Un pic de istorie:

Principala problemă cu toate motoarele este supraîncălzirea. Rotorul s-a rotit în interiorul unui stator și, prin urmare, căldura de la supraîncălzire nu a trecut nicăieri. Oamenii au venit cu o idee strălucită: să rotească nu rotorul, ci statorul, care ar fi răcit de aer în timpul rotației. Când a fost creat un astfel de motor, acesta a devenit utilizat pe scară largă în aviație și în construcția de nave și, prin urmare, a fost numit Motorul supapelor.

În curând a fost creat un analog electric al motorului supapei. L-au numit demon motor colectordeoarece nu avea colectoare (pensule).

Motoarele electrice fără perii au venit la noi relativ recent, în ultima 10-15 ani... Spre deosebire de motoarele colectoare, acestea sunt alimentate de curent alternativ trifazat. Motoarele fără perii funcționează eficient în mai multe gamă largă revoluții și au mai multe eficiență ridicată ... În același timp, designul motorului este relativ mai simplu, nu are un ansamblu de perii care se freacă constant cu rotorul și creează scântei. Putem spune că motoarele fără perii practic nu se uzează. Costul motoarelor fără perii este puțin mai mare decât cele cu perii. Acest lucru se datorează faptului că toate motoarele fără perii sunt echipate cu rulmenți și, de regulă, sunt de o calitate mai bună.

Testele au arătat:
Tijă cu șurub 8x6 \u003d 754 grame,
Viteza de rotație \u003d 11550 rpm,
Consum de energie \u003d 9 wați(fără șurub) , 101 wați(cu șurub),

Puterea și eficiența

Puterea poate fi calculată astfel:
1) Puterea în mecanică se calculează utilizând următoarea formulă: N \u003d F * vunde F este forța și v este viteza. Dar, deoarece șurubul este într-o stare statică, nu există mișcare, cu excepția celei de rotație. Dacă acest motor este instalat pe un model de aeronavă, atunci ar fi posibil să se măsoare viteza (este egală cu 12 m / s) și să se calculeze puterea netă:
N util \u003d 7,54 * 12 \u003d 90,48 wați
2) Eficiența unui motor electric se găsește prin următoarea formulă: Eficiență \u003d N util / N cheltuit * 100%Unde N costuri \u003d 101 wați
Eficiență \u003d 90,48 / 101 * 100% \u003d 90%
În medie, eficiența motoarelor fără perii este reală și fluctuează în jur de 90% (cea mai mare eficiență obținută de acest tip de motoare este 99.68% )

Caracteristicile motorului:

Voltaj: 11,1 volți
Cifra de afaceri: 11550 rpm
Amperaj maxim: 15A
Putere: 200 wați
Tracţiune: 754 grame (șurub 8x6)

Concluzie:

Prețul oricărui lucru depinde de amploarea producției sale. Producătorii de motoare fără perii se înmulțesc ca ciupercile după ploaie. Prin urmare, vreau să cred că în viitorul apropiat prețul controlerelor și fără perii motoarele vor cădeacum a căzut pe echipamentele de control radio ... Capacitățile microelectronicii se extind în fiecare zi, dimensiunea și greutatea controlerelor scad treptat. Putem presupune că, în viitorul apropiat, controlerele vor începe să fie încorporate direct în motoare! Poate vom trăi să vedem această zi ...

Când am început să dezvolt o unitate de control a motorului fără perii (motorul roții), erau multe întrebări despre cum să se potrivească motor real cu un circuit abstract de trei înfășurări și magneți, pe care, de regulă, toată lumea explică principiul controlului motoare colectoare.

Când am implementat controlul prin senzori Hall, încă nu înțelegeam cu adevărat ce se întâmpla în motor dincolo de abstractele trei înfășurări și doi poli: de ce 120 de grade și de ce algoritmul de control este exact același.

Totul a căzut în loc când am început să înțeleg ideea controlului fără senzori al unui motor fără perii - înțelegerea procesului care se desfășoară într-o bucată reală de hardware a ajutat la dezvoltarea hardware-ului și la înțelegerea algoritmului de control.

Mai jos voi încerca să descriu drumul meu către înțelegerea principiului controlului motorului fără perii. curent continuu.

Pentru funcționarea unui motor fără perii, este necesar ca câmpul magnetic constant al rotorului să fie antrenat în spatele câmpului electromagnetic rotativ al statorului, ca într-un motor DC convențional.

Rotația câmpului magnetic al statorului se realizează prin comutarea înfășurărilor folosind o unitate de comandă electronică.
Proiectarea unui motor fără perii este similară cu cea a unui motor sincron dacă conectați motorul fără perii la o rețea trifazată curent alternativsatisfacerea parametrilor electrici ai motorului, acesta va funcționa.

O anumită comutare a înfășurărilor unui motor fără perii permite controlul acestuia de la o sursă de curent continuu. Pentru a înțelege cum se realizează o masă de comutare a unui motor fără perii, este necesar să se ia în considerare controlul unei mașini sincrone de curent alternativ.

Mașină sincronă
Mașina sincronă este controlată dintr-o rețea trifazată de curent alternativ. Motorul are 3 înfășurări electrice compensate cu 120 de grade electrice.

