Шаговый или бесколлекторный двигатель – какой лучше выбрать

Шаговый и бесколлекторный двигатели во многом похожи друг на друга. Рассмотрим их основные особенности, различия и попробуем определить, какой двигатель лучше.

В предыдущем материале – «Двигатели бывают разные», мы предельно кратко рассмотрели основные виды существующих низковольтных синхронных двигателей постоянного тока и сказали несколько слов о принципах их работы. При этом, мы намерено не углублялись в детальное рассмотрение особенностей устройства и принципов работы этих двигателей и, тем более, в сравнение различных типов двигателей с точки зрения их рабочих характеристик и особенностей эксплуатации. Это большая, отдельная и неоднозначная тема для разговора и часть этого вопроса мы попробуем рассмотреть далее.

Вопрос выбора того или иного типа двигателя для решения своей задачи становится причиной непроходящей головной боли для любого разработчика, столкнувшегося с приводными системами. Что выбрать? Дешевый и простой вариант? Мощный и гибкий, но сложный в управлении? Однозначного ответа на этот вопрос нет и, безусловно, не может быть – выбор конкретного типа двигателя и принципа организации системы управления движением теснейшим образом завязан на конкретную решаемую задачу – характер потребного движения, требования к управлению приводом и нагрузкой, допустимость прокладки кабельных соединений и пр. Список вопросов обширен.

Не претендуя ни на полноту, ни на всесторонность сравнения, мы сейчас попробуем разобраться в главном вопросе, терзающем разработчиков устройств разнообразных типов и назначений – так что же лучше – шаговый или бесколлекторный двигатель?

Как мы уже говорили ранее, шаговый и бесколлекторный двигатели во многом похожи друг на друга. Обе конструкции имеют статор, сформированный электрическими обмотками, генерирующими магнитное поле, и ротор, состоящий из постоянных магнитов, катушек с переменным магнитным сопротивлением или смеси первого и второго. В обоих случаях, для работы двигателя, необходимо решать проблему последовательного переключения питания обмоток статора для организации вращения ротора. В обоих случаях эта проблема решается схемотехническими и логическими ухищрениями, а не механическим устройством (щеточно-коллекторным блоком), как в коллекторных двигателях. Однако, на этом сходства двух типов двигателей заканчиваются и начинаются существенные различия.

Итак, давайте разбираться:

Шаговые двигатели

Начнем с того, какие бывают шаговые двигатели. Уже упоминалось, что по принципу организации ротора шаговые двигатели подразделяются на двигатели с ротором на постоянных магнитах (самый похожий на бесколлекторный двигатель тип), двигатели с ротором на катушках с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели – т.е. с ротором, объединяющим первый и второй тип.

Гибридные шаговые двигатели являются наиболее используемым типом этого вида приводов – считается, что гибридная конструкция ротора позволяет объединить наилучшие черты, как двигателей м переменным магнитным сопротивлением, так и двигателей с постоянными магнитами. В частности, гибридные шаговые двигатели позволяют развивать большие скорости работы и крутящие моменты (в сравнении с шаговыми двигателями других типов) и обеспечивать меньший размер единичного шага.

Принцип работы шагового двигателя

Принцип работы шагового двигателя предельно прост. Ротор шагового двигателя конструктивно устроен таким образом, что в нем присутствуют ярко выраженные зубцы магнитного поля. В сочетании с конструкцией статора, состоящего из отдельных пар электромагнитных катушек, как правило намотанных на профилированные сердечники, это, при переключении питания между парами обмоток, обеспечивает четкое перемещение ротора на строго определенный угловой шаг в направление переключения обмоток статора. Одно переключение – один четкий угловой шаг. Все просто.

Таким образом для управления шаговым двигателем нам, в норме, требуются только две командные цепи – «шаг» — цепь по которой передается последовательность импульсов включения обмоток и «направление» — определяющая в каком направлении (по часовой стрелке или против) переключаются пары обмоток и, соответственно, вращается ротор.

