Опубліковано 11.04.2014
Схема регулятора
Схема условно разделена на две части: левая – микроконтроллер с логикой, правая – силовая часть. Силовую часть можно модифицировать для работы с двигателями другой мощности или с другим питающим напряжением.
Контроллер – ATMEGA168 . Гурманы могут сказать, что хватило бы и ATMEGA88 , а AT90PWM3 – это было бы “вааще по феншую”. Первый регулятор я как раз делал “по феншую”. Если у Вас есть возможность применять AT90PWM3 – это будет наиболее подходящий выбор. Но для моих задумок решительно не хватало 8 килобайт памяти. Поэтому я применил микроконтроллер ATMEGA168 .
Эта схема задумывалась как испытательный стенд. На котором предполагалось создать универсальный настраиваемый регулятор для работы с различными “калибрами” бесколлекторных двигателей: как с датчиками, так и без датчиков положения. В этой статье я опишу схему и принцип работы прошивки регулятора для управления бесколлекторными двигателями с датчиками Холла и без датчиков.
Питание
Питание схемы раздельное. Поскольку драйверы ключей требуют питание от 10В до 20В, используется питание 12В. Питание микроконтроллера осуществляется через DC-DC преобразователь, собранный на микросхеме . Можете применять линейный стабилизатор с выходным напряжением 5В. Предполагается, что напряжение VD может быть от 12В и выше и ограничивается возможностями драйвера ключей и самими ключами.
ШИМ и сигналы для ключей
На выходе OC0B(PD5) микроконтроллера U1 генерируется ШИМ сигнал. Он поступает на переключатели JP2 , JP3 . Этими переключателями можно выбрать вариант подачи ШИМ на ключи (на верхние, нижние или на все ключи). На схеме переключатель JP2 установлен в положение для подачи ШИМ сигнала на верхние ключи. Переключатель JP3 на схеме установлен в положение для отключения подачи ШИМ сигнала на нижние ключи. Не трудно догадаться, что если отключить ШИМ на верхних и нижних ключах, мы получим на выходе перманентный “полный вперед”, что может разорвать двигатель или регулятор в хлам. Поэтому, не забываем включать голову, переключая их. Если Вам не потребуется такие эксперименты – и Вы знаете, на какие ключи Вы будите подавать ШИМ, а на какие нет, просто не делайте переключателей. После переключателей ШИМ сигнал поступает на входы элементы логики “&” (U2 , U3 ). На эту же логику поступают 6 сигналов с выводов микроконтроллера PB0..PB5 , которые являются управляющими сигналами для 6 ключей. Таким образом, логические элементы (U2 , U3 ) накладывают ШИМ сигнал на управляющие сигналы. Если Вы уверены, что будете подавать ШИМ, скажем, только на нижние ключи, тогда ненужные элементы (U2 ) можно исключить из схемы, а соответствующие сигналы с микроконтроллера подавать на драйверы ключей. Т.е. на драйверы верхних ключей сигналы пойдут напрямую с микроконтроллера, а на нижние – через логические элементы.
Обратная связь (контроль напряжения фаз двигателя)
Напряжение фаз двигателя W ,V ,U через резистивные делители W – (R17,R25) , V – (R18, R24) , U – (R19, R23) поступают на входа контроллера ADC0(PC0) , ADC1(PC1) , ADC2(PC2) . Эти выводы используются как входы компараторов. (В примере описанном в AVR444.pdf от компании Atmel применяют не компараторы, а измерение напряжения с помощью ADC (АЦП). Я отказался от этого метода, поскольку время преобразования ADC не позволяло управлять скоростными двигателями). Резистивные делители выбираются таким образом, чтобы напряжение, подаваемое на вход микроконтроллера, не превышало допустимое. В данном случае, резисторами 10К и 5К делится на 3. Т.е. При питании двигателя 12В. на микроконтроллер будет подаваться 12В*5К/(10К+5К) = 4В . Опорное напряжение для компаратора (вход AIN1 ) подается от половинного напряжения питания двигателя через делитель (R5 , R6 , R7 , R8 ). Обратите внимание, резисторы (R5 , R6 ) по номиналу такие же, как и (R17,R25 ), (R18, R24 ),(R19, R23 ). Далее напряжение уменьшается вдвое делителем R7, R8 , после чего поступает на ногу AIN1 внутреннего компаратора микроконтроллера. Переключатель JP1 позволяет переключить опорное напряжение на напряжение “средней точки” формируемое резисторами (R20, R21, R22 ). Это делалось для экспериментов и себя не оправдало. Если нет в необходимости, JP1, R20, R21, R22 можно исключить из схемы.
Датчики Холла
Поскольку регулятор универсальный, он должен принимать сигналы от датчиков Холла в том случае, если используется двигатель с датчиками. Предполагается, что датчики Холла дискретные, тип SS41 . Допускается применение и других типов датчиков с дискретным выходом. Сигналы от трех датчиков поступают через резисторы R11, R12, R13 на переключатели JP4, JP5, JP6 . Резисторы R16, R15, R14 выступают в качестве подтягивающих резисторов. C7, С8, С9 – фильтрующие конденсаторы. Переключателями JP4, JP5, JP6 выбирается тип обратной связи с двигателем. Кроме изменения положения переключателей в программных настройках регулятора следует указать соответствующий тип двигателя (Sensorless или Sensored ).
