Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое?

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора, методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ — это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем — в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких — без датчиков? В чем их отличие?

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) — применяют двигатели с датчиками. Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная. Фактически фазы — это обмотки двигателя. Поэтому если сказать «трехобмоточный», думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода — выводы обмоток, см. рисунок.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

Читать еще:  Что такое оппозитивный двигатель

Бесколлекторные моторы «на пальцах» Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:

Компания «Сервосила» начала выпуск новой линейки контроллеров для бесколлекторных двигателей

© www.servosila.com

Компания СЕРВОСИЛА обновила линейку своих миниатюрных встраиваемых контроллеров бесколлекторных двигателей.

Компания Сервосила изначально разработала данные контроллеры для применения в своих собственных продуктах — руках-манипуляторах и сервоприводах. Технология этих контроллеров прошла несколько итераций разработки и совершенствования и включила в себя значительный опыт, накопленный компанией в процессе эксплуатации своих роботов в различных, зачастую экстремальных, условиях. С тех пор контроллеры СЕРВОСИЛА нашли широкое применение в самых различных отраслях промышленности и науки, — везде, где требуется компьютерное управление бесколлекторными двигателями.

©Видео с youtube.com/ https://www.youtube.com/embed/yuXP0c_hhrE

Сервоконтроллеры превращают любой бесколлекторный электродвигатель в сервопривод или в интеллектуальный тяговый электропривод. Основными областями применения данных контроллеров бесколлекторных двигателей являются:

  • сервомеханизмы, сервоприводы,
  • тяговые электроприводы,
  • АСУ ТП, промышленные линии, конвейеры, насосы,
  • робототехнические устройства,
  • интеллектуальное торговое оборудование,
  • автоматизированное складское оборудование,
  • испытательные стенды с компьютерным управлением,
  • системы измерения и автоматической диагностики,
  • тяговые электроприводы различных мобильных шасси,
  • станки с ЧПУ,
  • системы компьютерного зрения.

Контроллеры (brushless motor controllers) предназначены для управления бесколлекторными двигателями (PMSM, BLDC) любых производителей в сочетании с различными энкодерами абсолютного положения вала (BISS-C, SSI, SPI, ШИМ, квадратурный) или без них. Для подключения к управляющим компьютерам АСУ, PLC или к бортовым системам управления контроллеры предоставляют интерфейсы управления CANbus/CANopen и USB 2.0.

Сопутствующее программное обеспечение работает с любыми операционными системами, поддерживающими интерфейсы CANbus или USB такими, как Windows, Linux, включая отечественную Astra Linux, и Raspberry PI OS.

Для облегчения настройки контроллера под выбранный электродвигатель предусмотрен режим автонастройки, в котором автоматически определяются основные характеристики бесколлекторного электродвигателя и вычисляются оптимальные настройки законов управления. Эта функция значительно упрощает интеграцию контроллера с новыми бесколлекторными двигателями, если даже характеристики двигателя точно не известны по каким-либо причинам.

В модулях управления бесколлекторными двигателями СЕРВОСИЛА реализованы современные алгоритмы управления:

  • Field Oriented Control (FOC),
  • с Back-EMF Observer и Hall Sensors Observer,
  • с функцией Q-D axis coupling compensation для гладкости хода,
  • с опциональным field weakening для достижения максимальных скоростей вращения,
  • с интеллектуальными алгоритмами защиты
  • и управления динамикой электродвигателя,
  • и автоматическим определением характеристик двигателя и привода.

Реализованный набор алгоритмов обеспечивает динамическую устойчивость и малошумность работы электродвигателя, а также достижение максимального момента или максимальной скорости вращения вала (в зависимости от задачи) при оптимизации энергопотребления и обеспечении защиты электродвигателя от перегрева, а редуктора от поломки.

