Ein bisschen Geschichte:

Das Hauptproblem bei allen Motoren ist die Überhitzung. Der Rotor drehte sich in einem Stator, und daher ging die Hitze durch die Überhitzung nirgendwo hin. Die Leute hatten eine geniale Idee: nicht den Rotor zu drehen, sondern den Stator, der während der Rotation durch Luft gekühlt würde. Als ein solcher Motor entwickelt wurde, wurde er in der Luftfahrt und im Schiffbau weit verbreitet und wurde daher als Ventilmotor bezeichnet.

Bald wurde ein elektrisches Analogon des Ventilmotors geschaffen. Sie nannten ihn einen Dämon Kollektormotor weil es keine Sammler (Pinsel) gab.

Bürstenlose Elektromotoren kamen vor relativ kurzer Zeit zu uns, in den letzten 10-15 Jahre alt... Im Gegensatz zu Kollektormotoren werden sie mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben. Bürstenlose Motoren arbeiten effizient in mehr große Auswahl Revolutionen und mehr hohe Effizienz ... Gleichzeitig ist das Design des Motors relativ einfacher, es gibt keine Bürstenanordnung, die ständig am Rotor reibt und Funken erzeugt. Wir können sagen, dass bürstenlose Motoren praktisch nicht verschleißen. Die Kosten für bürstenlose Motoren sind etwas höher als für bürstenbehaftete. Dies liegt daran, dass alle bürstenlosen Motoren mit Lagern ausgestattet und in der Regel von besserer Qualität sind.

Tests haben gezeigt:
Schub mit Schraube 8x6 = 754 Gramm,
Drehzahl = 11550 U/min,
Leistungsaufnahme = 9 Watt(ohne Schraube) , 101 Watt(mit Schraube),

Leistung und Effizienz

Die Leistung kann wie folgt berechnet werden:
1) Die Leistung in der Mechanik wird nach folgender Formel berechnet: N = F * v wobei F Kraft und v Geschwindigkeit ist. Da sich die Schraube jedoch in einem statischen Zustand befindet, gibt es außer der Rotation keine Bewegung. Wenn dieser Motor in einem Flugzeugmodell installiert ist, wäre es möglich, die Geschwindigkeit zu messen (sie entspricht 12 m / s) und die Nettoleistung zu berechnen:
N nützlich = 7,54 * 12 = 90,48 Watt
2) Der Wirkungsgrad eines Elektromotors ergibt sich nach folgender Formel: Effizienz = N nutzbar / N aufgewendet * 100 %, wo N Kosten = 101 Watt
Wirkungsgrad = 90,48 / 101 * 100 % = 90 %
Im Durchschnitt ist der Wirkungsgrad von bürstenlosen Motoren real und schwankt um 90 % (der höchste Wirkungsgrad, der von dieser Art von Motoren erreicht wird, beträgt 99.68% )

Motoreigenschaften:

Stromspannung: 11,1 Volt
Umsatz: 11550 U/min
Maximale Stromstärke: 15A
Leistung: 200 Watt
Traktion: 754 Gramm (Schraube 8x6)

Abschluss:

Der Preis einer Sache hängt vom Umfang ihrer Produktion ab. Die Hersteller von bürstenlosen Motoren vermehren sich wie Pilze nach dem Regen. Daher möchte ich glauben, dass in naher Zukunft der Preis für Controller und Brushless Motoren werden fallen wie es auf Funksteuerungen fiel ... Die Möglichkeiten der Mikroelektronik erweitern sich täglich, Größe und Gewicht der Steuerungen nehmen allmählich ab. Es ist davon auszugehen, dass in naher Zukunft damit begonnen wird, Steuerungen direkt in Motoren einzubauen! Vielleicht werden wir diesen Tag noch erleben ...

Als ich mit der Entwicklung einer bürstenlosen Motorsteuerung (Motorrad) begann, gab es viele Fragen zum Matching echter Motor mit einem abstrakten Kreis aus drei Wicklungen und Magneten, auf dem in der Regel jeder das Prinzip der Steuerung erklärt Kollektormotoren.

Als ich die Steuerung durch Hallsensoren implementiert habe, habe ich noch nicht wirklich verstanden, was jenseits der abstrakten drei Wicklungen und zwei Pole im Motor passiert: warum 120 Grad und warum der Regelalgorithmus genau der gleiche ist.

Alles passte, als ich anfing, die Idee der sensorlosen Steuerung eines bürstenlosen Motors zu verstehen - das Verständnis des Prozesses, der in einer realen Hardware abläuft, half dabei, die Hardware zu entwickeln und den Regelalgorithmus zu verstehen.

Im Folgenden werde ich versuchen, meinen Weg zum Verständnis des Prinzips der bürstenlosen Motorsteuerung zu beschreiben. Gleichstrom.

Für den Betrieb eines bürstenlosen Motors ist es erforderlich, dass das konstante Magnetfeld des Rotors wie bei einem herkömmlichen Gleichstrommotor hinter dem elektromagnetischen Drehfeld des Stators mitgeführt wird.

Die Drehung des Statormagnetfeldes erfolgt durch Umschalten der Wicklungen mittels einer elektronischen Steuereinheit.
Der Aufbau eines bürstenlosen Motors ähnelt dem eines Synchronmotors, wenn der bürstenlose Motor an ein Drehstromnetz angeschlossen wird. Wechselstrom Wenn die elektrischen Parameter des Motors erfüllt sind, wird es funktionieren.

Eine gewisse Kommutierung der Wicklungen eines bürstenlosen Motors ermöglicht die Ansteuerung von einer Gleichstromquelle. Um zu verstehen, wie eine Kommutierungstabelle eines bürstenlosen Motors erstellt wird, muss die Steuerung einer AC-Synchronmaschine berücksichtigt werden.

Synchronmaschine
Die Synchronmaschine wird über ein Drehstromnetz gesteuert. Der Motor hat 3 elektrische Wicklungen, die um 120 elektrische Grad versetzt sind.

Nach dem Start eines Drehstrommotors im Generatormodus induziert ein konstantes Magnetfeld an jeder der Motorwicklungen eine EMK, die Motorwicklungen sind gleichmäßig verteilt, eine sinusförmige Spannung wird an jeder der Phasen induziert und diese Signale werden um 1/3 der Periode untereinander verschoben (Abbildung 1). Die Form der EMF ändert sich nach dem Sinusgesetz, die Periode der Sinuskurve beträgt 2P (360), da wir es mit elektrischen Größen (EMF, Spannung, Strom) zu tun haben, nennen wir sie elektrische Grade und messen die Periode in Sie.

Wenn an den Motor eine dreiphasige Spannung angelegt wird, liegt zu jedem Zeitpunkt an jeder Wicklung eine bestimmte Stromstärke an.

Jede Wicklung erzeugt einen zum Wicklungsstrom proportionalen Magnetfeldvektor. Durch Addieren von 3 Vektoren erhalten Sie den resultierenden Vektor des Magnetfelds. Da sich der Strom an den Motorwicklungen im Laufe der Zeit nach einem sinusförmigen Gesetz ändert, ändert sich die Größe des Magnetfeldvektors jeder Wicklung und der resultierende Gesamtvektor ändert den Drehwinkel, während die Größe dieses Vektors konstant bleibt.

Abbildung 2 zeigt eine elektrische Periode eines Drehstrommotors, für diese Periode sind 3 beliebige Momente angegeben, um jedes dieser Momente des Magnetfeldvektors einzubauen, verschieben wir diese Periode, 360 elektrische Grad, auf einem Kreis. Lassen Sie uns 3 Motorwicklungen um 120 elektrische Grad zueinander verschoben platzieren (Abbildung 3).

Entlang jeder der Phasen ist der Vektor des von der Motorwicklung erzeugten Magnetfelds aufgetragen. Die Richtung des Vektors wird durch die Richtung des Gleichstroms in der Wicklung bestimmt, wenn die an der Wicklung anliegende Spannung positiv ist, dann ist der Vektor gerichtet auf gegenüberliegende Seite von der Wicklung, wenn negativ, dann entlang der Wicklung. Der Betrag des Vektors ist proportional zum Betrag der Spannung an der Phase in dieser Moment.
Um den resultierenden Magnetfeldvektor zu erhalten, ist es notwendig, die Vektordaten gemäß dem Vektoradditionsgesetz zu addieren.
Die Konstruktion ist für den zweiten und dritten Zeitpunkt ähnlich.

Der resultierende Vektor ändert also im Laufe der Zeit sanft seine Richtung. Abbildung 5 zeigt die resultierenden Vektoren und zeigt die vollständige Drehung des Statormagnetfelds in einer elektrischen Periode.

Hinter diesem Vektor des elektrischen Magnetfeldes wird zu jedem Zeitpunkt das Magnetfeld der Permanentmagnete des Rotors abgeführt (Bild 6).

So funktioniert eine Synchron-Wechselstrommaschine.

Bei einer Gleichstromquelle ist es erforderlich, eine elektrische Periode mit einer Änderung der Stromrichtung an drei Motorwicklungen unabhängig voneinander zu bilden. Da der Aufbau eines bürstenlosen Motors dem eines Synchronmotors gleicht und im Generatorbetrieb identische Parameter aufweist, muss von Bild 5 ausgegangen werden, das das erzeugte magnetische Drehfeld zeigt.

Konstanter Druck
Das DC-Netzteil hat nur 2 Adern "Plus Power" und "Minus Power", wodurch es möglich ist, nur zwei der drei Wicklungen mit Spannung zu versorgen. Es ist notwendig, sich Abbildung 5 anzunähern und alle Momente auszuwählen, zu denen 2 von drei Phasen angeschlossen werden können.

Die Anzahl der Permutationen aus dem 3er-Set beträgt 6, daher gibt es 6 Möglichkeiten zum Verbinden der Wicklungen.
Lassen Sie uns die möglichen Optionen für die Kommutierung darstellen und eine Reihenfolge auswählen, in der der Vektor schrittweise weiter rotiert, bis er das Ende der Periode erreicht und von vorne beginnt.

Die elektrische Periode wird ab dem ersten Vektor gezählt.

Abbildung 5 zeigt, dass bei der Steuerung einer dreiphasigen Sinusspannung viele Vektoren sich im Laufe der Zeit reibungslos drehen, und beim Schalten mit Gleichstrom ist es möglich, ein Drehfeld von nur 6 Vektoren zu erhalten, dh zum nächsten Schritt zu schalten sollte alle 60 elektrischen Grad auftreten.
Die Ergebnisse aus Abbildung 7 sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1. Die resultierende Reihenfolge der Kommutierungen der Motorwicklungen.

Die Ansicht des resultierenden Steuersignals gemäß Tabelle 1 ist in Abbildung 8 gezeigt. Dabei ist -V die Kommutierung zum Minus der Stromversorgung (GND) und + V die Kommutierung zum Plus der Stromversorgung.

Das reale Bild der Motorphasen ähnelt jedoch dem Sinussignal aus Abbildung 1. Das Signal hat eine Trapezform, da in den Momenten, in denen die Motorwicklung nicht angeschlossen ist, die Permanentmagnete des Rotors eine EMK darauf induzieren (Abbildung 9).

Auf einem Oszilloskop sieht das so aus:

Design-Merkmale
Wie bereits erwähnt, wird für 6 Schaltungen der Wicklungen eine elektrische Periode von 360 elektrischen Grad gebildet.
Diese Periode muss dem tatsächlichen Drehwinkel des Rotors zugeordnet werden. Motoren mit einem Polpaar und einem Dreizahnstator werden selten verwendet, Motoren haben N Polpaare.
Abbildung 11 zeigt Motormodelle mit einem Polpaar und zwei Polpaaren.