Измерения аналоговых сигналов
На вход ADC5(PC5) через делитель R5, R6 подается напряжения питания двигателя. Это напряжение контролируется микроконтроллером.
На вход ADC3(PC3) поступает аналоговый сигнал от датчика тока. Датчик тока ACS756SA . Это датчик тока на основе эффекта Холла. Преимущество этого датчика в том, что он не использует шунт, а значит, имеет внутреннее сопротивление близкое к нулю, поэтому на нем не происходит тепловыделения. Кроме того, выход датчика аналоговый в пределах 5В, поэтому без каких-либо преобразований подается на вход АЦП микроконтроллера, что упрощает схему. Если потребуется датчик с большим диапазоном измерения тока, Вы просто заменяете существующий датчик новым, абсолютно не изменяя схему.
Если Вам хочется использовать шунт с последующей схемой усиления, согласования – пожалуйста.
Задающие сигналы
Сигнал, задающий обороты двигателя, с потенциометра RV1 поступает на вход ADC4(PC4) . Обратите внимание на резистор R9 – он шунтирует сигнал в случае обрыва провода к потенциометру.
Кроме того, есть вход RC сигнала, который повсеместно используется в дистанционно управляемых моделях. Выбор управляющего входа и его калибровка выполняется в программных настройках регулятора.
UART интерфейс
Сигналы TX, RX используются для настройки регулятора и выдачи информации о состоянии регулятора – обороты двигателя, ток, напряжение питания и т.п. Для настройки регулятора его можно подключить к USB порту компьютера, используя . Настройка выполняется через любую программу терминала. Например: Hyperterminal или Putty .
Прочее
Также имеются контакты реверса – вывод микроконтроллера PD3 . Если замкнуть эти контакты перед стартом двигателя, двигатель будет вращаться в обратном направлении.
Светодиод, сигнализирующий о состоянии регулятора, подключен к выводу PD4 .
Силовая часть
Драйвера ключей использовались IR2101 . У этого драйвера одно преимущество – низкая цена. Для слаботочных систем подойдет, для мощных ключей IR2101 будет слабоват. Один драйвер управляет двумя “N” канальными MOSFET транзисторами (верхним и нижним). Нам понадобиться три таких микросхемы.
Ключи нужно выбирать в зависимости от максимального тока и напряжения питания двигателя (выбору ключей и драйверов будет посвящена отдельная статья). На схеме обозначены IR540 , в реальности использовались K3069 . K3069 рассчитаны на напряжение 60В и ток 75А. Это явный перебор, но мне они достались даром в большом количестве (желаю и Вам такого счастья).
Конденсатор С19 включается параллельно питающей батареи. Чем больше его емкость – тем лучше. Этот конденсатор защищает батарею от бросков тока и ключи от значительной просадки напряжения. При отсутствии этого конденсатора Вам обеспечены как минимум проблемы с ключами. Если подключать батарею сразу к VD – может проскакивать искра. Искрогасящий резистор R32 используется в момент подключения к питающей батарее. Сразу подключаем “– ” батареи, затем подаем “+ ” на контакт Antispark . Ток течет через резистор и плавно заряжает конденсатор С19 . Через несколько секунд, подключаем контакт батареи к VD . При питании 12В можно Antispark не делать.
Возможности прошивки
- возможность управлять двигателями с датчиками и без;
- для бездатчикового двигателя три вида старта: без определения первоначального положения; с определением первоначального положения; комбинированный;
- настройка угла опережения фазы для бездатчикового двигателя с шагом 1 градус;
- возможность использовать один из двух задающих входов: 1-аналоговый, 2-RC;
- калибровка входных сигналов;
- реверс двигателя;
- настройка регулятора по порту UART и получение данных от регулятора во время работы (обороты, ток, напряжение батареи);
- частота ШИМ 16, 32 КГц.
- настройка уровня ШИМ сигнала для старта двигателя;
- контроль напряжения батарей. Два порога: ограничение и отсечка. При снижении напряжения батареи до порога ограничения обороты двигателя понижаются. При снижении ниже порога отсечки происходит полная остановка;
- контроль тока двигателя. Два порога: ограничение и отсечка;
- настраиваемый демпфер задающего сигнала;
- настройка Dead time для ключей
Работа регулятора
Включение
Напряжение питания регулятора и двигателя раздельное, поэтому может возникнуть вопрос: в какой последовательности подавать напряжение. Я рекомендую подавать напряжение на схему регулятора. А затем подключать напряжение питания двигателя. Хотя при другой последовательности проблем не возникало. Соответственно, при одновременной подаче напряжения также проблем не возникало.
После включения двигатель издает 1 короткий сигнал (если звук не отключен), включается и постоянно светится светодиод. Регулятор готов к работе.
