Робота бесщеточного електродвигуна грунтується на електричних приводах, що створюють магнітне обертається поле. В даний час існує декілька типів пристроїв, що мають різні характеристики. З розвитком технологій і використанням нових матеріалів, що відрізняються високою коерцитивної силою і достатнім рівнем магнітного насичення, стало можливим отримання сильного магнітного поля і, як наслідок, вентильних конструкцій нового виду, в яких відсутня обмотка на роторних елементах або стартер. Широке поширення перемикачів напівпровідникового типу з високою потужністю і прийнятною вартістю прискорило створення подібних конструкцій, полегшило виконання і позбавило від безлічі складнощів з комутацією.

Принцип роботи

Збільшення надійності, зменшення ціни і більш просте виготовлення забезпечується відсутністю механічних комутаційних елементів, обмотки ротора і постійних магнітів. При цьому підвищення результативності можливо завдяки зменшенню втрат тертя в колекторів. Безщітковий двигун може функціонувати на змінному або безперервному струмі. Останній варіант відрізняється помітним подібністю з Його характерною особливістю є формування магнітного обертового поля і застосування імпульсного струму. В його основі присутній електронний комутатор, через що підвищується складність конструкції.

обчислювати координати

Генерування імпульсів відбувається в керуючої системі після сигналу, що відображає положення ротора. Від стрімкості обертання мотора безпосередньо залежить ступінь напруги і подачі. Датчик в стартері визначає положення ротора і подає електричний сигнал. Разом з магнітними полюсами, що проходять поруч з датчиком, змінюється амплітуда сигналу. Також існують бездатчикового методики встановлення положення, до їх числа відносяться точки проходження струму та перетворювачі. ШІМ на вхідних затискачах забезпечують збереження змінного рівня напруги і управління потужністю.

Для ротора з незмінними магнітами підведення струму необов'язково, завдяки чому відсутні втрати в обмотці ротора. Безщітковий двигун для шуруповерта відрізняється низьким рівнем інерції, забезпечуваним відсутністю обмоток і механізованого колектора. Таким чином з'явилася можливість використання на високих швидкостях без іскріння і електромагнітного шуму. Високі значення струму і спрощення розсіювання тепла досягаються розміщенням нагрівають ланцюгів на статорі. Варто також відзначити наявність електронного вбудованого блоку на деяких моделях.

магнітні елементи

Розташування магнітів може бути різним відповідно до розмірів двигуна, наприклад, на полюсах або по всьому ротора. Створення якісних магнітів з більшою потужністю можливо завдяки використанню неодиму в поєднанні з бором і залізом. Незважаючи на високі показники експлуатації, Бесщеточний двигун для шуруповертас постійними магнітами має деякі недоліки, в їх числі втрата магнітних характеристик при високих температурах. Але вони відрізняються більшою ефективністю і відсутністю втрат в порівнянні з машинами, в конструкції яких є обмотки.

Імпульси інвертора визначають механізму. При незмінній живильної частоті робота двигуна здійснюється з постійною швидкістю в розімкнутої системі. Відповідно, швидкість обертання змінюється в залежності від рівня живлячої частоти.

Характеристики

Працює в встановлених режимах і має функціонал щеточного аналога, швидкість якого залежить від прикладеної напруги. Механізм має безліч переваг:

відсутність змін при намагнічуванні і витоку струму;
відповідність швидкості обертання і самого крутного моменту;
швидкість не обмежується впливає на колектор і роторну електрообмотку;
немає необхідності в комутаторі і обмотці збудження;
використовувані магніти відрізняються невеликою вагою і компактними розмірами;
високий момент сили;
енергонасиченість і ефективність.

Використання

Постійного струму з постійними магнітами зустрічається в основному в пристроях з потужністю в межах 5 кВт. У більш потужної апаратури їх застосування нераціонально. Також варто відзначити, що магніти в двигунах даного типу відрізняються особливою чутливістю до високих температур і сильним полях. Індукційні та щіткові варіанти позбавлені таких недоліків. Двигуни активно використовуються в автомобільних приводах завдяки відсутності тертя в колекторі. Серед особливостей потрібно виділити рівномірність крутного моменту і струму, що забезпечує зниження акустичного шуму.

безколекторні електродвигуни

Безколекторні (brushless англ.) Електродвигуни прийшли в моделизм порівняно недавно, в останні 5-7 років. На відміну від колекторних моторів вони харчуються трифазним змінним струмом. Безколекторні двигуни ефективно працюють в більш широкому діапазоні оборотів і мають більш високий ККД. Конструкція двигуна при цьому простіше, в ній немає щіткового вузла, і немає необхідності в технічному обслуговуванні. Можна сказати, що безколекторні мотори практично не зношуються. Вартість безколекторних двигунів трохи вище, ніж колекторних. Це викликано тим, що всі безколекторні мотори забезпечені підшипників та, як правило, виготовлені якісніше. Хоча, розрив в цінах між хорошим колекторним мотором і безколекторним двигуном аналогічного класу не настільки вже й великий.

За конструкцією безколекторні мотори діляться на дві групи: inrunner (вимовляється як "інраннер") і outrunner (вимовляється як "аутраннер"). Двигуни першої групи мають розташовані по внутрішній поверхні корпусу обмотки, і обертається усередині магнітний ротор. Двигуни другої групи - "аутраннери", мають нерухомі обмотки, всередині двигуна, навколо яких обертається корпус з поміщеними на його внутрішню стінку постійними магнітами. Кількість полюсів магнітів, що використовуються в безколекторних двигунах, може бути різним. За кількістю полюсів можна судити про моменті і оборотах і двигуна. Мотори з двополюсними роторами мають найбільшу швидкість обертання при найменшому моменті. Ці мотори по конструкції можуть бути тільки "інраннерамі". Такі двигуни часто продаються вже з закріпленими на них планетарними редукторами, так як їх обороти занадто великі для прямого обертання пропелера. Іноді такі мотори використовують і без редуктора - наприклад, ставлять на гоночні авіамоделі. Мотори з великою кількістю полюсів мають меншу швидкість обертання, але зате більший крутний момент. Такі мотори дозволяють використовувати пропелери великого діаметра, без необхідності застосовувати редуктори. Взагалі, пропелери великого діаметра і невеликої кроку, при відносно низькій частоті обертання забезпечують більшу 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 тяговооруженность, а двополюсні без редуктора - для швидкісних моделей. Для більш точного підбору двигуна і пропелера до певної моделі, можна скористатися спеціальною програмою MotoCalc.

Так як безколекторні мотори харчуються змінним струмом, для роботи їм необхідний спеціальний контролер (регулятор), що перетворює постійний струм від батарей в перемінний. Регулятори для безколекторних двигунів є програмований пристрій, що дозволяє контролювати всі життєво важливі параметри двигуна. Вони дозволяють не тільки міняти обертів і напрямок роботи мотора, але і забезпечувати в залежності від необхідності плавний або різкий старт, обмеження по максимальному струму, функцію "гальма" і ряд інших тонких налаштувань двигуна під потреби моделіста. Для програмування регулятора використовуються пристрої для підключення його до комп'ютера, або в польових умовах це можна робити за допомогою передавача і спеціальної перемички.

Виробників безколекторних моторів і регуляторів до них дуже багато. Конструктивно і за розмірами безколекторні двигуни теж сильно розрізняються. Більш того, самостійне виготовлення безколекторних двигунів на основі деталей від CD-приводів і інших промислових безколекторних моторів стало досить поширеним явищем останнім часом. Можливо, саме з цієї причини у безколекторних двигунів сьогодні немає навіть такої приблизної загальної класифікації як у колекторних побратимів. Підведемо короткий підсумок. На сьогоднішній день, колекторні двигуни в основному використовують на недорогих хоббійних моделях, або спортивних моделях початкового рівня. Ці двигуни не дороги, прості в експлуатації, і як і раніше складають наймасовіший вид модельних електромоторів. Їм на зміну йдуть безколекторні мотори. Єдиним стримуючим фактором поки залишається їх ціна. Разом з регулятором безколекторний мотор стоїть на 30-70% дорожче. Однак, ціни на електроніку і 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

В даних рекомендаціях щодо застосування описується, як реалізувати пристрій управління 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 управління високошвидкісним безколекторним електродвигуном постійного струму.

В даному документі дається короткий опис принципу дії бесколлекторного електродвигуна постійного струму, а в деталях розглядається управління БКЕПТ в сенсорному режимі, а також наводиться опис принципової схеми опорної розробки ATAVRMC100, на якій базуються дані рекомендації по застосуванню.

Обговорюється також програмна реалізація з програмно-реалізованим контуром управління на основі ПІД-регулятора. Для управління процесом комутації мається на увазі використання тільки датчиків положення на основі ефекті Холла.

Принцип дії

Області застосування БКЕПТ безперервно збільшуються, що пов'язано з рядом їх переваг:

Відсутність колекторного вузла, що спрощує або навіть взагалі виключає технічне обслуговування.
Генерація нижчого рівня акустичного та електричного шуму в порівнянні з універсальними колекторними двигунами постійного струму.
Можливість роботи в небезпечних середовищах (з займистими продуктами).
Гарне співвідношення масогабаритних характеристик і потужності ...

Двигуни такого типу характеризуються невеликою інерційністю ротора, тому що обмотки розташовані на статорі. Комутація управляється електронікою. Моменти комутації визначаються або за інформацією від датчиків положення, або шляхом вимірювання зворотної ЕРС, що генерується обмотками.

При управлінні з використанням датчиків БКЕПТ складається, як правило, з трьох основних частин: статор, ротор і датчики Холла.

Статор класичного трифазного БКЕПТ містить три обмотки. У багатьох двигунах обмотки поділяються на кілька секцій, що дозволяє зменшити пульсації крутного моменту.

На малюнку 1 показана електрична схема заміщення статора. Він складається з трьох обмоток, кожна з яких містить три послідовно включених елемента: індуктивність, опір і зворотна ЕРС

Малюнок 1. Електрична схема заміщення статора (три фази, три обмотки)

Ротор БКЕПТ складається з парного числа постійних магнітів. Кількість магнітних полюсів в роторі також впливає на розмір кроку обертання і пульсації крутного моменту. Чим більша кількість полюсів, тим менше розмір кроку обертання і менше пульсації крутного моменту. Можуть використовуватися постійні магніти з 1..5 парами полюсів. У деяких випадках число пар полюсів збільшується до 8 (рисунок 2).

Малюнок 2. Статор і ротор трифазного, триобмоткового БКЕПТ

Обмотки встановлені стаціонарно, а магніт обертається. Ротор БКЕПТ характеризується легшим вагою щодо ротора звичайного універсального двигуна постійного струму, у якого обмотки розташовані на роторі.

Датчик холу

Для оцінки стану ротора в корпус двигуна вбудовуються три датчика Холла. Датчики встановлені під кутом 120 ° по відношенню один до одного. За допомогою даних датчиків можливо виконати 6 різних перемикань.

Комутація фаз залежить від стану датчиків Холла.

Подача напруги живлення на обмотки змінюється після зміни станів виходів датчиків Холла. При правильному виконанні синхронізованою комутації крутний момент залишається приблизно постійним і високим.

Малюнок 3. Сигнали датчиків Холла в процесі обертання

комутація фаз

З метою спрощеного опису роботи трифазного БКЕПТ розглянемо тільки його версію з трьома обмотками. Як було показано раніше, комутація фаз залежить від вихідних значень датчиків Холла. При коректної подачі напруги на обмотки двигуна створюється магнітне поле і ініціюється обертання. Найбільш поширеним і простим способом управління комутацією, який використовується для управління БКЕПТ, є схема включення-відключення, коли обмотка або проводить струм, або ні. В один момент часу можуть бути запитані тільки дві обмотки, а третя залишається відключеною. Підключення обмоток до шин харчування викликає протікання електричного струму. Даний спосіб називається трапецеидальной комутацією або блокової комутацією.

Для управління БКЕПТ використовується силовий каскад, що складаються з 3 півмилі. Схема силового каскаду показана на малюнку 4.

Малюнок 4. Силовий каскад

За лічених значень датчиків Холла визначається, які ключі повинні бути замкненими.

Опубліковано 11.04.2013

Загальний пристрій (Inrunner, Outrunner)

Безколекторний двигун постійного струму складається з ротора з постійними магнітами і статора з обмотками. Розрізняють два типи двигунів: Inrunner, У яких магніти ротора знаходяться всередині статора з обмотками, і Outrunner, У яких магніти розташовані зовні і обертаються навколо нерухомого статора з обмотками.

схему Inrunner зазвичай застосовують для високоспритних двигунів з невеликою кількістю полюсів. Outrunner при необхідності отримати високомоментного двигун з порівняно невеликими оборотами. Конструктивно Inrunners простіше через те, що нерухомий статор може служити корпусом. До нього можуть бути змонтовані кріпильні пристосування. У разі Outrunners обертається вся зовнішня частина. Кріплення двигуна здійснюється за нерухому вісь або деталі статора. У разі мотор-колеса кріплення здійснюється за нерухому вісь статора, дроти заводяться до статора через порожнисту вісь.

Магніти та полюса

Кількість полюсів на роторі парне. Форма застосовуваних магнітів зазвичай прямокутна. Циліндричні магніти застосовуються рідше. Встановлюються вони з чергуванням полюсів.

Кількість магнітів не завжди відповідає кількості полюсів. Кілька магнітів можуть формувати один полюс:

В цьому випадку 8 магнітів формують 4 полюса. Розмір магнітів залежить від геометрії двигуна і характеристик мотора. Чим сильніше застосовуються магніти, тим вище момент сили, що розвивається двигуном на валу.

Магніти на роторі закріплюються за допомогою спеціального клею. Рідше зустрічаються конструкції з власником магнітів. Матеріал ротора може бути магнітопроводящім (сталевим), немагнітопроводящім (алюмінієві сплави, пластики і т.п.), комбінованим.

Обмотки і зуби

Обмотка трифазного бесколлекторного двигуна виконується мідним дротом. Провід може бути одножильним або складатися з декількох ізольованих жив. Статор виконується з декількох складених разом листів магнітопроводящей стали.

Кількість зубів статора має ділитися на кількість фаз. тобто для трифазного бесколлекторного двигуна кількість зубів статора має ділитися на 3. Кількість зубів статора може бути як більше так і менше кількості полюсів на роторі. Наприклад існують мотори зі схемами: 9 зубів / 12 магнітів; 51 зуб / 46 магнітів.

Двигуна з 3-х зубим статором застосовують вкрай рідко. Оскільки в кожен момент часу працює тільки дві фази (при включенні зіркою), магнітні сили впливають на ротор не рівномірно по всьому колу (див. Рис.).

Сили, що впливають на ротор, намагаються його перекосити, що призводить до збільшення вібрацій. Для усунення цього ефекту статор роблять з великою кількістю зубів, а обмотку розподіляють по зубах всьому колу статора якомога рівномірніше.

В цьому випадку магнітні сили, які впливають на ротор, компенсують один одного. Дисбалансу не виникає.

Варіанти розподілу обмоток фаз по зубах статора

Варіант обмотки на 9 зубів

Варіант обмотки на 12 зубів

У наведених схемах число зубів вибрано таким чином, щоб воно ділився не тільки на 3. Наприклад, при 36 зубах доводиться 12 зубів на одну фазу. 12 зубів можна розподілити так:

Найбільш краща схема 6 груп по 2 зуба.

існує двигун з 51 зубом на статорі! 17 зубів на одну фазу. 17 - це просте число, Воно без остачі ділиться тільки на 1 і на саме себе. Як же розподілити обмотку по зубах? На жаль, але я не зміг знайти в літературі прикладів і методик, які допомогли б вирішити цю задачу. Виявилося, що обмотка розподілялася таким чином:

Розглянемо реальну схему обмотки.

Зверніть увагу, що обмотка має різні напрямки намотування на різних зубах. Різні напрямки намотування позначаються прописними і великими літерами. Детально про проектування обмоток можна прочитати в літературі, запропонованої в кінці статті.

Класична обмотка виконується одним проводом для однієї фази. Тобто всі обмотки на зубах однієї фази з'єднані послідовно.

Обмотки зубів можуть з'єднуватися і паралельно.

Так само можуть бути комбіновані включення

Паралельне і комбіноване включення дозволяє зменшити індуктивність обмотки, що призводить до збільшення струму статора (отже і потужності) і швидкості обертання двигуна.

Обороти електричні та реальні

Якщо ротор двигуна має два полюси, то при одному повному обороті магнітного поля на статорі, ротор здійснює один повний оборот. При 4 полюсах, щоб повернути вал двигуна на один повний оборот потрібно два оберти магнітного поля на статорі. Чим більше кількість полюсів ротора, тим більше буде потрібно електричних оборотів для обертання валу двигуна на один оборот. Наприклад, маємо 42 магніту на роторі. Для того щоб провернути ротор на один оборот, буде потрібно 42/2 \u003d 21 електричний оборот. Це властивість можна використовувати як своєрідний редуктор. Підібравши необхідну кількість полюсів, можна отримати двигун з бажаними швидкісними характеристиками. Крім того, розуміння цього процесу буде нам необхідно в майбутньому, при виборі параметрів регулятора.

датчики положення

Пристрій двигунів без датчиків відрізняється від двигунів з датчиками тільки відсутністю останніх. Інших принципових відмінностей немає. Найбільш поширені датчики положення, що працюють на основі ефекту Холла. Датчики реагують на магнітне поле, їх розташовують, як правило, на статорі таким чином, щоб на них впливали магніти ротора. Кут між датчиками повинен бути 120 градусів.

Мається на увазі "електричних" градусів. Тобто для багатополюсного двигуна фізичне розташування датчиків може бути таким:

Іноді датчики розташовують зовні двигуна. Ось один із прикладів розташування датчиків. Насправді це був двигун без датчиків. Таким простим способом його оснастили датчиками холу.

На деяких двигунах датчики встановлюють на спеціальному пристрої, який дозволяє переміщати датчики в певних межах. За допомогою такого пристрою встановлюється кут випередження (timing). Однак, якщо двигун вимагає реверсу (обертання в зворотний бік) буде потрібно другий комплект датчиків, налаштованих на зворотний хід. Оскільки timing не має вирішального значення при старті і низьких оборотах, можна встановити датчики в нульову точку, а кут випередження коригувати програмно, коли двигун почне обертатися.

Основні характеристики двигуна

Кожен двигун розраховується під певні вимоги і має наступні основні характеристики:

Режим роботи на який розрахований двигун: тривалий або короткочасний. тривалий режим роботи має на увазі, що двигун може працювати годинами. Такі двигуни розраховуються таким чином, щоб тепловіддача в навколишнє середовище була вище тепловиділення самого двигуна. У цьому випадку він не буде розігріватися. Приклад: вентиляція, привід ескалатора або конвеєра. короткочасний - має на увазі, що двигун буде включатися на короткий період, за який не встигне розігрітися до максимальної температури, після чого слід тривалий період, за час якого двигун встигає охолонути. Приклад: привід ліфта, електробритви, фени.
Опір обмотки двигуна. Опір обмотки двигуна впливає на ККД двигуна. Чим менше опір, тим вище ККД. Вимірявши опір, можна з'ясувати наявність межвиткового замикання в обмотці. Опір обмотки двигуна становить тисячні частки Ома. Для його вимірювання потрібен спеціальний прилад або спеціальна методика вимірювання.
Максимальна робоча напруга. Максимальна напруга, яке здатна витримати обмотка статора. Максимальна напруга взаємопов'язане з наступним параметром.
максимальні обороти. Іноді вказують не максимальні оберти, а Kv - кількість обертів двигуна на один вольт без навантаження на валу. Помноживши цей показник на максимальне напруження, отримаємо максимальні оберти двигуна без навантаження на валу.
Максимальний струм. Максимально допустимий струм обмотки. Як правило, вказується і час, протягом якого двигун може витримати вказаний струм. Обмеження максимального струму пов'язано з можливим перегрівом обмотки. Тому при низьких температурах навколишнього середовища реальний час роботи з максимальним струмом буде більше, а в спеку двигун згорить раніше.
Максимальна потужність двигуна.Безпосередньо пов'язана з попереднім параметром. Це пікова потужність, яку двигун може розвинути на невеликий період часу, зазвичай - кілька секунд. При тривалій роботі на максимальній потужності неминучий перегрів двигуна і вихід його з ладу.
номінальна потужність. Потужність, яку двигун може розвивати протягом усього часу включення.
Кут випередження фази (timing). Обмотка статора має деяку індуктивність, яка гальмує зростання струму в обмотці. Струм досягне максимуму через деякий час. Для того, щоб компенсувати цю затримку перемикання фаз виконують з деяким випередженням. Аналогічно запалювання в двигуні внутрішнього згоряння, де виставляється кут випередження запалювання з урахуванням часу займання палива.

Так само слід звернути увагу на те, що при номінальному навантаженні Ви не отримаєте максимальних обертів на валу двигуна. Kv вказується для не завантаженою двигуна. При живленні двигуна від батарей слід врахувати "просідання" живлячої напруги під навантаженням, що в свою чергу також знизить максимальні оберти двигуна.

Відмітні особливості:

Загальні відомості про БКЕПТ
Використовує контролер силового каскаду
Приклад програмного коду

Вступ

Принцип дії

Області застосування БКЕПТ безперервно збільшуються, що пов'язано з рядом їх переваг:

Відсутність колекторного вузла, що спрощує або навіть взагалі виключає технічне обслуговування.
Генерація нижчого рівня акустичного та електричного шуму в порівнянні з універсальними колекторними двигунами постійного струму.
Можливість роботи в небезпечних середовищах (з займистими продуктами).
Гарне співвідношення масогабаритних характеристик і потужності ...

Малюнок 1. Електрична схема заміщення статора (три фази, три обмотки)

Малюнок 2. Статор і ротор трифазного, триобмоткового БКЕПТ

Датчик холу

Комутація фаз залежить від стану датчиків Холла.

Малюнок 3. Сигнали датчиків Холла в процесі обертання

комутація фаз

Малюнок 4. Силовий каскад

За лічених значень датчиків Холла визначається, які ключі повинні бути замкненими.

Таблиця 1. Комутація ключів за годинниковою стрілкою

У двигунів з декількома полями електричне обертання не відповідає механічному обертанню. Наприклад, у чотирьохполюсних БКЕПТ чотири цикли електричного обертання відповідають одному механічному обертанню.

Від сили магнітного поля залежить потужність і частота обертання двигуна. Регулювати частоту обертання і крутний момент двигуна можна за рахунок зміни струму через обмотки. Найбільш поширений спосіб управління струмом через обмотки є управління середнім струмом. Для цього використовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), робочий цикл якої визначає середнє значення напруги на обмотках, а, отже, і середнє значення струму і, як наслідок, частоту обертання. Швидкість може регулюватися при частотах від 20 до 60 кГц.

Обертається поле трифазного, триобмоткового БКЕПТ показано на малюнку 5.

Малюнок 5. Ступені комутації і обертається поле

Процес комутації створює обертове поле. На ступені 1 фаза А підключається до позитивної шині харчування ключем SW1, фаза В підключається до загального за допомогою ключа SW4, а фаза С залишається непідключеної. Фазами А і В створюються два вектора магнітного потоку (показані червоною і синій стрілками, відповідно), а сума цих двох векторів дає вектор магнітного потоку статора (зелена стрілка). Після цього ротор намагається слідувати магнітному потоку. Як тільки ротор досягає деякого положення, в якому змінюється стан датчиків Холла зі значення "010" на "011", виконується відповідним чином перемикання обмоток двигуна: фаза В залишається незапітанной, а фаза З підключається до загального. Це призводить до генерації нового вектора магнітного потоку статора (ступінь 2).

Якщо слідувати схемі комутації, показаної на малюнку 3 і в таблиці 1, то отримаємо шість різних векторів магнітного потоку, відповідних шести ступеням комутації. Шість ступенів відповідають одному обороту ротора.

Стартовий набір ATAVRMC100

Принципова електрична схема представлена \u200b\u200bна малюнках 21, 22, 23 і 24 в кінці документа.

Програма містить контур управління швидкістю за допомогою ПІД-регулятора. Такий регулятор складається з трьох ланок, кожен з яких характеризується власним коефіцієнтом передачі: Kп, Кі і Kд.

Кп - коефіцієнт передачі пропорційного ланки, Кі - коефіцієнт передачі інтегруючого ланки і Kд - коефіцієнт передачі дифференцирующего ланки. Відхилення заданої швидкості від фактичної (на малюнку 6 називається "сигнал неузгодженості") обробляється кожним з ланок. Результат цих операцій складається і подається на двигун для отримання необхідної частоти обертання (див. Рисунок 6).

Малюнок 6. Структурна схема ПІД-регулятора

Коефіцієнт Кп впливає на тривалість перехідного процесу, коефіцієнт Кі дозволяє придушити статичні помилки, а Кд використовується, зокрема, для стабілізації становища (див. Опис контуру управління в архіві з програмним забезпеченням для зміни коефіцієнтів).

Опис апаратної частини

Як показано на малюнку 7 мікроконтролер містить 3 контролера силового каскаду (PSC). Кожен PSC можна розглядати як широтно-імпульсний модулятор (ШІМ) з двома вихідними сигналами. Щоб уникнути виникнення наскрізного струму PSC підтримує можливість управління затримкою неперекритих силових ключів (див. Документацію на AT90PWM3 для більш детального вивчення роботи PSC, а також малюнок 9).

Аварійний вхід (Over_Current, струмовий перевантаження) пов'язаний з PSCIN. Аварійний вхід дозволяє микроконтроллеру відключити всі виходи PSC.

Малюнок 7. Апаратна реалізація

Для вимірювання струму можна використовувати два диференціальних каналу з програмованим підсилювальним каскадом (Ку \u003d 5, 10, 20 або 40). Після вибору коефіцієнта посилення необхідно підібрати номінал шунтового резистора для найбільш повного охоплення діапазону перетворення.

Сигнал Over_Current формується зовнішнім компаратором. Гранична напруга компаратора можна регулюватися за допомогою внутрішнього ЦАП.

Перемикання фаз має виконуватися у відповідності зі значенням на виходах датчиків Холла. ДХ_A, ДХ_B і ДХ_C підключаються до входів джерел зовнішніх переривань або до трьох внутрішнім компаратором. Компаратори генерують такий же тип переривань, що і зовнішні переривання. На малюнку 8 показано, як використовуються порти введення-виведення в стартовому наборі.

Малюнок 8. Використання портів введення-виведення мікроконтролера (корпус SO32)

VMOT (Vдв.) І VMOT_Half (1/2 Vдв.) Реалізовані, але не використовуються. Вони можуть використовуватися для отримання інформації про напругу живлення двигуна.

Виходи H_x і L_x використовуються для управління силовим мостом. Як було сказано вище, вони залежать від контролера силового каскаду (PSC), який генерує ШІМ-сигнали. У такому застосуванні рекомендується використовувати режим з вирівнюванням по центру (див. Рисунок 9), коли регістр OCR0RA використовується для синхронізації запуску перетворення АЦП для вимірювання струму.

Малюнок 9. Осцилограми сигналів PSCn0 і PSCn1 в режимі з вирівнюванням по центру

Час вкл. 0 \u003d 2 * OCRnSA * 1 / Fclkpsc
Час вкл. 1 \u003d 2 * (OCRnRB - OCRnSB + 1) * 1 / Fclkpsc
Період PSC \u003d 2 * (OCRnRB + 1) * 1 / Fclkpsc

Пауза неперекритих між PSCn0 і PSCn1:

| OCRnSB - OCRnSA | * 1 / Fclkpsc

Блок PSC тактується сигналів CLKPSC.

Для подачі ШІМ-сигналів в силовий каскад може використовуватися один з двох способів. Перший полягає в додатку ШІМ-сигналів до верхніх і нижніх частин силового каскаду, а другий - в додатку ШІМ-сигналів тільки до верхніх частин.

Опис програмного забезпечення

Atmel розробила бібліотеки для керування БКЕПТ. Перший крок їх використання полягає в конфігурації і ініціалізації мікроконтролера.

Конфігурація і ініціалізація мікроконтролера

Для цього необхідно використовувати функцію mc_init_motor (). Вона викликає функції ініціалізації апаратної і програмної частини, а також ініціалізує всі параметри двигуна (напрямок обертання, частота обертання і останов двигуна).

Структура програмної реалізації

Після конфігурації і ініціалізації мікроконтролера може бути виконаний запуск двигуна. Для управління двигуном необхідно тільки кілька функцій. Всі функції визначені в mc_lib.h:

Void mc_motor_run (void) - Використовується для запуску двигуна. Викликається функція контуру стабілізації для установки робочого циклу ШІМ. Після цього виконується перша фаза комутації. Bool mc_motor_is_running (void) - Визначення стану двигуна. Якщо "1", то двигун працює, якщо "0", то двигун зупинений. void mc_motor_stop (void) - Використовується для зупинки двигуна. void mc_set_motor_speed (U8 speed) - Установка заданої користувачем швидкості. U8 mc_get_motor_speed (void) - Повертає задану користувачем швидкість. void mc_set_motor_direction (U8 direction) - Установка напрямку обертання "CW" (за годинниковою стрілкою) або "CCW" (проти годинникової стрілки). U8 mc_get_motor_direction (void) - Повертає поточний напрямок обертання двигуна. U8 mc_set_motor_measured_speed (U8 measured_speed) - Збереження виміряної швидкості в змінної measured_speed. U8 mc_get_motor_measured_speed (void) - Повертає виміряну швидкість. void mc_set_Close_Loop (void) void mc_set_Open_Loop (void) - Конфігурація контуру стабілізації: замкнутий контур або розімкнутий (див. малюнок 13).

Малюнок 10. Конфігурація AT90PWM3

Малюнок 11. Структура програмного забезпечення

На малюнку 11 показані чотири змінні mc_run_stop (пуск / стоп), mc_direction (напрямок), mc_cmd_speed (задана швидкість) і mc_measured_speed (виміряна швидкість). Вони є основними програмними змінними, доступ до яких може виконуватися за допомогою раніше описаних призначених для користувача функцій.

Програмну реалізацію можна розглядати як чорний ящик з найменуванням "Управління двигуном" (рисунок 12) і декількома входами (mc_run_stop, mc_direction, mc_cmd_speed, mc_measured_speed) і виходами (всі сигнали управління силовим мостом).

Малюнок 12. Основні програмні змінні

Більшість функцій доступні в mc_drv.h. Тільки деякі з них залежать від типу двигуна. Функції можна розділити на чотири основні класи:

Ініціалізація апаратної частини

Void mc_init_SW (void); Використовується для ініціалізації програмного забезпечення. Дозволяє все переривання.

Void mc_init_port (void); Ініціалізація порту введення-виведення шляхом завдання через регістри DDRx, які висновки функціонують як вхід, а які як вихід, а також із зазначенням, на яких входах необхідно включити підтягує резистори (через регістр PORTx).

Void mc_init_pwm (void); Ця функція запускає ФАПЧ і встановлює все регістри PSC в початковий стан.

Void mc_init_IT (void); Модифікуйте цю функцію для дозволу або заборони типів переривань.

Void PSC0_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC1_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC2_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); PSCx_Init дозволяє користувачеві вибрати конфігурацію контролера силового каскаду (PSC) мікроконтролера.

Функції комутації фаз U8 mc_get_hall (void); Зчитування стану датчиків Холла, відповідне шести ступеням комутації (HS_001, HS_010, HS_011, HS_100, HS_101, HS_110).
Interrupt void mc_hall_a (void); _interrupt void mc_hall_b (void); _interrupt void mc_hall_c (void); Дані функції виконуються, якщо виявлено зовнішнє переривання (зміна виходу датчиків Холла). Вони дозволяють виконати комутацію фаз і обчислити швидкість.
Void mc_duty_cycle (U8 level); Ця функція встановлює робочий цикл ШІМ відповідно до конфігурації PSC.
Void mc_switch_commutation (U8 position); Комутація фаз виконується відповідно до значення на виходах датчиків Холла і тільки в разі, якщо користувач запустить двигун.
Конфігурація часу перетворення void mc_config_sampling_period (void); Ініціалізація таймера 1 для генерації переривання кожні 250 мкс. _interrupt void launch_sampling_period (void); Після активізації 250 мкс-ого переривання встановлює прапор. Він може використовуватися для управління часом перетворення.
Оцінка швидкості void mc_config_time_estimation_speed (void); Конфігурація таймера 0 для виконання функції обчислення швидкості.
Void mc_estimation_speed (void); Ця функція обчислює частоту обертання двигуна на основі принципу вимірювання періоду проходження імпульсів датчика Холла.
Interrupt void ovfl_timer (void); При виникненні переривання виконується приріст 8-розрядної змінної для реалізації 16-розрядного таймера за допомогою 8-розрядного таймера.
Вимірювання струму _interrupt void ADC_EOC (void); Функція ADC_EOC виконується відразу після завершення перетворення підсилювача для установки прапора, який може використовуватися користувачем.
Void mc_init_current_measure (void); Ця функція ініціалізує підсилювач 1 для вимірювання струму.
U8 mc_get_current (void); Зчитування значення струму, якщо перетворення завершено.
Bool mc_conversion_is_finished (void); Відображає завершення перетворення.
Void mc_ack_EOC (void); Скидання прапора завершення перетворення.
Детекція струмового перевантаження void mc_set_Over_Current (U8 Level); Встановлює поріг визначення струмового перевантаження. Як порога виступає вихід ЦАП, пов'язаний із зовнішнім компаратором.

Контур стабілізації вибирається за допомогою двох функцій: розімкнутий (mc_set_Open_Loop ()) або замкнутий контур (mc_set_Close_Loop ()). На малюнку 13 показаний програмно-реалізований контур стабілізації.

Малюнок 13. Контур стабілізації

Замкнутий контур являє собою контур стабілізації швидкості на основі ПІД-регулятора.

Як було показано раніше, коефіцієнт Кп використовується для стабілізації часу відгуку двигуна. Спочатку встановіть Кі і Кд рівними 0. Для отримання необхідного часу відгуку двигуна необхідно підбирати значення Кп.

Якщо час відгуку занадто мало, то збільште Кп.
Якщо час відгуку швидке, але не стабільний, то знизьте Кп.

Малюнок 14. Налаштування Кп

Параметр Кі використовується для придушення статичної похибки. Залиште коефіцієнт Кп незмінним і встановіть параметр Кі.

Якщо похибка відрізняється від нуля, то збільште Кі.
Якщо придушення похибки передував коливальний процес, то зменшите Кі.

Малюнок 15. Налаштування Кі

На малюнках 14 і 15 показані приклади вибору правильних параметрів регулятора Кп \u003d 1, Ки \u003d 0.5 і Kд \u003d 0.

Налаштування параметра Кд:

Якщо швидкодія низька, то збільште Кд.
При нестабільності Кд необхідно знижувати.

Ще одним істотним параметром є час перетворення. Його необхідно вибирати щодо часу реагування системи. Час перетворення повинно бути, принаймні, в два рази менше часу відгуку системи (за правилом Котельникова).

Для конфігурації часу перетворення передбачені дві функції (обговорювалися вище).

Їх результат відображається в глобальній змінній g_tick, яка встановлюється кожні 250 мкс. За допомогою даної змінної можливо налаштувати час перетворення.

ЦПУ і використання пам'яті

Всі вимірювання виконуються при частоті генератора 8МГц. Вони також залежать від типу двигуна (кількість пар полюсів). При використанні двигуна з 5 парами полюсів частота сигналу на виході датчика Холла в 5 разів нижче частоти обертання двигуна.

Всі результати, наведені на малюнку 16, отримані при використанні трифазного БКЕПТ з п'ятьма парами полюсів і максимальною частотою обертання 14000 об / хв.

Малюнок 16. Використання швидкодії мікроконтролера

У гіршому випадку рівень завантаження мікроконтролера близько 18% з часом перетворення 80 мс і частотою обертання 14000 об / хв.

Першу оцінку можна виконати для більш швидкого двигуна і з додаванням функції стабілізації струму. Час виконання функції mc_regulation_loop () знаходиться між 45 і 55мкс (необхідно взяти до уваги час перетворення АЦП близько 7 мкс). Для оцінки було обрано БКЕПТ з часом відгуку струму близько 2-3 мс, п'ятьма парами полюсів і максимальною частотою обертання близько 2-3 мс.

Максимальна частота обертання двигуна дорівнює близько 50000 об / хв. Якщо ротор використовує 5 пар полюсів, то результуюча частота на виході датчиків Холла буде дорівнює (50000 об / хв / 60) * 5 \u003d 4167 Гц. Функція mc_estimation_speed () запускається при кожному наростаючому фронті датчика Холла А, тобто кожні 240 мкс при тривалості виконання 31 мкс.

Функція mc_switch_commutation () залежить від роботи датчиків Холла. Вона виконується при виникненні фронтів на виході одного з трьох датчиків Холла (наростаючий або падаючий фронти), таким чином, за один період імпульсів на виході датчика Холла генерується шість переривань, а результуюча періодичність виклику функції дорівнює 240/6 мкс \u003d 40 мкс.

Нарешті, час перетворення контуру стабілізації повинно бути, принаймні, в два рази менше ніж час реагування двигуна (близько 1 мс).

Результати наведені на малюнку 17.

Малюнок 17. Оцінка завантаження мікроконтролера

В такому випадку рівень завантаження мікроконтролера близько 61%.

Всі вимірювання виконувалися з використанням одного і того ж програмного забезпечення. Комунікаційні ресурси не використовуються (УАПП, LIN ...).

При таких умовах використовується наступний обсяг пам'яті:

3175 байт пам'яті програм (38,7% від усього обсягу флеш-пам'яті).
285 байт пам'яті даних (55,7% від усього обсягу статичного ОЗУ).

Конфігурація і використання ATAVRMC100

На малюнку 18 представлена \u200b\u200bповна схема різних режимів роботи стартового набору ATAVRMC100.

Малюнок 18. Призначення портів введення-виведення мікроконтролера і комунікаційні режими

Режим роботи

Підтримується два різних режими роботи. Встановіть перемички JP1, JP2 і JP3 відповідно до малюнком 19 для вибору одного з цих режимів. В даних рекомендаціях щодо застосування використовується тільки режим з використанням датчиків. Повний опис апаратної частини приведено в керівництві користувача до набору ATAVRMC100.

Малюнок 19. Вибір режиму управління з використанням датчиків

На малюнку 19 показані вихідні установки перемичок, які відповідають використанню програмного забезпечення, пов'язаного з цими рекомендаціями щодо застосування.

Програма, яка поставляється разом з платою ATAVRMC100, підтримує два режими роботи:

запуск двигуна на максимальній швидкості без зовнішніх компонентів.
регулювання швидкості двигуна за допомогою одного зовнішнього потенціометра.

Малюнок 20. Підключення потенциометра

висновок

В даних рекомендаціях щодо застосування представлено апаратне і програмне рішення пристрою управління безколекторним електродвигуном постійного струму з використанням датчиків. Крім цього документа, доступний для скачування повний вихідний код.

До складу програмної бібліотеки входить функції запуску та управління швидкістю будь-якого БКЕПТ з вбудованими датчиками.

Принципова схема містить мінімум зовнішніх компонентів, необхідних для управління БКЕПТ з вбудованими датчиками.

Можливості ЦПУ і пам'яті мікроконтролера AT90PWM3 дозволять розробнику розширити функціональні даного рішення.

Малюнок 21. Принципова електрична схема (частина 1)

Малюнок 22. Принципова електрична схема (частина 2)

Малюнок 23. Принципова електрична схема (частина 3)

Малюнок 24. Принципова електрична схема (частина 4)

документація:

Фантастичний євроремонт квартир і ремонт котеджів за великі гроші.

Безколекторні двигуни мають поліпшені показниками потужності на кілограм ваги (власного) і широким діапазоном швидкості обертання; вражає і ККД цієї силової установки. Важливо, що від установки практично не випромінюються радіоперешкоди. Це дозволяє розмістити поруч з нею чутливе до перешкод обладнання без побоювань за коректність роботи всієї системи.

Розташувати і використовувати безколекторний двигун можна в тому числі і в воді, це не вплине на нього негативним чином. Також його конструкція передбачає розташування і в агресивних середовищах. Однак в цьому випадку слід заздалегідь продумати місце розташування блоку управління. Пам'ятайте, що тільки при дбайливої \u200b\u200bакуратною експлуатації силової установки вона буде працювати на вашому виробництві ефективно і безперебійно протягом довгих років.

Тривалий і короткочасний режим роботи - основні для БД. Наприклад для ескалатора або конвеєра підходить тривалий режим роботи, в якому електродвигун працює статично протягом довгого кількості годин. Для тривалого режиму роботи передбачена підвищена зовнішня тепловіддача: тепловиділення в навколишнє середовище повинні перевищувати внутрішні тепловиділення силової установки.

У короткочасному режимі роботи двигун за час своєї роботи не повинен встигнути нагрітися до максимального значення температури, тобто повинен бути виключений до настання цього моменту. Під час перерв між включеннями і роботою двигуна він повинен встигнути охолонути. Саме так працюють безколекторні двигуни в підйомних ліфтових механізмів, електробритвах, сушарках фенах і другом сучасному електрообладнанні.

Опір обмотки двигуна пов'язано з коефіцієнтом корисної дії силової установки. Максимального ККД можна досягти при найменшому опорі обмотки.

Максимальна робоча напруга - це граничне значення напруги, яке можна подавати на обмотку статора силової установки. Максимальна робоча напруга прямо пов'язане з максимальними оборотами двигуна і і максимальним значенням струму обмотки. Максимальне значення струму обмотки лімітовано можливістю перегріву обмотки. Саме з цієї причини необов'язковим, але рекомендованим умовою експлуатації електродвигунів є негативна температура навколишнього середовища. Вона дозволяє значно компенсувати перегрів силової установки і збільшити тривалість її роботи.

Максимальна потужність двигуна - це гранична потужність, якої може досягти система за кілька секунд. Варто враховувати, що тривала робота електродвигуна на максимальній потужності неминуче призведе до перегріву системи і збою в його роботі.

Номінальна потужність - це та потужність яку може розвивати силова установка протягом періодичного заявленого виробником дозволеного періоду роботи (одне включення).

Кут випередження фази передбачений в електродвигуні через необхідність компенсації на затримку перемикання фаз.