Bürstenlose Motoren haben eine verbesserte Leistung pro Kilogramm (Eigen-)Gewicht und einen breiten Drehzahlbereich; auch die effizienz dieses kraftwerks ist beeindruckend. Wichtig ist, dass von der Anlage praktisch keine Funkstörungen ausgehen. Auf diese Weise können störempfindliche Geräte daneben platziert werden, ohne sich um den korrekten Betrieb des gesamten Systems zu kümmern.

Der bürstenlose Motor kann sogar im Wasser positioniert und verwendet werden, dies wird ihn nicht negativ beeinflussen. Außerdem ermöglicht sein Design den Standort in aggressiven Umgebungen. In diesem Fall sollten Sie jedoch den Standort des Steuergeräts im Voraus berücksichtigen. Denken Sie daran, dass nur bei sorgfältigem und sorgfältigem Betrieb des Kraftwerks dieses über viele Jahre effizient und reibungslos in Ihrer Produktion arbeiten wird.

Langfristiger und kurzfristiger Betrieb sind die wichtigsten für die Datenbank. Beispielsweise eignet sich für eine Rolltreppe oder ein Förderband ein Dauerbetrieb, bei dem der Elektromotor über viele Stunden statisch läuft. Zum langfristiges Regime Die Arbeiten sorgen für eine erhöhte externe Wärmeabgabe: Die Wärmeabgabe an die Umgebung muss die innere Wärmeabgabe des Kraftwerks übersteigen.

Im Kurzzeitbetrieb soll der Motor während seines Betriebs keine Zeit haben, sich auf den maximalen Temperaturwert aufzuheizen, d.h. muss vorher abgeschaltet werden. In den Pausen zwischen dem Einschalten und dem Laufen des Motors muss dieser Zeit zum Abkühlen haben. So funktionieren bürstenlose Motoren in Aufzugsaufzügen, Elektrorasierern, Trocknern, Haartrocknern und anderen modernen Elektrogeräten.

Der Widerstand der Motorwicklung hängt mit dem Koeffizienten zusammen nützliche Aktion Kraftwerk. Maximale Effizienz mit geringstem Wicklungswiderstand erreicht werden.

Maximal Betriebsspannung- Das Grenzwert Spannung, die an die Statorwicklung des Kraftwerks angelegt werden kann. Die maximale Betriebsspannung steht in direktem Zusammenhang mit maximale Geschwindigkeit Motor und den maximalen Wicklungsstrom. Höchster Wert Der Wicklungsstrom wird durch die Möglichkeit einer Wicklungsüberhitzung begrenzt. Aus diesem Grund ist eine optionale, aber empfohlene Bedingung für den Betrieb von Elektromotoren negative Temperatur Umfeld... Damit können Sie die Überhitzung des Kraftwerks erheblich kompensieren und die Betriebsdauer verlängern.

Die maximale Motorleistung ist die maximale Leistung, die ein System in wenigen Sekunden erreichen kann. Es ist zu bedenken, dass lange arbeit Elektromotor an maximale Leistung führt unweigerlich zur Überhitzung des Systems und zu Fehlfunktionen.

Nennleistung ist die Leistung, die entwickelt werden kann Power Point während der vom Hersteller angegebenen periodischen zulässigen Betriebszeit (eine Aktivierung).

Der Phasenvoreilungswinkel wird im Elektromotor aufgrund der Notwendigkeit bereitgestellt, die Phasenschaltverzögerung zu kompensieren.

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 englischsprachigen Literatur BLDC oder PMSM) werden auch bürstenlose DC-Motoren genannt, da der Kollektor eines solchen Motors meist mit einer Gleichspannung versorgt wird.

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: kontaktlose Drehstrommotoren (BDCT oder BLDC). Vom Aufbau her ähneln sie Wechselstrom-Synchronmotoren: Der magnetische Rotor dreht sich in einem geschichteten Stator mit Drehstromwicklungen. 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 VD und Synchronmotor ist seine Selbstsynchronisation mit Hilfe von DPR, wodurch im VD die Felddrehfrequenz proportional zur Rotordrehfrequenz 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-Sensoren und photoelektrische, 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 in der Regel 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 erfolgt und wird von einer Elektronik gesteuert.

Regelsysteme, die Algorithmen zur Pulsweitenregelung und Pulsweitenmodulation bei 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
• Die hohen Kosten des Motors aufgrund der Verwendung von teuren Permanentmagnete im Rotordesign
• 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 Drehzahlen über dem Optimum 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 einen bürstenlosen Motor und die Verwendung eines Schrittmotors als bürstenlosen Motor

Als ich anfing, eine bürstenlose Motorsteuerung (Motorrad) zu entwickeln, gab es viele Fragen zum Matching echter Motor mit einer abstrakten Schaltung aus drei Wicklungen und Magneten, auf der in der Regel jeder das Prinzip der Steuerung bürstenloser Motoren erklärt.

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 Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors zu beschreiben.

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.
Das Design eines bürstenlosen Motors ähnelt dem eines Synchronmotors. Wenn Sie den bürstenlosen Motor an ein Dreiphasen-Wechselstromnetz anschließen, das die elektrischen Parameter des Motors erfüllt, funktioniert es.

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.

Durch Laufen Drehstrommotor im Generatorbetrieb induziert ein konstantes Magnetfeld auf jeder der Motorwicklungen eine EMF, die Motorwicklungen sind gleichmäßig verteilt, eine sinusförmige Spannung wird auf jeder der Phasen induziert und diese Signale werden untereinander um 1/3 . verschoben der Periode (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 mit 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.
Lass uns darstellen Möglichkeiten Kommutierungen und wählen Sie eine Sequenz aus, in der der Vektor schrittweise weitergedreht wird, 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 muss 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 notwendig, dass der Motor funktioniert die richtigen momente Zeit, um die Spannung an die erforderlichen Statorwicklungen anzuschließen. 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 Regelmethode.
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 diese Kommutierung endlich Die Umschaltung auf die nächste Kombination sollte erfolgen, um ein Hängenbleiben des Rotors zu verhindern.
Vergleichen wir die Signale von Hall-Sensoren mit einer Kombination von Phasen, die angeschlossen werden müssen (Tabelle 2)

Tabelle 2. Vergleich von Hallsensorsignalen 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 Rotieren 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 der Phasen bei der Regelung 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

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 einem Drehstrom versorgt Wechselstrom... Bürstenlose Motoren arbeiten effizient in mehr große Auswahl Revolutionen und mehr hohe Effizienz... 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. Obwohl der Preisunterschied zwischen gut Kollektormotor und ein bürstenloser Motor der gleichen Klasse ist nicht so toll.

Bürstenlose Motoren werden konstruktionsbedingt in zwei Gruppen unterteilt: Innenläufer (ausgesprochen "Inrunner") und Außenläufer (ausgesprochen "Außenläufer"). Die Motoren der ersten Gruppe haben Wicklungen, die sich entlang der Innenfläche des Gehäuses befinden, und einen sich darin drehenden magnetischen Rotor. Die Motoren der zweiten Gruppe - "Außenläufer", haben feste Wicklungen im Inneren des Motors, um die sich der Körper mit Permanentmagneten an seiner Innenwand dreht. 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 es dem Modell langsame Geschwindigkeit, während Propeller mit kleinem Durchmesser und großer Steigung auf hohe Drehzahlen zur Verfügung stellen schnelle Geschwindigkeit, mit relativ geringem Schub. Somit sind mehrpolige Motoren ideal für Modelle, die ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis benötigen, und zweipolige Motoren ohne Getriebe sind ideal für Hochgeschwindigkeitsmodelle. Für eine genauere Auswahl von Motor und Propeller zu bestimmtes Modell, kannst du verwenden Sonderprogramm MotoCalc.

Da bürstenlose Motoren mit Wechselstrom betrieben werden, benötigen sie zum Betrieb einen speziellen Controller (Regler), der 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 in 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 basierend auf Teilen von CD-Laufwerken und anderen bürstenlosen Industriemotoren sind in den letzten Jahren 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 stellen immer noch die gebräuchlichste Art von Elektromotoren im Modell dar. 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-Kern des Mikrocontrollers, der den Endstufencontroller enthält, ermöglicht die Implementierung eines bürstenlosen Hochgeschwindigkeits-DC-Motorsteuergeräts.

Dieses Dokument beschreibt kurz das Funktionsprinzip eines bürstenlosen DC-Motors und beschreibt ausführlich 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 ein geringeres akustisches und elektrisches Rauschen.
3. Fähigkeit, in gefährlichen Umgebungen (mit brennbaren Produkten) zu arbeiten.
4. Gutes Verhältnis von Gewichts- und Größeneigenschaften und Leistung ...

Motoren dieser Art zeichnen sich durch eine geringe Trägheit des Rotors aus, weil die Wicklungen befinden sich am 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 werden in einem Winkel von 120° zueinander eingebaut. Mit Hilfe dieser 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. Durch das Anschließen der Wicklungen an die Stromschienen fließt ein 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.

Sicher hat er sich gefragt, wie sich ein solcher Motor von anderen Motoren unterscheidet, zum Beispiel von denen in Bohrmaschinen. Motoren, die in nicht sehr leistungsstarken Maschinen installiert sind, zünden normalerweise nicht und arbeiten nicht so laut wie dieselbe Bohrmaschine, die weniger Leistung hat als die Maschine.

Was ist los? Die Sache ist die der Bürstenmotor ist ein Bürstenmotor und der bürstenlose Motor ist ein bürstenloser Motor... Um verschiedene Probleme zu lösen, ist Ihr eigener Motortyp geeignet - irgendwo Besser passen Sammler, aber irgendwo können Sie nur einen bürstenlosen installieren.

Kollektormotor

Der Kommutatormotor hat in der Regel nur zwei Stromadern, er ist einfach zu bedienen, es reicht die konstante oder wechselnde Versorgungsspannung zu regeln und die Drehzahl ändert sich entsprechend. Sie können den Kollektormotor sogar mit einem einfachen Dimmer steuern. Der Hauptvorteil des Kollektormotors ist die hohe Drehzahl (Zehntausende pro Minute) bei hohem Drehmoment.

Das Funktionsprinzip des Kollektormotors ist sehr einfach. Tatsächlich besteht sein Rotor aus einem Satz von Kupferrahmen in einem magnetischen Kreis, die abwechselnd zu einer Stromquelle auf der Kollektor-Bürsten-Anordnung getauscht werden. Der Stator kann entweder aus Permanentmagneten oder mit einer Wicklung bestehen, die von derselben Quelle wie der Rotor oder von einer separaten Quelle gespeist wird, und manchmal sind Stator und Rotor in einer einzigen Reihenschaltung enthalten (z. B. Motoren von automatischen Waschmaschinen).

An jedem der Abschnitte der Rotorwicklung wird durch die Kollektor-Bürsten-Anordnung abwechselnd während der Drehung des Rotors versorgt elektrischer Strom, als Ergebnis wird der Rotor magnetisiert und erhält deutlich ausgedrückte Nord- und Südmagnetpole, wodurch sich der Rotor im Stator dreht (die Rotorpole werden von den Statorpolen herausgedrückt, dann wird der Rotor weiter ummagnetisiert und wieder herausgedrückt) ). Da der Rotor jedes Mal durch den nächsten Abschnitt auf die Stromquelle kommutiert wird, stoppt die Drehung nicht, solange der Kollektor mit Strom versorgt wird.

Der Hauptnachteil des Kollektormotors

Die Bürsten des Bürstenmotors sind sehr bequem zu verstellen, aber wenn sie hoch genug sind, machen sich die Bürsten bemerkbar. Da die Bürsten immer fest mit dem Kollektor verbunden sind, verschleißen sie bei hohen Geschwindigkeiten schnell, verstopfen schließlich auf die eine oder andere Weise und beginnen schließlich zu funken.

Der Verschleiß der Bürsten und allgemein der Kommutator-Bürsten-Anordnung führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Kommutatormotors. Also ich selbst Kollektor-Bürsten-Montage - das ist Hauptnachteil Kollektormotoren... Heute versucht man, bürstenbehaftete Motoren zugunsten bürstenloser Schrittmotoren aufzugeben.

Der bürstenlose Motor hat keinen Kommutator oder Bürsten. Das einfachste Beispiel bürstenloser Motor - asynchroner Drehstrommotor mit einem "Käfigläufer" -Rotor. Ein weiteres Beispiel für einen bürstenlosen Motor - moderner - Schrittmotor mit magnetischem Rotor... Die Statorwicklungen eines bürstenlosen Motors werden selbst ummagnetisiert, so dass sich der Rotor ständig dreht und sich auf diese Weise kontinuierlich dreht.

In den meisten Fällen sind moderne bürstenlose Motoren mit einem Rotorpositionssensor ausgestattet, der den Signalen des Motordrehzahlreglers entspricht. Das Signal des Rotorpositionssensors wird mehr als 100 Mal pro Sekunde an den Prozessor übertragen, was zu einer präzisen Rotorpositionierung und einem hohen Drehmoment führt. Natürlich gibt es bürstenlose Motoren ohne Rotorlagesensor, ein anschauliches Beispiel ist der gleiche Asynchron-Drehstrommotor. Motoren ohne Positionssensor sind günstiger als Motoren mit Encoder.

Die Vorteile von bürstenlosen Motoren

Da die Lebensdauer der Rotorlager extrem hoch ist, können wir sagen, dass es bei einem bürstenlosen Motor praktisch keine Verschleißteile gibt und er im Betrieb überhaupt nicht gewartet werden muss. Hier wird die Reibung minimiert, es gibt kein Problem der Kollektorüberhitzung, im Allgemeinen sind die Zuverlässigkeit und der Wirkungsgrad von bürstenlosen Motoren sehr hoch.

Es gibt keine Funkenbürsten, der Rotorpositionssensor hilft, die Steuerung genau zu machen - es gibt praktisch keine Nachteile, nur Vorteile. Ist das der Preis der Qualität? Schrittmotoren höher als die des Sammlers (plus Fahrer), aber das ist nichts im Vergleich zu regelmäßiger Austausch Federn, Bürsten und Kollektoren für Kollektormotoren.