Для запуска двигателя следует увеличивать величину задающего сигнала. В случае использования задающего потенциометра, запуск двигателя начнется при достижении задающего напряжения уровня примерно 0.14 В. При необходимости можно выполнить калибровку входного сигнала, что позволяет использовать раные диапазоны управляющих напряжений. По умолчанию настроен демпфер задающего сигнала. При резком скачке задающего сигнала обороты двигателя будут расти плавно. Демпфер имеет несимметричную характеристику. Сброс оборотов происходит без задержки. При необходимости демпфер можно настроить или вовсе отключить.
Запуск
Запуск бездатчикового двигателя выполняется с установленным в настройках уровнем стартового напряжения. В момент старта положение ручки газа роли значения не имеет. При неудачной попытке старта попытка запуска повторяется, пока двигатель не начнет нормально вращаться. Если двигатель не может запуститься в течение 2-3 секунд попытки следует прекратить, убрать газ и перейти к настройке регулятора.
При опрокидывании двигателя или механическом заклинивании ротора срабатывает защита, и регулятор пытается перезапустить двигатель.
Запуск двигателя с датчиками Холла также выполняется с применением настроек для старта двигателя. Т.е. если для запуска двигателя с датчиками дать полный газ, то регулятор подаст напряжение, которое указано в настройках для старта. И только после того, как двигатель начнет вращаться, будет подано полное напряжение. Это несколько нестандартно для двигателя с датчиками, поскольку такие двигатели в основном применяются как тяговые, а в данном случае достичь максимального крутящего момента на старте, возможно, будет сложно. Тем не менее, в данном регуляторе присутствует такая особенность, которая защищает двигатель и регулятор от выхода со строя при механическом заклинивании двигателя.
Во время работы регулятор выдает данные об оборотах двигателя, токе, напряжении батарей через порт UART в формате:
E:минимальное напряжение батареи: максимальное напряжение батареи: максимальный ток: обороты двигателя (об/мин) A:текущее напряжение батареи: текущий ток: текущие обороты двигателя (об/мин)
Данные выдаются с периодичностью примерно 1 секунда. Скорость передачи по порту 9600.
Настройка регулятора
Для настройки регулятора его следует подключить к компьютеру с помощью . Скорость передачи по порту 9600.
Переход регулятора в режим настройки происходит при включении регулятора, когда задающий сигнал потенциометра больше нуля. Т.е. Для перевода регулятора в режим настройки следует повернуть ручку задающего потенциометра, после чего включить регулятор. В терминале появится приглашение в виде символа “> “. После чего можно вводить команды.
Регулятор воспринимает следующие команды (в разных версиях прошивки набор настроек и команд может отличаться):
h
– вывод списка команд;
?
– вывод настроек;
c
– калибровка задающего сигнала;
d
– сброс настроек к заводским настройкам.
команда “? ” выводит в терминал список всех доступных настроек и их значение. Например:
Motor.type=0 motor.magnets=12 motor.angle=7 motor.start.type=0 motor.start.time=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 voltage.limit=128 voltage.cutoff=120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1
Изменить нужную настройку можно командой следующего формата:
<настройка>=<значение>
Например:
pwm.start=15
Если команда была дана корректно, настройка будет применена и сохранена. Проверить текущие настройки после их изменения можно командой “? “.
Измерения аналоговых сигналов (напряжение, ток) выполняются с помощью АЦП микроконтроллера. АЦП работает в 8-ми битном режиме. Точность измерения занижена намеренно для обеспечения приемлемой скорости преобразования аналогового сигнала. Соответственно, все аналоговые величины регулятор выдает в виде 8-ми битного числа, т.е. от 0 до 255.
Назначение настроек:
Список настроек, их описание:
| Параметр | Описание | Значение |
|---|---|---|
| motor.type | Тип мотора | 0-Sensorless; 1-Sensored |
| motor.magnets | Кол.во магнитов в роторе двигателя. Изпользуется только для расчета оборотов двигателя. | 0..255, шт. |
| motor.angle | Угол опережения фазы. Используется только для Sensorless двигателей. | 0..30, градусов |
| motor.start.type | Тип старта. Используется только для Sensorless двигателей. | 0-без определения положения ротора; 1-с определением положения ротора; 2-комбинированный; |
| motor.start.time | Время старта. | 0..255, мс |
| pwm | Частота PWM | 16, 32, КГц |
| pwm.start | Значение PWM (%) для старта двигателя. | 0..50 % |
| pwm.min | Значение минимального значения PWM (%), при котором двигатель вращается. | 0..30 % |
| voltage.limit | Напряжение батареи, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC. | 0..255* |
| voltage.cutoff | Напряжение батареи, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC. | 0..255* |
| current.limit | Ток, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC. | 0..255** |
| current.cutoff | Ток, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC. | 0..255** |
| system.sound | Включить/выключить звуковой сигнал, издаваемый двигателем | 0-выключен; 1-включен; |
| system.input | Задающий сигнал | 0-потенциометр; 1-RC сигнал; |
| system.damper | Демпфирование входного сигнала | 0..255, условные единицы |
| system.deadtime | Значение Dead Time для ключей в микросекундах | 0..2, мкс |
* – числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя.