Все об электронике в автомобиле

Читая комментарии под статьями об автомобилях, видно, что группа автолюбителей, которым нравятся старые, надежные конструкции, не уменьшается. Двигатель будет без наддува, механическая коробка передач и ноль электроники. Мы бы соврали, если бы сказали, что не любим такие машины, но электронные системы облегчают работу. Они заботятся о нашей безопасности и комфорте путешествий. Противники электроники в автомобилях могут обратить внимание на то, что все пассажирские самолеты напичканы электроникой до краев. Можете ли вы представить полет через Атлантику сегодня без автопилота? И все же самое главное уметь пользоваться преимуществами современных решений.

Электроника в машине

Volvo S60 T6 — тестовая машина , оснащенна почти всей современной системой и техническими решениями .

Двигатель — двухлитровый турбированный. Коробка передач? Конечно, автомат. Еще электроника? Помимо систем, использующих ABS , то есть ESP , ASR и всех других помощников для запуска и торможения, Volvo S60 также оснащена активным круиз-контролем, системой информирования об автомобиле в слепой зоне и системой предупреждения о выезде с полосы движения.

Должен признать, что S60 T6 с пакетом R Design выглядит привлекательно. Удобные кресла с хорошей боковой поддержкой. Эргономика отточена, приличный размер багажника. Вам нужен динамичный седан, который может с комфортом перевозить четырех человек? Такой Volvo может быть ответом на ваши потребности.

Но как водить? Умеренно. Если вы не давите на газ слишком нервно, вольво может сжечь около 8 л / 100 км в городе. Конечно, вы можете путешествовать очень динамично. Обгон не проблема. Вы думаете «обгон» и машина это делает. Двигатель отлично работает с автоматической коробкой передач и подвеской.

Хорошо, но как работала электроника? Нет оговорок. Активный круиз-контроль великолепен. На мой взгляд, это тоже будет полезно в городе. Вы нажимаете кнопку, и вы ни о чем не беспокоитесь. Конечно, спать вы не будете, т.к. вам все равно придется контролировать дорогу. Вся система достаточно умна, что даже показывает вам, как быстро автомобиль движется, который приближается к вам. Система слепого предупреждения очень полезна. Вы хотите сменить полосу движения, и перед тем, как совершить какой-либо маневр, лампа возле зеркала предупреждает, что кто-то рядом с вами.

Читать еще:  Что такое ртс двигателя

Система предупреждения о выходе из полосы движения вызвала у нас сомнения.

Конечно, ни одна из этих систем не берет на себя управление автомобилем. Наоборот. Вы спокойнее, потому что знаете, что компьютер не спит. Конечно, кто-то может сказать, что это может быть опасно, если эти системы выйдут из строя.

Небольшой штамп указывает на уникальность этого экземпляра.

Volvo представила еще одно решение на нашем рынке — On Call.

Volvo on Call — это система, которая используется в автомобилях Volvo на протяжении многих лет, первоначально как устройство, уведомляющее аварийные службы об аварии. Сегодня это революционная система , которая позволяет также проверить уровень топлива, дистанционно запустить двигатель или заблокировать автомобиль с помощью приложения на телефоне — только некоторые из его возможностей.

Новое решение также можно оценить, если у вас попытаются угнать автомобиль. Если кто-то попытается проникнуть в машину, Volvo On Call-центр автоматически получит уведомление. Затем оператор позвонит по телефону, установленному в автомобиле, и, если он обнаружит, что в автомобиле находится посторонний человек, он немедленно сообщит в полицию. Если никто не отвечает, оператор позвонит владельцу автомобиля и сообщит ему о краже со взломом. Украденный автомобиль будет отслеживаться через спутник. Также будет включена дистанционная иммобилизация. Volvo также помогает забывчивым, которые не могут найти ключи от машины. Просто позвоните оператору, введите число ПИН и автомобиль будет удаленно открыт.