Количество шагов на оборот ротора зависит от конструкции двигателя. По сути, чем больше полюсов обмотки статора и магнитных зубцов ротора, тем больше шагов может сделать двигатель за полный оборот и, соответственно, тем меньше шаг. Однако, на практике, существуют фундаментальные ограничения, не позволяющие уменьшать шаг до бесконечности. На данный момент на рынке присутствуют, преимущественно, шаговые двигатели с единичным шагом в пределах от 1.8° до 7.5° — именно в этом диапазоне удается получать наиболее стабильные по качеству и повторяемости технических характеристик изделия.

Преимущества шаговых двигателей

Уже из этого небольшого обзора становятся понятны некоторые преимущества шаговых двигателей – в первую очередь это предсказуемость поведения и простота управления. Да, для шагового двигателя требуется модуль управления, традиционно называемый –драйвер, однако для управления самим драйвером достаточно всего двух командных сигналов – «шаг» и «направление». Кроме того, для определения текущего положения нагрузки, подключенной к ротору, требуется только элементарный счетчик шагов – при постоянстве длины шага (заданном конструкционно), угол поворота определяется тривиальной математической процедурой.

Более того, в общем случае, шаговые двигатели существенно дешевле других типов приводов.

Казалось бы, этот набор преимуществ определяет доминирование шаговых двигателей во всех отраслях промышленности. Тем не менее это не так. Более того, бесколлекторные и моментные двигатели успешно вытесняют шаговые двигатели даже в тех областях производства, где, традиционно, стоимость является одной из ключевых характеристик. Почему?

Недостатки шаговых двигателей

Начнем с того, что в бочке меда простоты и дешевизны шагового двигателя есть существенная ложка дегтя. И связана она, как ни странно, также с ключевой конструктивной особенностью шагового двигателя.

Несложно догадаться, что ярко выраженный зубцовый эффект шагового двигателя – основа его функционирования, приводит к абсолютной невозможности обеспечить плавное вращение ротора шагового двигателя и, соответственно, его нагрузки. Все вращение шагового двигателя – это последовательность единичных шагов, совершаемая с некоторой скоростью. Каждый шаг, это так или иначе, четко различимый рывок ротора, связанный с переключением магнитного зубца ротора из одного квазистабильного состояния, созданного обмотками статора, в другое.

Да, существует режимы микрошагов и разнообразные ухищрения, позволяющие сгладить ход ротора шагового двигателя. Однако, во-первых, исправить ситуацию полностью невозможно (из-за самих конструктивных особенностей), а во-вторых, подобные ухищрения требуют применения уже гораздо более сложной и дорогой электроники управления…

Кроме того, принцип работы шагового двигателя приводит к ряду не вполне очевидных, но, в некоторых случаях, крайне существенных эффектов.

Первое и самое явное ограничение – шаговый двигатель сложно заставить повернуться на угол, меньше единичного шага. Существуют драйверы и конструкции двигателей, позволяющие, при необходимости, выполнять поворот на пол шага, однако ротор, замороженный в таком состоянии нестабилен и испытывает непрерывную флуктуацию вокруг своего положения. Для шагового двигателя, положение в пол шага является даже не квазистабильным (как при повороте на шаг), а просто неустойчивым.

Из-за, описанных выше, особенностей работы шаговый двигатель производит ощутимую вибрацию, что в ряде случаев может приводить к попаданию в резонансные частоты монтажной конструкции. Также вибрация может передаваться на элементы нагрузки, что пагубно сказывается на точности и конструктивной жесткости, особенно в случае приводов линейного перемещения. Эта особенность существенно ограничивает, например, предельные размеры рабочей зоны промышленного оборудования (обрабатывающих комплексов и других станков, требующих позиционирования).

Более того, из-за специфики переключений и зубцового эффекта, шаговый двигатель генерирует при работе значительные электромагнитные помехи, что делает его применение в ряде областей, крайне нежелательным. Простой пример – шаговый двигатель в регулируемой опоре медицинской кровати… Пищат, приборы, бегут врачи, аврал и паника… А ничего страшного – просто пациент устал лежать и решил приподнять спинку кровати. Двигатель в опоре создал помеху на монитор кардиоритма… Ну и понеслось…

Думаете – утрирую? Ну, возможно… немного.