Рассчитывается по формуле: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5
Где: U
– напряжение в Вольтах; R5, R6
– сопротивление резисторов делителя в Омах.
Бесколлекторные двигатели на сегодняшний день являются довольно распространенными. Применяются данные устройства чаще всего с электроприводами. Также их можно встретить на различном холодильном оборудовании. В промышленной сфере они задействованы в системах нагрева.
Дополнительно бесколлекторные модификации устанавливаются в обычные вентиляторы для кондиционирования воздуха. В наше время на рынке представлено множество моделей с датчиками и без них. При этом по типу регуляторов модификации довольно сильно отличаются. Однако чтобы разобраться в данном вопросе более подробно, необходимо изучить устройство простого двигателя.
Устройство бесколлекторной модели
Если рассматривать обычный трехфазный бесколлекторный двигатель, то катушка индуктивности у него устанавливается медного типа. Статоры используются как широтные, так и импульсные. Зубцы у них применяются разного размера. Как говорилось ранее, существуют модели с датчиками, а также без них.
Для фиксации статора используются колодки. Непосредственно процесс индукции происходит за счет обмотки статора. Роторы чаше всего применяются двухполюсного типа. Сердечники у них устанавливаются стальные. Для закрепления магнитов на моделях имеются специальные пазы. Непосредственно управление бесколлекторным двигателем происходит при помощи регуляторов, которые располагаются у статора. Для подачи напряжения на внешнюю обмотку в устройствах устанавливаются изолирующие затворы.
Двухразрядные модели
Безколлекторные эл. двигатели данного типа часто используются в морозильном оборудовании. При этом компрессоры для них подходят самые разнообразные. В среднем мощность модели способна достигать 3 кВт. Схема бесколлекторного двигателя катушки чаще всего включает двойного типа с медной обмоткой. Статоры устанавливаются только импульсные. В зависимости от производителя длина зубцов может меняться. Датчики используются как электрического, так и индуктивного типа. Для систем нагрева указанные модификации походят плохо.
Также следует учитывать, что сердечники в бесколлекторных двигателях встречаются в основном стальные. При этом пазы для магнитов используются довольно широкие, а расположены они очень близко друг к другу. За счет этого частотность у устройств может быть высокой. Регуляторы для таких модификаций подбираются чаще всего одноканального типа.
Трехразрядные модификации
Трехразрядный бесколлекторный двигатель отлично подходит для систем вентилирования. Датчики у него используются, как правило, электрического типа. При этом катушки устанавливаются довольно широкие. За счет этого процесс индукции осуществляется быстро. В данном случае частотность устройства зависит от статора. Обмотка у него чаще всего встречается медного типа.
Предельное напряжение трехразрядные бесколлекторные двигатели способны выдерживать на уровне 20 В. Тиристорные модификации в наше время встречаются довольно редко. Также следует отметить, что магниты в таких конфигурациях могут устанавливаться как на внешней, так и на внутренней стороне роторной пластины.
Четырехразрядные модификации своими руками
Сделать четырехразрядный бесколлекторный двигатель своими руками можно абсолютно просто. Для этого необходимо в первую очередь заготовить пластину с пазами. Толщина металла в данном случае должна составлять примерно 2.3 мм. Пазы в этой ситуации обязаны находиться на расстоянии в 1.2 см. Если рассматривать простую модель, то катушку следует подбирать диаметром в 3.3 см. При этом пороговое напряжение она обязана выдерживать на уровне 20 В.
Колодки для устройства чаще всего подбираются стальные. В данном случае многое зависит от размеров роторной пластины. Непосредственно статор надо использовать с двойной обмоткой. При этом сердечник важно заготавливать стального типа. Если рассматривать модификации без регуляторов, то закончить сборку бесколлекторного двигателя можно установкой изолирующего затвора. При этом контакты устройства необходимо вывести на внешнюю сторону пластины. Для обычного вентилятора такие бесколлекторные модели подойдут идеально.
Устройства с регулятором АВР2
Бесколлекторный двигатель с регуляторами данного типа на сегодняшний день является весьма востребованным. Подходят указанные системы больше всего для приборов кондиционирования. Также они в промышленной сфере широко используются для холодильного оборудования. Они способны работать с электроприводами различной частотности. Катушки у них чаще всего устанавливаются двойного типа. При этом статоры можно встретить только импульсные. В свою очередь, широтные модификации являются не сильно распространенными.
Датчики в бесколлекторных двигателях с регуляторами данной серии используются только индуктивные. При этом частотность устройства можно отслеживать по системе индикации. Колодки, как правило, устанавливаются контактного типа, и крепиться они могут непосредственно на статорной пластине. Регулятор бесколлекторного двигателя в данном случае позволяет менять частотность довольно плавно. Происходит данный процесс за счет изменения параметра выходного напряжения. В целом эти модификации являются очень компактными.
