcií, aby sa znížilo zvlnenie krútiaceho momentu.
Obrázok 1 znázorňuje ekvivalentný obvod elektrického statora. Skladá sa z troch vinutí, z ktorých každé obsahuje tri prvky zapojené do série: indukčnosť, odpor a spätné emf.
Obrázok 1. Elektrický obvod ekvivalentu statora (tri fázy, tri vinutia)
Rotor motora BLDC pozostáva z párneho počtu permanentných magnetov. Počet magnetických pólov v rotore tiež ovplyvňuje veľkosť stúpania a zvlnenie krútiaceho momentu. Čím väčší je počet pólov, tým menšie je stúpanie otáčania a tým menšie je zvlnenie krútiaceho momentu. Je možné použiť permanentné magnety s 1..5 pólovým párom. V niektorých prípadoch sa počet pólových párov zvýši na 8 (obrázok 2).
Obrázok 2. Stator a rotor trojfázového BLDC motora s tromi vinutiami
Vinutia sú napevno nainštalované a magnet sa otáča. Rotor BLDC motora sa vyznačuje nižšou hmotnosťou v porovnaní s rotorom bežného univerzálneho jednosmerného motora, v ktorom sú vinutia umiestnené na rotore.
Hallov senzor
V kryte motora sú zabudované tri Hallove senzory na vyhodnotenie polohy rotora. Senzory sú inštalované pod uhlom 120° voči sebe. Pomocou týchto snímačov je možné vykonať 6 rôznych spínaní.
Prepínanie fáz závisí od stavu Hallových snímačov.
Prívod napájacích napätí do vinutí sa mení po zmene stavov výstupov Hallových snímačov. Keď je synchronizovaná komutácia vykonaná správne, krútiaci moment zostáva približne konštantný a vysoký.
Obrázok 3. Signály z Hallových snímačov počas otáčania
Prepínanie fáz
Pre účely zjednodušeného popisu činnosti trojfázového BLDC motora budeme uvažovať iba o jeho verzii s tromi vinutiami. Ako je uvedené vyššie, prepínanie fáz závisí od výstupných hodnôt Hallových senzorov. Keď je napätie správne privedené na vinutia motora, vytvorí sa magnetické pole a spustí sa rotácia. Najbežnejšou a najjednoduchšou metódou ovládania spínania používanou na ovládanie BLDC motorov je obvod zapnutia a vypnutia, kde je vinutie buď vodivé alebo nie. Naraz môžu byť napájané iba dve vinutia a tretie zostáva vypnuté. Pripojenie vinutí k napájacím koľajniciam spôsobí tok elektrického prúdu. Táto metóda sa nazýva lichobežníkové prepínanie alebo prepínanie blokov.
Na ovládanie BLDC motora sa používa výkonový stupeň, pozostávajúci z 3 polovičných mostíkov. Schéma výkonového stupňa je znázornená na obrázku 4.
Obrázok 4. Výkonový stupeň
Podľa načítaných hodnôt Hallových senzorov sa určuje, ktoré kľúče by mali byť zatvorené.
V tomto článku by sme chceli hovoriť o tom, ako sme vytvorili elektrický motor od nuly: od nápadu a prvého prototypu až po plnohodnotný motor, ktorý prešiel všetkými testami. Ak sa vám tento článok zdá zaujímavý, samostatne vám podrobnejšie povieme o fázach našej práce, ktoré vás najviac zaujímajú.
Na obrázku zľava doprava: rotor, stator, čiastočná zostava motora, zostava motora
Úvod
Elektromotory sa objavili pred viac ako 150 rokmi, ale počas tejto doby ich konštrukcia neprešla žiadnymi významnými zmenami: rotujúci rotor, medené vinutia statora, ložiská. V priebehu rokov došlo len k zníženiu hmotnosti elektromotorov, zvýšeniu účinnosti, ako aj presnosti regulácie otáčok.Dnes, vďaka vývoju modernej elektroniky a vzniku silných magnetov na báze kovov vzácnych zemín, je možné vytvárať výkonnejšie a zároveň kompaktnejšie a ľahšie "Brushless" elektromotory. Zároveň sú to vďaka jednoduchosti ich dizajnu najspoľahlivejšie elektromotory, aké boli kedy vytvorené. Vytvorenie takéhoto motora sa bude diskutovať v tomto článku.
