Коли я почав розробляти блок керування безколекторним двигуном (мотор-колесом), було багато питань про те, як зіставити реальний двигун із абстрактною схемою з трьох обмоток та магнітів, на якій, як правило, всі пояснюють принцип керування безколекторними двигунами.
Коли я реалізував управління по датчиках Холла, я ще не дуже розумів, що відбувається в двигуні далі абстрактних трьох обмоток і двох полюсів: чому 120 градусів і чому алгоритм управління саме такий.
Все стало на місце, коли я почав розумітися на ідеї бездатчикового управління безколекторним двигуном - розуміння процесу, що відбувається в реальній залізці, допомогло розробити апаратну частину і зрозуміти алгоритм управління.
Нижче я намагатимуся розписати свій шлях до розуміння принципу керування безколекторним двигуном постійного струму.
Для роботи безколекторного двигуна необхідно щоб постійне магнітне поле ротора захоплювалося за електромагнітним полем статора, що обертається, як і в звичайному ДПТ.
Обертання магнітного поля статора здійснюється комутацією обмоток за допомогою електронного блоку управління.
Конструкція безколекторного двигуна схожа на конструкцію синхронного двигуна, якщо підключити безколекторний двигун у трифазну мережу змінного струму, що задовольняє електричним параметрам двигуна, він буде працювати.
Певна комутація обмоток безколекторного двигуна дозволяє керувати ним джерелом постійного струму. Щоб зрозуміти, як скласти таблицю комутацій безколекторного двигуна, необхідно розглянути управління синхронною машиною змінного струму.
Синхронна машина
Синхронна машина керується від трифазної мережі змінного струму. Двигун має три електричні обмотки, зміщені між собою на 120 електричних градусів.
Запустивши трифазний двигун в генераторному режимі, постійним магнітним полем наводитиметься ЕРС на кожну з обмоток двигуна, обмотки двигуна розподілені рівномірно, на кожну фазу наводитиметься синусоїдальна напруга і дані сигнали будуть зміщені між собою на 1/3 періоду (рисунок 1). Форма ЕРС змінюється за синусоїдальним законом, період синусоїди дорівнює 2П(360), оскільки ми маємо справу з електричними величинами (ЕРС, напруга, струм) назвемо це електричними градусами і вимірюватимемо період у них.
При подачі на двигун трифазної напруги в кожний момент часу на кожній обмотці буде певне значення сили струму.
Рисунок 1. Вид трифазного джерела змінного струму.
Кожна обмотка формує вектор магнітного поля пропорційний струму на обмотці. Склавши 3 вектори можна отримати результуючий вектор магнітного поля. Так як з часом струм на обмотках двигуна змінюється за синусоїдальним законом, змінюється величина вектора магнітного поля кожної обмотки, а сумарний результуючий вектор змінює кут повороту, при цьому величина даного вектора залишається постійною.
2. Один електричний період трифазного двигуна.
На малюнку 2 зображено один електричний період трифазного двигуна, на даному періоді позначено 3 довільні моменти, щоб побудувати в кожному з цих моментів вектора магнітного поля відкладемо даний період 360 електричних градусів на колі. Розмістимо 3 обмотки двигуна, зсунуті на 120 електричних градусів відносно один одного (рисунок 3).
Рисунок 3. Момент 1. Вектори магнітного поля кожної обмотки (ліворуч) та результуючий вектор магнітного поля (праворуч).
Вздовж кожної фаз побудований вектор магнітного поля, створюваний обмоткою двигуна. Напрямок вектора визначається напрямком постійного струму в обмотці, якщо напруга, що прикладається до обмотки позитивно, вектор направлений в протилежний бік від обмотки, якщо негативне, то вздовж обмотки. Величина вектора пропорційна величині напруги на фазі зараз.
Щоб отримати результуючий вектор магнітного поля, необхідно скласти дані вектора за законом складання векторів.
Аналогічно побудова для другого та третього моментів часу.
Рисунок 4. Момент 2. Вектори магнітного поля кожної обмотки (ліворуч) та результуючий вектор магнітного поля (праворуч).
Так, з часом, результуючий вектор плавно змінює свій напрямок, на малюнку 5 зображені вектора, що вийшли, і зображений повний поворот магнітного поля статора за один електричний період.
Малюнок 5. Вид магнітного поля, що обертається, формується обмотками на статорі двигуна.
За цим вектором електричного магнітного поля захоплюється магнітне поле постійних магнітів ротора у момент часу (рисунок 6).
Рисунок 6. Постійний магніт (ротор) слід напряму магнітного поля, що формується статором.
Так працює синхронна машина змінного струму.
Маючи джерело постійного струму, необхідно самостійно формувати один електричний період зі зміною напрямків струму на трьох обмотках двигуна. Оскільки безколекторний двигун по конструкції такий же, як синхронний, в генераторному режимі має ідентичні параметри, необхідно відштовхуватися від малюнка 5, де зображено сформоване магнітне поле, що обертається.
Постійна напруга
Джерело постійного струму має лише 2 дроти «плюс живлення» та «мінус живлення» це означає, що є можливість подавати напругу тільки на дві з трьох обмоток. Необхідно апроксимувати рисунок 5 і виділити всі моменти, при яких можна скомутувати 2 фази з трьох.
Число перестановок з множини 3 дорівнює 6, отже, є 6 варіантів підключення обмоток.
Зобразимо можливі варіанти комутацій і виділимо послідовність, коли вектор буде крок за кроком провертатися далі доки дійде остаточно періоду і почне спочатку.
Електричний період відраховуватимемо від першого вектора.
Рисунок 7. Вид шести векторів магнітного поля, які можна створити від джерела постійного струму, комутацією двох з трьох обмоток.
На малюнку 5 видно, що при керуванні трифазною синусоїдальною напругою є безліч векторів, що плавно провертаються з плином часу, а при комутації постійним струмом можливо отримати обертове поле тільки з 6 векторів, тобто перемикання на наступний крок має відбуватися кожні 60 електричних градусів.
Результати з малюнка 7 зведено до таблиці 1.
Таблиця 1. Отримана послідовність комутацій обмоток двигуна.
Вид керуючого сигналу, що вийшов, відповідно до таблиці 1 зображений на малюнку 8. Де -V комутація на мінус джерела живлення (GND), а +V комутація на плюс джерела живлення.
Рисунок 8. Вид сигналів, що управляють, від джерела постійного струму для безколекторного двигуна. Жовтий – фаза W, синій – U, червоний – V.
Однак реальна картина з фаз двигуна буде схожа на синусоїдальний сигнал з малюнка 1. У сигналу утворюється трапецієподібна форма, так як у моменти, коли обмотка двигуна не підключена, магніти постійні ротора наводять на неї ЕРС (рисунок 9).
Рисунок 9. Вид сигналу з обмоток безколекторного двигуна у робочому режимі.
На осцилографі це виглядає так:
Рисунок 10. Вид вікна осцилографа при вимірі однієї фази двигуна.
Конструктивні особливості
Як було сказано раніше, за 6 перемикань обмоток формується один електричний період 360 електричних градусів.
Необхідно пов'язати цей період із реальним кутом обертання ротора. Двигуни з однією парою полюсів та тризубим статором застосовуються вкрай рідко, двигуни мають N пар полюсів.
На малюнку 11 зображені моделі двигуна з однією парою полюсів та з двома парами полюсів.
а. б.
Малюнок 11. Модель двигуна з однією (a) та двома (б) парами полюсів.
Двигун із двома парами полюсів має 6 обмоток, кожна з обмоток парна, кожна група із 3 обмоток зміщена між собою на 120 електричних градусів. На малюнку 12б. відкладено один період для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 з'єднані між собою і в конструкції представляють 3 дроти виведення фаз. Для простоти малюнка не відображені з'єднання, але слід запам'ятати, що U1-U2, V1-V2, W1-W2 те саме.
На малюнку 12, виходячи з даних таблиці 1, зображені вектори для однієї та двох пар полюсів.
а. б.
Рисунок 12. Схема векторів магнітного поля для двигуна з однією (a) та двома (б) парами полюсів.
На малюнку 13 зображені вектори, створені 6 комутаціями обмоток двигуна з однією парою полюсів. Ротор складається з постійних магнітів, за шість кроків ротор прогорнеться на 360 механічних градусів.
На малюнку позначені кінцеві положення ротора, у проміжках між двома сусідніми положеннями ротор провертається від попереднього до наступного скомутованого стану. Коли ротор досягає даного кінцевого положення, має відбуватися наступне перемикання і ротор буде прагнути нового заданого положення, так щоб його вектор магнітного поля став сонаправлен з вектором електромагнітного поля статора.
Рисунок 13. Кінцеві положення ротора при шестиступінчастій комутації безколекторного двигуна з однією парою полюсів.
У двигунах із N парами полюсів необхідно пройти N електричних періодів для повного механічного обороту.
Двигун з двома парами полюсів матиме два магніти з полюсами S та N, та 6 обмоток (рисунок 14). Кожна група з 3 обмотки зміщена одна щодо одної на 120 електричних градусів.
Рисунок 14. Кінцеві положення ротора при шестиступінчастій комутації безколекторного двигуна з двома парами полюсів.
Визначення положення ротора безколекторного двигуна
Як було сказано раніше для роботи двигуна, необхідно в потрібні моменти часу підключати напругу на потрібні обмотки статора. Подавати напругу на обмотки двигуна потрібно в залежності від положення ротора, так щоб магнітне поле статора завжди випереджало магнітне поле ротора. Для визначення положення ротора двигуна та комутацій обмоток використовують електронний блок керування.
Відстеження положення ротора можливе декількома способами:
1. За датчиками Холла
2. По зворотній ЕРС
Як правило, датчиками Холла виробники оснащують двигун при випуску, тому це найпоширеніший метод керування.
Комутування обмоток відповідно до сигналів зворотної ЕРС дозволяє відмовитися від датчиків вбудованих у двигун і використовувати як датчик аналізу вільної фази двигуна, на яку буде наводитися магнітним полем проти-ЕРС.
Управління безколекторним двигуном із датчиками Холла
Щоб комутувати обмотки в потрібні моменти часу, необхідно відстежувати положення ротора в електричних градусах. Для цього використовуються датчики Холла.
Оскільки є 6 станів вектора магнітного поля, необхідно 3 датчики Холла, які будуть представляти один абсолютний датчик положення з трибітним виходом. Датчики Холла встановлюються як обмотки, зміщені між собою на 120 електричних градусів. Це дозволяє використовувати магніти ротора як елемент датчика, що впливає.
Рисунок 15. Сигнали із датчиків Холла за один електричний обіг двигуна.
Для обертання двигуна необхідно, щоб магнітне поле статора випереджало магнітне поле ротора, положення, коли вектор магнітного поля ротора сонаправлен з вектором магнітного поля статора є кінцевим для даної комутації, саме в цей момент має відбуватися переключення на наступну комбінацію, щоб не давати ротору зависати в стаціонарному положенні.
Зіставимо сигнали з датчиків Холла з комбінацією фаз які необхідно скомутувати (таблиця 2)
Таблиця 2. Зіставлення сигналів датчиків Холла з комутацією фаз двигуна.
| Положення двигуна | 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 | + |
При рівномірному обертанні двигуна з датчиків надходить сигнал зміщений на 1/6 періоду 60 електричних градусів (рисунок 16).
Малюнок 16. Вид сигналу датчиків Холла.
Управління за допомогою сигналу зворотної ЕРС
Існують безколекторні двигуни без датчиків положення. Визначення положення ротора здійснюється за допомогою аналізу сигналу ЕРС на вільній фазі двигуна. У кожний момент часу до однієї з фаз підключено "+" до іншої "-" живлення, одна з фаз залишається вільною. Повертаючись, магнітне поле ротора наводить ЕРС у вільній обмотці. У міру обертання напруга на вільній фазі змінюється (рис. 17).
17. Зміна напруги на фазі двигуна.
Сигнал з обмотки двигуна розбитий на 4 моменти:
1. Обмотка підключена до 0
2. Обмотка не підключена (вільна фаза)
3. Обмотка підключена до напруги живлення
4. Обмотка не підключена (вільна фаза)
Зіставивши сигнал з фаз з керуючим сигналом, видно, що момент переходу на наступний стан можна детектувати перетином середньої точки (половини напруги живлення) з фазою, яка в даний момент не підключена (рисунок 18).
Рисунок 18. Зіставлення керуючого сигналу із сигналом на фазах двигуна.
Після детектування перетину необхідно витримати паузу та включати наступний стан. За цим малюнком складено алгоритм перемикань станів обмоток (таблиця 3).
Таблиця 3. Алгоритм перемикання обмоток двигуна
| поточний стан | U | V | W | Наступний стан |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Очікування перетину середньої точки з + в - | 4 |
| 4 | + | Очікування перетину середньої точки з - в + | - | 5 |
| 5 | Очікування перетину середньої точки з + в - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Очікування перетину середньої точки з - в + | 1 |
Перетин середньої точки найпростіше детектувати компаратором, однією вхід компаратора подається напруга середньої точки, але в другий поточне напруга фази.
19. Детектування середньої точки компаратором.
Компаратор спрацьовує в момент переходу напруги через середню точку та генерує сигнал для мікроконтролера.
Обробка сигналу з фаз двигуна
Однак сигнал із фаз при регулюванні швидкості ШІМ відрізняється виглядом, і має імпульсний характер (рисунок 21), в такому сигналі неможливо детектувати перетин із середньою точкою.
Рисунок 20. Вид сигналу фази під час регулювання швидкості ШІМ.
Тому цей сигнал слід відфільтрувати RC фільтром, щоб отримати огинальну, а так само розділити під вимоги компаратора. У міру збільшення шпаруватості сигнал зростатиме по амплітуді (рисунок 22).
Рисунок 21. Схема дільника та фільтра сигналу з фази двигуна.
Малюнок 22. Огинає сигналу при зміні шпаруватості ШІМ.
Схема із середньою точкою
Малюнок 23. Вид віртуальної середньої точки. Зображення взято з avislab.com/
З фаз знімаються сигнали через струмообмежувальні резистори і об'єднуються, виходить така картина:
Рисунок 24. Вид осцилограми напруги віртуальної середньої точки.
Через ШІМ, напруга середньої точки не завжди, сигнал також необхідно фільтрувати. Напруга середньої точки після згладжування буде досить великою (в районі напруги живлення двигуна), його необхідно розділити дільником напруги до значення половини напруги живлення.
Після проходження сигналу через фільтр коливання згладжується і виходить рівне напруження щодо якого можна детектувати перетин зворотної ЕРС.
Рисунок 26. Напруга після дільника та фільтра низьких частот.
Середня точка буде змінювати своє значення в залежності від напруги (шпаруватості ШІМ), так само як і сигнал, що огинає.
Отримані сигнали з компараторів заводяться на мікроконтролер, який обробляє за алгоритмом вище.
Поки що на цьому все.
