конструктивные особенности и принцип действия, преимущества и недостатки, количество фаз

Работа прецизионных систем требует серьёзного контроля. Для выполнения контролирующих функций в таких системах принято использовать вентильный двигатель (ВД), позволяющий повысить вычислительные возможности микроэлектронного оборудования. Он же улучшает свойства электродвигателей постоянного тока, обеспечивая высокую плотность длительного момента.

• Конструктивные особенности
• Принцип действия
• Преимущества и недостатки
• Количество фаз

Конструктивные особенности

Этот тип электромотора имеет стандартную конструкцию. Она состоит из ротора, роль которого выполняет магнитный диск, статоров и подшипников. Все детали заключены в прочный корпус. Статор ВД аналогичен тому, что используется в асинхронных приборах. Основным его элементом выступает стальной сердечник, по периметру которого располагается обмотка из меди. От количества обмоток зависит, к какому типу будет относиться вентильный электродвигатель (однофазному, двухфазному, трёхфазному).

В зависимости от того, как витки обмотки располагаются в статоре, форма его электродвижущей силы может быть:

1. Трапецеидальной (BLDC).
2. Синусоидальной (PMSM).

Форма обмотки оказывает прямое влияние на способ питания двигателей. Изменение электрического тока также может происходить синусоидально либо трапецеидально.

Ротор представляет собой несколько магнитов с постоянным полем. Ранее для его производства применялись магниты из феррита. Но уровень их магнитной индукции достаточно мал, поэтому они были заменены на изделия из сплавов редкоземельных элементов, позволяющих достичь необходимого уровня индукции и одновременно сделать ротор более компактным.

Неотъемлемой частью любого вентильного двигателя является датчик положения ротора. В основе его работы может быть заложен:

1. фотоэлектрический принцип;
2. индуктивный принцип;
3. эффект Холла и другие явления.

Фотоэлектрический датчик положения состоит из трёх стационарных фотоприемников, которые поочерёдно закрываются вращающейся шторкой. Её движение синхронно движению ротора. Благодаря двоичному коду, поступающему с датчика, ротор может фиксироваться в шести разных положениях. Преобразуясь в комбинацию управляющих напряжений, сигналы регулируют силовые ключи по особой схеме. Каждая фаза работы электродвигателя задействует два ключа, а подключёнными к сети являются две из трёх обмоток.

Датчик положения фотоэлектрического типа относится к категории самых распространённых, поскольку является практически безынерционным. Также он позволяет исключить запаздывание в канале обратной связи.

Принцип действия

В зависимости от особенностей конструкции и технических характеристик выделяют асинхронный, синхронный и индуктивный вентильный двигатель. Принцип работы каждого из них основывается на индуцировании непостоянных магнитных полюсов на роторе. При подаче напряжения начинается его вращение в соответствии с полюсами статора, вследствие чего сопротивление магнитного поля сводится к минимуму.

Сведения о состоянии ротора используются в качестве инструмента управления фазой подачи напряжения. Наложение сигналов на угловую ненасыщенную фазу индуктивности осуществляется таким образом, что её максимальное значение совпадает с минимальным сопротивлением полюса.

Чтобы высокие вольт-секунды не оказывали негативного действия на работающую электронику, следует предусмотреть ограничение фазного тока на невысоких скоростях двигателя. Роль ограничителей в этом случае выполняют датчики. При высоких скоростях необходимость в ограничении тока отпадает.

Выровненный угол управляющего напряжения одиночного импульса позволяет оптимизировать производительность оборудования. Процесс её преобразования наглядно демонстрируется в виде траектории реактивной энергии. Преобразованное в механическую энергию питание отвечает за мощностную область. Отключение электроэнергии приводит к тому, что избыточная либо остаточная энергия переходит к статору. Влияние магнитного поля на работающий вентильный электродвигатель является минимальным. Это отличает ВД от других аналогичных устройств.

Преимущества и недостатки

Электродвигатели такого типа нашли широкое применение в производственной и промышленной сфере. Это обуславливается следующими достоинствами ВД:

1. широким интервалом для модифицирования частоты вращения;
2. максимально точным позиционированием;
3. быстродействием и высокой динамикой;
4. экономически выгодным техобслуживанием;
5. достаточной защищенностью от взрывов;
6. устойчивостью к большим нагрузкам при вращении;
7. мягким переключением скоростей;
8. хорошим КПД, превышающим 90%;
9. большим рабочим ресурсом и сроком службы.