Для многих может быть важно, чтобы Volvo On Call также облегчал поиск автомобиля на огромной парковке, потому что владелец видит на экране своего телефона карту с указанием местонахождения автомобиля. На телефоне вы также можете просмотреть маршрут последних поездок, проверить средний расход топлива автомобиля, текущий уровень топлива, пробег автомобиля, текущий пробег, температуру наружного воздуха и многие другие параметры.

Мобильное приложение Volvo On Call можно бесплатно загрузить на iOS, Android и Windows Phone. Приложение работает с автомобилями, в которых была приобретена опция Volvo On Call. Первые 3 года сервис полностью бесплатный.

Но что будет, если компьютер, управляющий автомобилем, сможет контролировать состояние жидкостей в режиме реального времени? На данный момент у нас есть электрическое измерение уровня масла и мониторинг состояния двигателя, что влияет на пробег между проверками в режиме Long Life .

А что будет, если электроника проверит состояние охлаждающей жидкости, тормозной жидкости, масла коробки передач, масла в диффузоре? Значительно ли это повлияет на безаварийность и долговечность наших автомобилей?

Безусловно, любой мониторинг параметров рабочей жидкости повышает безопасность и в конечном итоге способствует продлению срока службы автомобиля. Если бы отслеживались основные параметры масел или жидкостей, это влияло бы на выбор наилучшего момента для замены этой жидкости. Будет потребляться оптимальное количество жидкости и продлится срок службы автомобиля, все благодаря лучшим параметрам защиты.

Есть параметров, которые можно контролировать много: температура кипения или содержания воды в тормозной жидкости, вязкость масла , содержание примесей в моторном масле, содержание примесей трансмиссионного масла, и тому подобное.

Самой большой проблемой является стоимость мониторинга этих параметров. В настоящее время мы имеем возможность точно определять качество масла и рабочих жидкостей только во время лабораторных испытаний, где используются сложные методы определения этих параметров. Их стоимость обычно высока, и можно предположить, что стоимость определения основных параметров для одной пробы составляет около 300$. На высокую стоимость влияет сложность измерительного оборудования и необходимость точных процедур испытаний.

Если бы мы хотели внедрить систему, которая контролирует уровень рабочей жидкости в автомобиле, стоимость автомобиля, вероятно, удвоится или утроится. Средние периоды эксплуатации смазочных материалов в настоящее время базируется на более чем 100 лет автомобильного опыта и научно — исследовательских работ в технологических центрах.

Как видите, электроника не является злом. На наш взгляд, ее присутствие желательно. Гонщики, ралли и другие водители во многих дисциплинах автоспорта придерживаются аналогичного мнения.

В автомобилях любая система, которая повышает безопасность, оправдана и поддерживается на 100%. В машине, эксплуатируемой каждый день, мы хотели бы иметь все возможные электронные системы.

Читать еще:  Что такое развальцовка двигателя

БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ BLDC

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC — Brushless DC electric motor) часто используется в мотор-колесе электросамокатов и электровелосипедов. Его первые версии появились в 1960-х годах. Двигатели BLDC намного эффективнее и имеют гораздо больший крутящий момент.

Размещение постоянного магнита в роторе (внутренняя конфигурация) и управление окружающими катушками через транзисторы, позволило устранить самый важный недостаток щеточных (коллекторных) двигателей постоянного тока, которым являются сами щетки.

В альтернативной конфигурации (внешний ход) катушки якоря могут образовывать твердый сердечник, вокруг которого вращается ротор с постоянным магнитом, приводящий в движение вал двигателя. В обоих случаях катушки неподвижны.

Двигатели BLDC считаются двигателями с электронной коммутацией (ECM) в отличие от щеточных двигателей с механической коммутацией.

Общий принцип управления двигателем BLDC

Для двигателей BLDC требуются современные электронные контроллеры, которые могут определять положение ротора. Для этой цели можно использовать датчик Холла, реагирующий на положение каждой из катушек якоря при работающем двигателе. Скорость двигателя BLDC больше не может регулироваться напряжением, как в щеточных двигателях, а только путем изменения частоты переключения. Эти двигатели питаются от сигнала ШИМ, как показано на рисунке.