Есть у шаговых двигателей и другие недостатки, связанные с техническими характеристиками. В общем случае, соотношение габарит/производительность или вес/производительность, при сравнении разных типов двигателей, оказываются не в пользу шаговых.

Итак, шаговые двигатели не идеальны. А для ряда отраслей и вовсе не желательны. Есть ли альтернатива?

Бесколлекторные двигатели

Как несложно догадаться из преамбулы этой статьи, наиболее употребимой альтернативой шаговым двигателям являются различные модификации бесколлекторных двигателей на постоянных магнитах.

В чем же разница между принципами работы и конструкцией шагового двигателя, и конструкцией и принципом работы бесколлекторного двигателя?

Принцип работы бесколлекторного двигателя

На первый взгляд, и мы это уже упоминали, все очень похоже. Бесколлекторный двигатель состоит из статора, сформированного электромагнитной обмоткой сложной конструкции – полой (наиболее прогрессивное решение) или намотанной на сердечник (сердечники) и ротора, собранного из блока мощных постоянных магнитов. Для управления приводом так же требуется электронное устройство, в случае бесколлекторного двигателя, обычно называемое – контроллер. Контроллер переключает фазы обмотки статора, формируя непрерывную гладкую волну электромагнитного поля, магнитные полюса ротора следуют за фронтом волны в сторону ее движения. Все просто, но, как говориться – есть нюанс.

В бесколлекторном двигателе, особенно с полой обмоткой, отсутствует конструктивный зубцовый эффект. Более того, зубцовый эффект для бесколлекторного двигателя, считается паразитным явлением и всячески, конструктивно, минимизируется. Но в этом случае возникает вопрос – каким образом контроллер должен переключать фазы обмотки так, чтобы момент переключения происходил в оптимальный момент, при переходе полюсов магнитов ротора из области действия одной фазы обмотки в другую? Как предоставить контроллеру информацию о текущем положении полюсов магнита ротора и фронта электромагнитной волны в обмотке?

Для этого, в конструкцию бесколлекторного двигателя включена печатная плата, с размещенными на ней датчиками Холла. Как правило, датчиков три и размещены они, соответственно, под углом в 120° друг к другу.

Сигнал, поступающий на контроллер с этих трех датчиков, в сочетании с предварительно указанным контроллеру количеством пар полюсов магнитов ротора двигателя, позволяет однозначно определить положение ротора двигателя в любой момент времени и предельно своевременно обеспечивать переключение фаз обмотки. Таким образом обеспечивается плавное непрерывное вращение двигателя на любых скоростях (от минимальных до максимальных рабочих).

Также, естественно при условии качественного изготовления двигателя, балансировка обмотки и надежные опорные подшипники ротора исключают возникновение вибрации двигателя и ее распространение по нагрузке и элементам конструкции. Отсутствие квазистабильных состояний и плавное движение фронта электромагнитной волны по обмотке обеспечивают предельно низкий уровень, производимой двигателем, электромагнитной помехи. Как правило весь «объем» помехи эффективно гасится конструктивными элементами двигателя и не выходит за пределы его корпуса – такие двигатели могут безопасно использоваться в непосредственной близости от чувствительного оборудования – медицинского, лабораторного, промышленного. Аналогичное утверждение относится и к контроллерам бесколлекторных двигателей – как правило, эти устройства соответствуют самым строгим требованиям современных стандартов по электробезопасности, в том числе и по электромагнитной совместимости.

Особенности бесколлекторных двигателей

Из уже описанного видно – управлять бесколлекторным двигателем существенно сложнее чем шаговым. Такие двигатели требуют значительно более совершенной и, следовательно, дорогой электронной оснастки. Однако, как это часто бывает – эта палка тоже о двух концах. Контроллеры бесколлекторных двигателей – это гибкие многофункциональные устройства, оснащенные поддержкой разнообразных датчиков (сверх датчиков Холла), оснащенные ассортиментом цифровых и аналоговых входов/выходов, позволяющих организовать различные схемы управления, обеспечить простой, удобный и интуитивно понятный интерфейс взаимодействия, интегрировать привод в более сложную глобальную систему контроля.

Контроллеры бесколлекторных двигателей, в зависимости от своего назначения и сложности, реализуют два или три вложенных контура управления. Контур тока – обеспечивает точное управление и контроль уровней тока в обмотках двигателя для обеспечения оптимальной величины крутящего момента и предельного снижения токовых потерь в обмотке. Контур скорости – с помощью сигналов датчиков Холла и энкодера (если он присутствует в системе) обеспечивает тонкое управление напряжением на фазах обмотки для поддержания плавности вращения, сглаживания флуктуаций скорости, возникающих из-за эффектов нагрузки, и реализацию различных профилей разгона, торможения и поддержания скорости на траектории движения. Контур положения – при наличии одного или более энкодеров обеспечивает расчёт и исполнение траектории движения, контроль выхода нагрузки в заданное положение, отслеживание положения нагрузки вне фаз движения (перемещение нагрузки под действием внешней силы).

Итак, бесколлекторные двигатели сложнее и дороже шаговых сами по себе и, кроме того, требуют использования более сложной электроники управления. В чем же преимущества их использования?

Преимущества бесколлекторного двигателя

О чем-то мы уже сказали – плавность вращения, возможность работы на малых скоростях, отсутствие ограничений по величине угла поворота, удобство контроля и интеграции в сети управления верхнего уровня. Кроме того, бесколлекторные двигатели, как правило, компактнее и легче (при сравнимой или лучшей производительности), они обладают значительно лучшей динамикой движения и соотношением момент/скорость. При сравнимой производительности потребляют меньшие рабочие токи, имеют существенно лучший КПД и меньшие уровни токовых потерь, в большей степени соответствуют требованиям электромагнитной совместимости.

Какой двигатель выбрать — бесколлекторный или шаговый

Главный вопрос – что же лучше – бесколлекторный или шаговый двигатель? Даже основываясь на всем сказанном – однозначного ответа нет. Ключевым встречным вопросом будет – а что Вы хотели бы получить от двигателя?

Вам нужно предельно простом способом открывать и закрывать створку ворот, размер и вес двигателя особого значения не имеет – в таком раскладе дешевый шаговый двигатель вполне осмысленное решение. Хотя даже тут стоит заметить – крупный производитель лифтового оборудования, компания «Отис», некоторое время назад полностью отказалась от использования шаговых двигателей в приводах открывания дверей и заменила их на бесколлекторные. Комментарий менеджмента был примерно следующий – «повышенная стоимость новых приводов полностью компенсируется кратным снижением расходов на текущее обслуживание, ремонт и замену» (не является цитатой).

Открываем вентиляционный люк или люк дымоудалительной системы. Ну, тут просто – если нашелся подходящий по габаритам шаговый двигатель – решение нормальное. Главное следить за исправностью, чтобы в час «Ч» все работало.

Двигаем части медицинской кровати или операционного/процедурного стола – при всем уважении, от шагового двигателя лучше отказаться. Во избежание.

Проектируем промышленную систему с несколькими подвижными осями и точным позиционированием. На вкус и цвет… Но сложность системы управления для любого из типов двигателей будет существенной, а гибкость самих бесколлекторных приводов и их контроллеров обеспечит значительный прирост производительности и эргономичности.

В общем и целом, шаговые двигатели постепенно проигрывают соперничество со старшими бесколлекторными собратьями. Нет, мы не ждем, что шаговый двигатель сойдет со сцены в ближайшее время и канет в пучину истории – ниша для этого неплохого, хоть и специфического типа приводов, найдется. Однако, потребность рынка в большей гибкости, эффективности и адаптивности решений однозначно склоняет чашу весов в сторону более современных бесколлекторных двигателей. А последние тенденции развития рынка выводят на первый план их отдельный подтип – моментные двигатели, о специфике и отличиях которых мы поговорим в каком-нибудь отдельном материале.