При длительной работе вентильного двигателя не происходит опасного перегрева основных элементов, что делает процесс его эксплуатации более эффективным и безопасным.

Эта разновидность электродвигателя обладает определёнными недостатками. Они выражаются в сложной системе управления и высоком уровне шума в процессе работы. Также к очевидным минусам следует отнести высокую цену, обусловленную применением дорогостоящих постоянных магнитов, используемых при изготовлении ротора.

Количество фаз

Вентильный электродвигатель, как и другие виды устройств, может функционировать от постоянного и переменного тока. Встречаются двигатели, рассчитанные на разное число фаз.

Однофазный относится к категории самых простых, имеющих минимальное количество связей с электроникой. Характеризуется наличием пульсаций, высоким крутящим моментом. Однофазный прибор не может запускаться на всех угловых позициях, используется в установках, где важна высокая скорость.

Двухфазный мотор активирует воздушный зазор, а при дополнительном настраивании в полюсах ротора создаётся асимметрия. Имеет высокий крутящий момент, который может спровоцировать негативные последствия во время эксплуатации.

Трехфазное устройство показывает эффективность при запуске и создании крутящего момента без задействования большого числа фаз. При наличии чётного количества полюсов оптимально подходит для техники, в которой важную роль играет высокая мощность при небольшой скорости работы (к примеру, для насосов). В процессе работы создаётся высокий крутящий момент и большой уровень шума.

Четырехфазный двигатель лишён недостатков из-за завышенного крутящего момента и наличия пульсаций. Однако характерная для него высокая мощность и стоимость не позволяет широко использовать такой мотор в различном оборудовании.

Основные технические особенности вентильных двигателей | Публикации

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели. Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока. В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре. Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1. Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,
4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,
7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,
10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,
13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера. Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла. Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам. При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

• готовность к работе при включении питания;
• дешевый усилитель тока;
• управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

• пульсации тока;
• средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока. Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов. Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях. В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Преимущества:

• минимальные пульсации тока;
• высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка. В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники. Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

• без интегрированной управляющей электроники,
• с интегрированной коммутирующей электроникой (2wire),
• с интегрированным контроллером скорости,
• с интегрированным контроллером движения,
• с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

К несомненным достоинствам вентильных двигателей следует отнести:

Высокий запасаемый момент:

• Идеальное решение при высоких пиковых нагрузках
• Хорошее ускорение при изменяющихся нагрузках

Высокий диапазон скоростей

Высокую равномерность движения

Высокую точность позиционирования благодаря возможности использования энкодеров и других датчиков обратной связи по скорости/положению.

Двигатели для специальных применений: в среде высокого вакуума, автоклавируемые, погружные с высоким классом IP защиты.

М. Сонных, Л. Ганнель
Статья опубликована в журнале «РИТМ» №10, 2010

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)? Строительство и работа

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) были в центре внимания многих производителей двигателей, поскольку эти двигатели все чаще используются во многих приложениях, особенно в области технологий управления двигателями. Двигатели BLDC превосходят щеточные двигатели постоянного тока во многих отношениях, таких как способность работать на высоких скоростях, высокая эффективность и лучшее рассеивание тепла.

Они являются неотъемлемой частью современной приводной техники, чаще всего используемой для приводов, станков, электрических двигателей, робототехники, компьютерной периферии, а также для производства электроэнергии. С развитием бездатчиковой технологии, помимо цифрового управления, эти двигатели стали настолько эффективными с точки зрения общей стоимости системы, размеров и надежности.

• Связанная запись: Разница между щеточным и бесщеточным двигателем

• По теме: Что такое шаговый двигатель? Типы, конструкция, эксплуатация и применение

Содержание

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)?

Бесщеточный двигатель постоянного тока (известный как BLDC) представляет собой синхронный электродвигатель с постоянными магнитами , который приводится в действие электричеством постоянного тока (DC) и реализует систему коммутации с электронным управлением (коммутация — это процесс создания крутящего момента в двигателе). путем изменения фазных токов через него в соответствующие моменты времени) вместо системы механической коммутации. Двигатели BLDC также называют двигателями с трапециевидными постоянными магнитами.