Двигатели BLDC делятся на 1-фазные, 2-фазные и 3-фазные, но принцип работы является общим для всех типов. Вместо механического коммутатора, изменяющего направление магнитного поля катушек ротора, используются транзисторы, которые непрерывно изменяют фазу напряжения подаваемого на катушку статора, что заставляет ротор непрерывно вращаться.

Однофазные бесколлекторные (бесщеточные) двигатели используются в устройствах с низким энергопотреблением, в то время как двухфазные чаще в устройствах средней мощности. Типичные области применения 3-фазных двигателей — устройства чтения компакт-дисков.

Управление однофазными двигателями BLDC

Однофазные двигатели BLDC имеют две параллельные обмотки якоря, управляемые напряжением ШИМ через мост H. Выходной сигнал одного датчика Холла постоянно меняет полярность тока, протекающего через обмотку якоря, таким образом поддерживая непрерывное вращение ротора. Однофазные двигатели BLDC очень просты в управлении. Для их работы достаточно одной интегральной микросхемы, например LB11970RV (однофазный двухполупериодный драйвер).

Принцип управления однофазным двигателем BLDC

Управление двухфазными двигателями BLDC

Двухфазные двигатели немного сложнее в управлении. Якорь состоит из 4 катушек, а магнитное поле создается 4 парами постоянных магнитов. Катушки якоря сгруппированы попарно, поэтому двухфазные двигатели имеют больший крутящий момент, чем однофазные.

Двухфазные двигатели обычно используются в некритических низкоуровневых устройствах, таких как большие вентиляторы, поэтому там не требуются сложные контроллеры. В результате двухфазные двигатели мощнее и дешевле. Драйверы, такие как например LB1668M, могут использоваться для их управления.

Управление 3-фазными двигателями BLDC

Трехфазные двигатели BLDC имеют 3 катушки якоря, соответствующие 6 состояниям коммутации. В каждую из катушек обычно помещают датчики Холла, которые реагируют на прохождения над ними постоянных магнитов, которые являются элементами ротора. Принцип использования сигналов от датчиков Холла показан на рисунке.

Конструкция двигателя BLDC с датчиками Холла

Тут тоже сигналы от датчиков Холла определяют моменты переключения. Эти сигналы через соответствующую систему подключения включают транзисторы, которые напрямую управляют катушками двигателя. Конечно, переключение в трехфазных двигателях происходит в 3 раза быстрее, чем в однофазных. Это приводит к снижению вибрации (дёргания) и более точному контролю скорости. Примером трехфазного драйвера двигателя BLDC с датчиками Холла является микросхема LB1976.

Принцип управления мотором BLDC с использованием датчиков Холла

Двигателями также можно управлять без датчиков Холла, используя сигнал BEMF (Back EMF) от каждой катушки. Этот сигнал получается путем сравнения напряжения, индуцированного в каждой из трех катушек, с центральным напряжением (точка COM). Результат такой связи усиливается и передается в систему определения положения ротора.

Сигналы от трех катушек преобразуются в формы импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 120 °. Некоторые контроллеры используют простые компараторы для определения фазы каждой обмотки, другие требуют использования внешних микроконтроллеров. Трехфазный интегрированный бессенсорный контроллер LB11983 включает в себя датчик положения ротора со схемами запуска, синхронизации, переключения, тепловой защиты и контроля насыщения и не требует внешнего микроконтроллера.

Принцип управления двигателем BLDC с помощью сигнала BEMF

Драйверы двигателей BLDC, использующие сигналы BEMF, имеют проблему с определением положения ротора во время запуска, потому что эти сигналы еще не генерируются. В этом случае двигатель запускается с неизвестного положения, то есть неизвестно положение статора относительно ротора. Это положение необходимо быстро распознать во время работы, потому что включение неправильной фазы может изменить направление вращения двигателя и даже сделать невозможной работу.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector