Trochę historii:

Głównym problemem wszystkich silników jest przegrzewanie się. Wirnik obrócił się wewnątrz jakiegoś stojana, dzięki czemu ciepło z przegrzania nigdzie nie szło. Ludzie wpadli na genialny pomysł: obrócić nie wirnik, ale stojan, który podczas obrotu byłby chłodzony powietrzem. Kiedy powstał taki silnik, stał się szeroko stosowany w lotnictwie i przemyśle stoczniowym, dlatego nazwano go silnikiem zaworowym.

Wkrótce powstał elektryczny odpowiednik silnika zaworu. Nazwali go demonem silnik kolektoraponieważ nie miał kolektorów (pędzli).

Bezszczotkowe silniki elektryczne dotarły do \u200b\u200bnas stosunkowo niedawno, w ostatnim 10-15 lat... W przeciwieństwie do silników kolektorowych zasilane są one trójfazowym prądem przemiennym. Silniki bezszczotkowe pracują wydajniej w większej liczbie szeroki zasięg rewolucje i więcej wysoka wydajność ... Jednocześnie konstrukcja silnika jest relatywnie prostsza, nie posiada zespołu szczotki, która nieustannie ociera się o wirnik i wytwarza iskry. Można powiedzieć, że silniki bezszczotkowe praktycznie się nie zużywają. Koszt silników bezszczotkowych jest nieco wyższy niż szczotkowanych. Wynika to z faktu, że wszystkie silniki bezszczotkowe są wyposażone w łożyska iz reguły są lepszej jakości.

Testy wykazały:
Siła ze śrubą 8x6 \u003d 754 gramów,
Prędkość obrotowa \u003d 11550 obr / min,
Pobór mocy \u003d 9 watów(bez śruby) , 101 watów(ze śrubą),

Moc i wydajność

Moc można obliczyć w ten sposób:
1) Moc w mechanice oblicza się według następującego wzoru: N \u003d F * vgdzie F to siła, a v to prędkość. Ale ponieważ śruba jest w stanie statycznym, nie ma żadnego ruchu, z wyjątkiem ruchu obrotowego. Gdyby ten silnik był zainstalowany na modelu samolotu, to można by zmierzyć prędkość (jest to 12 m / s) i obliczyć moc netto:
N przydatne \u003d 7,54 * 12 \u003d 90,48 wata
2) Sprawność silnika elektrycznego określa następujący wzór: Wydajność \u003d N użyteczne / N wydane * 100%gdzie N kosztuje \u003d 101 watów
Sprawność \u003d 90,48 / 101 * 100% \u003d 90%
Średnio sprawność silników bezszczotkowych jest rzeczywista i oscyluje wokół 90% (najwyższa sprawność osiągnięta przez tego typu silniki to 99.68% )

Charakterystyka silnika:

Napięcie: 11,1 woltów
Obrót handlowy: 11550 obr / min
Maksymalne natężenie prądu: 15A
Moc: 200 watów
Trakcja: 754 gramów (śruba 8x6)

Wniosek:

Cena jakiejkolwiek rzeczy zależy od skali jej produkcji. Producenci silników bezszczotkowych mnożą się jak grzyby po deszczu. Dlatego chcę wierzyć, że w najbliższej przyszłości cena kontrolerów i bezszczotkowych silniki spadnąjak to spadło na sprzęt do sterowania radiowego ... Możliwości mikroelektroniki z każdym dniem rozszerzają się, gabaryty i waga sterowników sukcesywnie się zmniejszają. Można założyć, że w niedalekiej przyszłości sterowniki zaczną być wbudowywane bezpośrednio w silniki! Może doczekamy się tego dnia ...

Kiedy zacząłem opracowywać jednostkę sterującą silnika bezszczotkowego (silnika koła), pojawiło się wiele pytań dotyczących dopasowania prawdziwy silnik z abstrakcyjnym obwodem trzech uzwojeń i magnesów, na którym z reguły wszyscy wyjaśniają zasadę sterowania silniki kolektorów.

Kiedy zaimplementowałem sterowanie czujnikami Halla, nadal nie bardzo rozumiałem, co dzieje się w silniku poza abstrakcyjnymi trzema uzwojeniami i dwoma biegunami: dlaczego 120 stopni i dlaczego algorytm sterowania jest dokładnie taki sam.

Wszystko zaczęło się układać, gdy zacząłem rozumieć ideę bezczujnikowego sterowania silnikiem bezszczotkowym - zrozumienie procesu zachodzącego w prawdziwym sprzęcie pomogło w opracowaniu sprzętu i zrozumieniu algorytmu sterowania.

Poniżej postaram się opisać swoją drogę do zrozumienia zasady bezszczotkowego sterowania silnikiem. prąd stały.

W przypadku pracy silnika bezszczotkowego konieczne jest, aby stałe pole magnetyczne wirnika było porywane za wirującym polem elektromagnetycznym stojana, jak w konwencjonalnym silniku prądu stałego.

Obrót pola magnetycznego stojana odbywa się poprzez przełączanie uzwojeń za pomocą elektronicznej jednostki sterującej.
Konstrukcja silnika bezszczotkowego jest podobna do konstrukcji silnika synchronicznego, jeśli podłączysz silnik bezszczotkowy do sieci trójfazowej prąd przemiennyspełniając parametry elektryczne silnika, będzie działać.

Pewna komutacja uzwojeń silnika bezszczotkowego pozwala na sterowanie nim ze źródła prądu stałego. Aby zrozumieć, jak wykonać stół komutacyjny dla silnika bezszczotkowego, należy wziąć pod uwagę sterowanie maszyną synchroniczną prądu przemiennego.