Ein Motor mit zwei Polpaaren hat 6 Wicklungen, jede der Wicklungen ist ein Paar, jede Gruppe von 3 Wicklungen ist um 120 elektrische Grad gegeneinander versetzt. Abbildung 12b. um eine Periode für 6 Wicklungen verzögert. Die Wicklungen U1-U2, V1-V2, W1-W2 sind miteinander verbunden und stellen in der Ausführung 3-Phasen-Ausgangsleitungen dar. Der Einfachheit halber sind die Verbindungen nicht gezeigt, aber denken Sie daran, dass U1-U2, V1-V2, W1-W2 gleich sind.

Abbildung 12, basierend auf den Daten in Tabelle 1, zeigt die Vektoren für ein und zwei Polpaare.

Abbildung 13 zeigt die Vektoren, die durch 6 Kommutierungen der Motorwicklungen mit einem Polpaar entstehen. Der Rotor besteht aus Permanentmagneten, in 6 Schritten dreht sich der Rotor mechanisch um 360 Grad.
Die Abbildung zeigt die Endlagen des Rotors, in den Abständen zwischen zwei benachbarten Positionen dreht sich der Rotor vom vorherigen in den nächsten Schaltzustand. Wenn der Rotor diese Endposition erreicht, muss die nächste Umschaltung erfolgen und der Rotor wird eine neue Zielposition anstreben, so dass sein Magnetfeldvektor mit dem elektromagnetischen Feldvektor des Stators gleichgerichtet wird.

Bei Motoren mit N Polpaaren müssen für eine vollständige mechanische Umdrehung N elektrische Perioden durchlaufen werden.
Ein Motor mit zwei Polpaaren hat zwei Magnete mit den Polen S und N und 6 Wicklungen (Abbildung 14). Jede Gruppe von 3 Wicklungen ist um 120 elektrische Grad gegeneinander versetzt.

Bestimmung der Rotorposition eines bürstenlosen Motors
Wie bereits erwähnt, ist es für den Betrieb des Motors erforderlich, die Spannung zum richtigen Zeitpunkt an die erforderlichen Statorwicklungen anzulegen. Je nach Position des Rotors muss die Spannung an die Motorwicklungen angelegt werden, damit das Statormagnetfeld dem Rotormagnetfeld immer voraus ist. Um die Position des Rotors des Motors und das Schalten der Wicklungen zu bestimmen, verwenden Sie die elektronische Einheit Verwaltung.
Die Verfolgung der Rotorposition ist auf verschiedene Weise möglich:
1. Durch Hallsensoren
2. Durch Gegen-EMF
In der Regel statten die Hersteller den Motor bei der Freigabe mit Hallsensoren aus, daher ist dies die gebräuchlichste Steuerungsmethode.
Durch das Schalten der Wicklungen gemäß den Gegen-EMK-Signalen können Sie auf die im Motor eingebauten Sensoren verzichten und die Analyse der freien Phase des Motors als Sensor verwenden, die durch das Gegen-EMK-Magnetfeld induziert wird.

Bürstenlose Motorsteuerung mit Hallsensor
Um die Wicklungen zum richtigen Zeitpunkt zu schalten, ist es notwendig, die Position des Rotors in elektrischen Graden zu verfolgen. Dazu werden Hallsensoren verwendet.
Da es 6 Zustände des Magnetfeldvektors gibt, werden 3 Hallsensoren benötigt, die einen darstellen Absolutwertgeber Positionen mit Drei-Bit-Ausgabe. Hallsensoren werden wie Wicklungen um 120 elektrische Grad gegeneinander versetzt eingebaut. Dadurch können die Rotormagnete als Betätigungselement des Sensors verwendet werden.

Um den Motor zu drehen, ist es notwendig, dass das Statormagnetfeld dem Rotormagnetfeld voraus ist. Die Position, wenn der Rotormagnetfeldvektor mit dem Statormagnetfeldvektor gleichgerichtet ist, ist für eine gegebene Kommutierung endlich die Umschaltung auf die nächste Kombination muss erfolgen, um ein Schweben des Rotors im Stillstand zu verhindern.
Vergleichen wir die Signale von Hall-Sensoren mit einer Kombination von Phasen, die angeschlossen werden müssen (Tabelle 2)

Tabelle 2. Vergleich von Hall-Sensorsignalen mit Motorphasenkommutierung.

Back-EMF-Steuerung
Es gibt bürstenlose Motoren ohne Positionssensoren. Die Bestimmung der Rotorlage erfolgt durch Auswertung des EMK-Signals an der freien Phase des Motors. Zu jedem Zeitpunkt wird „+“ an eine der Phasen angeschlossen, an die andere „-“ der Stromversorgung, eine der Phasen bleibt frei. Beim Drehen induziert das Rotormagnetfeld EMF in der freien Wicklung. Mit fortschreitender Drehung ändert sich die Spannung an der freien Phase (Abbildung 17).

Das Signal der Motorwicklung wird in 4 Punkte aufgeteilt:
1. Die Wicklung ist mit 0 . verbunden
2. Wicklung nicht angeschlossen (freie Phase)
3. Die Wicklung wird an die Versorgungsspannung angeschlossen
4. Wicklung nicht angeschlossen (freie Phase)
Vergleicht man das Signal der Phasen mit dem Steuersignal, kann man erkennen, dass der Moment des Übergangs in den nächsten Zustand durch das Überqueren des Mittelpunkts (halbe Versorgungsspannung) mit einer momentan nicht angeschlossenen Phase erkannt werden kann (Abbildung 18).

Nach dem Erkennen einer Kreuzung ist es erforderlich, eine Pause einzulegen und den nächsten Zustand einzuschalten. Gemäß dieser Abbildung wird ein Algorithmus zum Umschalten der Zustände der Wicklungen erstellt (Tabelle 3).

Tabelle 3. Algorithmus zum Schalten von Motorwicklungen

Der Komparator wird getriggert, wenn die Spannung den Mittelpunkt überschreitet und erzeugt ein Signal für den Mikrocontroller.

Signalverarbeitung von Motorphasen
Das Signal von den Phasen bei der Regulierung der PWM-Geschwindigkeit unterscheidet sich jedoch im Aussehen und hat einen Impulscharakter (Abbildung 21). In einem solchen Signal ist es unmöglich, den Schnittpunkt mit dem Mittelpunkt zu erkennen.

Deshalb dieses Signal sollte mit einem RC-Filter gefiltert werden, um die Hüllkurve zu erhalten, und auch entsprechend den Anforderungen des Komparators geteilt werden. Mit zunehmendem Tastverhältnis nimmt die Amplitude des PWM-Signals zu (Abbildung 22).

Mittelpunktschema

Durch strombegrenzende Widerstände werden Signale aus den Phasen entfernt und zusammengeführt, es ergibt sich folgendes Bild:

Aufgrund der PWM ist die Mittelpunktspannung nicht konstant, das Signal muss zusätzlich gefiltert werden. Ist die Mittelpunktspannung nach der Glättung groß genug (im Bereich der Motorversorgungsspannung), muss sie durch einen Spannungsteiler auf den Wert der halben Versorgungsspannung geteilt werden.
bürstenlosen Motor

Bürstenlosen Motor

Das Funktionsprinzip eines bürstenlosen Drehstrommotors

Ventilmotor ist ein Synchronmotor nach dem Prinzip der Frequenzregelung mit Selbstsynchronisation, dessen Kern darin besteht, den Vektor des Statormagnetfeldes in Abhängigkeit von der Position des Rotors zu steuern. Ventilmotoren(in der englischen Literatur BLDC oder PMSM) werden auch bürstenlose DC-Motoren genannt, da der Kollektor eines solchen Motors normalerweise von konstante Spannung.

VD-Beschreibung

Dieser Motortyp wurde entwickelt, um die Eigenschaften von Gleichstrommotoren zu verbessern. Hohe Anforderungen an Aktoren(insbesondere Hochgeschwindigkeits-Mikroantriebe zur präzisen Positionierung) haben zum Einsatz von spezifische Motoren Gleichstrom: kontaktlos Drehstrommotoren Gleichstrom (BDPT oder BLDC). Strukturell ähneln sie Synchronmotoren Wechselstrom: Der Magnetrotor dreht sich in einem geschichteten Stator mit dreiphasigen Wicklungen. Die Drehzahl ist jedoch eine Funktion von Last und Statorspannung. Diese Funktion wird durch Umschalten der Statorwicklungen in Abhängigkeit von den Rotorkoordinaten realisiert. BDPTs sind in Versionen mit separaten Sensoren am Rotor und ohne separate Sensoren erhältlich. Als separate Sensoren werden Hallsensoren verwendet. Bei Ausführung ohne separate Sensoren wirken die Statorwicklungen als Befestigungselement. Wenn sich der Magnet dreht, induziert der Rotor EMF in den Statorwicklungen, was zu einem Strom führt. Beim Abschalten einer Wicklung wird das darin induzierte Signal gemessen und verarbeitet. Dieser Algorithmus erfordert einen Signalprozessor. Zum Bremsen und Reversieren des BDPS wird keine Brückenleistungsumkehrschaltung benötigt - es reicht aus, Steuerimpulse in umgekehrter Reihenfolge an die Statorwicklungen anzulegen.

Der Hauptunterschied zwischen einem HP und einem Synchronmotor besteht in seiner Selbstsynchronisation mit Hilfe eines DPR, wodurch bei einem HP die Felddrehfrequenz proportional zur Rotordrehzahl ist.

Stator

Bürstenloser Motorstator

Der Stator ist traditionell aufgebaut und ähnelt dem Stator einer Induktionsmaschine. Es besteht aus einem Körper, einem Kern aus Elektrostahl und einer Kupferwicklung, die in Nuten entlang des Umfangs des Kerns verlegt ist. Die Anzahl der Wicklungen bestimmt die Anzahl der Phasen im Motor. Für Selbststart und Rotation genügen zwei Phasen - Sinus und Cosinus. Typischerweise sind HP dreiphasig, seltener vierphasig.

Gemäß dem Verfahren zum Einlegen der Windungen in die Statorwicklungen werden Motoren mit einer gegenläufigen elektromotorischen Kraft einer trapezförmigen (BLDC) und einer sinusförmigen (PMSM) Form unterschieden. Je nach Versorgungsart ändert sich auch der Phasenstrom bei den entsprechenden Motortypen trapez- oder sinusförmig.

Rotor

Der Rotor besteht aus Permanentmagneten und hat typischerweise zwei bis acht Polpaare mit abwechselnden Nord- und Südpolen.

Anfänglich wurden Ferritmagnete verwendet, um den Rotor herzustellen. Sie sind üblich und billig, aber es fehlt die Form niedriges Niveau magnetische Induktion. Heutzutage werden Magnete aus Seltenerdlegierungen immer beliebter, da sie es ermöglichen, hohes Niveau magnetische Induktion und reduzieren die Größe des Rotors.

Rotorlagesensor

Der Rotorpositionssensor (RPR) gibt Rückmeldung über die Rotorposition. Seine Funktionsweise kann auf verschiedenen Prinzipien basieren - photoelektrisch, induktiv, Hall-Effekt usw. Am beliebtesten sind Hall- und photoelektrische Sensoren, da sie praktisch träge sind und es Ihnen ermöglichen, die Verzögerung im Kanal zu beseitigen Rückmeldung nach Rotorlage.

Die Lichtschranke in ihrer klassischen Form enthält drei feststehende Fotodetektoren, die nacheinander durch einen synchron mit dem Rotor rotierenden Verschluss geschlossen werden. Dies ist in Abbildung 1 (gelber Punkt) dargestellt. Der vom DPR erhaltene Binärcode erfasst sechs verschiedene Rotorpositionen. Die Sensorsignale werden vom Steuergerät in eine Kombination von Steuerspannungen umgewandelt, die die Leistungsschalter steuern, so dass in jedem Zyklus (Phase) des Motorbetriebs zwei Schalter eingeschaltet und zwei der drei Ankerwicklungen in Reihe geschaltet sind zum Netzwerk. Ankerwicklungen U, V, W befinden sich am Stator mit einer Verschiebung von 120° und ihre Anfänge und Enden sind so verbunden, dass beim Umschalten der Tasten ein rotierender Gradient von Magnetfeldern entsteht.

VD-Steuerungssystem

Das Steuerungssystem enthält Leistungsschalter, oft Thyristoren oder IGBT-Leistungstransistoren. Daraus wird ein Spannungswandler oder ein Stromwandler zusammengesetzt. Die Schlüsselsteuerung wird aufgrund der Vielzahl von Rechenoperationen zur Motorsteuerung üblicherweise auf Basis eines Mikrocontrollers realisiert.

Das Prinzip des VD-Betriebs

Das Prinzip des HP-Betriebs basiert auf der Tatsache, dass der HP-Controller die Statorwicklungen so kommutiert, dass der Statormagnetfeldvektor immer orthogonal zum Rotormagnetfeldvektor ist. Mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuert der Controller den Strom, der durch die HP-Wicklungen fließt, d.h. Vektor des Statormagnetfeldes und damit das auf den HD-Rotor wirkende Drehmoment geregelt. Das Vorzeichen des Winkels zwischen den Vektoren bestimmt die Richtung des auf den Rotor wirkenden Moments.

Die Kommutierung erfolgt so, dass der Rotorerregungsfluss F 0 bezüglich der Ankerströmung konstant gehalten. Durch das Zusammenwirken von Ankerströmung und Erregung entsteht ein Drehmoment m, die versucht, den Rotor so zu drehen, dass die Flüsse des Ankers und der Erregung zusammenfallen, aber wenn sich der Rotor unter der Wirkung des DPR dreht, werden die Wicklungen geschaltet und der Fluss des Ankers dreht sich zum nächsten Schritt.

In diesem Fall wird der resultierende Stromvektor relativ zum Rotorfluss verschoben und stationär, wodurch ein Drehmoment an der Motorwelle erzeugt wird.

Im Motorbetrieb liegt der MDS des Stators dem MDS des Rotors um einen Winkel von 90° vor, der vom DPR eingehalten wird. Im Bremsbetrieb eilt der MDS des Stators dem MDS des Rotors nach, der 90°-Winkel wird auch über den DPR eingehalten.

Motorsteuerung

Der HD-Regler regelt das auf den Rotor wirkende Drehmoment durch Veränderung des PWM-Wertes.

Im Gegensatz zu Bürstenmotor Gleichstrom, das Schalten in der WP wird von einer Elektronik durchgeführt und gesteuert.

Regelsysteme, die Algorithmen zur Pulsweitenregelung und Pulsweitenmodulation in der HD-Steuerung implementieren, sind weit verbreitet.

Das System mit dem größten Drehzahlregelungsbereich – für Motoren mit Vektorregelung. Der Frequenzumrichter regelt die Motordrehzahl und hält die Flusskopplung in der Maschine auf einem vorgegebenen Niveau.

Ein Merkmal der Regelung eines elektrischen Antriebs mit Vektorregelung sind die geregelten Koordinaten gemessen in stationäre Anlage Koordinaten werden in ein rotierendes System umgewandelt, aus ihnen wird ein konstanter Wert zugewiesen, der proportional zu den Komponenten der Vektoren der gesteuerten Parameter ist, nach denen die Bildung von Steueraktionen durchgeführt wird, dann der umgekehrte Übergang.

Der Nachteil dieser Systeme ist die Komplexität der Steuerung und Funktionsgeräte für eine Vielzahl von Geschwindigkeitsregelungen.

Vor- und Nachteile von VD

In letzter Zeit gewinnt dieser Motortyp schnell an Popularität und durchdringt viele Branchen. Es wird in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt: von Haushaltsgeräten bis hin zu Schienenfahrzeugen.

VD mit elektronische Systeme Management kombinieren oft beste Qualitäten kontaktlose Motoren und Gleichstrommotoren.

Vorteile:

• Großer Geschwindigkeitsbereich
• Berührungslos und wartungsfrei – bürstenlose Maschine
• Geeignet für den Einsatz in explosiver und aggressiver Umgebung
• Hohes Überlastdrehmoment
• Hohe Energieeffizienz (Wirkungsgrad über 90%)

• Lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit und erhöhte Lebensdauer durch das Fehlen von elektrischen Schleifkontakten

Nachteile:

• Relativ ausgeklügeltes Motormanagementsystem
• Hohe Kosten des Motors durch Verwendung teurer Permanentmagnete in der Rotorkonstruktion
• In vielen Fällen ist es sinnvoller, einen Asynchronmotor mit Frequenzumrichter zu verwenden.

Für Anwendungen, die höchste erreichbare Effizienz mit extrem einfachen und zuverlässige Blöcke Steuerung (Schlüsselschalter ohne PWM) ist noch folgendes Merkmal hervorzuheben: Trotz der Tatsache, dass die Umdrehungen durch die Steuerung stark variieren können, ist nur in einem relativ engen Winkelgeschwindigkeitsbereich ein akzeptabler Wirkungsgrad zu erreichen. Diese wird durch die Induktivität der Wicklungen bestimmt. Wenn die Drehzahl unter dem Optimum liegt, führt die fortgesetzte Bestromung dieser Phase nach Erreichen der magnetischen Flussgrenze nur zu einer unnötigen Erwärmung. Bei höheren Drehzahlen als optimal erreicht der magnetische Fluss im Pol aufgrund der induktivitätsbegrenzten Stromanstiegszeit nicht sein Maximum. Beispiele für solche Motoren sind bürstenlose Modellbausätze. Sie müssen effizient, leicht und zuverlässig sein und eine optimale Winkelgeschwindigkeit bei gegebener Belastungskennlinie produzieren die Hersteller Modellreihen mit unterschiedlichen Induktivitäten (Anzahl der Windungen) Wicklungen. Gleichzeitig entspricht eine geringere Umdrehungszahl einem schnelleren Motor.

siehe auch

Links

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Steuerung eines zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors ohne Sensoren
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4 Belüftete Motoren
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm Über bürstenlosen Motor und Verwendung Schrittmotor als bürstenlos

Bürstenlose Motoren

Bürstenlose (bürstenlose) Elektromotoren kamen erst vor relativ kurzer Zeit in den Modellbau, in den letzten 5-7 Jahren. Im Gegensatz zu Kollektormotoren werden sie mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben. Bürstenlose Motoren arbeiten effizient über einen breiteren Drehzahlbereich und sind effizienter. Gleichzeitig ist das Design des Motors einfacher, es gibt keine Bürstenanordnung und es besteht keine Notwendigkeit für Wartung... Wir können sagen, dass bürstenlose Motoren praktisch nicht verschleißen. Die Kosten für bürstenlose Motoren sind etwas höher als für bürstenbehaftete. Dies liegt daran, dass alle bürstenlosen Motoren mit Lagern ausgestattet und in der Regel von besserer Qualität sind. Allerdings ist der Preisunterschied zwischen einem guten Bürstenmotor und einem bürstenlosen Motor der gleichen Klasse nicht so groß.

Bürstenlose Motoren werden konstruktionsbedingt in zwei Gruppen unterteilt: Innenläufer (ausgesprochen "Inrunner") und Außenläufer (ausgesprochen "Außenläufer"). Die Motoren der ersten Gruppe haben entlang der Innenfläche des Gehäuses angeordnete Wicklungen und einen sich darin drehenden magnetischen Rotor. Die Motoren der zweiten Gruppe - "Außenläufer", haben im Inneren des Motors feste Wicklungen, um die sich der Körper dreht, wenn er an seiner Innenwand angebracht ist Permanentmagnete... Die Anzahl der Pole von Magneten, die in bürstenlosen Motoren verwendet werden, kann variieren. Anhand der Polzahl können Sie das Drehmoment und die Drehzahl des Motors beurteilen. Motoren mit zweipoligem Rotor haben höchste Geschwindigkeit Drehung bei geringstem Drehmoment. Diese Motoren können konstruktionsbedingt nur „Interneure“ sein. Diese Motoren werden oft bereits montiert verkauft. Planetengetriebe, da ihre Umdrehungen für die direkte Drehung des Propellers zu hoch sind. Manchmal werden solche Motoren ohne Getriebe verwendet - zum Beispiel bei Rennflugzeugmodellen. Motoren mit mehr Polen haben eine niedrigere Drehzahl, aber ein höheres Drehmoment. Diese Motoren ermöglichen die Verwendung von Propellern mit großem Durchmesser ohne die Notwendigkeit von Getrieben. Im Allgemeinen bieten Propeller mit großem Durchmesser und kleiner Steigung bei relativ niedrigen Drehzahlen viel Schub, aber sagen Sie dem Modell langsame Geschwindigkeit, während Propeller mit kleinem Durchmesser und großer Steigung auf hohe Drehzahlen bieten hohe Geschwindigkeit bei relativ geringem Schub. Somit sind mehrpolige Motoren ideal für Modelle, die ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis benötigen, und bipolare Motoren ohne Getriebe sind ideal für Hochgeschwindigkeitsmodelle. Für eine genauere Auswahl von Motor und Propeller zu ein bestimmtes Modell, kannst du verwenden Sonderprogramm MotoCalc.

Da bürstenlose Motoren mit Wechselstrom betrieben werden, benötigen sie zum Betrieb einen speziellen Controller (Regler), der den Gleichstrom aus den Batterien in Wechselstrom umwandelt. Regler für bürstenlose Motoren sind programmierbare Geräte, mit denen Sie alles in Ihrem Leben steuern können. wichtige Parameter Motor. Sie ermöglichen nicht nur die Änderung der Drehzahl und der Drehrichtung des Motors, sondern auch je nach Bedarf eine sanfte oder abrupter Start, Maximalstrombegrenzung, "Bremsfunktion" und eine Reihe weiterer Feinabstimmungen des Motors für die Bedürfnisse des Modellbauers. Um den Regler zu programmieren, werden Geräte verwendet, um ihn an einen Computer anzuschließen, oder Feldbedingungen dies kann mit einem Sender und einem speziellen Jumper erfolgen.

Es gibt viele Hersteller von bürstenlosen Motoren und Reglern dafür. Bürstenlose Motoren unterscheiden sich auch stark in Design und Größe. Außerdem, Eigenproduktion Bürstenlose Motoren, die auf Teilen von CD-Laufwerken und anderen bürstenlosen Industriemotoren basieren, sind in letzter Zeit weit verbreitet. Vielleicht haben bürstenlose Motoren aus diesem Grund heute nicht einmal eine solche Näherung allgemeine Einteilung wie Sammlerbrüder. Fassen wir kurz zusammen. Bürstenmotoren werden heute hauptsächlich bei günstigen Hobbymodellen eingesetzt, oder Sportmodelle Einstiegslevel... Diese Motoren sind kostengünstig, einfach zu bedienen und nach wie vor die häufigste Art von Elektromotor im Modell. Sie werden durch bürstenlose Motoren ersetzt. Der einzige einschränkende Faktor ist nach wie vor ihr Preis. Zusammen mit der Regulierungsbehörde bürstenlosen Motor kostet 30-70% mehr. Allerdings sinken die Preise für Elektronik und Motoren, und es ist nur eine Frage der Zeit, bis die Kollektormotoren allmählich aus der Modellbauindustrie verdrängt werden.

AVR492: Bürstenlose DC-Motorsteuerung mit AT90PWM3

Unterscheidungsmerkmale:

• Allgemeine Informationen zum BLDC-Motor
• Verwendet einen Endstufencontroller
• Hardwareimplementierung
• Beispielprogrammcode

Einführung

Dieser Anwendungshinweis beschreibt die Implementierung eines bürstenlosen DC-Motorcontrollers (BLDC-Motor) mit Positionssensoren auf Basis des AT90PWM3 AVR-Mikrocontrollers.

Der leistungsstarke AVR-Mikrocontrollerkern, der den Endstufencontroller enthält, ermöglicht die Implementierung eines bürstenlosen Hochgeschwindigkeits-DC-Motorsteuergeräts.

Dieses Dokument enthält eine kurze Beschreibung des Betriebs des bürstenlosen DC-Motors und beschreibt die Steuerung des BLDC-Motors im Touch-Modus sowie eine Beschreibung. schematische Darstellung das Referenzdesign des ATAVRMC100, auf dem dieser Anwendungshinweis basiert.

Eine Softwareimplementierung mit einem softwareimplementierten Regelkreis basierend auf einem PID-Regler wird ebenfalls diskutiert. Zur Steuerung des Schaltvorgangs wird davon ausgegangen, dass ausschließlich auf dem Hall-Effekt basierende Positionssensoren verwendet werden.

Funktionsprinzip

Die Einsatzgebiete von BLDC-Motoren nehmen ständig zu, was mit einer Reihe von Vorteilen verbunden ist:

1. Das Fehlen einer Verteilerbaugruppe, die die Wartung vereinfacht oder sogar eliminiert.
2. Erzeugt im Vergleich zu bürstenbehafteten Allzweck-DC-Motoren niedrigere akustische und elektrische Geräuschpegel.
3. Fähigkeit, in gefährlichen Umgebungen (mit brennbaren Produkten) zu arbeiten.
4. Gutes Verhältnis von Gewichts- und Größeneigenschaften und Leistung ...

Motoren dieser Bauart zeichnen sich durch eine geringe Trägheit des Rotors aus, da die Wicklungen befinden sich auf dem Stator. Die Kommutierung wird elektronisch gesteuert. Die Schaltmomente werden entweder durch Informationen von Positionssensoren oder durch Messung der von den Wicklungen erzeugten Gegen-EMK bestimmt.

Bei der Ansteuerung mit Sensoren besteht der BLDC-Motor normalerweise aus drei Hauptteilen: Stator, Rotor und Hall-Sensoren.

Der Stator eines klassischen Drehstrom-BLDC-Motors enthält drei Wicklungen. Bei vielen Motoren sind die Wicklungen in mehrere Abschnitte unterteilt, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren.

Bild 1 zeigt das Statorersatzschaltbild. Es besteht aus drei Wicklungen, von denen jede drei in Reihe geschaltete Elemente enthält: Induktivität, Widerstand und Gegen-EMK.

Der Rotor des BLDC-Motors besteht aus einer geraden Anzahl von Permanentmagneten. Die Anzahl der Magnetpole im Rotor beeinflusst auch die Teilungsgröße und die Drehmomentwelligkeit. Wie große Menge Pole, die kleinere Größe Drehschritt und weniger Drehmomentwelligkeit. Es können Permanentmagnete mit 1..5 Polpaaren verwendet werden. In einigen Fällen erhöht sich die Polpaarzahl auf 8 (Abbildung 2).

Die Wicklungen sind fest verbaut und der Magnet rotiert. Der BLDC-Rotor zeichnet sich durch ein geringeres Gewicht gegenüber dem herkömmlichen Rotor aus Universalmotor Gleichstrom, bei dem sich die Wicklungen auf dem Rotor befinden.

Hall-Sensor

Zur Beurteilung der Rotorlage sind im Motorgehäuse drei Hallsensoren eingebaut. Die Sensoren sind in einem Winkel von 120° zueinander montiert. Mit diesen Sensoren ist es möglich, 6 verschiedene Schaltungen durchzuführen.

Die Phasenumschaltung hängt vom Zustand der Hallsensoren ab.

Die Versorgung der Wicklungen mit Versorgungsspannungen ändert sich nach Änderung der Zustände der Ausgänge der Hallsensoren. Bei korrekte Ausführung Synchronkommutierung bleibt das Drehmoment annähernd konstant und hoch.

Phasenumschaltung

Um die Beschreibung des Betriebs eines Drehstrom-BLDC-Motors zu vereinfachen, betrachten wir nur seine Version mit drei Wicklungen. Wie zuvor gezeigt, hängt die Phasenumschaltung von den Ausgangswerten der Hallsensoren ab. Wenn die Spannung an den Motorwicklungen korrekt angelegt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt und die Rotation eingeleitet. Die häufigsten und auf einfache Weise Die zur Steuerung des BLDC-Motors verwendete Schaltsteuerung ist eine Ein-Aus-Schaltung, bei der die Wicklung entweder leitet oder nicht. Es können nur zwei Wicklungen gleichzeitig erregt werden, während die dritte abgeschaltet bleibt. Das Anschließen von Wicklungen an Stromschienen verursacht Leckage elektrischer Strom. Diese Methode Trapezschaltung oder Blockschaltung genannt.

Zur Ansteuerung des BLDC-Motors wird eine Leistungskaskade bestehend aus 3 Halbbrücken verwendet. Das Leistungsstufendiagramm ist in Abbildung 4 dargestellt.

Anhand der ausgelesenen Werte der Hallsensoren wird ermittelt, welche Tasten geschlossen werden sollen.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor hat eine Drehstromwicklung am Stator und einen Permanentmagneten am Rotor. Durch die Statorwicklung wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, in dessen Wechselwirkung sich der Magnetrotor zu bewegen beginnt. Um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, wird an die Statorwicklung ein dreiphasiges Spannungssystem angelegt, das eine andere Form haben kann und gebildet wird verschiedene Wege... Die Bildung der Versorgungsspannungen (Schalten der Wicklungen) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor erfolgt durch spezialisierte elektronische Einheiten - eine Motorsteuerung.

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Im einfachsten Fall werden die Wicklungen paarweise an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen und während sich der Rotor in Richtung des Magnetfeldvektors der Statorwicklung dreht, wird die Spannung an ein weiteres Wicklungspaar angeschlossen. In diesem Fall nimmt der Vektor des Statormagnetfelds eine andere Position ein und die Drehung des Rotors wird fortgesetzt. Zur Bestimmung der richtige moment Anschließen der nächsten Wicklungen wird ein Rotorlagesensor verwendet, häufiger als andere Hallsensoren.

Mögliche Optionen und Sonderfälle

Heute erhältliche bürstenlose Motoren gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen.

Durch Ausführung Statorwicklung Man unterscheidet Motoren mit klassischer Wicklung auf Stahlkern und Motoren mit hohlzylindrischer Wicklung ohne Stahlkern. Eine klassische Wicklung hat eine viel höhere Induktivität als eine hohlzylindrische Wicklung und dementsprechend eine längere Zeitkonstante. Aus diesem Grund ermöglicht die hohlzylindrische Wicklung einerseits eine dynamischere Änderung des Stroms (und damit des Drehmoments), andererseits beim Betrieb an einem Motorcontroller mit niederfrequenter PWM-Modulation zur Glättung der Stromwelligkeit , Filterdrosseln größerer Leistung erforderlich (und dementsprechend größer). Zudem hat eine klassische Wicklung in der Regel ein deutlich höheres magnetisches Klemmmoment sowie einen geringeren Wirkungsgrad als eine hohlzylindrische Wicklung.

Ein weiterer Unterschied, durch den sie geteilt werden verschiedene Modelle Motoren - dies ist die relative Position von Rotor und Stator - es gibt Innenläufermotoren und Motoren mit Außenläufer... Innenläufermotoren haben im Allgemeinen höhere Drehzahlen und ein geringeres Rotorträgheitsmoment als Außenläufermodelle. Dadurch haben Innenläufermotoren eine höhere Dynamik. Außenläufermotoren haben bei gleichem Motoraußendurchmesser oft ein etwas höheres Drehmoment.

Unterschiede zu anderen Motortypen

Unterschiede zu Kollektor-DCTs. Das Anbringen der Wicklung auf dem Rotor ermöglichte es, die Bürsten und den Kollektor aufzugeben und damit die beweglichen . loszuwerden elektrischer Kontakt, was die Zuverlässigkeit des DCM mit Permanentmagneten deutlich reduziert. Aus dem gleichen Grund ist die Drehzahl von bürstenlosen Motoren in der Regel deutlich höher als die von Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten. Auf der einen Seite können Sie dadurch erhöhen spezifische Leistung bürstenloser Motor hingegen nicht für alle Anwendungen wie schnelle Geschwindigkeit ist wirklich notwendig

Unterschiede zu permanentmagneterregten Synchronmotoren. Synchronmotoren mit Permanentmagneten am Rotor sind den bürstenlosen Gleichstrommotoren im Aufbau sehr ähnlich, es gibt jedoch eine Reihe von Unterschieden. Erstens vereint der Begriff Synchronmotor viele verschiedene Typen Motoren, von denen einige für den direkten Betrieb an einem Standard-Wechselstromnetz ausgelegt sind, andere (zB synchrone Servomotoren) können nur an Frequenzumrichtern (Motorcontrollern) betrieben werden. Bürstenlose Motoren, obwohl sie eine dreiphasige Wicklung am Stator haben, erlauben keine direkte Arbeit von der Netzspannung und erfordern zwingend das Vorhandensein einer geeigneten Steuerung. Darüber hinaus übernehmen Synchronmotoren eine sinusförmige Spannungsversorgung, während bürstenlose Motoren eine stufenförmige Wechselspannungsversorgung (Blockkommutierung) ermöglichen und sogar im Nennbetrieb den Einsatz übernehmen.

Wann wird ein bürstenloser Motor benötigt?

Die Antwort auf diese Frage ist ganz einfach - in Fällen, in denen sie gegenüber anderen Motorentypen einen Vorteil hat. Auf einen bürstenlosen Motor kann zum Beispiel in Anwendungen, die es erfordern, fast nicht verzichtet werden hohe Geschwindigkeiten Umdrehung: über 10.000 U/min. Der Einsatz von bürstenlosen Motoren ist auch dort gerechtfertigt, wo eine lange Lebensdauer des Motors gefordert ist. In Fällen, in denen die Verwendung einer Baugruppe aus einem Motor mit einem Getriebe erforderlich ist, ist der Einsatz von bürstenlosen Motoren mit niedriger Drehzahl (mit einer großen Polzahl) definitiv gerechtfertigt. Bürstenlose Hochgeschwindigkeitsmotoren haben in diesem Fall eine höhere Geschwindigkeit als die Grenze zulässige Geschwindigkeit Getriebe, und aus diesem Grund wird es nicht möglich sein, deren Leistung voll auszuschöpfen. Für Anwendungen, bei denen die Motorsteuerung so einfach wie möglich ist (ohne Verwendung einer Motorsteuerung), ist ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor die natürliche Wahl.

Auf der anderen Seite in den Bedingungen erhöhte Temperatur oder erhöhte Strahlung manifestiert sich die Schwäche bürstenlose Motoren - Hall-Sensoren. Standardmodelle von Hall-Effekt-Wandlern haben einen begrenzten Strahlungswiderstand und Betriebstemperaturbereich. Wenn in einer solchen Anwendung dennoch ein bürstenloser Motor eingesetzt werden muss, werden Sonderanfertigungen mit dem Austausch von Hall-Sensoren durch widerstandsfähigere gegen diese Faktoren unumgänglich, was den Preis des Motors und die Lieferzeit erhöht.