В отличие от обычного двигателя постоянного тока щеточного типа, в котором щетки механически контактируют с коллектором на роторе, образуя электрический путь между источником постоянного тока и обмотками якоря ротора, в двигателе BLDC используется электрическая коммутация с ротором на постоянных магнитах и ​​статором. с последовательностью витков. В этом двигателе вращается постоянный магнит (или полюса поля) и закреплены проводники с током.

Катушки якоря переключаются электронным способом с помощью транзисторов или кремниевых выпрямителей при правильном положении ротора таким образом, что поле якоря находится в пространственной квадратуре с полюсами поля ротора. Следовательно, сила, действующая на ротор, заставляет его вращаться. 9Датчики Холла 0004 или энкодеры чаще всего используются для определения положения ротора и располагаются вокруг статора. Обратная связь о положении ротора от датчика помогает определить, когда следует переключать ток якоря.

Это электронное коммутационное устройство исключает использование коммутатора и щеток в двигателе постоянного тока и, следовательно, обеспечивает более надежную и менее шумную работу. Благодаря отсутствию щеток двигатели BLDC способны работать на высоких скоростях. КПД двигателей BLDC обычно составляет от 85 до 9.0 процентов, тогда как двигатели постоянного тока коллекторного типа имеют КПД от 75 до 80 процентов. Доступны самые разные двигатели BLDC, начиная от малого диапазона мощности и заканчивая дробной мощностью, интегральной мощностью и большими диапазонами мощности.

• Связанный пост: Серводвигатель — типы, конструкция, работа и применение

Конструкция двигателя BLDC

Двигатели BLDC могут иметь различные физические конфигурации. В зависимости от обмоток статора они могут быть сконфигурированы как однофазные, двухфазные или трехфазные двигатели. Однако чаще всего используются трехфазные двигатели BLDC с ротором на постоянных магнитах.

Конструкция этого двигателя во многом похожа на трехфазный асинхронный двигатель, а также на обычный двигатель постоянного тока. Этот двигатель имеет части статора и ротора, как и все другие двигатели.

• Связанный пост Расчет размера кабеля для двигателей LT и HT

Статор электродвигателя постоянного тока, состоящий из стальных пластин, несущих обмотки. Эти обмотки размещены в пазах, прорезанных в осевом направлении по внутренней периферии статора. Эти обмотки могут быть расположены либо звездой, либо треугольником. Однако большинство двигателей BLDC имеют трехфазный статор, соединенный звездой.

Каждая обмотка состоит из множества соединенных между собой катушек, при этом одна или несколько катушек размещаются в каждом слоте. Для образования четного числа полюсов каждая из этих обмоток распределяется по периферии статора.

Статор должен быть выбран с правильным номинальным напряжением в зависимости от мощности источника питания. Для робототехники, автомобилей и небольших исполнительных механизмов предпочтительны двигатели BLDC с напряжением 48 В или менее. Для промышленных применений и систем автоматизации используются двигатели с номинальным напряжением 100 В и выше.

• Вы также можете прочитать: Что такое соленоид и магнитное поле соленоида

Ротор

Двигатель BLDC включает в себя постоянный магнит в роторе. Количество полюсов в роторе может варьироваться от 2 до 8 пар полюсов с чередованием южных и северных полюсов в зависимости от требований применения. Для достижения максимального крутящего момента в двигателе плотность потока материала должна быть высокой. Для создания необходимой плотности магнитного поля необходим соответствующий магнитный материал для ротора.

Ферритовые магниты недороги, однако они имеют низкую магнитную индукцию для данного объема. Магниты из редкоземельных сплавов обычно используются для новых конструкций. Некоторыми из этих сплавов являются самарий-кобальт (SmCo), неодим (Nd) и феррит и бор (NdFeB). Ротор может иметь различные конфигурации сердечника, такие как круглый сердечник с постоянным магнитом на периферии, круглый сердечник с прямоугольными магнитами и т. д.

• Связанный пост: Что такое КПД двигателя и как его повысить?

Датчики Холла

Датчик Холла предоставляет информацию для синхронизации возбуждения якоря статора с положением ротора. Поскольку коммутация двигателя BLDC управляется электронным способом, обмотки статора должны быть запитаны последовательно, чтобы двигатель вращался. Перед включением определенной обмотки статора необходимо подтвердить положение ротора. Таким образом, датчик Холла, встроенный в статор, определяет положение ротора.