Двигуни в мультироторних апаратах бувають двох типів: колекторні та безколекторні. Їхня головна відмінність у тому, що у колекторного двигуна обмотки знаходяться на роторі (що обертається), а у безколекторного - на статорі. Не вдаючись у подробиці скажемо, що безколекторний двигун краще колекторного оскільки найбільше задовольняє вимогам, що ставляться перед ним. Тому в цій статті йтиметься саме про такий тип моторів. Докладно про різницю між безколекторними та колекторними двигунами можна прочитати у .
Незважаючи на те, що застосовуватися БК-мотори почали порівняно недавно, сама ідея їхнього пристрою з'явилася досить давно. Проте поява транзисторних ключів і потужних неодимових магнітів уможливило їхнє комерційне використання.
Пристрій БК-моторів
Конструкція безколекторного двигуна складається з ротора, на якому закріплені магніти і статора, на якому розташовуються обмотки. Саме за взаєморозташуванням цих компонентів БК-двигуни діляться на inrunner і outrunner.
У мультироторних системах частіше застосовується схема Outrunner, оскільки вона дозволяє отримувати найбільший момент обертання.
Плюси та мінуси БК - двигунів
Плюси:
- Спрощена конструкція двигуна за рахунок виключення з неї колектора.
- Вищий ККД.
- Хороше охолодження
- БК-двигуни можуть працювати у воді! Однак не варто забувати, що через воду на механічних частинах двигуна може утворитися іржа і він зламається через якийсь час. Для уникнення подібних ситуацій рекомендується обробляти двигуни за допомогою водовідштовхувального мастила.
- Найменші радіоперешкоди
Мінуси:
З мінусів можна відзначити лише неможливість застосування цих двигунів без ESC (регулятори швидкості обертання). Це дещо ускладнює конструкцію і робить БК-двигуни дорожчими за колекторні. Однак якщо складність конструкції є пріоритетним параметром, існують БК-двигуни з вбудованими регуляторами швидкості.
Як вибрати двигуни для коптеру?
При виборі безколекторних двигунів насамперед слід звернути увагу на такі характеристики:
- Максимальний струм - ця характеристика показує, який максимальний струм може витримати обмотка двигуна за невеликий проміжок часу. Якщо перевищити цей час, то неминучий вихід двигуна з ладу. Також цей параметр впливає на вибір ESC.
- Максимальна напруга – так само як і максимальний струм, показує, яку напругу можна подати на обмотку протягом короткого проміжку часу.
- KV – кількість обертів двигуна на один вольт. Оскільки цей показник безпосередньо залежить від навантаження на вал мотора, його вказують для випадку, коли навантаження немає.
- Опір - від опору залежить ККД двигуна. Тому що опір менший - тим краще.
Безколекторні електродвигуни
Безколекторні (brushless англ.) електродвигуни прийшли у моделізм порівняно недавно, останні 5-7 років. На відміну від колекторних двигунів вони живляться трифазним змінним струмом. Безколекторні двигуни ефективно працюють у ширшому діапазоні оборотів і мають вищий ККД. Конструкція двигуна при цьому простіше, в ній немає щіткового вузла і немає необхідності в технічному обслуговуванні. Можна сказати, що безколекторні двигуни практично не зношуються. Вартість безколекторних двигунів дещо вища, ніж колекторних. Це викликано тим, що всі безколекторні мотори мають підшипники і, як правило, виготовлені якісніше. Хоча, розрив у цінах між хорошим колекторним мотором і безколекторним двигуном аналогічного класу не такий вже й великий.
За конструкцією безколекторні мотори діляться на дві групи: inrunner (вимовляється як "інраннер") та outrunner (вимовляється як "аутраннер"). Двигуни першої групи мають розташовані по внутрішній поверхні корпусу обмотки, і магнітний ротор, що обертається всередині. Двигуни другої групи - "аутраннери", мають нерухомі обмотки, всередині двигуна, навколо яких обертається корпус із поміщеними на його внутрішню стінку постійними магнітами. Кількість полюсів магнітів, що використовуються в безколекторних двигунах, може бути різною. За кількістю полюсів можна судити про момент, що крутить, і обороти і двигуна. Мотори з двополюсними роторами мають найбільшу швидкість обертання при найменшому моменті, що крутить. Ці двигуни по конструкції можуть бути тільки "інраннерами". Такі двигуни часто продаються вже із закріпленими ними планетарними редукторами, оскільки їх обороти занадто великі прямого обертання пропелера. Іноді такі двигуни використовують і без редуктора - наприклад, ставлять на гоночні авіамоделі. Мотори з великою кількістю полюсів мають меншу швидкість обертання, зате більший крутний момент. Такі двигуни дозволяють використовувати пропелери великого діаметру, без необхідності застосовувати редуктори. Взагалі, пропелери великого і невеликого кроку, при відносно низькій частоті обертання забезпечують велику тягу, але повідомляють моделі невелику швидкість, в той час як маленькі по діаметру пропелери з великим кроком на високих оборотах забезпечують високу швидкість, при порівняно невеликій тязі. Таким чином, багатополюсні мотори ідеально підходять для моделей, яким потрібна висока тягоозброєність, а двополюсні без редуктора – для швидкісних моделей. Для більш точного підбору двигуна та пропелера до певної моделі можна скористатися спеціальною програмою MotoCalc.