După ce a pornit un motor trifazat în modul generator, un câmp magnetic constant va induce un CEM pe fiecare dintre înfășurările motorului, înfășurările motorului sunt distribuite uniform, o tensiune sinusoidală va fi indusă pe fiecare dintre faze și aceste semnale vor fi deplasate între ele cu 1/3 din perioadă (Figura 1). Forma CEM se modifică conform unei legi sinusoidale, perioada sinusoidului este de 2P (360), întrucât avem de-a face cu mărimi electrice (CEM, tensiune, curent) îi vom numi grade electrice și vom măsura perioada din ele.

Când se aplică o tensiune trifazată motorului, în fiecare moment al timpului, va exista o anumită putere de curent pe fiecare înfășurare.

Fiecare înfășurare generează un vector de câmp magnetic proporțional cu curentul de înfășurare. Adăugând 3 vectori, puteți obține vectorul câmpului magnetic rezultat. Deoarece în timp curentul înfășurărilor motorului se modifică conform unei legi sinusoidale, magnitudinea vectorului câmpului magnetic al fiecărei înfășurări se schimbă, iar vectorul total rezultat modifică unghiul de rotație, în timp ce magnitudinea acestui vector rămâne constantă.

Figura 2 prezintă o perioadă electrică a unui motor trifazat, pentru această perioadă sunt indicate 3 momente arbitrare, pentru a construi în fiecare dintre aceste momente ale vectorului câmp magnetic, amânăm această perioadă, 360 de grade electrice, pe un cerc. Așezați cele 3 înfășurări ale motorului la 120 de grade electrice unul de altul (Figura 3).

Vectorul câmpului magnetic generat de înfășurarea motorului este reprezentat de-a lungul fiecărei faze. Direcția vectorului este determinată de direcția curentului continuu în înfășurare, dacă tensiunea aplicată înfășurării este pozitivă, atunci vectorul este direcționat către partea opusă de la înfășurare, dacă este negativ, apoi de-a lungul înfășurării. Mărimea vectorului este proporțională cu magnitudinea tensiunii pe faza de intrare acest moment.
Pentru a obține vectorul câmpului magnetic rezultat, este necesar să adăugați datele vectoriale conform legii adunării vectoriale.
Construcția este similară pentru al doilea și al treilea moment al timpului.

Deci, în timp, vectorul rezultat își schimbă lin direcția, Figura 5 prezintă vectorii rezultați și arată rotația completă a câmpului magnetic al statorului într-o perioadă electrică.

Acest vector al câmpului magnetic electric este urmat de câmpul magnetic al magneților permanenți ai rotorului în fiecare moment al timpului (Figura 6).

Acesta este modul în care funcționează o mașină de sincronizare AC.

Având o sursă de curent continuu, este necesar să se formeze independent o perioadă electrică cu o schimbare a direcțiilor de curent pe trei înfășurări ale motorului. Deoarece proiectarea unui motor fără perii este aceeași cu un motor sincron, în modul generator are parametri identici, este necesar să porniți din Figura 5, care arată câmpul magnetic rotativ generat.

Presiune constantă
Alimentarea cu curent continuu are doar 2 fire „plus putere” și „minus putere”, ceea ce înseamnă că este posibilă alimentarea cu tensiune a doar două dintre cele trei înfășurări. Este necesar să se aproximeze Figura 5 și să se selecteze toate momentele în care este posibil să se conecteze 2 faze din trei.

Numărul permutațiilor din setul de 3 este 6, prin urmare, există 6 opțiuni pentru conectarea înfășurărilor.
Să prezentăm posibilele variante de comutații și să selectăm o secvență în care vectorul va fi rotit pas cu pas mai mult până când va ajunge la sfârșitul perioadei și va începe de la capăt.

Perioada electrică va fi numărată de la primul vector.

Figura 5 arată că atunci când controlați o tensiune sinusoidală trifazată, există mulți vectori care se rotesc ușor în timp și, când comutați cu curent continuu, este posibil să obțineți un câmp rotativ de doar 6 vectori, adică trecerea la pasul următor trebuie să aibă loc la fiecare 60 de grade electrice.
Rezultatele din Figura 7 sunt rezumate în Tabelul 1.

Tabelul 1. Secvența rezultată a comutațiilor înfășurărilor motorului.

Vederea semnalului de control rezultat în conformitate cu Tabelul 1 este prezentată în Figura 8. În cazul în care -V trece la minusul sursei de alimentare (GND) și + V trece la plusul sursei de alimentare.

Cu toate acestea, imaginea reală din fazele motorului va fi similară cu semnalul sinusoidal din Figura 1. Semnalul are o formă trapezoidală, deoarece în momentele în care înfășurarea motorului nu este conectată, magneții permanenți ai rotorului induc un CEM pe acesta (Figura 9).

Pe un osciloscop, arată astfel:

Caracteristici de proiectare
După cum sa menționat mai devreme, pentru 6 comutări ale înfășurărilor, se formează o perioadă electrică de 360 \u200b\u200bde grade electrice.
Este necesar să asociați această perioadă cu unghiul real de rotație al rotorului. Motoarele cu o pereche de poli și un stator cu trei dinți sunt rareori folosite; motoarele au N perechi de poli.
Figura 11 prezintă modelele de motoare cu o pereche de poli și două perechi de poli.

Un motor cu două perechi de poli are 6 înfășurări, fiecare dintre înfășurări este asociat, fiecare grup de 3 înfășurări este decalat unul de celălalt cu 120 de grade electrice. Figura 12b. a întârziat o perioadă pentru 6 înfășurări. Înfășurările U1-U2, V1-V2, W1-W2 sunt interconectate și în proiectare reprezintă fire de ieșire trifazate. Din simplitate, nu sunt afișate conexiuni, dar amintiți-vă că U1-U2, V1-V2, W1-W2 sunt aceleași.

Figura 12, pe baza datelor din Tabelul 1, prezintă vectorii pentru una și două perechi de poli.

Figura 13 prezintă vectorii creați de 6 comutări ale înfășurărilor motorului cu o pereche de poli. Rotorul este format din magneți permanenți, în 6 trepte rotorul va roti 360 de grade mecanice.
Figura arată pozițiile de capăt ale rotorului, în intervalele dintre două poziții adiacente, rotorul se rotește de la starea de comutare anterioară la următoarea. Când rotorul atinge această poziție finală, următoarea comutare trebuie să aibă loc și rotorul va tinde spre o nouă poziție țintă, astfel încât vectorul său de câmp magnetic să devină codirecțional cu vectorul de câmp electromagnetic al statorului.

La motoarele cu N perechi de poli, N perioade electrice trebuie trecute pentru o revoluție mecanică completă.
Un motor cu doi poli va avea doi magneți, poli S și N și 6 înfășurări (Figura 14). Fiecare grup de 3 înfășurări este decalat unul de celălalt cu 120 de grade electrice.

Determinarea poziției rotorului unui motor fără perii
După cum sa menționat anterior, pentru ca motorul să funcționeze, este necesar să conectați tensiunea la înfășurările necesare ale statorului la momentul potrivit. Tensiunea trebuie aplicată înfășurărilor motorului în funcție de poziția rotorului, astfel încât câmpul magnetic al statorului să fie întotdeauna înaintea câmpului magnetic al rotorului. Pentru a determina poziția rotorului motorului și comutarea înfășurărilor, utilizați unitatea electronică management.
Urmărirea poziției rotorului este posibilă în mai multe moduri:
1. Prin senzorii Hall
2. Prin EMF înapoi
De regulă, producătorii echipează motorul cu senzori Hall la eliberare, deci aceasta este cea mai comună metodă de control.
Comutarea înfășurărilor în conformitate cu semnalele EMF din spate vă permite să abandonați senzorii încorporați în motor și să utilizați analiza fazei libere a motorului ca senzor, care va fi indus de câmpul magnetic EMF din spate.

Senzor Hall controlul motorului fără perii
Pentru a comuta înfășurările la momentul potrivit, este necesar să urmăriți poziția rotorului în grade electrice. Pentru aceasta sunt folosiți senzori de hală.
Deoarece există 6 stări ale vectorului câmpului magnetic, sunt necesari 3 senzori Hall, care vor reprezenta unul codificator absolut poziții cu ieșire pe trei biți. Senzorii Hall sunt instalați în același mod ca înfășurările, decalate unul de altul cu 120 de grade electrice. Acest lucru permite magneților rotorului să fie utilizați ca element de acționare al senzorului.

Pentru a roti motorul, este necesar ca câmpul magnetic al statorului să fie înaintea câmpului magnetic al rotorului, poziția când vectorul câmpului magnetic al rotorului este codirecțional cu vectorul câmpului magnetic al statorului este finit pentru o comutație dată, în acest moment trebuie să se treacă la următoarea combinație pentru a împiedica rotorul să atârne într-un staționar poziţie.
Să comparăm semnalele de la senzorii Hall cu o combinație de faze care trebuie conectate (tabelul 2)

Tabelul 2. Compararea semnalelor senzorului Hall cu comutarea fazei motorului.

Înapoi control EMF
Există motoare fără perii fără senzori de poziție. Poziția rotorului este determinată prin analiza semnalului EMF în faza liberă a motorului. În fiecare moment al timpului, „+” este conectat la una dintre faze la cealaltă „-” a sursei de alimentare, una dintre faze rămâne liberă. Rotind, câmpul magnetic al rotorului induce EMF în înfășurarea liberă. Pe măsură ce rotația progresează, tensiunea pe faza liberă se schimbă (Figura 17).

Semnalul de la înfășurarea motorului este împărțit în 4 puncte:
1. Înfășurarea este conectată la 0
2. Înfășurarea nu este conectată (faza liberă)
3. Înfășurarea este conectată la tensiunea de alimentare
4. Înfășurarea nu este conectată (faza liberă)
Comparând semnalul din faze cu semnalul de control, se poate observa că momentul trecerii la următoarea stare poate fi detectat prin traversarea punctului mediu (jumătate din tensiunea de alimentare) cu o fază care nu este conectată în acest moment (Figura 18).

După detectarea unei intersecții, este necesar să faceți o pauză și să activați următoarea stare. Conform acestei figuri, este compilat un algoritm pentru comutarea stărilor înfășurărilor (tabelul 3).

Tabelul 3. Algoritm pentru comutarea înfășurărilor motorului

Comparatorul este declanșat atunci când tensiunea traversează punctul mediu și generează un semnal pentru microcontroler.

Procesarea semnalului de la fazele motorului
Cu toate acestea, semnalul din faze la reglarea vitezei PWM diferă în aspect și are o natură de impuls (Figura 21), într-un astfel de semnal este imposibil să se detecteze intersecția cu punctul mediu.

prin urmare acest semnal ar trebui să fie filtrat cu un filtru RC pentru a obține plicul și, de asemenea, împărțit în funcție de cerințele comparatorului. Pe măsură ce ciclul de funcționare crește, semnalul PWM va crește în amplitudine (Figura 22).

Schema punctului mediu

Semnalele sunt eliminate din faze prin rezistențe cu limitare de curent și combinate, se obține următoarea imagine:

Datorită PWM, tensiunea punctului de mijloc nu este constantă, semnalul trebuie, de asemenea, filtrat. Tensiunea punctului de mijloc după netezire va fi suficient de mare (în regiunea tensiunii de alimentare a motorului), trebuie împărțită la un divizor de tensiune la valoarea de jumătate a tensiunii de alimentare.
motor fără perii

Motor fără perii

Principiul de funcționare al unui motor trifazat fără perii

Motorul supapei este un motor sincron bazat pe principiul reglării frecvenței cu autosincronizare, a cărui esență este de a controla vectorul câmpului magnetic al statorului în funcție de poziția rotorului. Motoare cu supape (în literatura engleză BLDC sau PMSM) se mai numesc motoare de curent continuu fără perii, deoarece colectorul unui astfel de motor este de obicei alimentat de tensiune constantă.

Descrierea VD

Acest tip de motor este conceput pentru a îmbunătăți proprietățile motoarelor de curent continuu. Cerințe ridicate pentru actuatoare (în special micro-unitățile de mare viteză pentru o poziționare precisă) au condus la utilizarea motoare specifice Curent continuu: fără contact motoare trifazate curent continuu (BDPT sau BLDC). Structural, ele seamănă motoare sincrone curent alternativ: rotorul magnetic se rotește într-un stator laminat cu înfășurări trifazate. Dar RPM este o funcție a sarcinii și a tensiunii statorice. Această funcție se realizează prin comutarea înfășurărilor statorului în funcție de coordonatele rotorului. BDPT-urile sunt disponibile cu senzori separați pe rotor și fără senzori separați. Senzorii Hall sunt folosiți ca senzori separați. Dacă proiectarea este fără senzori separați, atunci înfășurările statorului acționează ca un element de fixare. Când magnetul se rotește, rotorul induce EMF în înfășurările statorului, rezultând un curent. Când o înfășurare este oprită, semnalul care a fost indus în acesta este măsurat și procesat. Acest algoritm necesită un procesor de semnal. Pentru frânarea și inversarea BDPS, nu este nevoie de un circuit de punte inversă de putere - este suficient să aplicați impulsuri de control înfășurărilor statorului în ordine inversă.

Principala diferență între un motor HP și un motor sincron este autosincronizarea acestuia cu ajutorul unui DPR, ca urmare a căruia, într-un HP, frecvența de rotație a câmpului este proporțională cu viteza rotorului.

Stator

Stator motor fără perii

Statorul are un design tradițional și este similar cu statorul unei mașini de inducție. Se compune dintr-un corp, un miez din oțel electric și o înfășurare de cupru așezată în caneluri de-a lungul perimetrului miezului. Numărul de înfășurări determină numărul de faze ale motorului. Pentru auto-pornire și rotație, sunt suficiente două faze - sinus și cosinus. De obicei, HP sunt trifazate, mai rar patrufazate.

Conform metodei de stabilire a virajelor în înfășurările statorice, motoarele se disting printr-o forță electromotivă inversă de formă trapezoidală (BLDC) și sinusoidală (PMSM). Conform metodei de alimentare, curentul electric de fază în tipurile corespunzătoare de motor se schimbă, de asemenea, trapezoidal sau sinusoidal.

Rotor

Rotorul este realizat folosind magneți permanenți și are de obicei două până la opt perechi de poli cu poli alternativi nord și sud.

Inițial, magneții de ferită au fost folosiți pentru a face rotorul. Sunt obișnuite și ieftine, dar nu au forma nivel scăzut inducție magnetică. În prezent, magneții din aliaje de pământuri rare câștigă popularitate, deoarece permit obținerea nivel inalt inducție magnetică și reduce dimensiunea rotorului.

Senzor de poziție a rotorului

Senzorul de poziție a rotorului (RPS) oferă feedback cu privire la poziția rotorului. Funcționarea sa se poate baza pe diferite principii - fotoelectrice, inductive, efect Hall, etc. Cele mai populare sunt senzorii Hall și fotoelectrici, deoarece sunt practic inerțiali și vă permit să scăpați de întârzierea canalului părere după poziția rotorului.

Senzorul fotoelectric, în forma sa clasică, conține trei fotodetectoare fixe, care sunt închise secvențial de un obturator care se rotește sincron cu rotorul. Acest lucru este prezentat în Figura 1 (punct galben). Codul binar obținut din DPR înregistrează șase poziții diferite ale rotorului. Semnalele senzorului sunt convertite de dispozitivul de comandă într-o combinație de tensiuni de control care controlează întrerupătoarele de alimentare, astfel încât în \u200b\u200bfiecare ciclu (fază) de funcționare a motorului, două comutatoare sunt activate și două dintre cele trei înfășurări ale armăturii sunt conectate la rețea în serie. Înfășurări de ancorare U, V, W sunt situate pe stator cu o deplasare de 120 ° și începuturile și capetele lor sunt conectate astfel încât atunci când tastele sunt comutate, se creează un gradient rotativ al câmpurilor magnetice.

Sistem de control HP

Sistemul de control conține comutatoare de alimentare, adesea tiristoare sau tranzistori de putere IGBT. Din acestea se asamblează un invertor de tensiune sau un invertor de curent. Sistemul de control cheie este de obicei implementat folosind un microcontroler, datorită numărului mare de operații de calcul pentru controlul motorului.

Cum funcționează VD

Principiul funcționării HP se bazează pe faptul că controlerul HP comută înfășurările statorului astfel încât vectorul câmpului magnetic al statorului să fie întotdeauna ortogonal față de vectorul câmpului magnetic al rotorului. Folosind modularea lățimii impulsurilor (PWM), controlerul controlează curentul care curge prin înfășurările HP, adică vectorul câmpului magnetic al statorului și, astfel, cuplul care acționează asupra rotorului HP este reglat. Semnul la unghiul dintre vectori determină direcția momentului care acționează asupra rotorului.

Comutarea se face astfel încât fluxul de excitație a rotorului să fie F 0 menținut constant în ceea ce privește fluxul armăturii. Ca rezultat al interacțiunii fluxului armăturii și excitației, se creează un cuplu M, care caută să rotească rotorul astfel încât fluxurile armăturii și excitației să coincidă, dar când rotorul se rotește sub acțiunea DPR, înfășurările sunt comutate și fluxul armăturii se trece la pasul următor.

În acest caz, vectorul curent rezultat va fi deplasat și staționar față de fluxul rotorului, care creează un cuplu pe arborele motorului.

În modul de funcționare a motorului, MDS-ul statorului este înaintea MDS-ului rotorului cu un unghi de 90 °, care este menținut utilizând DPR. În modul de frânare, MDS-ul statorului rămâne în spatele MDS-ului rotorului, unghiul de 90 ° este, de asemenea, menținut utilizând DPR.

Managementul motorului

Controlerul HP reglează cuplul care acționează asupra rotorului modificând valoarea PWM.

Spre deosebire de motor perie curent continuu, comutarea în HP este efectuată și controlată de electronică.

Sistemele de control care implementează algoritmi pentru reglarea lățimii pulsului și modularea lățimii pulsului pentru controlul HP sunt răspândite.

Sistemul care oferă cea mai largă gamă de control al vitezei - pentru motoarele cu control vectorial. Convertorul de frecvență controlează viteza motorului și menține legătura fluxului în mașină la un nivel dat.

O caracteristică a reglării unei acționări electrice cu control vectorial este coordonatele controlate măsurate în sistem staționar coordonatele sunt convertite într-un sistem rotativ, o valoare constantă este alocată din acestea, proporțională cu componentele vectorilor parametrilor controlați, în funcție de care se formează acțiunile de control, apoi tranziția inversă.

Dezavantajul acestor sisteme este complexitatea controlului și dispozitive funcționale pentru o gamă largă de reglare a vitezei.

Avantajele și dezavantajele VD

Recent, acest tip de motor câștigă rapid popularitate, pătrunzând în multe industrii. Este utilizat în diverse domenii de utilizare: de la aparatele de uz casnic la vehiculele feroviare.

VD cu sisteme electronice managementul se combină adesea cele mai bune calități motoare fără contact și motoare de curent continuu.

Avantaje:

• Gama largă de viteze
• Fără contact și fără întreținere - mașină fără perii
• Potrivit pentru utilizare în medii explozive și agresive
• Cuplu mare de suprasarcină
• Performanță energetică ridicată (eficiență peste 90%)

• Durată lungă de viață, fiabilitate ridicată și durată de viață crescută datorită absenței contactelor electrice glisante

Dezavantaje:

• Sistem relativ complex de management al motorului
• Costul motorului ridicat datorită utilizării magneților permanenți scumpi în proiectarea rotorului
• În multe cazuri, este mai rațional să folosiți un motor asincron cu un convertor de frecvență.

Pentru aplicații care combină eficiența maximă realizabilă cu extrem de simplă și blocuri fiabile control (un comutator cu cheie care nu utilizează PWM), se poate evidenția și următoarea caracteristică: În ciuda faptului că rotațiile pot varia foarte mult în funcție de unitatea de control, o eficiență acceptabilă poate fi obținută numai într-un interval relativ restrâns de viteze unghiulare. Acest lucru este determinat de inductanța înfășurărilor. Dacă viteza este sub cea optimă, alimentarea continuă a curentului în această fază, după atingerea limitei de flux magnetic, va duce doar la încălzirea inutilă. La viteze mai mari decât cele optime, fluxul magnetic din pol nu va atinge maximul datorită timpului de creștere a curentului limitat de inductanță. Exemple de astfel de motoare sunt kiturile model fără perii. Acestea trebuie să fie eficiente, ușoare și fiabile și pentru a se asigura optim viteză unghiulară la o anumită caracteristică de încărcare, producătorii produc linii de model cu inductanțe diferite (număr de ture) înfășurări. În același timp, un număr mai mic de ture corespunde unui motor mai rapid.