Управление бесколлекторным двигателем по сигналам обратной ЭДС – понимание процесса / Хабр

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем — понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.

Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.

Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина

Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.

                                                Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.

                                                       Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).

     Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.

Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.

Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.

      Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.

                                 Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).

                            Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение

Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.

Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.

      Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.

Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

 Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.

    Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).

                                    Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:

                                 Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности

Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.

Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.

На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.

                                       а.                                                                                              б.

                                      Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.

                                       а.                                                                                              б.

                     Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.

На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.

        Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.

Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.

        Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя

Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.

Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:

      1. По датчикам Холла

      2. По обратной ЭДС

Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.

Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла

Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.

Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.

                                Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.

Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

 Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).

                                                        Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС

Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).

                                                 Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:

   1. Обмотка подключена к 0

   2. Обмотка не подключена (свободная фаза)

   3. Обмотка подключена к питающему напряжению

   4. Обмотка не подключена (свободная фаза)

Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).

                            Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

 Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.

                                            Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя

Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.

                                        Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).

                                                   Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.

                                            Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой

                                                      Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:

                                          Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.

После прохождения сигнала через фильтр колебания сглаживается и получается ровное напряжение относительно которого можно детектировать пересечение обратной ЭДС.

                                       Рисунок 26. Напряжение после делителя и фильтра низких частот.

Средняя точка будет менять свое значение в зависимости от напряжения (скважности ШИМ), так же как и огибающая сигнала.

                               

Полученные сигналы с компараторов заводятся на микроконтроллер, который их обрабатывает по алгоритму выше.

Пока на этом все.

Бесщеточный двигатель Теория и применение

Удаление щеток имеет большое значение во многих отношениях

Проще всего начать обсуждение бесщеточных двигателей с того факта, что у них нет щеток.

В то время как у традиционного двигателя постоянного тока были щетки, которые передавали мощность от статора к ротору и обратно, таким образом создавая вращающее усилие, бесщеточный двигатель не имеет щеток.

Это означает, что в самом двигателе нет прямой проводимости, но также означает, что отсутствует трение.

Так как же вращается бесколлекторный двигатель?

Бесщеточный двигатель имеет электромагниты на статоре и постоянный магнит на роторе.

В зависимости от типа используемого бесщеточного двигателя он может иметь ряд различных характеристик, включая различное количество полюсов, однако ключевой принцип заключается в включении и выключении различных электромагнитов, установленных на статоре, для перемещения ротора с постоянными магнитами. .

Если представить себе процесс с очень простой установкой с двумя наборами полюсов (расположенными попарно), то легко увидеть, как это работает с центральным магнитом, находящимся в 90 градусов перемещения по двум парам полюсов.

1. Катушка 1 положительный — Катушка 3 отрицательный

2. Катушка 2 положительный Поскольку электромагниты включаются и выключаются в этой последовательности, они, следовательно, будут перемещать ротор с постоянными магнитами.

Почему двигатель не сильно дергается?

Основываясь на приведенной выше последовательности, кажется логичным, что производительность двигателей будет довольно скачкообразной, точно так же, как шаговый двигатель часто совершает фиксированные шаги.

Причина, по которой этого можно избежать, во многом зависит от типа используемого контроллера мотора и его настройки.

Чтобы понять принцип работы бесщеточного двигателя, мы использовали очень упрощенный пример, но важно помнить, что катушки не просто включаются и выключаются (как при включении/отключении полной мощности), а скорее можно постепенно выключать и включать, чтобы сгладить вращение двигателя.

При низких скоростях с малым числом полюсов в двигателе вполне возможно, что может наблюдаться некоторая степень скачкообразности (поэтому во многих низкоскоростных устройствах используются шаговые двигатели, а не бесщеточные), но при более высоких скоростях и с правильным типа используемого контроллера это будет сглажено комбинацией массы на валу (работающей так же, как работает маховик), контроллера и скорости.

Краткий обзор основных принципов

Постоянный магнит находится на роторе, а электромагниты на статоре.