Двигатели с регуляторами АВР5
Бесколлекторный двигатель с регулятором данной серии часто применяется в промышленной сфере для управления различными электроприборами. В бытовых устройствах он устанавливается довольно редко. Особенностью таких бесколлекторных модификаций можно назвать повышенную частотность. При этом параметр мощности у них менять просто. Катушки в данных модификациях встречаются самые разнообразные. Также следует отметить, что магниты чаще всего устанавливаются на внешней стороне роторной коробки.
Затворы в основном используются изолированного типа. Монтироваться они могут как у статорной коробки, так и сердечника. В целом регулировка устройства происходит довольно быстро. Однако следует учитывать также и недостатки таких систем. В первую очередь они связаны с перебоями питания при низких частотах. Также важно упомянуть, что у моделей данного типа потребление электроэнергии довольно большое. При этом для управления интегральными электроприводами устройства не подходят.
Использование регуляторов АВТ6
Данного типа регулятор скорости бесколлекторного двигателя на сегодняшний день пользуется большим спросом. Отличительной его особенностью можно смело назвать универсальность. Устанавливаются регуляторы, как правило, на бесколлекторные двигатели, мощность которых не превышает 2 кВт. При этом для управления системами вентилирования указанные устройства подходят идеально. Контроллеры в данном случае могут устанавливаться самые разнообразные.
Скорость передачи сигнала в данном случае зависит от типа системы управления. Если рассматривать тиристорные модификации, то они обладают довольно высокой проводимостью. При этом проблемы с магнитными помехами у них возникают редко. Самостоятельно собрать модель данного типа довольно сложно. В этой ситуации затворы чаще всего подбираются неизолированные.
Модели с датчиками Холла
Бесколлекторные двигатели с датчиками Холла широко используются в приборах нагрева. При этом подходят они для электроприводов различного класса. Непосредственно регуляторы используются только одноканальные. Катушки в устройстве устанавливаются медного типа. При этом величина зубцов модели зависит исключительно от производителя. Непосредственно колодки для устройств подбираются контактного типа. На сегодняшний день датчики чаще всего устанавливаются со стороны статора. Однако на рынке представлены также модели с нижним их расположением. В таком случае габариты бесколлекторного двигателя будут немного большими.
Низкочастотные модификации
Низкочастотный бесколлекторный двигатель на сегодняшний день активно используется в промышленной сфере. При этом для морозильных камер он подходит идеально. В среднем параметр полезного действия у него находится на уровне 70%. Затворы у моделей чаще всего используются с изоляторами. При этом тиристорные модификации в наше время встречаются довольно часто.
Системы управления используются серии АВР. При этом частотность модели зависит от типа сердечника и не только. Также следует учитывать, что существуют модели с двойными роторами. В данном случае магниты располагаются вдоль пластины. Статоры чаще всего используются с медной обмоткой. При этом низкочастотные бесколлекторные двигатели с датчиками встречаются очень редко.
Высокочастотные двигатели
Указанные модификации наиболее востребованными считаются для резонансных электроприводов. В промышленности такие модели встречаются довольно часто. Датчики у них устанавливаются как электронного, так индуктивного типа. При этом катушки чаще всего имеются на внешней стороне пластины. Роторы монтируют как в горизонтальном, так и вертикальном положении.
Непосредственно изменение частотности у таких устройств осуществляется через контроллеры. Устанавливаются они, как правило, со сложной контактной системой. Непосредственно стартеры используются только двойного типа. В свою очередь, системы управления зависят от мощности бесколлекторного устройства.
Двигателем постоянного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает постоянный ток. При необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую оськоторых менее 0,5 мм.
Двигателем переменного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает переменный ток . Существуют следующие типы двигателей переменного тока:
Также существует УКД (универсальный коллекторный двигатель) с функцией режима работы как на переменном, так и на постоянном токе.
Ещё один тип двигателей – это шаговый электродвигатель с конечным числом положений ротора . Определённое указанное положение ротора фиксируется при помощи подачи питания на необходимые соответствующие обмотки. При снятии напряжения питания с одной обмотки и его передаче на другие происходит процесс перехода в другое положение.
Двигатель переменного тока при питании посредством промышленной сети обычно не позволяет достичь частоты вращения более трёх тысяч оборотов в минуту . По этой причине при необходимости получить более высокие частоты используется коллекторный двигатель, дополнительными преимуществами которого является лёгкость и компактность при сохранении необходимой мощности.
Иногда также применяют специальный передаточный механизм под названием мультипликатор, который меняет кинематические параметры устройства до требуемых технических показателей. Коллекторные узлы иногда занимают до половины пространства всего двигателя, поэтому электродвигатели переменного тока уменьшают в размере и делают легче в весе путём использования преобразователя частоты, а иногда благодаря наличию сети с повышенной частотой до 400 Гц.
Ресурс любого асинхронного двигателя переменного тока заметно выше коллекторного. Определяется он состоянием изоляции обмоток и подшипников . Синхронный же двигатель при использовании инвертора и датчика положения ротора считается электронным аналогом классического коллекторного двигателя, поддерживающего работу посредством постоянного тока.
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Общие сведения и устройство прибора
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока также называют трёхфазным вентильным двигателем. Он представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основывается на самосинхронизированном частотном регулировании, благодаря чему происходит управление вектором (отталкиваясь от положения ротора) магнитного поля статора.
