เมื่อฉันเริ่มพัฒนาหน่วยควบคุมมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน (มอเตอร์ล้อ) มีคำถามมากมายเกี่ยวกับวิธีการจับคู่ เครื่องยนต์จริงด้วยแผนภาพนามธรรมของขดลวดและแม่เหล็กสามเส้นซึ่งตามกฎแล้วทุกคนจะอธิบายหลักการควบคุม มอเตอร์สับเปลี่ยน.

เมื่อฉันใช้การควบคุมโดยใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์ ฉันยังคงไม่เข้าใจจริงๆ ว่าเกิดอะไรขึ้นในเครื่องยนต์ นอกเหนือจากขดลวดสามเส้นและสองขั้วที่เป็นนามธรรม: ทำไมจึงเป็น 120 องศา และเหตุใดอัลกอริธึมควบคุมจึงเป็นอย่างนั้น

ทุกอย่างเข้าที่เมื่อฉันเริ่มเข้าใจแนวคิดของการควบคุมมอเตอร์แบบไม่มีเซ็นเซอร์ - การทำความเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นในฮาร์ดแวร์จริงช่วยในการพัฒนาฮาร์ดแวร์และเข้าใจอัลกอริธึมการควบคุม

ด้านล่างนี้ ฉันจะพยายามอธิบายเส้นทางของฉันในการทำความเข้าใจหลักการควบคุมมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน กระแสตรง.

เพื่อให้มอเตอร์ไร้แปรงถ่านทำงานได้ จำเป็นต้องกักสนามแม่เหล็กคงที่ของโรเตอร์ไว้ด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำลังหมุนของสเตเตอร์ เช่นเดียวกับในมอเตอร์กระแสตรงทั่วไป

การหมุนของสนามแม่เหล็กสเตเตอร์ทำได้โดยการสลับขดลวดโดยใช้ชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์
การออกแบบมอเตอร์ไร้แปรงถ่านนั้นคล้ายคลึงกับการออกแบบของ มอเตอร์ซิงโครนัสหากคุณเชื่อมต่อมอเตอร์ไร้แปรงถ่านเข้ากับเครือข่ายไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสที่ตรงกับพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของมอเตอร์ มอเตอร์ก็จะทำงาน

การสลับขดลวดของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านทำให้สามารถควบคุมจากแหล่งจ่ายกระแสตรงได้ เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีสร้างตารางสับเปลี่ยนสำหรับมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน คุณจำเป็นต้องพิจารณาการควบคุมเครื่องซิงโครนัสแบบไฟฟ้ากระแสสลับ

เครื่องซิงโครนัส
เครื่องซิงโครนัสถูกควบคุมจากเครือข่ายกระแสสลับสามเฟส มอเตอร์มีขดลวดไฟฟ้า 3 เส้น ชดเชยด้วย 120 องศาไฟฟ้า

เมื่อสตาร์ทมอเตอร์สามเฟสในโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สนามแม่เหล็กคงที่จะเหนี่ยวนำให้เกิด EMF บนขดลวดมอเตอร์แต่ละเส้น ขดลวดมอเตอร์มีการกระจายเท่าๆ กัน แรงดันไฟฟ้าไซน์ซอยด์จะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดในแต่ละเฟส และสัญญาณเหล่านี้จะถูกเลื่อน กันเองภายใน 1/3 ของงวด (ภาพที่ 1) รูปร่างของ EMF เปลี่ยนแปลงไปตามกฎไซน์ซอยด์ คาบของไซนัสอยด์คือ 2P (360) เนื่องจากเรากำลังเผชิญกับปริมาณไฟฟ้า (EMF, แรงดัน, กระแส) เราเรียกมันว่าองศาไฟฟ้าและวัดคาบในพวกมัน

เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าสามเฟสให้กับมอเตอร์ ในแต่ละช่วงเวลาจะมีค่ากระแสที่แน่นอนในแต่ละขดลวด

รูปที่ 1 รูปคลื่นของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส

การม้วนแต่ละครั้งจะสร้างเวกเตอร์สนามแม่เหล็กตามสัดส่วนของกระแสในขดลวด เมื่อเพิ่มเวกเตอร์ 3 ตัว คุณจะได้เวกเตอร์สนามแม่เหล็กที่ได้ เนื่องจากเมื่อเวลาผ่านไป กระแสในขดลวดมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามกฎไซน์ซอยด์ ขนาดของเวกเตอร์สนามแม่เหล็กของแต่ละขดลวดจะเปลี่ยนไป และเวกเตอร์รวมที่ได้จะเปลี่ยนมุมการหมุน ในขณะที่ขนาดของเวกเตอร์นี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

รูปที่ 2 ระยะเวลาทางไฟฟ้าหนึ่งช่วงของมอเตอร์สามเฟส

รูปที่ 2 แสดงคาบไฟฟ้าหนึ่งคาบของมอเตอร์สามเฟส โดยระบุโมเมนต์ 3 โมเมนต์ตามอำเภอใจในช่วงเวลานี้ เพื่อสร้างเวกเตอร์สนามแม่เหล็กในแต่ละโมเมนต์ เราจะพล็อตคาบนี้ 360 องศาทางไฟฟ้าบนวงกลม ลองวางขดลวดมอเตอร์ 3 ม้วนโดยเลื่อน 120 องศาไฟฟ้าสัมพันธ์กัน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3 โมเมนต์ที่ 1 เวกเตอร์สนามแม่เหล็กของแต่ละขดลวด (ซ้าย) และเวกเตอร์สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น (ขวา)

ในแต่ละเฟส จะมีการสร้างเวกเตอร์สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยขดลวดมอเตอร์ ทิศทางของเวกเตอร์ถูกกำหนดโดยทิศทางของกระแสตรงในขดลวด หากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดเป็นบวก เวกเตอร์ก็จะพุ่งเข้า ฝั่งตรงข้ามจากขดลวดถ้าเป็นลบให้ไปตามขดลวด ขนาดของเวกเตอร์เป็นสัดส่วนกับขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่เฟสเข้า ช่วงเวลานี้.
เพื่อให้ได้เวกเตอร์สนามแม่เหล็กที่ได้ จำเป็นต้องเพิ่มข้อมูลเวกเตอร์ตามกฎของการบวกเวกเตอร์
การก่อสร้างจะคล้ายกันในช่วงเวลาที่สองและสาม

รูปที่ 4 โมเมนต์ที่ 2 เวกเตอร์สนามแม่เหล็กของแต่ละขดลวด (ซ้าย) และเวกเตอร์สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น (ขวา)

ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปเวกเตอร์ที่ได้จะเปลี่ยนทิศทางอย่างราบรื่น รูปที่ 5 แสดงเวกเตอร์ผลลัพธ์และแสดงการหมุนของสนามแม่เหล็กสเตเตอร์โดยสมบูรณ์ในช่วงเวลาไฟฟ้าเดียว

รูปที่ 5 มุมมองของสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนซึ่งเกิดจากขดลวดบนสเตเตอร์ของมอเตอร์

เวกเตอร์สนามแม่เหล็กไฟฟ้านี้ตามด้วยสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรของโรเตอร์ในแต่ละช่วงเวลา (รูปที่ 6)

รูปที่ 6 แม่เหล็กถาวร (โรเตอร์) เป็นไปตามทิศทางของสนามแม่เหล็กที่สร้างโดยสเตเตอร์

นี่คือวิธีการทำงานของเครื่อง AC ซิงโครนัส

การมีแหล่งจ่ายกระแสตรงจำเป็นต้องสร้างช่วงเวลาไฟฟ้าหนึ่งช่วงโดยอิสระโดยมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางกระแสของขดลวดมอเตอร์สามเส้น เนื่องจากมอเตอร์ไร้แปรงถ่านมีการออกแบบเหมือนกับมอเตอร์ซิงโครนัสและมีพารามิเตอร์ที่เหมือนกันในโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องต่อยอดจากรูปที่ 5 ซึ่งแสดงสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนที่สร้างขึ้น

ความดันคงที่
แหล่งจ่ายไฟ DC มีสายไฟเพียง 2 เส้นคือ "กำลังบวก" และ "กำลังไฟลบ" ซึ่งหมายความว่าสามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับขดลวดเพียงสองในสามขดลวดเท่านั้น จำเป็นต้องประมาณรูปที่ 5 และเน้นช่วงเวลาทั้งหมดที่สามารถเชื่อมต่อ 2 เฟสจากสามเฟสได้

จำนวนการเรียงสับเปลี่ยนจากชุดที่ 3 คือ 6 ดังนั้นจึงมี 6 ตัวเลือกในการเชื่อมต่อขดลวด
มาพรรณนากันเถอะ ตัวเลือกที่เป็นไปได้สลับและเลือกลำดับที่เวกเตอร์จะหมุนต่อไปทีละขั้นตอนจนกว่าจะถึงจุดสิ้นสุดของช่วงเวลาและเริ่มใหม่

เราจะนับคาบไฟฟ้าจากเวกเตอร์แรก

รูปที่ 7 มุมมองของเวกเตอร์สนามแม่เหล็กทั้ง 6 แบบที่สามารถสร้างได้จากแหล่งจ่ายกระแสตรงโดยการสลับขดลวด 2 ใน 3 เส้น

รูปที่ 5 แสดงให้เห็นว่าเมื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าไซน์ซอยด์สามเฟส มีเวกเตอร์จำนวนมากที่หมุนอย่างราบรื่นเมื่อเวลาผ่านไป และเมื่อสลับกับกระแสตรงก็เป็นไปได้ที่จะได้รับสนามหมุนเพียง 6 เวกเตอร์นั่นคือการสลับไปยังเวกเตอร์ถัดไป ขั้นตอนจะต้องเกิดขึ้นทุกๆ 60 องศาไฟฟ้า
ผลลัพธ์จากรูปที่ 7 สรุปไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1. ลำดับผลลัพธ์ของการสลับขดลวดมอเตอร์

ลักษณะที่ปรากฏของสัญญาณควบคุมผลลัพธ์ตามตารางที่ 1 แสดงในรูปที่ 8 โดยที่ -V คือการสลับไปที่ลบของแหล่งจ่ายไฟ (GND) และ +V คือการสลับไปเป็นบวกของแหล่งพลังงาน

รูปที่ 8 มุมมองของสัญญาณควบคุมจากแหล่ง DC สำหรับมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน เหลือง – เฟส W, น้ำเงิน – U, แดง – V

อย่างไรก็ตาม ภาพจริงจากเฟสของมอเตอร์จะคล้ายกับสัญญาณไซน์จากรูปที่ 1 สัญญาณจะมีรูปร่างเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู เนื่องจากในช่วงเวลาที่ขดลวดมอเตอร์ไม่ได้ต่ออยู่ แม่เหล็กถาวรโรเตอร์จะเหนี่ยวนำให้เกิด EMF (รูปที่ 9)

รูปที่ 9 มุมมองของสัญญาณจากขดลวดของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านในโหมดการทำงาน

บนออสซิลโลสโคปมีลักษณะดังนี้:

รูปที่ 10 มุมมองของหน้าต่างออสซิลโลสโคปเมื่อทำการวัดเฟสมอเตอร์หนึ่งเฟส

คุณสมบัติการออกแบบ
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้สำหรับการสลับขดลวด 6 ครั้งจะมีการสร้างคาบทางไฟฟ้า 360 องศาไฟฟ้าหนึ่งช่วง
จำเป็นต้องเชื่อมโยงช่วงเวลานี้กับมุมการหมุนที่แท้จริงของโรเตอร์ มอเตอร์ที่มีขั้วหนึ่งคู่และสเตเตอร์แบบสามฟันนั้นไม่ค่อยได้ใช้มากนัก มอเตอร์จะมีขั้ว N คู่
รูปที่ 11 แสดงรุ่นมอเตอร์ที่มีเสาหนึ่งคู่และเสาสองคู่

ก. ข.
รูปที่ 11 แบบจำลองของมอเตอร์ที่มีขั้วหนึ่ง (a) และสอง (b) คู่

มอเตอร์ที่มีขั้วสองคู่มี 6 ขดลวด แต่ละขดลวดเป็นคู่ แต่ละขดลวด 3 กลุ่มแต่ละกลุ่มจะถูกชดเชยด้วย 120 องศาไฟฟ้า ในรูปที่ 12b งวดหนึ่งล่าช้าไป 6 รอบ ขดลวด U1-U2, V1-V2, W1-W2 เชื่อมต่อถึงกัน และในการออกแบบแสดงถึงสายเอาต์พุต 3 เฟส เพื่อให้รูปง่ายขึ้น การเชื่อมต่อจะไม่แสดง แต่โปรดจำไว้ว่า U1-U2, V1-V2, W1-W2 เหมือนกัน

รูปที่ 12 จากข้อมูลในตารางที่ 1 แสดงเวกเตอร์ของขั้วหนึ่งและสองคู่

ก. ข.
รูปที่ 12 แผนภาพเวกเตอร์สนามแม่เหล็กสำหรับมอเตอร์ที่มีขั้วหนึ่ง (a) และสอง (b) คู่

รูปที่ 13 แสดงเวกเตอร์ที่สร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนขดลวดมอเตอร์ 6 ครั้งด้วยขั้วหนึ่งคู่ โรเตอร์ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร ใน 6 ขั้นตอน โรเตอร์จะหมุนได้ 360 องศาทางกล
รูปภาพแสดงตำแหน่งสุดท้ายของโรเตอร์ ในช่วงเวลาระหว่างตำแหน่งที่อยู่ติดกันสองตำแหน่ง โรเตอร์จะหมุนจากสถานะสวิตช์ก่อนหน้าไปยังสถานะสวิตช์ถัดไป เมื่อโรเตอร์ไปถึงตำแหน่งสุดท้าย การสวิตชิ่งครั้งถัดไปควรเกิดขึ้น และโรเตอร์จะโน้มน้าวไปยังตำแหน่งที่ตั้งใหม่ เพื่อให้เวกเตอร์ของสนามแม่เหล็กอยู่ในแนวเดียวกับเวกเตอร์ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสเตเตอร์

รูปที่ 13 ตำแหน่งสิ้นสุดของโรเตอร์ระหว่างการเปลี่ยนความเร็ว 6 สปีดของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านด้วยขั้วหนึ่งคู่

ในมอเตอร์ที่มีขั้วคู่ N จำเป็นต้องใช้คาบทางไฟฟ้า N เพื่อให้การปฏิวัติทางกลเสร็จสมบูรณ์
มอเตอร์ที่มีขั้วสองคู่จะมีแม่เหล็กสองตัวที่มีขั้ว S และ N และมีขดลวด 6 เส้น (รูปที่ 14) ขดลวด 3 กลุ่มแต่ละกลุ่มจะถูกชดเชยจากกันด้วย 120 องศาไฟฟ้า

รูปที่ 14 ตำแหน่งโรเตอร์สุดท้ายระหว่างการเปลี่ยนความเร็ว 6 สปีดของมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่มีขั้วสองคู่

การกำหนดตำแหน่งโรเตอร์ของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน
ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้จำเป็นต้องทำ ช่วงเวลาที่เหมาะสมเวลาในการเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้ากับขดลวดสเตเตอร์ที่ต้องการ จำเป็นต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับขดลวดมอเตอร์โดยขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโรเตอร์ เพื่อให้สนามแม่เหล็กของสเตเตอร์นำสนามแม่เหล็กของโรเตอร์เสมอ หากต้องการกำหนดตำแหน่งของโรเตอร์มอเตอร์และสวิตช์ขดลวดให้ใช้ หน่วยอิเล็กทรอนิกส์การจัดการ.
การติดตามตำแหน่งโรเตอร์สามารถทำได้หลายวิธี:
1. โดยเซ็นเซอร์ฮอลล์
2. โดย แรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับ
ตามกฎแล้ว ผู้ผลิตจะติดตั้งเซ็นเซอร์ฮอลล์ให้กับเครื่องยนต์บริเวณไอเสีย ดังนั้นนี่จึงเป็นวิธีการควบคุมที่ใช้กันทั่วไปที่สุด
การเปลี่ยนขดลวดตามสัญญาณ EMF ด้านหลังช่วยให้คุณสามารถละทิ้งเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งไว้ในมอเตอร์และใช้เป็นเซ็นเซอร์ในการวิเคราะห์เฟสอิสระของมอเตอร์ซึ่ง EMF ด้านหลังจะถูกเหนี่ยวนำโดยสนามแม่เหล็ก