При последовательном включении электромагнитов можно перемещать постоянный магнит и тем самым вращать двигатель.

Различные двигатели имеют разное количество полюсов, и чем больше полюсов, тем более плавным будет движение двигателя.

Основные преимущества бесщеточного двигателя перед щеточным

Теперь, когда мы понимаем основные принципы работы бесщеточных двигателей и то, как они работают, стоит подумать, почему мы можем предпочесть бесщеточные двигатели щеточным двигателям постоянного тока.

Снятие щеток имеет несколько основных преимуществ:

1. Щетки со временем изнашиваются из-за трения. Типичный срок службы щеточных двигателей составляет около 2000 часов, тогда как бесщеточный двигатель обычно работает 10000 часов (обратите внимание, что эти цифры следует использовать только в качестве практических рекомендаций, поскольку существует огромное количество факторов, влияющих на срок службы двигателя).

2. Щетки вызывают искры и электрические помехи в двигателе.

3. Трение, создаваемое щетками, ограничивает максимальную скорость двигателя и может привести к перегреву.

4. Поскольку электромагниты находятся на статоре, их легче охлаждать с помощью теплоотвода или других методов охлаждения.

5. Электромагниты, установленные на статоре, также облегчают повышение точности управления двигателем, поскольку их можно установить очень точно и точно.

Вы не можете включить бесщеточный двигатель без контроллера бесщеточного двигателя

Как вы, вероятно, уже поняли, невозможно включить бесщеточный двигатель без контроллера бесщеточного двигателя.

Если подать питание на двигатель так же, как и на щеточный двигатель постоянного тока, вы просто заблокируете одну катушку и сделаете вал очень трудным для вращения.

В зависимости от типа бесщеточного двигателя, который у вас есть или который вы хотите использовать, для его управления можно использовать широкий спектр контроллеров бесщеточного двигателя.

В простейшем случае эти контроллеры могут просто управлять скоростью двигателя без каких-либо оптимизаций или расширенных параметров управления.

Однако контроллеры, такие как контроллеры бесщеточных двигателей серии ZDBL, оптимизированы в соответствии со спецификациями каждого двигателя, а также предлагают расширенные возможности программирования, такие как предустановленные кривые ускорения и программы запуска.

Множество технических преимуществ

Бесколлекторные двигатели, несомненно, технически превосходят щеточные двигатели D.

Удаление щеток из конструкции снижает трение, увеличивает срок службы, увеличивает максимальную скорость, увеличивает удельную мощность и обеспечивает гораздо более точное управление.

Именно по этим причинам многие компании и инженеры в настоящее время переходят с щеточного постоянного тока на бесщеточный.

Один центральный недостаток, на который часто обращают внимание, просто связан с более высокой стоимостью, чем у двигателей постоянного тока.

В зависимости от вашего применения стоимость может быть проблемой, но всегда стоит подумать о сроке службы продукта, который вы создаете.

Если бесщеточный двигатель и контроллер стоят в 3 раза дороже, чем двигатель постоянного тока, но служат в 5 раз дольше (и, следовательно, требуют меньше человеко-часов, затрат и хлопот при замене деталей), то вполне вероятно, что они обеспечат соотношение цены и качества по сравнению с его жизнь.

Если у вас есть какие-либо вопросы об экономической эффективности бесщеточных двигателей или вам нужна помощь в поиске двигателя, подходящего для вашего применения, свяжитесь с нами по телефону, в онлайн-чате или по электронной почте.

Мы дадим беспристрастный совет по выбору лучшей системы для вашего применения, даже если это означает, что вы не используете контроллеры двигателей Zikodrive.

Типичные области применения бесщеточных двигателей и контроллеров

Точно так же, как коллекторные двигатели постоянного тока используются в огромном диапазоне приложений, бесщеточные двигатели тоже. Плотность мощности и эффективность бесщеточных двигателей также делают их все более популярными в ряде других приложений, особенно в связи с тем, что экологические нормы и энергоэффективность становятся все более важными в ряде отраслей.