Vezi si

Link-uri

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Controlul unui motor DC fără perii cu două faze fără senzori
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4 Motoare ventilate
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm Despre motorul fără perii și utilizare motor pas cu pas ca un brushless

Motoare fără perii

Motoarele electrice fără perii (fără perii) au intrat în modelare relativ recent, în ultimii 5-7 ani. Spre deosebire de motoarele colectoare, acestea sunt alimentate de curent alternativ trifazat. Motoarele fără perii funcționează eficient pe o gamă mai mare de rpm și sunt mai eficiente. În același timp, designul motorului este mai simplu, nu există ansamblu perie și nu este nevoie întreținere... Putem spune că motoarele fără perii practic nu se uzează. Costul motoarelor fără perii este puțin mai mare decât cele cu perii. Acest lucru se datorează faptului că toate motoarele fără perii sunt echipate cu rulmenți și, de regulă, sunt de o calitate mai bună. Deși, diferența de preț dintre un motor bun periat și un motor fără perii din aceeași clasă nu este atât de mare.

Prin proiectare, motoarele fără perii sunt împărțite în două grupuri: inrunner (pronunțat "inrunner") și outrunner (pronunțat "outrunner"). Motoarele primului grup au înfășurări situate de-a lungul suprafeței interioare a carcasei și un rotor magnetic care se rotește în interior. Motoarele celui de-al doilea grup - "outrunners", au înfășurări staționare, în interiorul motorului, în jurul căruia corpul se rotește cu plasat pe peretele său interior magneți permanenți... Numărul de poli ai magneților utilizați la motoarele fără perii poate varia. După numărul de poli, puteți evalua cuplul și viteza motorului. Motoarele cu rotoare bipolare au viteza cea mai mare rotație la cel mai mic cuplu. Prin proiectare, aceste motoare pot fi doar „interioare”. Aceste motoare sunt adesea vândute deja montate pe ele. cutii de viteze planetare, deoarece rotațiile lor sunt prea mari pentru rotația directă a elicei. Uneori, astfel de motoare sunt utilizate fără cutie de viteze - de exemplu, sunt puse pe modele de avioane de curse. Motoarele cu mai mulți poli au viteză de rotație mai mică, dar cuplu mai mare. Aceste motoare permit utilizarea elicelor cu diametru mare fără a fi nevoie de cutii de viteze. În general, elicele cu diametru mare, cu pas redus, la turații relativ mici, oferă o forță mare de tracțiune, dar spuneți modelului viteza mica, în timp ce elicele cu diametru mic, cu un pas mare pe turații mari asigură viteză mare cu tracțiune relativ redusă. Astfel, motoarele multi-poli sunt ideale pentru modelele care au nevoie de un raport mare forță-greutate, iar bipolar fără cutie de viteze sunt ideale pentru modelele de mare viteză. Pentru o selecție mai precisă a motorului și a elicei către anumit model, poți să folosești program special MotoCalc.

Deoarece motoarele fără perii sunt alimentate cu curent alternativ, pentru funcționare au nevoie de un controler (regulator) special care să convertească curentul continuu de la baterii în curent alternativ. Regulatoarele pentru motoarele fără perii sunt dispozitive programabile care vă permit să controlați totul din viața dumneavoastră. parametrii importanți motor. Acestea permit nu numai schimbarea vitezei și direcției motorului, ci și asigurarea, în funcție de necesitate, netedă sau început ascuțit, limitarea curentului maxim, funcția „frână” și o serie de alte reglaje fine ale motorului pentru nevoile modelatorului. Pentru a programa regulatorul, dispozitivele sunt folosite pentru a-l conecta la un computer sau în condiții de teren acest lucru se poate face folosind un transmițător și un jumper special.

Există o mulțime de producători de motoare și regulatoare fără perii pentru acestea. De asemenea, motoarele fără perii variază foarte mult în ceea ce privește designul și dimensiunea. În plus, auto-producție Motoarele fără perii bazate pe piese de pe unitățile de CD și alte motoare industriale fără perii au devenit destul de frecvente în ultimii ani. Poate din acest motiv, motoarele fără perii de astăzi nu au nici măcar o astfel de aproximare clasificare generala ca frații colecționari. Să rezumăm pe scurt. Astăzi, motoarele periate sunt utilizate în principal pe modele de hobby ieftine sau modele sportive nivel de intrare... Aceste motoare sunt ieftine, ușor de operat și sunt cel mai comun tip de motor electric. Acestea sunt înlocuite de motoare fără perii. Singurul factor limitativ este încă prețul acestora. Împreună cu regulatorul motor fără perii costă cu 30-70% mai mult. Cu toate acestea, prețurile pentru electronice și motoare sunt în scădere și este doar o chestiune de timp înainte de deplasarea treptată a motoarelor colectoare din industria modelării.