การควบคุมมอเตอร์ไร้แปรงถ่านพร้อมเซ็นเซอร์ฮอลล์
เพื่อที่จะเปลี่ยนขดลวดในเวลาที่เหมาะสมจำเป็นต้องตรวจสอบตำแหน่งของโรเตอร์ตามองศาไฟฟ้า เซ็นเซอร์ฮอลล์ใช้สำหรับสิ่งนี้
เนื่องจากมีเวกเตอร์สนามแม่เหล็กอยู่ 6 สถานะ จึงจำเป็นต้องมีเซ็นเซอร์ฮอลล์ 3 ตัวซึ่งจะเป็นตัวแทนของสถานะเดียว ตัวเข้ารหัสสัมบูรณ์ตำแหน่งที่มีเอาต์พุตสามบิต เซ็นเซอร์ฮอลล์ได้รับการติดตั้งในลักษณะเดียวกับขดลวดโดยชดเชยกันด้วย 120 องศาไฟฟ้า ช่วยให้สามารถใช้แม่เหล็กโรเตอร์เป็นองค์ประกอบกระตุ้นของเซนเซอร์ได้

รูปที่ 15 สัญญาณจากเซ็นเซอร์ฮอลล์สำหรับการปฏิวัติทางไฟฟ้าหนึ่งครั้งของเครื่องยนต์

ในการหมุนเครื่องยนต์ จำเป็นที่สนามแม่เหล็กสเตเตอร์จะต้องอยู่ข้างหน้าสนามแม่เหล็กโรเตอร์ ตำแหน่งที่เวกเตอร์สนามแม่เหล็กของโรเตอร์มีทิศทางร่วมกับเวกเตอร์สนามแม่เหล็กสเตเตอร์ถือเป็นจุดสิ้นสุดสำหรับการสลับนี้ ซึ่งขณะนี้อยู่ในขณะนี้ ว่าควรสลับไปใช้ชุดค่าผสมถัดไปเพื่อป้องกันไม่ให้โรเตอร์แขวนอยู่ในตำแหน่งที่อยู่นิ่ง
ลองเปรียบเทียบสัญญาณจากเซ็นเซอร์ Hall กับเฟสที่ต้องเปลี่ยนรวมกัน (ตารางที่ 2)

ตารางที่ 2. การเปรียบเทียบสัญญาณเซ็นเซอร์ฮอลล์กับการสลับเฟสของมอเตอร์

ตำแหน่งเครื่องยนต์	ฮู(1)	เอชวี(2)	เอชดับบลิว(3)	ยู	วี	ว
0	0	0	1	0	-	+
	1	0	1	+	-	0
	1	0	0	+	0	-
	1	1	0	0	+	-
	0	1	0	-	+	0
360/น	0	1	1	-	0	+

เมื่อเครื่องยนต์หมุนสม่ำเสมอ เซ็นเซอร์จะรับสัญญาณเปลี่ยนไป 1/6 ของช่วงเวลา 60 องศาทางไฟฟ้า (รูปที่ 16)

รูปที่ 16 มุมมองของสัญญาณจากเซ็นเซอร์ฮอลล์

ควบคุมโดยใช้สัญญาณ EMF ด้านหลัง
มีมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่ไม่มีเซ็นเซอร์ตำแหน่ง ตำแหน่งโรเตอร์ถูกกำหนดโดยใช้การวิเคราะห์ สัญญาณแรงเคลื่อนไฟฟ้าในระยะว่างของเครื่องยนต์ ในแต่ละช่วงเวลา "+" จะเชื่อมต่อกับเฟสใดเฟสหนึ่งกับแหล่งจ่ายไฟ "-" อื่น ๆ ซึ่งเฟสใดเฟสหนึ่งยังคงว่าง ขณะหมุน สนามแม่เหล็กของโรเตอร์จะเหนี่ยวนำให้เกิด EMF ในขดลวดอิสระ เมื่อการหมุนเกิดขึ้น แรงดันไฟฟ้าบนเฟสอิสระจะเปลี่ยนไป (รูปที่ 17)

รูปที่ 17 การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในเฟสมอเตอร์

สัญญาณจากการพันของมอเตอร์แบ่งออกเป็น 4 โมเมนต์:
1. ขดลวดเชื่อมต่อกับ 0
2. ไม่ได้ต่อขดลวด (เฟสอิสระ)
3. ขดลวดเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้า
4. ไม่ได้ต่อขดลวด (เฟสอิสระ)
เมื่อเปรียบเทียบสัญญาณจากเฟสกับสัญญาณควบคุม จะเห็นได้ชัดว่าโมเมนต์ของการเปลี่ยนไปสู่สถานะถัดไปสามารถตรวจจับได้โดยจุดตัดของจุดกึ่งกลาง (ครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้า) กับเฟสที่ไม่ได้เชื่อมต่ออยู่ในปัจจุบัน (รูป 18)

รูปที่ 18 การเปรียบเทียบสัญญาณควบคุมกับสัญญาณบนเฟสของมอเตอร์

หลังจากตรวจพบทางแยก คุณต้องหยุดชั่วคราวและเปิดสถานะถัดไป จากรูปนี้ มีการรวบรวมอัลกอริธึมสำหรับการสลับสถานะการพัน (ตารางที่ 3)