Оскільки безколекторні двигуни живляться змінним струмом, для роботи їм необхідний спеціальний контролер (регулятор), що перетворює постійний струм від батарей в змінний. Регулятори для безколекторних двигунів є програмованим пристроєм, що дозволяє контролювати всі життєво важливі параметри двигуна. Вони дозволяють не тільки змінювати оберти та напрямок роботи мотора, але й забезпечувати в залежності від необхідності плавний або різкий старт, обмеження за максимальним струмом, функцію "гальма" та ряд інших тонких налаштувань двигуна під потреби моделіста. Для програмування регулятора використовуються пристрої для підключення до комп'ютера, або в польових умовах це можна робити за допомогою передавача і спеціальної перемички.
Виробників безколекторних моторів та регуляторів до них дуже багато. Конструктивно і за розмірами безколекторні двигуни також сильно відрізняються. Більше того, самостійне виготовлення безколекторних двигунів на основі деталей від CD-приводів та інших промислових безколекторних двигунів стало досить поширеним явищем останнім часом. Можливо, саме з цієї причини безколекторні двигуни сьогодні не мають навіть такої приблизної загальної класифікації як колекторні побратими. Підіб'ємо короткий підсумок. На сьогоднішній день колекторні двигуни в основному використовують на недорогих хобійних моделях, або спортивних моделях початкового рівня. Ці двигуни не дорогі, прості в експлуатації, і, як і раніше, становлять наймасовіший вид модельних електромоторів. Їм на зміну йдуть безколекторні двигуни. Єдиним стримуючим фактором поки що залишається їх ціна. Разом з регулятором безколекторний двигун коштує на 30-70% дорожче. Проте, ціни на електроніку та мотори падають, і поступове витіснення з моделізму колекторних електромоторів – лише питання часу.
AVR492: Управління безколекторним електродвигуном постійного струму за допомогою AT90PWM3
Відмітні особливості:
- Загальні відомості про БКЕПТ
- Використовує контролер силового каскаду
- Апаратна реалізація
- Приклад програмного коду
Вступ
У цих рекомендаціях щодо застосування описується, як реалізувати пристрій керування безколекторним електродвигуном постійного струму (БКЕПТ) з використанням датчиків положення на основі AVR-мікроконтролера AT90PWM3.
Високопродуктивне AVR-ядро мікроконтролера, яке містить контролер силового каскаду, дозволяє реалізувати пристрій керування високошвидкісним безколекторним електродвигуном постійного струму.
У цьому документі дається короткий опис принципу дії безколекторного електродвигуна постійного струму, а деталях розглядається управління БКЭПТ в сенсорному режимі, а також наводиться опис принципової схеми опорної розробки ATAVRMC100, на якій засновані дані рекомендації щодо застосування.
Обговорюється також програмна реалізація із програмно-реалізованим контуром управління на основі ПІД-регулятора. Для управління процесом комутації мається на увазі використання лише датчиків положення на основі ефекту Холла.
Принцип дії
Області застосування БКЕПТ безперервно збільшуються, що пов'язано з низкою їх переваг:
- Відсутність колекторного вузла, що спрощує або взагалі виключає технічне обслуговування.
- Генерація нижчого рівня акустичного та електричного шуму порівняно з універсальними колекторними двигунами постійного струму.
- Можливість роботи в небезпечних середовищах (із займистими продуктами).
- Хороше співвідношення масогабаритних характеристик та потужності.
Двигуни такого типу характеризуються невеликою інерційністю ротора, т.к. обмотки розташовані на статорі. Комутація керується електронікою. Моменти комутації визначаються або за інформацією від датчиків положення або шляхом вимірювання зворотної е.д.с., що генерується обмотками.
При керуванні з використанням датчиків БКЕПТ складається, як правило, із трьох основних частин: статор, ротор та датчики Холла.
Статор класичного трифазного БКЕПТ містить три обмотки. Багато двигунах обмотки поділяються на кілька секцій, що дозволяє зменшити пульсації крутного моменту.
На малюнку 1 показано електричну схему заміщення статора. Він складається з трьох обмоток, кожна з яких містить три послідовно включені елементи: індуктивність, опір і зворотна е.д.с.
Рисунок 1. Електрична схема заміщення статора (три фази, три обмотки)
Ротор БКЕПТ складається з парного числа постійних магнітів. Кількість магнітних полюсів у роторі також впливає на розмір кроку обертання та пульсації крутного моменту. Чим більша кількість полюсів, тим менший розмір кроку обертання і менше пульсації моменту, що крутить. Можуть використовуватись постійні магніти з 1.5 парами полюсів. У деяких випадках кількість пар полюсів збільшується до 8 (рис. 2).
Малюнок 2. Статор та ротор трифазного, триобмотувального БКЕПТ
Обмотки встановлені стаціонарно, а магніт обертається. Ротор БКЕПТ характеризується легшою вагою щодо ротора звичайного універсального двигуна постійного струму, у якого обмотки розташовані на роторі.
Датчик холу
Для оцінки положення ротора корпус двигуна вбудовуються три датчика Холла. Датчики встановлені під кутом 120° один до одного. За допомогою цих датчиків можна виконати 6 різних перемикань.