Контроллеры электродвигателей такого типа зачастую питаются благодаря постоянному напряжению, отчего и получили своё название. В англоязычной технической литературе вентильный электродвигатель называют PMSM или BLDC.
Бесколлекторный электродвигатель был создан в первую очередь для оптимизации любого электродвигателя постоянного тока в целом. К исполнительному механизму такого устройства (особенно к высокооборотному микроприводу с точным позиционированием) ставились очень высокие требования.
Это, пожалуй, и обусловило использование таких специфических приборов постоянного тока, бесколлекторные трёхфазные двигатели, также называемые БДПТ. По своей конструкции они практически идентичны синхронным двигателям переменного тока, где вращение магнитного ротора происходит в обычном шихтованном статоре при наличии трёхфазных обмоток, а количество оборотов зависит напряжения и нагрузок статора. Исходя из определённых координат ротора, происходит переключение разных обмоток статора.
Бесколлекторные двигатели постоянного тока могут существовать без каких-либо отдельных датчиков, однако, иногда они присутствуют на роторе, например, датчик Холла. Если устройство работает без дополнительного датчика, то обмотки статора выполняют функцию фиксирующего элемента
. Тогда ток возникает благодаря вращению магнита, когда в обмотке статора ротор наводит ЭДС.
Если одна из обмоток будет выключена, то будет измеряться и в дальнейшем обрабатываться тот сигнал, который был наведён, однако, такой принцип работы невозможен без профессора обработки сигналов. А вот для реверса или торможения такого электродвигателя мостовая схема не нужна – достаточно будет подачи в обратной последовательности управляющих импульсов на обмотки статора.
В ВД (вентильном двигателе) индуктор в виде постоянного магнита расположен на роторе, а якорная обмотка – на статоре. Исходя из положения ротора, формируется напряжение питания всех обмоток электродвигателя. При использовании в таких конструкциях коллектора, его функцию будет выполнять в вентильном двигателе полупроводниковый коммутатор.
Основное отличие синхронного и вентильного двигателей заключается в самосинхронизации последнего при помощи ДПР, что обусловливает пропорциональную частоту вращения ротора и поля.
Чаще всего бесколлекторный электродвигатель постоянного тока находит применение в следующих сферах:
Статор
Это устройство имеет классическую конструкцию и напоминает такой же прибор асинхронной машины. В состав входит сердечник из медной обмотки (уложенной по периметру в пазы), определяющей количество фаз, и корпус. Обычно синусной и косинусной фаз достаточно для вращения и самозапуска, однако, часто вентильный двигатель создают трёхфазным и даже четырёхфазным.
Электродвигатели с обратной электродвижущей силой по типу укладки витков на обмотке статора делятся на два типа:
- синусоидальной формы;
- трапецеидальной формы.
В соответствующих видах двигателя электрический фазный ток меняется также по способу питания синусоидально или трапецеидально.
Ротор
Обычно ротор изготавливают из постоянных магнитов с количеством пар полюсов от двух до восьми, которые, в свою очередь, чередуются от северного к южному или наоборот.
Самыми распространёнными и дешёвыми для изготовления ротора считаются ферритовые магниты, но их недостатком является низкий уровень магнитной индукции , поэтому на замену такому материалу сейчас приходят приборы, созданные из сплавов различных редкоземельных элементов, поскольку могут предоставить высокий уровень магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер ротора.
ДПР
Датчик положения ротора обеспечивает обратную связь. По принципу работы устройство делится на такие подвиды:
- индуктивный;
- фотоэлектрический;
- датчик с эффектом Холла.
Последний тип получил наибольшую популярность благодаря своим практически абсолютным безынерционным свойствам и способности избавляться по положению ротора от запаздывания в каналах обратной связи.
Система управления
Система управления состоит из силовых ключей, иногда также из тиристоров или силовых транзисторов, включающих изолированный затвор, ведущих к сбору инвертора тока либо инвертора напряжения. Процесс управления этими ключами реализуется чаще всего путём использования микроконтроллера , требующего для управления двигателем огромного количества вычислительных операций.
Принцип работы
Работа двигателя заключается в том, что контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, оказывающий воздействие на ротор. Направление этого действующего момента определяет отметка угла между векторами. При расчётах используются электрические градусы.
Коммутацию следует производить таким образом, чтобы Ф0 (поток возбуждения ротора) поддерживался относительно потока якоря постоянным. При взаимодействии такого возбуждения и потока якоря формируется вращающий момент М, стремящийся развернуть ротор и параллельно обеспечить совпадение возбуждения и потока якоря. Однако во время поворота ротора происходит переключение различных обмоток под воздействием датчика положения ротора, в результате чего поток якоря разворачивается по направлению к следующему шагу.
В такой ситуации результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что, в свою очередь, создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.