ตารางที่ 3. อัลกอริทึมสำหรับการสลับขดลวดมอเตอร์

สถานะปัจจุบัน	ยู	วี	ว	รัฐต่อไป
1	-		+	2
2		-	+	3
3	+	-	รอจุดกึ่งกลางข้ามจาก + เป็น -	4
4	+	รอให้จุดกึ่งกลางข้ามจาก - ถึง +	-	5
5	รอจุดกึ่งกลางข้ามจาก + เป็น -	+	-	6
6	-	+	รอให้จุดกึ่งกลางข้ามจาก - ถึง +	1

จุดตัดของจุดกึ่งกลางนั้นง่ายที่สุดในการตรวจจับด้วยเครื่องเปรียบเทียบ แรงดันไฟฟ้าจุดกึ่งกลางจะถูกส่งไปยังอินพุตหนึ่งของตัวเปรียบเทียบ และแรงดันไฟฟ้าเฟสปัจจุบันจะจ่ายไปที่จุดที่สอง

รูปที่ 19 การตรวจจับจุดกึ่งกลางโดยตัวเปรียบเทียบ

ตัวเปรียบเทียบจะทำงานเมื่อแรงดันไฟฟ้าผ่านจุดกึ่งกลางและสร้างสัญญาณสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์

การประมวลผลสัญญาณจากเฟสมอเตอร์
อย่างไรก็ตามสัญญาณจากเฟสเมื่อควบคุมความเร็ว PWM จะมีลักษณะแตกต่างกันและมีลักษณะเป็นพัลส์ (รูปที่ 21) ในสัญญาณดังกล่าวจึงไม่สามารถตรวจจับจุดตัดกับจุดกึ่งกลางได้

รูปที่ 20 มุมมองของสัญญาณเฟสเมื่อควบคุมความเร็ว PWM

นั่นเป็นเหตุผล สัญญาณนี้ควรกรองด้วยตัวกรอง RC เพื่อให้ได้ซองจดหมายและแบ่งตามข้อกำหนดของผู้เปรียบเทียบด้วย เมื่อรอบการทำงานเพิ่มขึ้น สัญญาณ PWM จะเพิ่มแอมพลิจูด (รูปที่ 22)

รูปที่ 21. วงจรของตัวแบ่งสัญญาณและตัวกรองจากเฟสมอเตอร์

รูปที่ 22 ซองสัญญาณเมื่อเปลี่ยนรอบการทำงานของ PWM

แผนภาพจุดกึ่งกลาง

รูปที่ 23 มุมมองของจุดกึ่งกลางเสมือน ภาพจาก avislab.com/

สัญญาณจะถูกลบออกจากเฟสผ่านตัวต้านทานจำกัดกระแสและรวมกัน และนี่คือภาพที่เราได้รับ:

รูปที่ 24 มุมมองของออสซิลโลแกรมแรงดันไฟฟ้าจุดกึ่งกลางเสมือน

เนื่องจาก PWM แรงดันไฟฟ้าจุดกึ่งกลางจึงไม่คงที่ จึงจำเป็นต้องกรองสัญญาณด้วย แรงดันไฟฟ้าจุดกึ่งกลางหลังการปรับให้เรียบจะมีขนาดค่อนข้างใหญ่ (ในบริเวณแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์) จะต้องหารด้วยตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าให้เหลือครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้า

หลังจากที่สัญญาณผ่านตัวกรอง การแกว่งจะถูกทำให้เรียบและได้รับแรงดันไฟฟ้าคงที่ซึ่งสัมพันธ์กับจุดตัดของ EMF ด้านหลังที่สามารถตรวจจับได้

รูปที่ 26. แรงดันไฟฟ้าหลังตัวแบ่งและตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน

จุดกึ่งกลางจะเปลี่ยนค่าขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า (รอบการทำงานของ PWM) เช่นเดียวกับขอบเขตสัญญาณ

สัญญาณที่ได้รับจากตัวเปรียบเทียบจะถูกส่งไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งประมวลผลตามอัลกอริทึมด้านบน
นั่นคือทั้งหมดที่สำหรับตอนนี้.

หลักการทำงานซึ่งขึ้นอยู่กับการควบคุมความถี่และการซิงโครไนซ์ในตัวเองเรียกว่ามอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ในการออกแบบนี้ เวกเตอร์สนามแม่เหล็กสเตเตอร์จะถูกควบคุมโดยสัมพันธ์กับตำแหน่งของโรเตอร์ มอเตอร์ไร้แปรงถ่านถูกสร้างขึ้นเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านมาตรฐาน

เขาผสมผสานกันอย่างเป็นธรรมชาติมากที่สุด คุณสมบัติที่ดีที่สุดมอเตอร์กระแสตรงและมอเตอร์ไฟฟ้าแบบไร้สัมผัส

ความแตกต่างที่สำคัญจากเครื่องยนต์ทั่วไป

มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมักใช้ใน โมเดลที่ควบคุมด้วยวิทยุอากาศยาน. คุณลักษณะที่โดดเด่นและความทนทานได้รับความนิยมอย่างกว้างขวางเนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เสียดสีในรูปของแปรงที่ส่งกระแสไฟ