Большинство двигателей BLDC оснащены тремя датчиками Холла, встроенными в статор. Каждый датчик генерирует сигналы Low и High всякий раз, когда полюса ротора проходят рядом с ним. Точная последовательность коммутации обмотки статора может быть определена на основе комбинации отклика этих трех датчиков.

• Связанный пост Почему мощность электродвигателей указана в кВт, а не в кВА?

Принцип работы и принцип действия бесконтактного двигателя постоянного тока

Принцип работы бесконтактного двигателя постоянного тока аналогичен принципу работы обычного двигателя постоянного тока, т. е. действует закон силы Лоренца, согласно которому всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает сила. Вследствие силы реакции магнит будет испытывать равную и противоположную силу. В случае двигателя BLDC проводник с током неподвижен, а постоянный магнит движется.

При электрическом переключении катушек статора источником питания он становится электромагнитом и начинает создавать однородное поле в воздушном зазоре. Хотя источником питания является постоянный ток, коммутация заставляет генерировать сигнал переменного напряжения трапециевидной формы. За счет силы взаимодействия статора электромагнита и ротора с постоянными магнитами ротор продолжает вращаться.

Рассмотрим рисунок ниже, на котором статор двигателя возбуждается в зависимости от различных состояний переключения. При переключении обмоток как высокого и низкого сигналов соответствующие обмотки запитываются как северный и южный полюса. Ротор с постоянными магнитами с северным и южным полюсами совпадает с полюсами статора, заставляя двигатель вращаться.

Обратите внимание, что двигатель создает крутящий момент из-за развития сил притяжения (при выравнивании север-юг или юг-север) и сил отталкивания (при выравнивании север-север или юг-юг). Таким образом, двигатель движется по часовой стрелке.

Здесь может возникнуть вопрос, откуда мы знаем, какая катушка статора должна быть под напряжением и когда это делать. Это потому что; непрерывное вращение двигателя зависит от последовательности переключения катушек. Как обсуждалось выше, датчики Холла передают информацию о положении вала в электронный блок управления.

На основании этого сигнала от датчика контроллер принимает решение о включении определенных катушек. Датчики Холла генерируют сигналы низкого и высокого уровня всякий раз, когда полюса ротора проходят рядом с ним. Эти сигналы определяют положение вала.

• Вы также можете прочитать: Термины и определения, относящиеся к управлению и защите двигателя

Бесщеточный двигатель постоянного тока

Как описано выше, схема электронного контроллера подает питание на соответствующую обмотку двигателя, поворачивая транзистор или другие полупроводниковые переключатели для непрерывного вращения двигателя. На рисунке ниже показаны простая схема привода двигателя BLDC , которая состоит из моста MOSFET (также называемого инверторным мостом), электронного контроллера, датчика Холла и двигателя BLDC.

Здесь датчики Холла используются для обратной связи по положению и скорости. Электронный контроллер может быть блоком микроконтроллера или микропроцессором, или процессором DSP, или блоком FPGA, или любым другим контроллером. Этот контроллер получает эти сигналы, обрабатывает их и отправляет управляющие сигналы в схему драйвера MOSFET.

В дополнение к переключению на номинальную скорость двигателя дополнительная электронная схема изменяет скорость двигателя в зависимости от требуемого применения. Эти блоки управления скоростью обычно реализуются с ПИД-контроллерами для точного управления. Также возможно обеспечить работу двигателя в четырех квадрантах, сохраняя при этом хороший КПД при изменении скорости с использованием современных приводов.

Сопутствующие электрические приводы Статьи

• Приводы постоянного тока – Конструкция, работа и классификация электрических приводов постоянного тока
• Электрические приводы и – Классификация приводов переменного тока и ЧРП

Преимущества двигателя BLDC

Двигатель BLDC имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными двигателями постоянного тока, некоторые из них:

• У него нет механического коммутатора и связанных с этим проблем
• Высокая эффективность благодаря использованию ротора с постоянными магнитами
• Высокая скорость работы даже в нагруженном и ненагруженном состоянии за счет отсутствия ограничивающих скорость щеток
• Меньшая геометрия двигателя и меньший вес, чем у щеточных двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей переменного тока
• Долгий срок службы, поскольку коллекторная система не требует осмотра и технического обслуживания
• Более высокая динамическая характеристика благодаря малой инерции и несущим обмоткам в статоре
• Меньше электромагнитных помех
• Тихая работа (или низкий уровень шума) из-за отсутствия щеток

Недостатки бесщеточного двигателя

• Эти двигатели дорогие
• Электронный контроллер требует управления, этот двигатель стоит дорого
• Недостаточно многих интегрированных электронных решений для управления, особенно для крошечных двигателей BLDC
• Требуется сложная схема привода
• Необходимость дополнительных датчиков

Вы также можете прочитать: Подключение трехфазного двигателя звезда/треугольник (Y-Δ) назад/вперед с таймером питания и схема управления

Применение бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC)

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) используются для широкого спектра приложений, таких как переменные нагрузки, постоянные нагрузки и позиционирование в областях промышленного управления, автомобилестроения, авиации, систем автоматизации, медицинского оборудования и т. д.

• Компьютерные жесткие диски и проигрыватели DVD/CD
• Электромобили, гибридные автомобили и электрические велосипеды
• Промышленные роботы, станки с ЧПУ и простые системы с ременным приводом
• Стиральные машины, компрессоры и сушилки
• Вентиляторы, насосы и воздуходувки

Related Posts

• Однофазный асинхронный двигатель – конструкция, работа, типы и применение
• Трехфазный асинхронный двигатель – конструкция, работа, типы и применение
• Разница между однофазным и трехфазным асинхронным двигателем
• Схемы подключения питания и управления трехфазным двигателем

URL-адрес скопирован

Как работает бесщеточный двигатель постоянного тока? Объяснение BLDC и ESC

В этом уроке мы узнаем, что такое бесщеточный двигатель постоянного тока или BLDC и как он работает. Мы также расскажем, как работает электронный регулятор скорости или ESC, электронная схема, используемая для управления бесколлекторными двигателями.

Это статья из двух частей, в первой части мы изучим принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока и ESC (электронный регулятор скорости), а во второй части узнаем, как управлять бесщеточным двигателем постоянного тока с помощью Arduino.

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный учебник ниже.

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока?

Бесщеточный двигатель постоянного тока или BLDC представляет собой электродвигатель, работающий от постоянного тока и генерирующий движение без каких-либо щеток, как в обычных двигателях постоянного тока.

Бесщеточные двигатели в настоящее время более популярны, чем обычные щеточные двигатели постоянного тока, поскольку они имеют более высокий КПД, могут обеспечивать точное регулирование крутящего момента и скорости вращения, а также обеспечивают высокую надежность и низкий уровень электрических шумов благодаря отсутствию щеток.

Двигатели постоянного тока BLDC используются в приложениях, где требуется эффективность и долговечность, таких как стиральные машины, кондиционеры и другая бытовая электроника. Также они используются в жестких дисках, радиоуправляемых моделях, таких как радиоуправляемые самолеты и так далее.

Как работает бесщеточный двигатель постоянного тока?

Бесщеточный двигатель (BLDC) состоит из двух основных частей: статора и ротора. Для этой иллюстрации ротор представляет собой постоянный магнит с двумя полюсами, а статор состоит из катушек, расположенных, как показано на рисунке ниже.

Все мы знаем, что если подать ток через катушку, она создаст магнитное поле, а линии или полюса магнитного поля зависят от направления тока.

Итак, если мы применим соответствующий ток, катушка создаст магнитное поле, которое будет притягивать постоянный магнит ротора. Теперь, если мы активируем каждую катушку одну за другой, ротор будет продолжать вращаться из-за силового взаимодействия между перманентом и электромагнитом.

Чтобы увеличить КПД двигателя, мы можем намотать две противоположные катушки как одну катушку таким образом, чтобы полюса были противоположны полюсам ротора, таким образом, мы получим двойную силу притяжения.

С этой конфигурацией мы можем создать шесть полюсов на статоре всего с тремя катушками или фазой. Мы можем еще больше повысить эффективность, подав питание на две катушки одновременно. Таким образом, одна катушка будет притягивать, а другая — отталкивать ротор.

Для того, чтобы ротор совершил полный цикл на 360 градусов, необходимо шесть шагов или интервалов.

Если мы посмотрим на форму сигнала тока, то увидим, что в каждом интервале есть одна фаза с положительным током, одна фаза с отрицательным током, а третья фаза отключена. Это дает представление о том, что мы можем соединить свободные конечные точки каждой из трех фаз вместе и, таким образом, мы можем разделить ток между ними или использовать один ток для питания двух фаз одновременно.