Управление двигателем
Контроллер бесколлекторного электродвигателя постоянного тока совершает регулирование действующего на ротор момента, меняя величину широтно-импульсной модуляции. Коммутация при этом контролируется и осуществляется посредством электроники , в отличие от обычного щёточного двигателя постоянного тока. Также распространёнными являются системы управления, которые для рабочего процесса реализуют алгоритмы широтно-импульсной модуляции и широтно-импульсного регулирования.
Двигатели на векторном управлении обеспечивают самый широкий из всех известных диапазонов для регулирования собственной скорости. Регулирование этой скорости, как и поддержание потокосцепления на необходимом уровне, происходит благодаря преобразователю частоты.
Особенностью регулирования электропривода, основанного на векторном управлении, является наличие контролируемых координат. Они находятся в неподвижной системе и преобразуются во вращающуюся , выделяя пропорциональное контролируемым параметрам вектора постоянное значение, благодаря чему формируется управляющее воздействие, а затем обратный переход.
Несмотря на все преимущества такой системы, она сопровождается и недостатком в виде сложности управления устройством для регулирования скорости в широком диапазоне.
Преимущества и недостатки
В наше время во многих отраслях промышленности такой тип двигателя пользуется огромным спросом, ведь бесколлекторный электродвигатель постоянного тока объединил в себе едва ли не все самые лучшие качества бесконтактных и других типов двигателей.
Неоспоримыми преимуществами вентильного двигателя являются:
Несмотря на весомые положительные моменты, в бесколлекторном электродвигателе постоянного тока также есть несколько недостатков:
Исходя из вышеизложенного и неразвитости современной электроники в регионе, многие всё ещё считают целесообразным использование обычного асинхронного двигателя с наличием преобразователя частоты.
Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока
Такой тип двигателя обладает превосходными характеристиками, особенно при совершении управления посредством датчиков положения. Если момент сопротивления варьируется или вовсе неизвестен, а также при необходимости достижения более высокого пускового момента используется управление с датчиком. Если же датчик не используется (как правило, в вентиляторах), управление позволяет обойтись без проводной связи.
Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем без датчика по положению:
Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем с датчиком по положению на примере датчика Холла:
Заключение
Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока имеет массу преимуществ и станет достойным выбором для использования как специалистом, так и простым обывателем.
Данная статья подробно описывает процесс перемотки электрического бесколлекторного мотора в домашних условиях. На первый взгляд этот процесс может показаться трудоемким и долгим, но если разобраться, то одна перемотка двигателя займет не больше часа.
Под перемотку попал двигатель
Материалы
:
- Проволока (0,3 мм)
- Лак
- Термоусадка (2 мм и 5 мм)
Инструменты
:
- Ножницы
- Кусачки
- Паяльник
- Припой и кислота
- Наждачка (надфиль)
- Зажигалка
Шаг 1. Подготовка двигателя и проволоки.
Снимаем с вала двигателя стопорную шайбу и вынимаем статор.
Сматываем старую обмотку со статора. Рекомендую посчитать количество витков на одном зубе. Диаметр старой проволоки можно узнать, намотав 10 витков на карандаш, измерить линейкой ширину этой намотки и разделить на 10.
Внимательно осматриваем зубы статора на наличие потертостей защитной эмали. При необходимости замазываем их лаком (можно даже лаком для ногтей).
Фломастером или маркером для дисков нумеруем зубы статора, чтобы не перепутать и не намотать проволоку не на тот зуб.
В данном случае проволока диаметром 0,3 мм будет мотаться в две жилы по 16 витков на один зуб. Это примерно 50 см сложенной вдвое проволоки на один зуб + 20 см на выводы.
Так как один провод мотается на 4 зуба с двумя выводами, а зубов всего 12, - нам нужно три двойных провода длиной около 2,5 метров. Лучше пусть будет с запасом, чем не хватит пары витков на последний зуб.
Шаг 2. Обматывание зубов статора.
Обматывание будет разделено на три этапа, по количеству проводов. Чтобы не запутываться в выводах проводов, можно отмечать их кусочками изоленты или пластыря с надписями.
Я сознательно не прикладываю отдельные фотографии каждого обмотанного зуба – гораздо больше скажут и покажут цветные схемы.
Провод №1:
Схема намотки
Оставляем около 10 см проволоки для создания вывода (S1).
Наматываем первый провод (на схеме - оранжевый ) на зуб №2 по часовой стрелке. Чем плотнее и ровнее будут витки, тем больше всего витков влезет на зубы статора.
После того, как намотали 16 витков, прокладываем провод к зубу №1 и наматываем против часовой стрелки тоже 16 витков.
№7 и наматываем 16 витков по часовой стрелке.
№8 и наматываем 16 витков против часовой стрелки.
Оставляем 10 см провода для создания вывода (E1), остальное можно отрезать.
Все, первый провод намотан.
Провод №2:
Схема намотки
Оставляем около 10 см проволоки для создания вывода (S2).
Наматываем 16 витков второго провода (на схеме - зеленый ) на зуб №6 по часовой стрелке.
Прокладываем провод к зубу №5 и наматываем 16 витков против часовой стрелки.
Дальше протягиваем провод к зубу №11 и наматываем 16 витков по часовой стрелке.