เพื่อที่จะจินตนาการถึงความแตกต่างได้ครบถ้วนยิ่งขึ้น คุณต้องจำไว้ว่าในมาตรฐาน มอเตอร์สับเปลี่ยนโรเตอร์และขดลวดหมุนภายในสเตเตอร์ซึ่งใช้แม่เหล็กถาวร ขดลวดจะถูกเปลี่ยนโดยใช้ตัวสับเปลี่ยน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโรเตอร์ ในทางกลับกัน ในมอเตอร์ AC โรเตอร์ที่มีแม่เหล็กจะหมุนภายในสเตเตอร์ที่มีขดลวด เครื่องยนต์มีการออกแบบประมาณเดียวกัน

ไม่เหมือน เครื่องยนต์มาตรฐานในประเภทไร้แปรงถ่าน ส่วนที่เคลื่อนไหวคือสเตเตอร์ซึ่งมีแม่เหล็กถาวรวางอยู่ และบทบาทของชิ้นส่วนที่อยู่กับที่นั้นเล่นโดยโรเตอร์ที่มีขดลวดสามเฟส

หลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าแบบไร้แปรงถ่าน

การหมุนของเครื่องยนต์ทำได้โดยการเปลี่ยนทิศทางของสนามแม่เหล็กในขดลวดโรเตอร์ในลำดับที่แน่นอน ในกรณีนี้ แม่เหล็กถาวรจะทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กของโรเตอร์และขับเคลื่อนสเตเตอร์แบบเคลื่อนที่ได้ การเคลื่อนไหวนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติพื้นฐานของแม่เหล็ก เมื่อขั้วเหมือนจะผลักกัน และ ชื่อตรงข้ามจะดึงดูด

สนามแม่เหล็กในขดลวดโรเตอร์และการเปลี่ยนแปลงจะถูกควบคุมโดยใช้ตัวควบคุม เขาเป็นตัวแทนของเพียงพอ อุปกรณ์ที่ซับซ้อน,สามารถสลับกระแสสูงได้ด้วย ความเร็วสูง- คอนโทรลเลอร์จำเป็นต้องมีมอเตอร์ไฟฟ้าแบบไร้แปรงถ่านในวงจรซึ่งทำให้ต้นทุนการใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ใน มอเตอร์ไฟฟ้าไร้แปรงถ่านไม่มีหน้าสัมผัสแบบหมุนและไม่มีหน้าสัมผัสที่สามารถสลับได้ นี่เป็นข้อได้เปรียบหลักเหนือมอเตอร์ไฟฟ้าทั่วไป เนื่องจากการสูญเสียความเสียดทานทั้งหมดจะลดลง

มอเตอร์ในเครื่องมัลติโรเตอร์มีสองประเภท: แบบมีแปรงและแบบไม่มีแปรง ความแตกต่างหลักๆ ก็คือ มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านจะมีขดลวดอยู่บนโรเตอร์ (ส่วนที่หมุนได้) ในขณะที่มอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านมีขดลวดอยู่บนสเตเตอร์ โดยไม่ต้องลงรายละเอียด เราจะบอกว่ามอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านนั้นดีกว่ามอเตอร์แบบมีแปรงเพราะมันจะตอบสนองความต้องการที่กำหนดไว้ก่อนหน้าได้ดีที่สุด ดังนั้นบทความนี้จะเน้นไปที่มอเตอร์ประเภทนี้ คุณสามารถอ่านรายละเอียดเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านและแบบมีแปรงถ่านได้

แม้ว่ามอเตอร์ BC จะเริ่มใช้งานค่อนข้างเร็ว ๆ นี้ แต่แนวคิดในการออกแบบก็ปรากฏเมื่อนานมาแล้ว อย่างไรก็ตาม การเกิดขึ้นของสวิตช์ทรานซิสเตอร์และแม่เหล็กนีโอไดเมียมอันทรงพลังทำให้การใช้งานเชิงพาณิชย์เป็นไปได้

การออกแบบมอเตอร์บีซี

การออกแบบมอเตอร์ไร้แปรงถ่านประกอบด้วยโรเตอร์ซึ่งมีแม่เหล็กติดอยู่และสเตเตอร์ที่มีขดลวดอยู่ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของส่วนประกอบเหล่านี้ เครื่องยนต์ BC แบ่งออกเป็นตัววิ่งและตัววิ่งเกิน

ในระบบหลายโรเตอร์ การออกแบบ Outrunner มักใช้เนื่องจากให้แรงบิดสูงสุด

ข้อดีและข้อเสียของเครื่องยนต์ BC

ข้อดี:

• การออกแบบมอเตอร์ที่เรียบง่ายเนื่องจากการยกเว้นตัวสับเปลี่ยน
• มากกว่า ประสิทธิภาพสูง.
• ระบายความร้อนได้ดี
• เครื่องยนต์ BC ทำงานในน้ำได้! แต่อย่าลืมว่าเพราะว่าน้ำเข้า ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลเครื่องยนต์อาจเกิดสนิมและพังทลายได้เมื่อเวลาผ่านไป เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์ดังกล่าว ขอแนะนำให้รักษาเครื่องยนต์ด้วยสารหล่อลื่นไม่กันน้ำ
• การรบกวนทางวิทยุน้อยที่สุด

ข้อเสีย:

ข้อเสียเดียวที่เราสามารถทราบได้คือไม่สามารถใช้เครื่องยนต์เหล่านี้ได้หากไม่มี ESC (ตัวควบคุมความเร็วในการหมุน) สิ่งนี้ค่อนข้างทำให้การออกแบบค่อนข้างซับซ้อนและทำให้มอเตอร์ BC มีราคาแพงกว่ามอเตอร์แบบสับเปลี่ยน อย่างไรก็ตาม หากความซับซ้อนของการออกแบบเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก ก็จะมีมอเตอร์ BC ที่มีตัวควบคุมความเร็วในตัว

จะเลือกเครื่องยนต์สำหรับคอปเตอร์ได้อย่างไร?