Вот пример. Если мы подтянем фазу A High или подключим ее к положительному напряжению постоянного тока с помощью какого-либо переключателя, например MOSFET, а с другой стороны соединим фазу B с землей, то ток будет течь от VCC через фазу А, нейтральную точку и фазу В, на землю. Итак, с помощью всего лишь одного потока тока мы создали четыре разных полюса, которые заставляют ротор двигаться.

В этой конфигурации у нас фактически есть соединение фаз двигателя звездой, где нейтральная точка соединена внутри, а остальные три конца фаз выходят из двигателя, и поэтому у бесщеточного двигателя есть три провода, выходящие из него.

Итак, для того, чтобы ротор прошел полный цикл, нам просто нужно активировать правильные два МОП-транзистора в каждом из 6 интервалов, и это то, для чего на самом деле предназначены ESC.

Как работает ESC (электронный регулятор скорости)

ESC или электронный регулятор скорости управляет движением или скоростью бесколлекторного двигателя, активируя соответствующие МОП-транзисторы для создания вращающегося магнитного поля, заставляющего двигатель вращаться. Чем выше частота или чем быстрее ESC проходит через 6 интервалов, тем выше будет скорость двигателя.

Однако возникает важный вопрос: как узнать, когда какую фазу активировать. Ответ заключается в том, что нам нужно знать положение ротора, и есть два распространенных метода, используемых для определения положения ротора.

Первый распространенный метод заключается в использовании датчиков Холла, встроенных в статор, расположенных под углом 120 или 60 градусов друг к другу.

Когда постоянные магниты ротора вращаются, датчики Холла воспринимают магнитное поле и генерируют логический «высокий» для одного магнитного полюса или логический «низкий» для противоположного полюса. В соответствии с этой информацией ESC знает, когда активировать следующую коммутационную последовательность или интервал.

Второй распространенный метод, используемый для определения положения ротора, заключается в измерении обратной электродвижущей силы или обратной ЭДС. Обратная ЭДС возникает в результате прямо противоположного процесса генерации магнитного поля или когда движущееся или изменяющееся магнитное поле проходит через катушку, оно индуцирует ток в катушке.

Таким образом, когда движущееся магнитное поле ротора проходит через свободную катушку или ту, которая не активна, оно индуцирует ток в катушке, и в результате в этой катушке возникает падение напряжения. ESC фиксирует эти падения напряжения по мере их возникновения и на их основе прогнозирует или рассчитывает, когда должен произойти следующий интервал.

Таков основной принцип работы бесколлекторных двигателей постоянного тока и регуляторов скорости, и он останется тем же, даже если мы увеличим количество полюсов как ротора, так и статора. У нас по-прежнему будет трехфазный двигатель, только количество интервалов увеличится, чтобы совершить полный цикл.

Здесь мы также можем упомянуть, что двигатели BLDC могут быть инраннерами или аутраннерами. Бесщеточный двигатель с внутренним ротором имеет постоянные магниты внутри электромагнитов, и наоборот, двигатель с наружным ротором имеет постоянные магниты снаружи электромагнитов. Опять же, они используют один и тот же принцип работы, и каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны.

Связано: Шаговые двигатели и Arduino. Полное руководство

Демонстрация работы BLDC и ESC

Хорошо, достаточно теории, а теперь давайте продемонстрируем и увидим в реальной жизни то, что мы объяснили выше. Для этого мы подключим три фазы бесщеточного двигателя к осциллографу. Я подключил 3 резистора в одной точке, чтобы создать виртуальную нейтральную точку, а с другой стороны я подключил их к трем фазам двигателя BLDC.

Первое, что мы можем заметить, это три синусоиды. Эти синусоидальные волны на самом деле являются обратными EFM, генерируемыми в фазах, когда они не активны.

Мы видим, что при изменении оборотов двигателя частота синусоидальных волн меняется, а также их амплитуда. Чем выше число оборотов, тем выше частота и амплитуда синусоидальных волн противоЭДС. Однако то, что приводит в движение двигатель, на самом деле эти пики, которые являются активными фазами, которые генерируют изменяющееся магнитное поле.

Мы можем заметить, что на каждом интервале есть две активные и одна неактивная фаза. Например, здесь у нас активны фазы A и B, а фаза C неактивна. Затем у нас активны фазы A и C, а фаза B неактивна и так далее.

Заключение

Итак, мы рассмотрели основной принцип работы бесщеточного двигателя и то, как он работает в сочетании с ESC.