Комутація фаз залежить стану датчиків Холла.
Подача напруги живлення на обмотки змінюється після зміни станів виходів датчиків Холла. При правильному виконанні синхронізованої комутації момент, що обертає, залишається приблизно постійним і високим.
Рисунок 3. Сигнали датчиків Холла у процесі обертання
Комутація фаз
З метою спрощеного опису роботи трифазного БКЕПТ розглянемо лише його версію із трьома обмотками. Як показано раніше, комутація фаз залежить від вихідних значень датчиків Холла. При коректній подачі напруги на обмотки двигуна створюється магнітне поле та ініціюється обертання. Найбільш поширеним і простим способом управління комутацією, що використовується для управління БКЕПТ, є схема включення-відключення, коли обмотка або проводить струм або ні. Одночасно можуть бути запитані лише дві обмотки, а третя залишається відключеною. Підключення обмоток до шин живлення викликає перебіг електричного струму. Даний спосіб називається трапецеїдальною комутацією або блоковою комутацією.
Для управління БКЕПТ використовується силовий каскад, що складаються з 3 напівмостів. Схема силового каскаду показано малюнку 4.
Рисунок 4. Силовий каскад
За лічені значення датчиків Холла визначається, які ключі повинні бути замкненими.
У цій статті ми хотіли б розповісти про те, як ми з нуля створили електричний мотор: від появи ідеї та першого прототипу до повноцінного мотора, що пройшов усі випробування. Якщо ця стаття здасться вам цікавою, ми окремо, більш докладно, розповімо про етапи нашої роботи, що вас найбільше зацікавили.
На малюнку зліва направо: ротор, статор, часткове складання мотора, мотор у зборі
Вступ
Електричні мотори з'явилися більше 150 років тому, проте за цей час їх конструкція не зазнала особливих змін: ротор, що обертається, мідні обмотки статора, підшипники. З роками відбувалося лише зниження ваги електромоторів, збільшення ККД та точності управління швидкістю.Сьогодні, завдяки розвитку сучасної електроніки та появі потужних магнітів на основі рідкісноземельних металів, вдається створювати як ніколи потужні і водночас компактні та легкі “Бесколекторні” електромотори. При цьому завдяки простоті своєї конструкції вони є найбільш надійними серед будь-коли створених електродвигунів. Про створення такого двигуна і йтиметься у цій статті.
Опис двигуна
У "Бесколекторних моторах" відсутня знайомий всім з розбирання електроінструменту елемент "Щітки", роль яких полягає в передачі струму на обмотку ротора, що обертається. У безколекторних двигунах струм подається на обмотки статора, що не рухається, який, створюючи магнітне поле по черзі на окремих своїх полюсах, розкручує ротор, на якому закріплені магніти.Перший такий двигун був надрукований нами 3D принтері як експеримент. Замість спеціальних пластин з електротехнічної сталі, для корпусу ротора та сердечника статора, на який намотувалась мідна котушка, ми використовували звичайний пластик. На роторі було закріплено неодимові магніти прямокутного перерізу. Звичайно такий мотор був не здатний видати максимальну потужність. Однак цього вистачило, щоб двигун розкрутився до 20к rpm, після чого пластик не витримав і ротор двигуна розірвало, а магніти розкидало навколо. Цей експеримент спонукав нас на створення повноцінного двигуна.
Декілька перших прототипів
Дізнавшись думку любителів радіокерованих моделей, як завдання, ми вибрали мотор для гоночних машинок типорозміру "540" як найбільш затребуваного. Даний мотор має габарити 54мм у довжину та 36мм у діаметрі.
Ротор нового двигуна ми зробили з єдиного неодимового магніту у формі циліндра. Магніт епоксидкою приклеїли на виточений вал з інструментальної сталі на дослідному виробництві.
Статор ми вирізали лазером із набору пластин трансформаторної сталі товщиною 0.5мм. Кожна пластина потім була ретельно покрита лаком і потім приблизно з 50 пластин склеювався готовий статор. Лаком пластини покривалися щоб уникнути замикання між ними та виключити втрати енергії на струмах Фуко, які могли б виникнути у статорі.
Корпус двигуна був виконаний з двох алюмінієвих частин у формі контейнера. Статор щільно входить до алюмінієвого корпусу і добре прилягає до стінок. Така конструкція забезпечує гарне охолодження двигуна.
Вимірювання показників
Для досягнення максимальних характеристик своїх розробок необхідно проводити адекватну оцінку і точне вимірювання характеристик. Для цього нами було спроектовано та зібрано спеціальний диностенд.
Основним елементом стенду є важкий вантаж як шайби. Під час вимірювань, мотор розкручує даний вантаж і за кутовою швидкістю та прискоренням розраховуються вихідна потужність та момент мотора.
Для вимірювання швидкості обертання вантажу використовується пара магнітів на валу та магнітний цифровий датчик A3144 на основі ефекту холу. Звичайно, можна було б вимірювати оберти по імпульсах безпосередньо з обмоток двигуна, оскільки даний двигун є синхронним. Однак варіант з датчиком є надійнішим і він працюватиме навіть на дуже малих обертах, на яких імпульси будуть нечитані.