AVR492: Controlul unui motor DC fără perii cu AT90PWM3

Trăsături distinctive:

• Informații generale despre motorul BLDC
• Folosește un controler de putere
• Implementare hardware
• Exemplu de cod de program

Introducere

Această notă de aplicație descrie cum să implementați un controler de motor DC fără perii (motor BLDC) utilizând senzori de poziție pe baza microcontrolerului AT90PWM3 AVR.

Miezul de microcontroler AVR de înaltă performanță, care conține controlerul de putere, permite implementarea unui dispozitiv de control al motorului DC fără perii de mare viteză.

Acest document oferă o scurtă descriere a funcționării unui motor DC fără perii și detaliază controlul motorului BLDC în modul tactil, precum și o descriere. diagramă schematică designul de referință pentru ATAVRMC100 pe care se bazează această notă de aplicație.

Este de asemenea discutată o implementare software cu o buclă de control implementată software bazată pe un controler PID. Pentru a controla procesul de comutare, se presupune că sunt folosiți numai senzori de poziție bazați pe efectul Hall.

Principiul de funcționare

Domeniile de aplicare ale motoarelor BLDC sunt în continuă creștere, ceea ce este asociat cu o serie de avantaje ale acestora:

1. Absența unui ansamblu colector, care simplifică sau chiar elimină întreținerea.
2. Generează un nivel mai redus de zgomot acustic și electric în comparație cu motoarele universale cu curent continuu.
3. Capacitatea de a lucra în medii periculoase (cu produse inflamabile).
4. Raport bun dintre greutate și dimensiuni, caracteristici și putere ...

Motoarele de acest tip se caracterizează printr-o inerție redusă a rotorului, deoarece înfășurările sunt situate pe stator. Comutarea este controlată electronic. Momentele de comutare sunt determinate fie de informații de la senzorii de poziție, fie de măsurarea emf din spate generată de înfășurări.

Când este controlat cu ajutorul senzorilor, motorul BLDC constă de obicei din trei părți principale: stator, rotorul și senzorii Hall.

Statorul unui motor clasic trifazat BLDC conține trei înfășurări. În multe motoare, înfășurările sunt împărțite în mai multe secțiuni pentru a reduce ondularea cuplului.

Figura 1 prezintă schema circuitului echivalent stator. Se compune din trei înfășurări, fiecare dintre acestea conținând trei elemente conectate în serie: inductanță, rezistență și emf invers.

Rotorul motorului BLDC constă dintr-un număr par de magneți permanenți. Numărul de poli magnetici din rotor influențează, de asemenea, dimensiunea pasului și ondularea cuplului. Decât cantitate mare stâlpi, dimensiuni mai mici treaptă de rotație și mai puțină cuplare. Pot fi folosiți magneți permanenți cu perechi de 1..5 poli. În unele cazuri, numărul de perechi de poli crește la 8 (Figura 2).

Înfășurările sunt staționare și magnetul se rotește. Rotorul BLDC se caracterizează printr-o greutate mai mică în raport cu rotorul convențional motor universal curent continuu, în care înfășurările sunt situate pe rotor.

Senzor Hall

Trei senzori Hall sunt încorporați în carcasa motorului pentru a evalua poziția rotorului. Senzorii sunt instalați la un unghi de 120 ° unul față de celălalt. Cu acești senzori este posibil să se efectueze 6 comutări diferite.

Comutarea fazelor depinde de starea senzorilor Hall.

Alimentarea cu tensiuni de alimentare a înfășurărilor se schimbă după schimbarea stărilor de ieșire ale senzorilor Hall. Cand executarea corectă la comutarea sincronizată, cuplul rămâne aproximativ constant și ridicat.

Comutare de fază

Pentru a simplifica descrierea funcționării unui motor trifazat BLDC, luați în considerare doar versiunea sa cu trei înfășurări. Așa cum s-a arătat mai devreme, comutarea fazelor depinde de valorile de ieșire ale senzorilor Hall. Cu alimentarea corectă a tensiunii înfășurărilor motorului, se creează un câmp magnetic și se inițiază rotația. Cele mai frecvente și într-un mod simplu Controlul comutării utilizat pentru a controla motorul BLDC este un circuit on-off în care înfășurarea este fie conductivă, fie nu. Doar două înfășurări pot fi alimentate simultan, în timp ce al treilea rămâne oprit. Conectarea înfășurărilor la șinele electrice determină scurgeri curent electric. Aceasta metoda numită comutare trapezoidală sau comutare bloc.

Pentru a controla motorul BLDC, se folosește o etapă de putere, formată din 3 jumătăți de punte. Diagrama etapei de putere este prezentată în Figura 4.

Conform valorilor citite ale senzorilor Hall, se determină ce taste trebuie închise.

Un motor DC fără perii are o înfășurare trifazată pe stator și un magnet permanent pe rotor. Un câmp magnetic rotativ este creat de înfășurarea statorului, în interacțiune cu care rotorul magnetic începe să se miște. Pentru a crea un câmp magnetic rotativ, se aplică un sistem de tensiune trifazat înfășurării statorului, care poate avea o formă diferită și este format căi diferite... Formarea tensiunilor de alimentare (comutarea înfășurărilor) pentru un motor continuu fără perii este realizată de unități electronice specializate - un controler de motor.