Popis motora
V "Brushless motors" nie je žiadny prvok "Brushes" známy každému z demontáže elektrického náradia, ktorého úlohou je prenášať prúd do vinutia rotujúceho rotora. V bezkomutátorových motoroch je prúd privádzaný do vinutí nepohyblivého statora, ktorý vytváraním magnetického poľa striedavo na svojich jednotlivých póloch roztáča rotor, na ktorom sú upevnené magnety.Prvý takýto motor sme 3D vytlačili ako experiment. Namiesto špeciálnych platní z elektroocele sme na skriňu rotora a jadro statora použili obyčajný plast, na ktorý bola navinutá medená cievka. Na rotore boli upevnené neodýmové magnety obdĺžnikového prierezu. Prirodzene, takýto motor nebol schopný dodať maximálny výkon. To však stačilo na to, aby sa motor roztočil do 20k otáčok, po ktorých plast nevydržal a rotor motora praskol a magnety boli porozhadzované. Tento experiment nás podnietil k vytvoreniu plnohodnotného motora.
Prvých pár prototypov
Po zistení názoru fanúšikov rádiom riadených modelov sme ako úlohu vybrali motor pre pretekárske autá štandardnej veľkosti „540“ ako najžiadanejší. Tento motor má rozmery 54 mm na dĺžku a 36 mm v priemere.
Rotor nového motora sme vyrobili z jedného neodýmového magnetu v tvare valca. V poloprevádzkovej výrobe bol na hriadeľ vyrobený z nástrojovej ocele prilepený epoxidový magnet.
Stator sme vyrezali laserom zo sady plechov z transformátorovej ocele hrúbky 0,5 mm. Každá platňa bola potom starostlivo nalakovaná a následne z cca 50 platní zlepený hotový stator. Dosky boli pokryté lakom, aby sa zabránilo skratu medzi nimi a aby sa vylúčili straty energie spôsobené Foucaultovými prúdmi, ktoré by mohli vzniknúť v statore.
Skriňa motora bola vyrobená z dvoch hliníkových častí v tvare nádoby. Stator tesne zapadá do hliníkového krytu a dobre priľne k stenám. Tento dizajn poskytuje dobré chladenie motora.
Meranie charakteristík
Ak chcete maximalizovať výkon svojich návrhov, musíte výkon primerane vyhodnotiť a presne merať. Na tento účel sme navrhli a zmontovali špeciálny dynamo.
Hlavným prvkom stojana je ťažký náklad vo forme podložky. Počas meraní motor roztočí danú záťaž a z uhlovej rýchlosti a zrýchlenia sa vypočíta výstupný výkon a krútiaci moment motora.
Na meranie rýchlosti otáčania záťaže slúži dvojica magnetov na hriadeli a digitálny magnetický snímač A3144 na báze hallovho efektu. Samozrejme, bolo by možné merať otáčky impulzmi priamo z vinutia motora, keďže tento motor je synchrónny. Verzia so snímačom je však spoľahlivejšia a bude fungovať aj pri veľmi nízkych otáčkach, pri ktorých budú impulzy nečitateľné.
Okrem otáčok je náš stojan schopný merať ešte niekoľko dôležitých parametrov:
- napájací prúd (do 30A) pomocou prúdového snímača založeného na hallovom efekte ACS712;
- napájacie napätie. Merané priamo cez ADC mikrokontroléra, cez delič napätia;
- teplota vnútri / vonku motora. Teplota sa meria pomocou polovodičového termistora;
Výsledkom je, že naša skúšobná stolica je schopná kedykoľvek zmerať nasledujúce charakteristiky motora:
- spotrebovaný prúd;
- spotrebované napätie;
- spotreba energie;
- výstupný výkon;
- otáčky hriadeľa;
- moment na hriadeli;
- energia prechádzajúca do tepla;
- teplota vo vnútri motora.
Výsledky testu
Aby sme otestovali výkon stojana, najprv sme ho otestovali na bežnom kolektorovom motore R540-6022. O parametroch tohto motora sa vie len málo, no stačilo to na vyhodnotenie výsledkov meraní, ktoré sa ukázali byť dostatočne blízke tým továrenským.Potom bol testovaný náš motor. Prirodzene dokázal vykázať lepšiu účinnosť (65 % oproti 45 %) a zároveň väčší krútiaci moment (1200 oproti 250 g/cm) ako bežný motor. Celkom dobré výsledky priniesli aj merania teplôt, motor sa počas testovania nezohrieval nad 80 stupňov.
Momentálne však merania ešte nie sú definitívne. Z dôvodu obmedzenia napájania sa nám nepodarilo zmerať motor v celom rozsahu otáčok. Budeme tiež musieť porovnať náš motor s podobnými motormi konkurentov a otestovať ho „v boji“ nasadením na rádiom riadené pretekárske auto a zúčastniť sa súťaží.