Maszyna synchroniczna
Maszyna synchroniczna jest sterowana z trójfazowej sieci prądu przemiennego. Silnik ma 3 uzwojenia elektryczne przesunięte o 120 stopni elektrycznych.

Po uruchomieniu silnika trójfazowego w trybie generatora, stałe pole magnetyczne będzie indukowało EMF na każdym z uzwojeń silnika, uzwojenia silnika są równomiernie rozłożone, na każdej z faz indukowane będzie napięcie sinusoidalne, a sygnały te będą przesuwane między sobą o 1/3 okresu (rysunek 1). Kształt pola elektromagnetycznego zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym, okres sinusoidy wynosi 2P (360), ponieważ mamy do czynienia z wielkościami elektrycznymi (pole elektromagnetyczne, napięcie, prąd), nazwiemy to stopniami elektrycznymi i będziemy mierzyć w nich okres.

Gdy do silnika zostanie przyłożone napięcie trójfazowe, w każdym momencie na każdym uzwojeniu pojawi się pewna siła prądu.

Każde uzwojenie generuje wektor pola magnetycznego proporcjonalny do prądu uzwojenia. Dodając 3 wektory, można uzyskać wynikowy wektor pola magnetycznego. Ponieważ z biegiem czasu prąd na uzwojeniach silnika zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym, zmienia się wielkość wektora pola magnetycznego każdego uzwojenia, a wynikowy wektor całkowity zmienia kąt obrotu, podczas gdy wielkość tego wektora pozostaje stała.

Rysunek 2 pokazuje jeden okres elektryczny silnika trójfazowego, dla tego okresu wskazane są 3 dowolne momenty, aby w każdym z tych momentów wektora pola magnetycznego odłożyć ten okres, 360 stopni elektrycznych, na kole. Umieśćmy 3 uzwojenia silnika przesunięte względem siebie o 120 stopni elektrycznych (rysunek 3).

Wektor pola magnetycznego generowany przez uzwojenie silnika jest wykreślany wzdłuż każdej z faz. Kierunek wektora jest określony przez kierunek prądu stałego w uzwojeniu, jeśli napięcie przyłożone do uzwojenia jest dodatnie, to wektor jest kierowany do przeciwna strona z uzwojenia, jeśli ujemny, to wzdłuż uzwojenia. Wielkość wektora jest proporcjonalna do wielkości napięcia na fazie wejścia ten moment.
Aby otrzymać wynikowy wektor pola magnetycznego, konieczne jest dodanie danych wektorowych zgodnie z prawem dodawania wektorów.
Konstrukcja jest podobna w drugiej i trzeciej chwili.

Tak więc z biegiem czasu wynikowy wektor płynnie zmienia swój kierunek, rysunek 5 pokazuje wynikowe wektory i pokazuje pełny obrót pola magnetycznego stojana w jednym okresie elektrycznym.

Ten wektor elektrycznego pola magnetycznego porywa pole magnetyczne magnesów trwałych wirnika w każdym momencie (rysunek 6).

Tak działa synchroniczna maszyna prądu przemiennego.

Mając źródło prądu stałego, konieczne jest samodzielne utworzenie jednego okresu elektrycznego ze zmianą kierunków prądu na trzech uzwojeniach silnika. Ponieważ konstrukcja silnika bezszczotkowego jest taka sama jak silnika synchronicznego, ma identyczne parametry w trybie generatora, należy zacząć od rysunku 5, który przedstawia generowane wirujące pole magnetyczne.

Stałe ciśnienie
Zasilacz DC ma tylko 2 przewody „plus power” i „minus power”, co oznacza, że \u200b\u200bmożliwe jest doprowadzenie napięcia tylko do dwóch z trzech uzwojeń. Konieczne jest przybliżenie rysunku 5 i wybranie wszystkich momentów, w których możliwe jest połączenie 2 faz z trzech.

Liczba permutacji z zestawu 3 wynosi 6, dlatego istnieje 6 opcji łączenia uzwojeń.
Przedstawmy możliwe warianty komutacji i wybierzmy sekwencję, w której wektor będzie obracany krok po kroku dalej, aż osiągnie koniec okresu i zacznie się od nowa.

Okres elektryczny będzie liczony od pierwszego wektora.

Rysunek 5 pokazuje, że przy sterowaniu trójfazowym napięciem sinusoidalnym istnieje wiele wektorów płynnie obracających się w czasie, a przy przełączaniu prądem stałym można uzyskać pole wirujące tylko 6 wektorów, to znaczy przełączanie do następnego kroku powinno następować co 60 stopni elektrycznych.
Wyniki z rysunku 7 podsumowano w tabeli 1.

Tabela 1. Wynikowa sekwencja komutacji uzwojeń silnika.

Widok wynikowego sygnału sterującego zgodnie z tabelą 1 pokazano na rysunku 8. Gdzie -V przełącza na minus zasilacza (GND), a + V na plus zasilacza.

Jednak rzeczywisty obraz faz silnika będzie podobny do sygnału sinusoidalnego z rysunku 1. Sygnał ma kształt trapezu, ponieważ w momentach, gdy uzwojenie silnika nie jest podłączone, magnesy trwałe wirnika indukują na nim pole elektromagnetyczne (rysunek 9).

Na oscyloskopie wygląda to tak:

Cechy konstrukcyjne
Jak wspomniano wcześniej, dla 6 przełączeń uzwojeń powstaje jeden okres elektryczny o 360 stopniach elektrycznych.
Konieczne jest powiązanie tego okresu z rzeczywistym kątem obrotu wirnika. Silniki z jedną parą biegunów i trójzębnym stojanem są rzadko używane; silniki mają N par biegunów.
Rysunek 11 przedstawia modele silników jednobiegunowych i dwubiegunowych.