Comandați un motor fără perii în catalogul nostru

În cel mai simplu caz, înfășurările sunt conectate în perechi la o sursă de tensiune constantă și, pe măsură ce rotorul se rotește în direcția vectorului câmpului magnetic al înfășurării statorului, tensiunea este conectată la o altă pereche de înfășurări. În acest caz, vectorul câmpului magnetic al statorului ia o poziție diferită și rotația rotorului continuă. Pentru determinare momentul potrivit conectând următoarele înfășurări, este utilizat un senzor de poziție a rotorului, mai des decât alții sunt utilizați senzori Hall.

Variante posibile și cazuri speciale

Motoarele fără perii disponibile astăzi vin într-o varietate de modele.

Prin executare înfășurarea statorului Este posibil să se distingă motoarele cu o înfășurare clasică pe o miez de oțel și motoarele cu o înfășurare cilindrică goală fără miez de oțel. O înfășurare clasică are o inductanță mult mai mare decât o înfășurare cilindrică goală și, în consecință, o constantă de timp mai lungă. Din această cauză, pe de o parte, înfășurarea cilindrică goală permite o schimbare mai dinamică a curentului (și, în consecință, a cuplului), pe de altă parte, atunci când funcționează de la un controler de motor care utilizează modulație PWM de joasă frecvență pentru a netezi valurile de curent, sunt necesare șocuri de filtrare de o valoare mai mare (și, în consecință, mai mare). În plus, o înfășurare clasică are, de regulă, un cuplu magnetic de strângere sensibil mai mare, precum și un randament mai mic decât o înfășurare cilindrică goală.

O altă diferență prin care sunt împărțiți diferite modele motoare - aceasta este poziția relativă a rotorului și statorului - există motoare rotor interne și motoare cu rotor extern... Motoarele rotorului interior au, în general, viteze mai mari și un moment de inerție al rotorului mai mic decât modelele rotorului extern. Ca urmare, motoarele rotorului intern au o dinamică mai mare. Motoarele cu rotor extern au adesea un cuplu ușor mai mare pentru același diametru exterior al motorului.

Diferențe față de alte tipuri de motoare

Diferențe față de colectorul DCT. Plasarea înfășurării pe rotor a făcut posibilă abandonarea periilor și a colectorului și astfel scăparea de dispozitivul mobil contact electric, ceea ce reduce semnificativ fiabilitatea DCT cu magneți permanenți. Din același motiv, viteza motoarelor fără perii, de regulă, este mult mai mare decât cea a motoarelor de curent continuu cu magneți permanenți. Pe de o parte, acest lucru vă permite să creșteți putere specifică motorul fără perii, pe de altă parte, nu pentru toate aplicațiile viteza mare este cu adevărat necesar

Diferențe față de motoarele sincrone cu magnet permanent. Motoarele sincrone cu magnet permanent pe un rotor sunt foarte asemănătoare cu motoarele de curent continuu fără perii în proiectare, dar există o serie de diferențe. În primul rând, termenul motor sincron combină multe tipuri diferite motoarele, dintre care unele sunt proiectate să funcționeze direct pe o rețea de curent alternativă standard, altele (de exemplu servomotoare sincrone) pot fi acționate numai de la convertoare de frecvență (controlere de motor). Motoarele fără perii, deși au o înfășurare trifazată pe stator, nu permit munca directa de la tensiunea de rețea și necesită în mod necesar prezența unui controler adecvat. În plus, motoarele sincrone presupun o alimentare cu tensiune sinusoidală, în timp ce motoarele fără perii permit o alimentare cu tensiune alternativă în formă de pas (comutare bloc) și chiar își asumă utilizarea în condiții nominale de funcționare.

Când este nevoie de un motor fără perii?

Răspunsul la această întrebare este destul de simplu - în cazurile în care are un avantaj față de alte tipuri de motoare. De exemplu, este aproape imposibil să se facă fără un motor fără perii în aplicațiile care necesită viteze mari rotație: peste 10.000 rpm. Utilizarea motoarelor fără perii este justificată și în cazurile în care este necesară o durată lungă de viață a motorului. În cazurile în care este necesară utilizarea unui ansamblu dintr-un motor cu cutie de viteze, utilizarea motoarelor fără perii cu viteză redusă (cu un număr mare de poli) este cu siguranță justificată. Motoarele fără perii de mare viteză în acest caz vor avea o viteză mai mare decât limita viteza admisibilă din acest motiv nu va fi posibil să folosim întreaga lor putere. Pentru aplicațiile în care este necesară cea mai simplă comandă a motorului (fără utilizarea unui controler de motor), un motor DC periat este alegerea firească.

Pe de altă parte, în condiții temperatură ridicată sau se manifestă radiații crescute slăbiciune motoare fără perii - senzori Hall. Modelele standard ale traductoarelor cu efect Hall au o rezistență la radiații limitată și un interval de temperatură de funcționare. Dacă într-o astfel de aplicație este încă necesară utilizarea unui motor fără perii, atunci versiunile personalizate cu înlocuirea senzorilor Hall cu mai rezistente la acești factori devin inevitabile, ceea ce crește prețul motorului și timpul de livrare.