Крім оборотів, наш стенд здатний вимірювати ще кілька важливих параметрів:
- струм живлення (до 30А) за допомогою датчика струму на основі ефекту холу ACS712;
- напруга живлення. Вимірюється безпосередньо через АЦП мікроконтролера, через дільник напруги;
- температуру всередині/зовні мотора. Температура вимірюється за допомогою напівпровідникового термоопору;
В результаті наш стенд здатний вимірювати у довільний момент часу наступні характеристики двигуна:
- споживаний струм;
- напруга, що споживається;
- споживана потужність;
- Вихідна потужність;
- обороти валу;
- момент на валу;
- потужність, що йде в тепло;
- температура всередині двигуна.
Результати тестування
Для перевірки працездатності стенду ми спочатку випробували його на звичайному колекторному двигуні R540-6022. Параметрів для цього двигуна відомо досить мало, проте цього вистачило, щоб оцінити результати вимірювання, які виявилися досить близькими до заводських.Потім уже було випробувано наш мотор. Звичайно він зміг показати краще ККД (65% проти 45%) і при цьому більший момент (1200 проти 250 г на см), ніж звичайний мотор. Вимірювання температури теж дало досить хороші результати, під час тестування двигун не нагрівався вище 80 градусів.
Але на даний момент виміри поки що не остаточні. Нам не вдалося виміряти двигун у повному діапазоні оборотів через обмеження потужності джерела живлення. Також належить порівняти наш мотор з аналогічними моторами конкурентів і випробувати його "в бою", поставивши на гоночну радіокеровану машину та виступити на змаганнях.
Опубликовано 19.03.2013
Цією статтею я починаю цикл публікацій про безколекторні двигуни постійного струму. Доступною мовою опишу загальні відомості, пристрій, алгоритми керування безколекторним двигуном. Буде розглянуто різні типи двигунів, наведено приклади підбору параметрів регуляторів. Опишу пристрій та алгоритм роботи регулятора, методику вибору силових ключів та основних параметрів регулятора. Логічним завершенням публікацій буде схема регулятора.
Безколекторні двигуни набули широкого поширення завдяки розвитку електроніки і, у тому числі, завдяки появі недорогих силових транзисторних ключів. Також важливу роль відіграла поява сильних неодимових магнітів.
Однак не варто вважати безколекторний двигун новинкою. Ідея безколекторного двигуна з'явилася на зорі електрики. Але через неготовність технологій чекала свого часу до 1962 року, коли з'явився перший комерційний безколекторний двигун постійного струму. Тобто. вже понад півстоліття існують різні серійні реалізації цього електроприводу!
Трохи термінології
Безколекторні двигуни постійного струму називають також вентильними, в зарубіжній літературі BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) або PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Конструктивно безколекторний двигун складається з ротора з постійними магнітами та статора з обмотками. Звертаю Вашу увагу на те, що в колекторному двигуні навпаки обмотки знаходяться на роторі. Тому, далі у тексті ротор – магніти, статор – обмотки.
Для керування двигуном застосовується електронний регулятор. У зарубіжній літературі Speed Controller чи ESC (Electronic speed control).
Що таке безколекторний двигун?
Зазвичай люди, зіштовхуючись із чимось новим, шукають аналогії. Іноді доводиться чути фрази "ну це як синхронник", або ще гірше "він схожий на кроковик". Оскільки більшість безколекторних двигунів трифазні, це ще більше плутає, що призводить до неправильної думки про те, що регулятор "годує" двигун змінним 3-х фазним струмом. Усе сказане вище відповідає дійсності лише частково. Справа в тому, що синхронними можна назвати всі двигуни, крім асинхронних. Всі двигуни постійного струму є синхронними із самосинхронізацією, але їх принцип дії відрізняється від синхронних двигунів змінного струму, у яких відсутня самосинхронізація. Як кроковий безколекторний двигун також, напевно, зможе працювати. Але тут така річ: цегла вона теж може літати... правда, недалеко, бо для цього не призначена. Як кроковий двигун більше підійде вентильний реактивний двигун.
Спробуємо розібратися, що є безколекторним двигуном постійного струму (Brushles Direct Current Motor). У цій фразі вже криється відповідь – це двигун постійного струму без колектора. Функції колектора виконує електроніка.
Переваги і недоліки
З конструкції двигуна видаляється досить складний, що вимагає обслуговування важкий вузол іскристий - колектор. Конструкція двигуна значно спрощується. Двигун виходить легшим і компактнішим. Значно зменшуються втрати на комутацію, оскільки контакти колектора та щітки замінюються електронними ключами. У результаті отримуємо електродвигун з найкращими показниками ККД та показником потужності на кілограм власної ваги, з найбільш широким діапазоном зміни швидкості обертання. Насправді безколекторні двигуни гріються менше, ніж їхні колекторні брати. Переносять велике навантаження на момент. Застосування потужних неодимових магнітів зробили безколекторні двигуни ще компактнішими. Конструкція безколекторного двигуна дозволяє експлуатувати його у воді та агресивних середовищах (зрозуміло, тільки двигун, регулятор мочити буде дуже дорого). Безколекторні двигуни практично не створюють радіоперешкод.