Silnik z dwoma parami biegunów ma 6 zwojów, każde z uzwojeń jest sparowane, każda grupa 3 uzwojeń jest przesunięta względem siebie o 120 stopni elektrycznych. Rysunek 12b. opóźniony o jeden okres dla 6 uzwojeń. Uzwojenia U1-U2, V1-V2, W1-W2 są ze sobą połączone iw konstrukcji reprezentują 3-fazowe przewody wyjściowe. Dla uproszczenia połączenia nie są pokazane, ale pamiętaj, że U1-U2, V1-V2, W1-W2 są takie same.

Rysunek 12, na podstawie danych z Tabeli 1, przedstawia wektory dla jednej i dwóch par biegunów.

Rysunek 13 przedstawia wektory utworzone przez 6 komutacji uzwojeń silnika z jedną parą biegunów. Wirnik składa się z magnesów trwałych, w 6 krokach wirnik obraca się mechanicznie o 360 stopni.
Rysunek pokazuje położenia końcowe wirnika; w odstępach między dwoma sąsiednimi położeniami wirnik obraca się od poprzedniego do następnego przełączonego stanu. Kiedy wirnik osiągnie to położenie końcowe, musi nastąpić następne przełączenie, a wirnik będzie dążył do nowego położenia docelowego, tak aby jego wektor pola magnetycznego stał się współkierunkowy z wektorem pola elektromagnetycznego stojana.

W silnikach z parami biegunów N, okresy elektryczne N muszą być spełnione, aby uzyskać pełny obrót mechaniczny.
Silnik dwubiegunowy będzie miał dwa magnesy z biegunami S i N oraz 6 zwojami (Rysunek 14). Każda grupa 3 uzwojeń jest przesunięta względem siebie o 120 stopni elektrycznych.

Określenie położenia wirnika silnika bezszczotkowego
Jak wspomniano wcześniej, aby silnik działał, konieczne jest we właściwym czasie podłączenie napięcia do wymaganych uzwojeń stojana. Napięcie należy przyłożyć do uzwojeń silnika w zależności od położenia wirnika, tak aby pole magnetyczne stojana zawsze znajdowało się przed polem magnetycznym wirnika. Aby określić położenie wirnika silnika i przełączanie uzwojeń, użyj jednostka elektroniczna zarządzanie.
Śledzenie położenia wirnika jest możliwe na kilka sposobów:
1. Czujniki Halla
2. Z powrotem EMF
Z reguły producenci wyposażają silnik w czujniki Halla przy zwolnieniu, więc jest to najczęstsza metoda sterowania.
Przełączanie uzwojeń zgodnie z sygnałami wstecznej EMF pozwala na rezygnację z czujników wbudowanych w silnik i wykorzystanie analizy fazy wolnej silnika jako czujnika, który będzie indukowany przez tylne pole magnetyczne EMF.

Sterowanie silnikiem bezszczotkowym z czujnikiem Halla
Aby przełączyć uzwojenia we właściwych momentach, konieczne jest śledzenie położenia wirnika w stopniach elektrycznych. Służą do tego czujniki Halla.
Ponieważ istnieje 6 stanów wektora pola magnetycznego, potrzebne są 3 czujniki Halla, które będą reprezentować jeden enkoder absolutny pozycje z 3-bitowym wyjściem. Czujniki Halla są instalowane w taki sam sposób jak uzwojenia, przesunięte względem siebie o 120 stopni elektrycznych. Umożliwia to wykorzystanie magnesów wirnika jako elementu uruchamiającego czujnik.

Aby obrócić silnik, konieczne jest, aby pole magnetyczne stojana znajdowało się przed polem magnetycznym wirnika, położenie, w którym wektor pola magnetycznego wirnika jest współkierunkowy z wektorem pola magnetycznego stojana, jest skończone dla tej komutacji, to w tym momencie powinno nastąpić przełączenie na następną kombinację, aby zapobiec zawieszeniu wirnika w nieruchomym pozycja.
Porównajmy sygnały z czujników Halla z kombinacją faz, które należy podłączyć (tabela 2)

Tabela 2. Porównanie sygnałów czujnika Halla z komutacją faz silnika.

Kontrola wstecznego pola elektromagnetycznego
Istnieją silniki bezszczotkowe bez czujników położenia. Położenie wirnika jest określane poprzez analizę sygnału EMF w wolnej fazie silnika. W każdym momencie „+” jest podłączony do jednej z faz, do drugiej „-” zasilania, jedna z faz pozostaje wolna. Obracając się, pole magnetyczne wirnika indukuje EMF w swobodnym uzwojeniu. Wraz z postępem rotacji zmienia się napięcie na wolnej fazie (rysunek 17).

Sygnał z uzwojenia silnika jest podzielony na 4 punkty:
1. Uzwojenie jest podłączone do 0
2. Uzwojenie niepodłączone (wolna faza)
3. Uzwojenie jest podłączone do napięcia zasilania
4. Uzwojenie niepodłączone (wolna faza)
Porównując sygnał z faz z sygnałem sterującym można zauważyć, że moment przejścia do kolejnego stanu można wykryć poprzez przekroczenie punktu środkowego (połowy napięcia zasilającego) z fazą, która w danym momencie nie jest podłączona (Rysunek 18).

Po wykryciu skrzyżowania konieczne jest wstrzymanie i włączenie następnego stanu. Zgodnie z tym rysunkiem opracowywany jest algorytm przełączania stanów uzwojeń (tabela 3).

Tabela 3. Algorytm przełączania uzwojeń silnika

Komparator jest wyzwalany, gdy napięcie przekracza punkt środkowy i generuje sygnał dla mikrokontrolera.

Przetwarzanie sygnałów z faz silnika
Jednak sygnał z faz przy regulacji prędkości PWM różni się wyglądem i ma charakter impulsowy (rys. 21), w takim sygnale nie można wykryć przecięcia z punktem środkowym.

w związku z tym ten sygnał należy przefiltrować filtrem RC, aby uzyskać obwiednię, a także podzielić zgodnie z wymaganiami komparatora. Wraz ze wzrostem cyklu pracy sygnał PWM będzie wzrastał w amplitudzie (Rysunek 22).

Schemat punktu środkowego

Sygnały są usuwane z faz przez rezystory ograniczające prąd i łączone, uzyskuje się następujący obraz:

Ze względu na PWM napięcie w punkcie środkowym nie jest stałe, sygnał również musi być filtrowany. Napięcie punktu środkowego po wygładzeniu będzie dostatecznie duże (w rejonie napięcia zasilania silnika), należy je podzielić przez dzielnik napięcia na połowę napięcia zasilania.
silnik bezszczotkowy

Bezszczotkowy silnik elektryczny

Zasada działania trójfazowego silnika bezszczotkowego

Silnik zaworu jest silnikiem synchronicznym opartym na zasadzie regulacji częstotliwości z samosynchronizacją, którego istotą jest sterowanie wektorem pola magnetycznego stojana w zależności od położenia wirnika. Silniki zaworów (w literaturze angielskiej BLDC lub PMSM) nazywane są również bezszczotkowymi silnikami prądu stałego, ponieważ kolektor takiego silnika jest zwykle zasilany stałe napięcie.

Opis VD

Ten typ silnika ma na celu poprawę właściwości silników prądu stałego. Wysokie wymagania dla siłowniki (w szczególności szybkie mikro napędy do precyzyjnego pozycjonowania) doprowadziły do \u200b\u200bzastosowania określone silniki prąd stały: bezkontaktowy silniki trójfazowe prąd stały (BDPT lub BLDC). Strukturalnie przypominają silniki synchroniczne prąd przemienny: wirnik magnetyczny obraca się w laminowanym stojanie z uzwojeniami trójfazowymi. Ale RPM jest funkcją obciążenia i napięcia stojana. Ta funkcja jest realizowana poprzez przełączanie uzwojeń stojana w zależności od współrzędnych wirnika. BDPT są dostępne z oddzielnymi czujnikami na wirniku i bez oddzielnych czujników. Czujniki Halla są używane jako oddzielne czujniki. Jeśli konstrukcja jest bez oddzielnych czujników, uzwojenia stojana działają jako element mocujący. Kiedy magnes się obraca, wirnik indukuje pole elektromagnetyczne w uzwojeniach stojana, powodując prąd. Wyłączenie jednego uzwojenia powoduje pomiar i obróbkę sygnału, który w nim został zaindukowany. Ten algorytm wymaga procesora sygnałowego. Do hamowania i cofania BDPS nie jest potrzebny obwód odwrotny mocy mostka - wystarczy zastosować impulsy sterujące do uzwojeń stojana w odwrotnej kolejności.

Główną różnicą między HP a silnikiem synchronicznym jest jego samosynchronizacja za pomocą DPR, w wyniku czego w HP częstotliwość wirowania pola jest proporcjonalna do prędkości wirnika.

Stator

Bezszczotkowy stojan silnika

Stojan ma tradycyjną konstrukcję i jest podobny do stojana maszyny indukcyjnej. Składa się z korpusu, stalowego rdzenia elektrycznego i miedzianego uzwojenia ułożonego w rowkach wokół rdzenia. Liczba zwojów określa liczbę faz silnika. Do samoczynnego rozruchu i rotacji wystarczą dwie fazy - sinus i cosinus. Zazwyczaj HP są trójfazowe, rzadziej czterofazowe.

Zgodnie ze sposobem układania zwojów w uzwojeniach stojana wyróżnia się silniki odwrotną siłą elektromotoryczną o kształcie trapezoidalnym (BLDC) i sinusoidalnym (PMSM). W zależności od sposobu zasilania, fazowy prąd elektryczny w odpowiednich typach silników zmienia się również trapezowo lub sinusoidalnie.

Wirnik

Wirnik jest wykonany z magnesów trwałych i zwykle ma od dwóch do ośmiu par biegunów z naprzemiennymi biegunami północnymi i południowymi.

Początkowo do wykonania wirnika używano magnesów ferrytowych. Są powszechne i tanie, ale brakuje im formy niski poziom Indukcja magnetyczna. W dzisiejszych czasach coraz większą popularnością cieszą się magnesy ze stopów ziem rzadkich, gdyż pozwalają one na uzyskanie wysoki poziom indukcję magnetyczną i zmniejsz rozmiar wirnika.

Czujnik położenia wirnika

Czujnik położenia wirnika (RPR) zapewnia informację zwrotną o położeniu wirnika. Jego działanie może opierać się na różnych zasadach - fotoelektrycznych, indukcyjnych, efekt Halla itp. Najpopularniejsze to czujniki Halla i fotoelektryczne, gdyż są praktycznie inercyjne i pozwalają pozbyć się opóźnienia w kanale informacje zwrotne przez położenie wirnika.

Czujnik fotoelektryczny w swojej klasycznej formie zawiera trzy stałe fotodetektory, które są sekwencyjnie zamykane przesłoną obracającą się synchronicznie z wirnikiem. Jest to pokazane na rysunku 1 (żółta kropka). Kod binarny uzyskany z DPR rejestruje sześć różnych pozycji wirnika. Sygnały czujnika są przetwarzane przez urządzenie sterujące na kombinację napięć sterujących, które sterują przełącznikami mocy, tak że w każdym cyklu (fazie) pracy silnika dwa przełączniki są włączane, a dwa z trzech uzwojeń twornika są połączone szeregowo z siecią. Uzwojenia kotwiczne U, V, W znajdują się na stojanie z przesunięciem o 120 °, a ich początki i końce są połączone tak, że po przełączeniu klawiszy powstaje wirujący gradient pól magnetycznych.

System sterowania HP

Układ sterowania zawiera przełączniki mocy, często tyrystory lub tranzystory bramkowe z izolacją mocy. Z nich składa się falownik napięcia lub falownik prądu. System zarządzania kluczami jest zwykle realizowany za pomocą mikrokontrolera, ze względu na dużą liczbę operacji obliczeniowych do sterowania silnikiem.

Jak działa VD

Zasada działania HP opiera się na fakcie, że regulator HP przełącza uzwojenia stojana tak, że wektor pola magnetycznego stojana jest zawsze prostopadły do \u200b\u200bwektora pola magnetycznego wirnika. Sterownik wykorzystując modulację szerokości impulsu (PWM) steruje prądem przepływającym przez uzwojenia WP, tj. wektor pola magnetycznego stojana, a tym samym regulowany jest moment obrotowy działający na wirnik HP. Znak kąta między wektorami określa kierunek momentu działającego na wirnik.

Komutacja jest wykonywana tak, aby strumień wzbudzenia wirnika był F 0 utrzymywane na stałym poziomie w stosunku do przepływu twornika. W wyniku interakcji przepływu twornika i wzbudzenia powstaje moment obrotowy M, który stara się obrócić wirnik tak, aby strumienie twornika i wzbudzenia pokrywały się, ale gdy wirnik obraca się pod działaniem DPR, uzwojenia są przełączane, a strumień twornika przechodzi do następnego kroku.

W takim przypadku wynikowy wektor prądu będzie przesunięty i nieruchomy względem strumienia wirnika, który wytworzy moment obrotowy na wale silnika.

W trybie pracy silnika MDS stojana wyprzedza MDS wirnika o kąt 90 °, który jest utrzymywany przez DPR. W trybie hamowania MDS stojana pozostaje w tyle za MDS wirnika, kąt 90 ° jest również utrzymywany za pomocą DPR.

Zarządzanie silnikiem

Sterownik HP reguluje moment obrotowy działający na wirnik poprzez zmianę wartości PWM.

w odróżnieniu silnik szczotkowy prąd stały, przełączanie w HP jest realizowane i monitorowane elektronicznie.

Systemy sterowania, które wdrażają algorytmy regulacji szerokości impulsu i modulacji szerokości impulsu do sterowania HP, są szeroko rozpowszechnione.

System zapewniający najszerszy zakres regulacji prędkości - dla silników ze sterowaniem wektorowym. Za pomocą przemiennika częstotliwości kontrolowana jest prędkość silnika, a strumień w maszynie jest utrzymywany na zadanym poziomie.

Cechą regulacji napędu elektrycznego ze sterowaniem wektorowym są mierzone współrzędne sterowane system stacjonarny współrzędne są konwertowane na układ obrotowy, z nich przydzielana jest stała wartość, proporcjonalna do składowych wektorów kontrolowanych parametrów, zgodnie z którymi tworzone są działania kontrolne, a następnie przejście odwrotne.

Wadą tych systemów jest złożoność sterowania i funkcjonalne urządzenia dla szerokiego zakresu regulacji prędkości.

Zalety i wady VD

Ostatnio ten typ silnika szybko zyskuje na popularności, penetrując wiele branż. Znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach: od sprzętu AGD po pojazdy szynowe.

VD z systemy elektroniczne zarządzanie często się łączy najlepsze cechy silniki bezstykowe i silniki prądu stałego.

Zalety:

• Szeroki zakres prędkości
• Bezkontaktowa i bezobsługowa - maszyna bezszczotkowa
• Nadaje się do użytku w środowiskach wybuchowych i agresywnych
• Wysoki moment przeciążenia
• Wysoka wydajność energetyczna (sprawność powyżej 90%)

• Długa żywotność, wysoka niezawodność oraz zwiększona żywotność dzięki braku przesuwnych styków elektrycznych

Niedogodności:

• Stosunkowo złożony system zarządzania silnikiem
• Wysoki koszt silnika ze względu na zastosowanie drogich magnesów trwałych w konstrukcji wirnika
• W wielu przypadkach bardziej racjonalne jest użycie silnika asynchronicznego z przetwornicą częstotliwości.

Do zastosowań, które łączą maksymalną osiągalną wydajność z niezwykle prostymi i niezawodne bloki sterowania (wyłącznik kluczykowy, który nie wykorzystuje PWM), można również podkreślić następującą cechę: Pomimo tego, że obroty mogą się znacznie różnić w zależności od jednostki sterującej, akceptowalną wydajność można uzyskać tylko w stosunkowo wąskim przedziale prędkości kątowych. Decyduje o tym indukcyjność uzwojeń. Jeśli prędkość jest poniżej optymalnej, ciągłe dostarczanie prądu do tej fazy, po osiągnięciu granicy strumienia magnetycznego, doprowadzi tylko do niepotrzebnego nagrzewania. Przy prędkościach powyżej optymalnej strumień magnetyczny w biegunie nie osiągnie maksimum ze względu na ograniczony przez indukcyjność czas narastania prądu. Przykładami takich silników są modelowe zestawy bezszczotkowe. Muszą być wydajne, lekkie i niezawodne oraz w celu zapewnienia optymalnych prędkość kątowa przy danej charakterystyce obciążenia producenci wytwarzają linie modelu z różnymi indukcyjnościami (liczbą zwojów) uzwojeń. Jednocześnie mniejsza liczba obrotów oznacza szybszy silnik.

Zobacz też

Spinki do mankietów

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Sterowanie dwufazowym bezszczotkowym silnikiem prądu stałego bez czujników
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4 Silniki wentylowane
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm O bezszczotkowym silniku i użytkowaniu silnik krokowy jako bezszczotkowy

Silniki bezszczotkowe

Bezszczotkowe (bezszczotkowe) silniki elektryczne weszły do \u200b\u200bmodelowania stosunkowo niedawno, w ciągu ostatnich 5-7 lat. W przeciwieństwie do silników kolektorowych zasilane są one trójfazowym prądem przemiennym. Silniki bezszczotkowe działają wydajnie w szerszym zakresie obrotów i są bardziej wydajne. Konstrukcja silnika jest prostsza, nie ma zespołu szczotek i nie ma takiej potrzeby konserwacja... Można powiedzieć, że silniki bezszczotkowe praktycznie się nie zużywają. Koszt silników bezszczotkowych jest nieco wyższy niż szczotkowanych. Wynika to z faktu, że wszystkie silniki bezszczotkowe są wyposażone w łożyska iz reguły są lepszej jakości. Chociaż różnica w cenie między dobrym silnikiem szczotkowanym a silnikiem bezszczotkowym tej samej klasy nie jest tak duża.

Z założenia silniki bezszczotkowe są podzielone na dwie grupy: inrunner (wymawiane „inrunner”) i outrunner (wymawiane „outrunner”). Silniki pierwszej grupy mają uzwojenia umieszczone wzdłuż wewnętrznej powierzchni obudowy i wirujący wewnątrz wirnik magnetyczny. Silniki z drugiej grupy - „outrunners”, posiadają stałe uzwojenia, wewnątrz silnika, wokół którego obraca się korpus z umieszczonymi na jego wewnętrznej ścianie magnesy trwałe... Liczba biegunów magnesów używanych w silnikach bezszczotkowych może się różnić. Na podstawie liczby biegunów można ocenić moment obrotowy i prędkość silnika. Silniki z dwubiegunowymi wirnikami mają najwyższa prędkość obrót przy najniższym momencie obrotowym. Z założenia silniki te mogą być tylko „internatorami”. Silniki te są często sprzedawane już zamontowane na nich. przekładnie planetarneponieważ ich obroty są zbyt wysokie, aby umożliwić bezpośredni obrót śruby. Czasami takie silniki są używane bez skrzyni biegów - na przykład są umieszczane w modelach samolotów wyścigowych. Silniki z większą liczbą biegunów mają mniejszą prędkość obrotową, ale wyższy moment obrotowy. Silniki te pozwalają na użycie śmigieł o dużej średnicy bez konieczności stosowania przekładni. Ogólnie rzecz biorąc, śruby napędowe o dużej średnicy i małym skoku, przy stosunkowo niskich obrotach, zapewniają duży ciąg, ale powiedz modelowi niska prędkość, podczas gdy śmigła o małej średnicy z dużym skokiem wysokie obroty zapewniają dużą prędkość przy stosunkowo niewielkim ciągu. Dlatego silniki wielobiegunowe są idealne dla modeli, które wymagają wysokiego stosunku ciągu do masy, a dwubiegunowe bez przekładni są idealne dla modeli o dużej prędkości. Dla dokładniejszego doboru silnika i śmigła do określony model, możesz użyć specjalny program MotoCalc.

Ponieważ silniki bezszczotkowe są zasilane prądem przemiennym, do działania potrzebują specjalnego kontrolera (regulatora), który przekształca prąd stały z akumulatorów na prąd przemienny. Regulatory do silników bezszczotkowych to programowalne urządzenia, które pozwalają kontrolować wszystko w swoim życiu. ważne parametry silnik. Pozwalają nie tylko na zmianę prędkości i kierunku pracy silnika, ale również zapewniają w zależności od potrzeb płynną lub nagły początek, ograniczenie prądu maksymalnego, funkcja „hamulca” oraz szereg innych dostrajania silnika na potrzeby modelarza. Do zaprogramowania regulatora służą urządzenia umożliwiające podłączenie go do komputera lub w warunki terenowe można to zrobić za pomocą nadajnika i specjalnej zworki.

Jest wielu producentów silników bezszczotkowych i regulatorów do nich. Silniki bezszczotkowe różnią się również znacznie pod względem konstrukcji i wielkości. Ponadto, produkcja własna Silniki bezszczotkowe oparte na częściach z napędów CD i innych przemysłowych bezszczotkowych silników stały się w ostatnich latach dość powszechne. Być może z tego powodu silniki bezszczotkowe dziś nawet nie mają takiego przybliżenia generalna klasyfikacja jak bracia kolekcjonerzy. Podsumujmy krótko. Obecnie silniki szczotkowane są używane głównie w niedrogich modelach hobbystycznych lub modele sportowe poziom wejścia... Silniki te są niedrogie, łatwe w obsłudze i nadal są najpopularniejszym typem silnika elektrycznego w modelu. Zastępują je bezszczotkowe silniki. Jedynym czynnikiem ograniczającym jest nadal ich cena. Razem z regulatorem silnik bezszczotkowy kosztuje 30-70% więcej. Jednak ceny elektroniki i silników spadają, a to tylko kwestia czasu, zanim będzie się stopniowo wypierać silniki kolektorów z branży modelarskiej.