Я понимаю всю основную теорию, но хочу узнать больше об использовании бесколлекторных двигателей на практике

Если вы чувствуете, что понимаете основную теорию бесщеточных двигателей, но хотите узнать больше о некоторых проблемах, возникающих при их использовании на практике, вы можете посетить нашу страницу ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫХ ВОПРОСОВ ПО УПРАВЛЕНИЮ ДВИГАТЕЛЯМИ.

Мы постоянно расширяем этот раздел, чтобы предлагать информативные и полезные статьи по целому ряду вопросов, связанных с управлением двигателем, и есть специальный раздел, посвященный бесщеточным двигателям.

Если вы не видите интересующий вас вопрос, пожалуйста, свяжитесь с нами, так как мы приветствуем ответы от клиентов и потенциальных клиентов.

Затем мы постараемся ответить на ваш вопрос и включим его в раздел часто задаваемых вопросов, как только сможем.

Краткий пример некоторых вопросов, включенных в этот раздел, включает:

1. Как я могу использовать бесщеточные двигатели без датчиков в системе с замкнутым контуром?

2. Как работают оптимизированные контроллеры и как они повышают производительность бесколлекторных двигателей

3. Могу ли я запустить двигатель с фиксированной скоростью при переменной нагрузке?

4. Можно ли использовать бесщеточные двигатели для дозирования?

Следующие шаги в мир бесщеточных двигателей…

Если вы заинтересованы в использовании бесщеточных двигателей в своем проекте или приложении, но не уверены, что именно вам нужно для достижения максимальной производительности, пожалуйста, сделайте СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ.

Знакомство с бесщеточными двигателями постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются в промышленности по всему миру. На самом базовом уровне есть щеточные и бесщеточные двигатели, а также двигатели постоянного и переменного тока. Бесщеточные двигатели постоянного тока, как вы понимаете, не содержат щеток и используют постоянный ток.

Эти двигатели обладают многими специфическими преимуществами по сравнению с другими типами электродвигателей, но, помимо основ, что такое бесщеточный двигатель постоянного тока? Как это работает и для чего используется?

Часто бывает полезно сначала объяснить, как работают коллекторные двигатели постоянного тока, поскольку они использовались в течение некоторого времени до того, как стали доступны бесщеточные двигатели постоянного тока. Коллекторный двигатель постоянного тока имеет постоянные магниты снаружи своей конструкции с вращающимся якорем внутри. Постоянные магниты, неподвижные снаружи, называются статором. Якорь, который вращается и содержит электромагнит, называется ротором.

В коллекторном двигателе постоянного тока ротор вращается на 180 градусов, когда на якорь подается электрический ток. Чтобы двигаться дальше, полюса электромагнита должны поменяться местами. Щетки, когда ротор вращается, вступают в контакт со статором, переворачивая магнитное поле и позволяя ротору вращаться на полные 360 градусов.

Бесщеточный двигатель постоянного тока фактически вывернут наизнанку, что устраняет необходимость в щетках для переворачивания электромагнитного поля. В бесщеточных двигателях постоянного тока постоянные магниты находятся на роторе, а электромагниты — на статоре. Затем компьютер заряжает электромагниты в статоре, чтобы ротор повернулся на полные 360 градусов.

Связанные статьи блога

Для чего используются бесщеточные двигатели постоянного тока?

Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно имеют КПД 85–90 %, тогда как щеточные двигатели обычно имеют КПД только 75–80 %. Щетки со временем изнашиваются, иногда вызывая опасное искрообразование, что ограничивает срок службы щеточного двигателя. Бесщеточные двигатели постоянного тока тихие, легкие и имеют гораздо более длительный срок службы. Поскольку компьютеры контролируют электрический ток, бесщеточные двигатели постоянного тока могут обеспечить гораздо более точное управление движением.

Благодаря всем этим преимуществам бесщеточные двигатели постоянного тока часто используются в современных устройствах, где требуется низкий уровень шума и малое тепловыделение, особенно в устройствах, работающих в непрерывном режиме. Это могут быть стиральные машины, кондиционеры и другая бытовая электроника.