Затем прокладываем провод к зубу №12 и наматываем 16 витков против часовой стрелки.
Оставляем 10 см провода для создания вывода (E2), остальное отрезаем.
Второй провод намотан.
Провод №3:
Схема намотки
Оставляем около 10 см проволоки для создания вывода (S3).
Наматываем 16 витков второго провода (на схеме - синий ) на зуб №10 по часовой стрелке.
Прокладываем провод к зубу №9 и наматываем 16 витков против часовой стрелки.
Дальше протягиваем провод к зубу №3 и наматываем 16 витков по часовой стрелке.
Затем прокладываем провод к зубу №4 и наматываем 16 витков против часовой стрелки.
Оставляем 10 см провода для создания вывода (E3), остальное отрезаем.
Третий провод намотан.
Шаг 3. Соединение выводов обмотки.
Схема соединения
Вывод S1 и E2 (зубы №2 и №12 ) скручиваем у основания зубов, делая хвостик длиной 5-7 см.
Аналогично скручиваем выводы S2 и E3 (зубы №6 и №4 ), а также выводы S3 и Е1 (зубы №10 и №8 )
Тонкую термоусадку по всей длине и до самого основания натягиваем на выводы. Затем аккуратно нагреваем ее зажигалкой.
Собираем получившиеся три вывода вместе и стягиваем термоусадкой большего диаметра, натянув ее также до самого основания.
Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока (БКДП) был известен очень давно, и бесщёточные моторы всегда были интересной альтернативой традиционным решениям. Несмотря на это, подобные электрические машины лишь в XXI веке нашли широкое применение в технике. Решающим фактором повсеместного внедрения стало многократное снижение стоимости электроники управления приводом БДКП.
Проблемы коллекторных двигателей
На фундаментальном уровне работа любого электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую. Существуют два основных физических явления, лежащих в основе устройства электрических машин:
Двигатель сконструирован таким образом, что магнитные поля, создаваемые на каждом из магнитов, всегда взаимодействуют между собой, придавая ротору вращение. Традиционный электродвигатель постоянного тока состоит из четырёх основных частей:
- статор (неподвижный элемент с кольцом из магнитов);
- якорь (вращающийся элемент с обмотками);
- угольные щётки;
- коллектор.
Такая конструкция предусматривает вращение якоря и коллектора на одном валу относительно неподвижных щёток. Ток проходит от источника через подпружиненные для хорошего контакта щётки на коммутатор, который распределяет электричество между обмотками якоря. Магнитное поле, индуцированное в последних, взаимодействует с магнитами статора, что заставляет статор вращаться.
Главный недостаток традиционного двигателя в том, что механический контакт на щётках невозможно обеспечить без трения. При увеличении скорости проблема проявляет себя сильнее. Коллекторный узел изнашивается со временем и, кроме того, склонен к искрению и способен ионизировать окружающий воздух. Таким образом, несмотря на простоту и дешевизну в изготовлении, подобные электродвигатели обладают некоторыми непреодолимыми недостатками:
- износ щёток;
- электрические помехи в результате искрения;
- ограничения в максимальной скорости;
- сложности с охлаждением вращающегося электромагнита.
Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.
Принцип работы БДКП
В бесколлекторном электродвигателе, в отличие от предшественника, роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП - его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.
Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.
Главный вопрос - точное управление бесколлекторным двигателем, предполагающее правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Эта задача конструктивно разрешима лишь при возможности непрерывного определения текущего положения ротора.
Необходимые данные для обработки электроникой получают двумя способами :
- детектированием абсолютного положения вала;
- измерением напряжения, индуцируемого в обмотках статора.
Для реализации контроля первым способом чаще всего используют либо оптические пары, либо закреплённые неподвижно на статоре датчики Холла, реагирующие на магнитный поток ротора. Главным достоинством подобных систем сбора информации о положении вала является их работоспособность даже при очень низких скоростях и в состоянии покоя.
Бессенсорный контроль для оценки напряжения в катушках требуется хотя бы минимального вращения ротора. Поэтому в таких конструкциях предусмотрен режим запуска двигателя до оборотов, при которых напряжение на обмотках может быть оценено, а состояние покоя тестируется с помощью анализа влияния магнитного поля на тестовые импульсы тока, проходящие через катушки.
Несмотря на все перечисленные конструктивные сложности, бесщёточные двигатели завоёвывают всё большую популярность благодаря своей производительности и недоступному для коллекторных набору характеристик. Краткий перечень основных преимуществ БДКП перед классическими выглядит так:
- отсутствие механических потерь энергии на трении щёток;
- сравнительная бесшумность работы;
- лёгкость ускорения и замедление вращения благодаря малой инерции ротора;
- точность управления вращением;
- возможность организации охлаждения за счёт теплопроводности;
- способность к работе на высоких скоростях;
- долговечность и надёжность.
Современное применение и перспективы
Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств. В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность.
БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.
Можно сказать, что в области электроприводов сейчас наблюдается значительный прогресс. Продолжающееся падение цен на цифровую электронику породило тенденцию на повсеместное применение бесколлекторных двигателей взамен традиционных.