AVR492: Sterowanie bezszczotkowym silnikiem prądu stałego za pomocą AT90PWM3

Cechy charakterystyczne:

• Ogólne informacje o silniku BLDC
• Wykorzystuje kontroler stopnia mocy
• Implementacja sprzętu
• Przykładowy kod programu

Wprowadzenie

Niniejsza nota aplikacyjna opisuje sposób implementacji bezszczotkowego sterownika silnika prądu stałego (silnika BLDC) za pomocą czujników położenia opartych na mikrokontrolerze AT90PWM3 AVR.

Wysokowydajny rdzeń mikrokontrolera AVR, w którym znajduje się kontroler stopnia mocy, umożliwia realizację szybkiego, bezszczotkowego urządzenia sterującego silnikiem prądu stałego.

Niniejszy dokument zawiera krótki opis zasady działania bezszczotkowego silnika prądu stałego oraz szczegółowo opisuje sterowanie silnikiem BLDC w trybie dotykowym, a także opisuje schemat projekt odniesienia dla ATAVRMC100, na którym oparta jest niniejsza nota aplikacyjna.

Omówiono również implementację oprogramowania z pętlą sterowania zaimplementowaną programowo opartą na regulatorze PID. Zakłada się, że do sterowania procesem przełączania używane są tylko czujniki położenia oparte na efekcie Halla.

Zasada działania

Obszary zastosowań silników BLDC stale się zwiększają, co wiąże się z szeregiem ich zalet:

1. Brak zespołu kolektora, co upraszcza lub wręcz eliminuje konserwację.
2. Generuje niższy poziom hałasu i hałasu elektrycznego w porównaniu do uniwersalnych szczotkowych silników prądu stałego.
3. Zdolność do pracy w środowiskach niebezpiecznych (z produktami łatwopalnymi).
4. Dobry stosunek masy i rozmiaru, charakterystyka i moc ...

Silniki tego typu charakteryzują się małą bezwładnością wirnika, ponieważ uzwojenia znajdują się na stojanie. Komutacja jest sterowana elektronicznie. Momenty przełączania są określane albo na podstawie informacji z czujników położenia, albo przez pomiar tylnego pola elektromagnetycznego generowanego przez uzwojenia.

Sterowany za pomocą czujników silnik BLDC zwykle składa się z trzech głównych części: stojana, wirnika i czujników Halla.

Stojan klasycznego trójfazowego silnika BLDC zawiera trzy uzwojenia. W wielu silnikach uzwojenia są podzielone na kilka sekcji, aby zmniejszyć tętnienie momentu.

Rysunek 1 przedstawia schemat obwodu zastępczego stojana. Składa się z trzech uzwojeń, z których każdy zawiera trzy elementy połączone szeregowo: indukcyjność, rezystancję i odwrotną emf.

Wirnik silnika BLDC składa się z parzystej liczby magnesów trwałych. Liczba biegunów magnetycznych w wirniku również wpływa na skok i tętnienie momentu. Niż duża ilość bieguny, mniejszy rozmiar krok obrotu i mniejsze tętnienia momentu obrotowego. Można użyć magnesów trwałych z 1..5 parami biegunów. W niektórych przypadkach liczba par biegunów wzrasta do 8 (rysunek 2).

Uzwojenia są nieruchome, a magnes obraca się. Wirnik BLDC charakteryzuje się mniejszą wagą w porównaniu z wirnikiem konwencjonalnym silnik uniwersalny prąd stały, w którym uzwojenia znajdują się na wirniku.

Czujnik Halla

W obudowę silnika wbudowane są trzy czujniki Halla, które oceniają położenie wirnika. Czujniki są instalowane pod kątem 120 ° względem siebie. Za pomocą tych czujników można wykonać 6 różnych przełączeń.

Przełączanie faz zależy od stanu czujników Halla.

Podawanie napięć zasilających uzwojenia zmienia się po zmianie stanów wyjść czujników Halla. Gdy prawidłowe wykonanie zsynchronizowana komutacja, moment obrotowy pozostaje w przybliżeniu stały i wysoki.

Przełączanie faz

W celu uproszczenia opisu działania trójfazowego silnika BLDC rozważmy tylko jego wersję z trzema uzwojeniami. Jak pokazano wcześniej, przełączanie faz zależy od wartości wyjściowych czujników Halla. Przy prawidłowym zasilaniu uzwojeń silnika wytwarzane jest pole magnetyczne i inicjowany jest obrót. Najpopularniejsze i w prosty sposób Sterowanie komutacją używane do sterowania silnikiem BLDC jest obwodem włącz-wyłącz, w którym uzwojenie albo przewodzi, albo nie. Jednocześnie mogą być zasilane tylko dwa uzwojenia, podczas gdy trzecie pozostaje wyłączone. Podłączenie uzwojeń do szyn zasilających powoduje wyciek prąd elektryczny. Ta metoda zwane przełączaniem trapezowym lub przełączaniem blokowym.

Do sterowania silnikiem BLDC wykorzystywany jest stopień mocy składający się z 3 półmostków. Stopień mocy pokazano na rysunku 4.

Na podstawie odczytanych wartości czujników Halla ustala się, które klucze powinny być zamknięte.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego ma trójfazowe uzwojenie na stojanie i magnes stały na wirniku. Wirujące pole magnetyczne jest wytwarzane przez uzwojenie stojana, w interakcji z którym zaczyna się poruszać wirnik magnetyczny. Aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne, do uzwojenia stojana przykłada się trójfazowy układ napięciowy, który może mieć inny kształt i jest uformowany różne sposoby... Tworzenie napięć zasilających (przełączanie uzwojeń) dla bezszczotkowego silnika prądu stałego realizowane jest przez wyspecjalizowane układy elektroniczne - sterownik silnika.

Zamów silnik bezszczotkowy w naszym katalogu

W najprostszym przypadku uzwojenia są podłączone parami do stałego źródła napięcia, a gdy wirnik obraca się w kierunku wektora pola magnetycznego uzwojenia stojana, napięcie jest dołączane do innej pary uzwojeń. W tym przypadku wektor pola magnetycznego stojana przyjmuje inną pozycję, a rotacja wirnika jest kontynuowana. Do ustalenia właściwy moment podłączając kolejne uzwojenia stosuje się czujnik położenia wirnika, częściej niż inne stosuje się czujniki Halla.

Możliwe opcje i przypadki specjalne

Obecnie dostępne silniki bezszczotkowe są dostępne w wielu różnych wersjach.

Wykonanie uzwojenie stojana Można wyróżnić silniki z klasycznym uzwojeniem nawiniętym na stalowy rdzeń oraz silniki z wydrążonym cylindrycznym uzwojeniem bez stalowego rdzenia. Klasyczne uzwojenie ma znacznie wyższą indukcyjność niż puste w środku uzwojenie cylindryczne i odpowiednio dłuższą stałą czasową. Z tego powodu z jednej strony puste uzwojenie cylindryczne pozwala na bardziej dynamiczną zmianę prądu (a tym samym momentu obrotowego), z drugiej strony podczas pracy ze sterownika silnika wykorzystującego modulację PWM niskiej częstotliwości w celu wygładzenia tętnień prądu wymagane są dławiki filtrujące o większej wartości znamionowej. (i odpowiednio większy). Ponadto klasyczne uzwojenie z reguły ma zauważalnie wyższy magnetyczny moment zaciskania, a także niższą sprawność niż wydrążone uzwojenie cylindryczne.

Kolejna różnica, przez którą są podzielone różne modele silniki - to jest względne położenie wirnika i stojana - istnieją silniki z wirnikiem wewnętrznym i silniki z wirnik zewnętrzny... Silniki z wirnikiem wewnętrznym mają generalnie wyższe prędkości i mniejszy moment bezwładności wirnika niż modele z wirnikiem zewnętrznym. W rezultacie silniki z wirnikiem wewnętrznym mają wyższą dynamikę. Silniki z wirnikiem zewnętrznym często mają nieco wyższy moment obrotowy dla tej samej średnicy zewnętrznej silnika.

Różnice w stosunku do innych typów silników

Różnice w stosunku do kolektora DCT. Umieszczenie uzwojenia na wirniku umożliwiło rezygnację ze szczotek i kolektora, a tym samym pozbycie się ruchomego kontakt elektryczny, co znacznie zmniejsza niezawodność DCT z magnesami trwałymi. Z tego samego powodu prędkość silników bezszczotkowych jest zwykle znacznie wyższa niż silników prądu stałego z magnesami trwałymi. Z jednej strony pozwala to zwiększyć specyficzna moc Z drugiej strony silnik bezszczotkowy nie do wszystkich takich zastosowań wysoka prędkość jest naprawdę konieczne

Różnice w stosunku do silników synchronicznych z magnesami trwałymi. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi na wirniku są bardzo podobne w konstrukcji do bezszczotkowych silników prądu stałego, ale istnieje wiele różnic. Po pierwsze, termin silnik synchroniczny łączy w sobie wiele różne rodzaje silniki, z których niektóre są zaprojektowane do pracy bezpośrednio ze standardowej sieci prądu przemiennego, inne (na przykład synchroniczne serwomotory) mogą być obsługiwane tylko przez przemienniki częstotliwości (sterowniki silników). Silniki bezszczotkowe, chociaż mają trójfazowe uzwojenie na stojanie, nie pozwalają praca bezpośrednia od napięcia sieciowego i koniecznie wymagają odpowiedniego sterownika. Dodatkowo silniki synchroniczne mogą być zasilane napięciem sinusoidalnym, natomiast silniki bezszczotkowe mogą być zasilane napięciem przemiennym o kształcie krokowym (komutacja blokowa), a nawet przyjmować jego zastosowanie w nominalnych warunkach pracy.

Kiedy potrzebny jest silnik bezszczotkowy?

Odpowiedź na to pytanie jest dość prosta - w przypadkach, gdy ma przewagę nad innymi typami silników. Na przykład prawie niemożliwe jest obejście się bez silnika bezszczotkowego w zastosowaniach, które tego wymagają duże prędkości obroty: ponad 10.000 obr / min. Stosowanie silników bezszczotkowych jest również uzasadnione w przypadkach, w których wymagana jest długa żywotność silnika. W przypadkach, w których wymagane jest zastosowanie zespołu z silnika ze skrzynią biegów, zdecydowanie uzasadnione jest zastosowanie wolnoobrotowych silników bezszczotkowych (z dużą liczbą biegunów). Silniki bezszczotkowe o dużej prędkości w tym przypadku będą miały prędkość wyższą niż limit dopuszczalna prędkość skrzynie biegów iz tego powodu nie będzie możliwe pełne wykorzystanie ich mocy. W zastosowaniach, w których wymagane jest najprostsze sterowanie silnikiem (bez użycia sterownika silnika), naturalnym wyborem jest silnik prądu stałego kolektora.

Z drugiej strony pod pewnymi warunkami podniesiona temperatura lub przejawia się zwiększone promieniowanie słabość silniki bezszczotkowe - czujniki Halla. Standardowe modele przetworników Halla mają ograniczoną odporność na promieniowanie i zakres temperatur roboczych. Jeśli w takim zastosowaniu mimo wszystko konieczne jest zastosowanie silnika bezszczotkowego, to nieuniknione stają się wersje na zamówienie z wymianą czujników Halla na bardziej odporne na wskazane czynniki, co zwiększa cenę silnika i czas dostawy.