Єдиним недоліком вважають складний дорогий електронний блок керування (регулятор або ESC). Однак, якщо ви хочете керувати оборотами двигуна, без електроніки не обійтися. Якщо вам не треба керувати обертами безколекторного двигуна, без електронного блоку керування все одно не обійтись. Безколекторний двигун без електроніки – просто залізниця. Немає можливості подати на нього напругу і досягти нормального обертання, як у інших двигунів.
Що відбувається у регуляторі безколекторного двигуна?
Для того щоб зрозуміти, що відбувається в електроніці регулятора, що управляє безколекторним двигуном, повернемося трохи назад і спочатку розберемося, як працює колекторний двигун. Зі шкільного курсу фізики пам'ятаємо, як магнітне поле діє на рамку зі струмом. Рамка зі струмом обертається у магнітному полі. У цьому вона обертається постійно, а повертається до певного становища. Для того щоб відбувалося безперервне обертання, потрібно перемикати напрямок струму в рамці в залежності від положення рамки. У нашому випадку рамка зі струмом – це обмотка двигуна, а перемиканням займається колектор – пристрій зі щітками та контактами. Пристрій найпростішого двигуна дивись на малюнку.
Те ж саме робить і електроніка, що управляє безколекторним двигуном - у потрібні моменти підключає постійну напругу на потрібні обмотки статора.
Датчики положення, двигуни без датчиків
Зі сказаного вище важливо усвідомити, що подавати напругу на обмотки двигуна потрібно в залежності від положення ротора. Тому електроніка повинна вміти визначати положення ротора двигуна. . Для цього застосовуються датчики положення. Вони можуть бути різного типу, оптичні, магнітні та ін. Нині дуже поширені дискретні датчики з урахуванням ефекту Холла (наприклад SS41). У трифазному безколекторному двигуні використовується 3 датчики. Завдяки таким датчикам електронний блок управління завжди знає, в якому положенні знаходиться ротор та на які обмотки подавати напругу у кожний момент часу. Пізніше буде розглянуто алгоритм керування трифазним безколекторним двигуном.
Існують безколекторні двигуни, які не мають датчиків. У таких двигунах положення ротора визначається шляхом вимірювання напруги на незадіяній в даний час обмотці. Ці методи також будуть розглянуті пізніше. Слід звернути увагу на суттєвий момент: цей спосіб актуальний лише при обертанні двигуна. Коли двигун не обертається або обертається повільно, такий метод не працює.
У яких випадках застосовують безколекорні двигуни з датчиками, а в яких – без датчиків? У чому їхня відмінність?
Двигуни з датчиками положення кращі з технічної точки зору. Алгоритм керування такими двигунами значно простіший. Однак є і свої мінуси: потрібно забезпечити живлення датчиків та прокладання проводів від датчиків у двигуні до електроніки, що управляє; у разі виходу з ладу одного з датчиків двигун припиняє роботу, а заміна датчиків, як правило, вимагає розбирання двигуна.
У тих випадках, коли конструктивно неможливо розмістити датчики в корпусі двигуна використовують двигуни без датчиків. Конструктивно такі двигуни практично не відрізняються від двигунів із датчиками. А ось електронний блок має вміти керувати двигуном без датчиків. При цьому блок керування повинен відповідати характеристикам конкретної моделі двигуна.
Якщо двигун повинен стартувати зі суттєвим навантаженням на вал двигуна (електротранспорт, підйомні механізми тощо) – застосовують двигуни з датчиками.
Якщо двигун стартує без навантаження на валу (вентиляція, повітряний гвинт, застосовується відцентрова муфта зчеплення тощо), можна використовувати двигуни без датчиків. Запам'ятайте, що двигун без датчиків положення повинен стартувати без навантаження на валу. Якщо ця умова не дотримується, слід використовувати двигун із датчиками. Крім того, в момент старту двигуна без датчиків можливі обертальні коливання осі двигуна у різні боки. Якщо це критично для Вашої системи, використовуйте двигун із датчиками.
Три фази
Трифазні безколекторні двигуни набули найбільшого поширення. Але можуть бути і одне, двох, трьох і більше фазними. Чим більше фаз, тим паче плавне обертання магнітного поля, а й складніше система управління двигуном. 3-х фазна система найбільш оптимальна за співвідношенням ефективність/складність, тому й набула такого широкого поширення. Далі розглядатиметься лише трифазна схема, як найбільш поширена. Фактично фази це обмотки двигуна. Тому якщо сказати "трьохобмотувальні", думаю, це теж буде правильно. Три обмотки з'єднуються за схемою "зірка" або "трикутник". Трифазний безколекторний двигун має три дроти – висновки обмоток, див. рисунок.
Двигуни з датчиками мають додаткових 5 проводів (2-живлення датчиків положення, та 3 сигнали від датчиків).
У трифазній системі у кожний момент часу напруга подається на дві з трьох обмоток. Таким чином, є 6 варіантів подачі постійної напруги на обмотки двигуна, як показано на малюнку нижче.