เมื่อเลือกมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน คุณควรคำนึงถึงคุณสมบัติดังต่อไปนี้ก่อน:

• กระแสสูงสุด - คุณลักษณะนี้แสดงว่าอะไร กระแสสูงสุดสามารถทนต่อการพันของมอเตอร์ได้ในระยะเวลาอันสั้น หากเกินเวลานี้ เครื่องยนต์ขัดข้องเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ พารามิเตอร์นี้ยังส่งผลต่อการเลือก ESC ด้วย
• แรงดันไฟฟ้าสูงสุด - เช่นเดียวกับกระแสสูงสุด แสดงให้เห็นว่าสามารถใช้แรงดันไฟฟ้ากับขดลวดได้มากเพียงใดในช่วงเวลาสั้นๆ
• KV คือจำนวนรอบเครื่องยนต์ต่อโวลต์ เนื่องจากตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับโหลดบนเพลามอเตอร์โดยตรง จึงมีการระบุไว้ในกรณีที่ไม่มีโหลด
• ความต้านทาน - ขึ้นอยู่กับความต้านทาน ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์- ดังนั้นยิ่งมีความต้านทานน้อยก็ยิ่งดี

ประวัติเล็กน้อย:

ปัญหาหลักของเครื่องยนต์ทั้งหมดคือความร้อนสูงเกินไป โรเตอร์หมุนอยู่ในสเตเตอร์บางชนิดดังนั้นความร้อนจากความร้อนสูงเกินไปจึงไม่ไปไหน ผู้คนมีความคิดที่ยอดเยี่ยม: หมุนไม่ใช่โรเตอร์ แต่เป็นสเตเตอร์ซึ่งจะถูกระบายความร้อนด้วยอากาศระหว่างการหมุน เมื่อเครื่องยนต์ดังกล่าวถูกสร้างขึ้น มันก็ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการบินและการต่อเรือ ดังนั้นจึงได้รับฉายาว่าเครื่องยนต์วาล์ว

ในไม่ช้าก็มีการสร้างอะนาล็อกไฟฟ้าของมอเตอร์วาล์วขึ้น พวกเขาเรียกมันว่ามอเตอร์ไร้แปรงถ่านเพราะมันไม่มีตัวสับเปลี่ยน (แปรง)

มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน

มอเตอร์ไฟฟ้าไร้แปรงถ่านมาหาเราเมื่อไม่นานมานี้ 10-15 ปี- ไม่เหมือน มอเตอร์สับเปลี่ยนพวกเขาขับเคลื่อนด้วยสามเฟส กระแสสลับ- มอเตอร์ไร้แปรงถ่านทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในช่วง RPM ที่กว้างขึ้นและมีมากกว่านั้น ประสิทธิภาพสูง- การออกแบบเครื่องยนต์ค่อนข้างง่ายกว่าไม่มีชุดแปรงซึ่งจะเสียดสีกับโรเตอร์ตลอดเวลาและทำให้เกิดประกายไฟ เราสามารถพูดได้ว่ามอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านนั้นแทบจะไม่เสื่อมสภาพเลย ค่าใช้จ่ายของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านนั้นสูงกว่ามอเตอร์แบบมีแปรงเล็กน้อย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ามอเตอร์ไร้แปรงถ่านทั้งหมดติดตั้งตลับลูกปืนและตามกฎแล้วจะทำคุณภาพสูงกว่า

การทดสอบแสดงให้เห็นว่า:
คันพร้อมสกรู8x6= 754กรัม,
ความเร็วในการหมุน = 11550 รอบต่อนาที,
การใช้พลังงาน= 9 วัตต์(ไม่มีสกรู) ,101 วัตต์(พร้อมสกรู)

พลังและประสิทธิภาพ

พลังงานสามารถคำนวณได้ดังนี้:
1) กำลังในกลศาสตร์คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้: N= ฉ*vโดยที่ F คือแรง และ v คือความเร็ว แต่เนื่องจากสกรูอยู่ในสถานะคงที่ จึงไม่มีการเคลื่อนไหวใด ๆ ยกเว้นการหมุน หากติดตั้งมอเตอร์นี้ในเครื่องบินจำลอง จะสามารถวัดความเร็วได้ (เท่ากับ 12 m/s) และคำนวณกำลังที่มีประโยชน์:
N ใช้งานได้= 7.54*12= 90.48 วัตต์
2) ประสิทธิภาพ มอเตอร์ไฟฟ้าพบได้ตามสูตรต่อไปนี้: ประสิทธิภาพ = N มีประโยชน์ / N ที่ใช้ไป * 100%, ที่ไหน ต้นทุน N = 101 วัตต์
ประสิทธิภาพ= 90.48/101 *100%= 90%
โดยเฉลี่ยแล้ว ประสิทธิภาพของมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านจริง ๆ แล้วผันผวนประมาณ 90% (ประสิทธิภาพสูงสุดที่มอเตอร์ประเภทนี้ทำได้คือ 99.68% )

ลักษณะเครื่องยนต์:

แรงดันไฟฟ้า: 11.1 โวลต์
การปฏิวัติ: 11550 รอบต่อนาที
กระแสสูงสุด: 15เอ
พลัง: 200 วัตต์
แรงฉุด: 754 กรัม (สกรู 8x6)

บทสรุป:

ราคาของสิ่งใดสิ่งหนึ่งขึ้นอยู่กับขนาดการผลิต ผู้ผลิตมอเตอร์ไร้แปรงถ่านกำลังขยายตัวเหมือนดอกเห็ดหลังฝนตก ดังนั้นฉันอยากจะเชื่อว่าในอนาคตอันใกล้นี้ราคาของคอนโทรลเลอร์และไร้แปรงถ่าน เครื่องยนต์จะตกมันตกลงมาอย่างไรกับอุปกรณ์ควบคุมวิทยุ... ความสามารถของไมโครอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มขึ้นทุกวัน ขนาดและน้ำหนักของคอนโทรลเลอร์จะค่อยๆลดลง เราสามารถสรุปได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้คอนโทรลเลอร์จะเริ่มถูกสร้างเข้ากับเครื่องยนต์โดยตรง! บางทีเราอาจจะมีชีวิตอยู่เพื่อดูวันนั้น...

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านให้กำลังที่ดีขึ้นต่อน้ำหนักกิโลกรัม (สุทธิ) และ หลากหลายความเร็วในการหมุน; ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าแห่งนี้ก็น่าประทับใจเช่นกัน สิ่งสำคัญคือการติดตั้งในทางปฏิบัติจะต้องไม่ปล่อยสัญญาณรบกวนทางวิทยุ ซึ่งช่วยให้คุณวางอุปกรณ์ที่ไวต่อสัญญาณรบกวนไว้ข้างๆ โดยไม่ต้องกลัวว่าระบบทั้งหมดจะทำงานได้อย่างถูกต้อง

มอเตอร์ไร้แปรงถ่านสามารถวางและใช้งานในน้ำได้ ซึ่งจะไม่ส่งผลเสียต่อมอเตอร์ นอกจากนี้ การออกแบบยังช่วยให้สามารถวางตำแหน่งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้ อย่างไรก็ตามในกรณีนี้ควรคำนึงถึงตำแหน่งของชุดควบคุมล่วงหน้า โปรดจำไว้ว่าการดำเนินการโรงไฟฟ้าอย่างระมัดระวังและรอบคอบเท่านั้นจึงจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและราบรื่นในการผลิตของคุณเป็นเวลาหลายปี

โหมดการทำงานระยะยาวและระยะสั้นเป็นพื้นฐานสำหรับฐานข้อมูล ตัวอย่างเช่น สำหรับบันไดเลื่อนหรือสายพานลำเลียง โหมดการทำงานระยะยาวจะเหมาะสม โดยที่มอเตอร์ไฟฟ้าจะทำงานแบบคงที่เป็นเวลานานหลายชั่วโมง สำหรับการดำเนินงานในระยะยาว จะมีการถ่ายเทความร้อนภายนอกเพิ่มขึ้น: ความร้อนที่ปล่อยออกมาสู่สิ่งแวดล้อมจะต้องเกินความร้อนที่ปล่อยออกมาภายในของโรงไฟฟ้า

ในโหมดการทำงานระยะสั้น เครื่องยนต์ไม่ควรมีเวลาให้ความร้อนจนถึงค่าอุณหภูมิสูงสุดระหว่างการทำงาน กล่าวคือ ต้องปิดก่อนถึงจุดนี้ ในช่วงพักระหว่างเปิดเครื่องและสตาร์ทเครื่องยนต์ จะต้องมีเวลาทำให้เย็นลง นี่คือวิธีที่มอเตอร์ไร้แปรงถ่านทำงานในกลไกการยก เครื่องโกนหนวดไฟฟ้า เครื่องเป่าผม และอุปกรณ์ไฟฟ้าสมัยใหม่อื่นๆ

ความต้านทานของขดลวดมอเตอร์สัมพันธ์กับค่าสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์โรงไฟฟ้า. สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดได้ด้วยความต้านทานของขดลวดที่ต่ำที่สุด

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานสูงสุดคือค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถใช้กับขดลวดสเตเตอร์ของโรงไฟฟ้าได้ แรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการสูงสุดเกี่ยวข้องโดยตรงกับ ความเร็วสูงสุดมอเตอร์และค่าสูงสุดของกระแสขดลวด ค่าสูงสุดของกระแสคดเคี้ยวถูกจำกัดโดยความเป็นไปได้ที่ขดลวดจะร้อนเกินไป ด้วยเหตุนี้สภาวะการทำงานที่เป็นทางเลือก แต่แนะนำสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าจึงมีอุณหภูมิติดลบ สิ่งแวดล้อม- ช่วยให้คุณสามารถชดเชยความร้อนสูงเกินไปของโรงไฟฟ้าได้อย่างมากและเพิ่มระยะเวลาการทำงาน

กำลังมอเตอร์สูงสุดคือกำลังสูงสุดที่ระบบสามารถทำได้ภายในไม่กี่วินาที มันคุ้มค่าที่จะพิจารณาว่า ทำงานที่ยาวนานเปิดมอเตอร์ไฟฟ้า กำลังสูงสุดจะนำไปสู่ความร้อนสูงเกินของระบบและความล้มเหลวในการทำงานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

กำลังไฟพิกัดคือกำลังที่สามารถพัฒนาได้ จุดไฟในช่วงระยะเวลาที่ได้รับอนุญาตตามระยะเวลาที่ผู้ผลิตประกาศไว้ (สตาร์ทอัพหนึ่งครั้ง)

มุมการเลื่อนเฟสมีอยู่ในมอเตอร์ไฟฟ้า เนื่องจากจำเป็นต้องชดเชยความล่าช้าในการสลับเฟส