Zverejnené dňa 19.03.2013
Týmto článkom začínam sériu publikácií o bezkomutátorových jednosmerných motoroch. V prístupnom jazyku popíšem všeobecné informácie, zariadenie, riadiace algoritmy pre bezkomutátorový motor. Zvážia sa rôzne typy motorov, uvedú sa príklady výberu parametrov regulátora. Popíšem zariadenie a algoritmus regulátora, spôsob výberu výkonových spínačov a hlavné parametre regulátora. Logickým záverom publikácií bude schéma regulátora.
Bezkomutátorové motory sa rozšírili v dôsledku vývoja elektroniky a najmä v dôsledku objavenia sa lacných výkonových tranzistorových spínačov. Dôležitú úlohu zohral aj vznik silných neodýmových magnetov.
Bezkomutátorový motor však netreba považovať za novinku. Myšlienka bezkomutátorového motora pochádza z počiatkov elektriny. Ale kvôli nedostupnosti technológie čakal až do roku 1962, kedy sa objavil prvý komerčný bezkomutátorový jednosmerný motor. Tie. Už viac ako pol storočia existujú rôzne sériové implementácie tohto typu elektrického pohonu!
Trochu terminológie
Bezkomutátorové jednosmerné motory sa nazývajú aj ventilové motory, v zahraničnej literatúre BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) alebo PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Konštrukčne sa bezkomutátorový motor skladá z rotora s permanentným magnetom a statora s vinutiami. Upozorňujem na skutočnosť, že v kolektorovom motore sú naopak vinutia na rotore. Preto, ďalej v texte, rotor sú magnety, stator sú vinutia.
Na ovládanie motora sa používa elektronický regulátor. V zahraničnej literatúre Speed Controller alebo ESC (Electronic speed control).
Čo je to bezkomutátorový motor?
Keď ľudia čelia niečomu novému, zvyčajne hľadajú analógie. Niekedy musíte počuť frázy „no, je to ako synchro“, alebo ešte horšie, „vyzerá to ako krok“. Pretože väčšina bezkomutátorových motorov je trojfázových, je to ešte mätúce, čo vedie k mylnej predstave, že regulátor „napája“ motor 3-fázovým striedavým prúdom. Všetko vyššie uvedené je pravda len čiastočne. Faktom je, že všetky motory, okrem asynchrónnych, možno nazvať synchrónne. Všetky jednosmerné motory sú samosynchronizačné synchrónne motory, ale ich princíp činnosti je odlišný od striedavých synchrónnych motorov, ktoré nie sú samosynchronizované. Ako bezkomutátorový krokový motor bude pravdepodobne tiež fungovať. Ale ide o to: tehla, tá vie aj lietať...aj keď nie ďaleko, lebo na to nie je určená. Ako krokový motor je vhodnejší bezkomutátorový prúdový motor.
Pokúsme sa zistiť, čo je to Brushles DC Motor. Práve v tejto fráze je odpoveď už pokrytá - ide o jednosmerný motor bez kolektora. Funkcie kolektora sú vykonávané elektronikou.
Výhody a nevýhody
Z konštrukcie motora je odstránená pomerne zložitá, ťažká a iskrivá zostava - kolektor. Konštrukcia motora je výrazne zjednodušená. Motor je ľahší a kompaktnejší. Spínacie straty sú výrazne znížené, pretože kontakty kolektora a kefy sú nahradené elektronickými kľúčmi. Výsledkom je elektromotor s najlepšou účinnosťou a výkonom na kilogram vlastnej hmotnosti s najširším rozsahom variácií otáčok. V praxi bezkomutátorové motory bežia chladnejšie ako ich kartáčované náprotivky. Prenášajú veľké zaťaženie krútiaceho momentu. Použitie silných neodýmových magnetov spôsobilo, že bezkomutátorové motory sú ešte kompaktnejšie. Konštrukcia bezkomutátorového motora umožňuje prevádzku vo vode a agresívnom prostredí (samozrejme len motor, regulátor bude veľmi drahý na mokro). Bezuhlíkové motory negenerujú prakticky žiadne rádiové rušenie.
Jedinou nevýhodou je zložitá a drahá elektronická riadiaca jednotka (regulátor alebo ESC). Ak však chcete regulovať otáčky motora, bez elektroniky sa nezaobídete. Ak nepotrebujete regulovať otáčky bezkomutátorového motora, stále sa nezaobídete bez elektronickej riadiacej jednotky. Bezkomutátorový motor bez elektroniky je len kus hardvéru. Neexistuje spôsob, ako naň priviesť napätie a dosiahnuť normálnu rotáciu ako iné motory.
Čo sa stane v bezkomutátorovom regulátore motora?
Aby sme pochopili, čo sa deje v elektronike regulátora, ktorý riadi bezkomutátorový motor, vráťme sa trochu späť a najprv pochopíme, ako funguje komutátorový motor. Zo školského kurzu fyziky si pamätáme, ako magnetické pole pôsobí na rám s prúdom. Rám s prúdom sa otáča v magnetickom poli. Navyše sa neotáča neustále, ale otáča sa do určitej polohy. Aby došlo k plynulému otáčaniu, je potrebné prepnúť smer prúdu v ráme v závislosti od polohy rámu. V našom prípade je rám s prúdom vinutie motora a komutátor je zapojený do spínania - zariadenie s kefami a kontaktmi. Zariadenie najjednoduchšieho motora, pozri obrázok.
To isté robí elektronika, ktorá riadi bezkomutátorový motor - v správnych momentoch pripája konštantné napätie na požadované vinutia statora.
Snímače polohy, motory bez snímačov
Z vyššie uvedeného je dôležité pochopiť, že napätie musí byť aplikované na vinutia motora v závislosti od polohy rotora. Preto musí byť elektronika schopná určiť polohu rotora motora. . Na tento účel sa používajú snímače polohy. Môžu byť rôzneho typu, optické, magnetické atď. V súčasnosti sú veľmi bežné diskrétne snímače Hallovho efektu (napr. SS41). 3-fázový bezkomutátorový motor využíva 3 senzory. Vďaka takýmto snímačom elektronická riadiaca jednotka vždy vie, v akej polohe sa rotor nachádza a na ktoré vinutia má v danom čase priviesť napätie. Neskôr sa zváži riadiaci algoritmus pre trojfázový bezkomutátorový motor.
Existujú bezkomutátorové motory, ktoré nemajú senzory. V takýchto motoroch je poloha rotora určená meraním napätia na nepoužitom vinutí v danom čase. O týchto metódach sa bude diskutovať neskôr. Mali by ste venovať pozornosť základnému bodu: táto metóda je relevantná iba vtedy, keď sa motor otáča. Keď sa motor netočí alebo sa točí veľmi pomaly, táto metóda nefunguje.
V akých prípadoch sa používajú bezkomutátorové motory so snímačmi a v ktorých bez snímačov? Aký je medzi nimi rozdiel?
Motory s kódovačmi sú technicky výhodnejšie. Riadiaci algoritmus pre takéto motory je oveľa jednoduchší. Existujú však aj nevýhody: je potrebné zabezpečiť napájanie snímačov a kabeláž zo snímačov v motore do riadiacej elektroniky; v prípade poruchy jedného zo snímačov motor prestane fungovať a výmena snímačov si spravidla vyžaduje demontáž motora.
V prípadoch, keď je konštrukčne nemožné umiestniť snímače do krytu motora, sa používajú motory bez snímačov. Štrukturálne sa takéto motory prakticky nelíšia od motorov so snímačmi. Elektronická jednotka však musí byť schopná riadiť motor bez senzorov. V tomto prípade musí riadiaca jednotka zodpovedať charakteristikám konkrétneho modelu motora.
Ak sa motor musí naštartovať so značným zaťažením hriadeľa motora (elektrické vozidlá, zdvíhacie mechanizmy a pod.), používajú sa motory so snímačmi.
Ak motor štartuje bez zaťaženia hriadeľa (vetranie, vrtuľa, odstredivá spojka atď.), možno použiť motory bez snímačov. Pamätajte: motor bez snímačov polohy sa musí spustiť bez zaťaženia hriadeľa. Ak táto podmienka nie je splnená, mal by sa použiť motor so snímačmi. Navyše v momente štartovania motora bez snímačov sú možné rotačné oscilácie osi motora v rôznych smeroch. Ak je to pre váš systém kritické, použite motor so snímačmi.
Tri fázy
Najrozšírenejšie sa stali trojfázové bezkomutátorové motory. Ale môžu byť jedno, dvoj, troj alebo viacfázové. Čím viac fáz, tým plynulejšia rotácia magnetického poľa, ale aj zložitejší systém riadenia motora. 3-fázový systém je najoptimálnejší z hľadiska pomeru účinnosti / zložitosti, a preto sa tak rozšíril. Ďalej sa bude brať do úvahy iba trojfázová schéma ako najbežnejšia. V skutočnosti sú fázami vinutia motora. Preto, ak poviete "trojvinutie", myslím, že to bude tiež správne. Tri vinutia sú zapojené do hviezdy alebo trojuholníka. Trojfázový bezkomutátorový motor má tri vodiče - vodiče vinutia, pozri obrázok.
Motory s enkodérmi majú ďalších 5 vodičov (2-napájanie snímačov polohy a 3 signály zo snímačov).
V trojfázovom systéme je napätie aplikované na dve z troch vinutí v akomkoľvek danom čase. Existuje teda 6 možností na dodávanie jednosmerného napätia do vinutí motora, ako je znázornené na obrázku nižšie.
