Направи си сам безчетков мотор за автомобили. Безчеткови електродвигатели: принцип на действие, управление на безчеткови електродвигатели

Публикувана на 04/11/2013

Споделено устройство (Inrunner, Outrunner)

Безчетковият постояннотоков двигател се състои от ротор с постоянни магнити и статор с намотки. Има два вида двигатели: Inrunner, в който роторните магнити са разположени вътре в статора с намотки, и Изпреварващ, в който магнитите са разположени отвън и се въртят около неподвижен статор с намотки.

Схема Inrunnerобикновено се използва за високоскоростни двигатели с малък брой полюси. Изпреварващако е необходимо, вземете двигател с висок въртящ момент и относително ниски скорости. Структурно Inrunners са по-прости поради факта, че стационарен статор може да служи като корпус. Към него могат да се монтират закрепващи устройства. В случая на Outrunners целият екстериор се върти. Двигателят се закрепва с помощта на фиксирана ос или статорни части. При колесен двигател монтажът се извършва върху неподвижната ос на статора, като проводниците се отвеждат към статора през кухата ос.

Магнити и стълбове

Броят на полюсите на ротора е четен. Формата на използваните магнити обикновено е правоъгълна. Цилиндричните магнити се използват по-рядко. Монтират се с редуващи се полюси.

Броят на магнитите не винаги съответства на броя на полюсите. Няколко магнита могат да образуват един полюс:

В този случай 8 магнита образуват 4 полюса. Размерът на магнитите зависи от геометрията на двигателя и характеристиките на двигателя. Колкото по-силни са използваните магнити, толкова по-висок е въртящият момент, развиван от двигателя върху вала.

Магнитите върху ротора се фиксират със специално лепило. Дизайните с магнитен държач са по-рядко срещани. Материалът на ротора може да бъде магнитопроводим (стомана), немагнитопроводим (алуминиеви сплави, пластмаси и др.) или комбиниран.

Намотки и зъби

Намотката на трифазен безчетков двигател е направена от медна тел. Проводникът може да бъде едножилен или да се състои от няколко изолирани проводника. Статорът е направен от няколко листа магнитно проводима стомана, сгънати заедно.

Броят на зъбите на статора трябва да бъде разделен на броя на фазите. тези. за трифазен безчетков двигател брой зъби на статора трябва да се дели на 3. Броят на зъбите на статора може да бъде по-голям или по-малък от броя на полюсите на ротора. Например има двигатели със следните схеми: 9 зъба/12 магнита; 51 зъба/46 магнита.

Двигатели със статор с 3 зъба се използват изключително рядко. Тъй като във всеки един момент работят само две фази (когато са включени от звезда), магнитните сили не действат равномерно върху ротора по цялата обиколка (виж фигурата).

Силите, действащи върху ротора, се опитват да го изкривят, което води до повишена вибрация. За да се елиминира този ефект, статорът е направен с голям брой зъби и намотката е разпределена по зъбите на цялата обиколка на статора възможно най-равномерно.

В този случай магнитните сили, действащи върху ротора, се компенсират взаимно. Няма дисбаланс.

Опции за разпределяне на фазовите намотки върху зъбите на статора

Опция за навиване на 9 зъба

Опция за навиване с 12 зъба

В горните диаграми броят на зъбите е избран така, че не се дели само на 3. Например, когато 36 зъби сметка за 12 зъби на фаза. 12 зъба могат да бъдат разпределени така:

Най-предпочитаната схема е 6 групи по 2 зъба.

Съществува мотор с 51 зъба на статора! 17 зъба на фаза. 17 е просто число, то се дели напълно само на 1 и себе си. Как да разпределим навиването между зъбите? Уви, не можах да намеря примери или техники в литературата, които да помогнат за решаването на този проблем. Оказа се, че намотката е разпределена както следва:

Нека разгледаме истинска намотка.

Имайте предвид, че намотката има различни посоки на навиване на различните зъби. Различните посоки на навиване са обозначени с главни и главни букви. Можете да прочетете подробно за дизайна на намотките в литературата, предложена в края на статията.

Класическата намотка е направена с един проводник за една фаза. Тези. всички намотки на зъбите на една фаза са свързани последователно.

Намотките на зъбите също могат да бъдат свързани паралелно.

Може да има и комбинирани включвания

Паралелното и комбинирано свързване позволява да се намали индуктивността на намотката, което води до увеличаване на тока на статора (и следователно на мощността) и скоростта на въртене на двигателя.

Електрическа и реална скорост

Ако роторът на двигателя има два полюса, тогава при един пълен оборот на магнитното поле на статора, роторът прави един пълен оборот. При 4 полюса завъртането на вала на двигателя с един пълен оборот изисква два оборота на магнитното поле на статора. Колкото по-голям е броят на полюсите на ротора, толкова повече електрически обороти са необходими за завъртане на вала на двигателя на оборот. Например имаме 42 магнита на ротора. За да се завърти роторът с един оборот, са необходими 42/2 = 21 електрически оборота. Това свойство може да се използва като вид редуктор. Избирайки необходимия брой полюси, можете да получите двигател с желаните скоростни характеристики. В допълнение, ще се нуждаем от разбиране на този процес в бъдеще, когато избираме параметри на контролера.

Сензори за позиция

Дизайнът на двигателите без сензори се различава от двигателите със сензори само по липсата на последния. Други фундаментални разлики няма. Най-често срещаните сензори за позиция са тези, базирани на ефекта на Хол. Сензорите реагират на магнитно поле; те обикновено се поставят върху статора, така че да се влияят от магнитите на ротора. Ъгълът между сензорите трябва да бъде 120 градуса.

Това се отнася за „електрически“ степени. Тези. за многополюсен двигател физическото разположение на сензорите може да бъде както следва:

Понякога сензорите са разположени извън двигателя. Ето един пример за местоположението на сензорите. Всъщност беше двигател без сензор. По такъв прост начин той беше оборудван със сензори на Хол.

При някои двигатели сензорите са монтирани на специално устройство, което позволява да се преместват сензорите в определени граници. С помощта на такова устройство се задава ъгълът на синхронизация. Въпреки това, ако двигателят изисква заден ход (въртене в обратна посока), ще е необходим втори комплект сензори, конфигурирани за заден ход. Тъй като времето не е критично при стартиране и ниски скорости, можете да настроите сензорите на нулева точка и да регулирате програмно ъгъла на напредване, когато двигателят започне да се върти.

Основни характеристики на двигателя

Всеки двигател е проектиран да отговаря на специфични изисквания и има следните основни характеристики:

• Режим на работаза които е проектиран двигателят: дългосрочно или краткосрочно. Дългирежим на работа означава, че двигателят може да работи с часове. Такива двигатели са проектирани по такъв начин, че предаването на топлина към околната среда е по-високо от отделянето на топлина от самия двигател. В този случай няма да се затопли. Пример: вентилация, ескалатор или конвейер. Краткосрочен -предполага, че двигателят ще бъде включен за кратък период, през който няма да има време да загрее до максимална температура, последван от дълъг период, през който двигателят има време да се охлади. Пример: асансьор, електрически самобръсначки, сешоари.
• Съпротивление на намотката на двигателя. Съпротивлението на намотката на двигателя влияе на ефективността на двигателя. Колкото по-ниско е съпротивлението, толкова по-висока е ефективността. Чрез измерване на съпротивлението можете да разберете наличието на късо съединение в намотката. Съпротивлението на намотката на двигателя е хилядни от ома. За измерването му е необходимо специално устройство или специална измервателна техника.
• Максимално работно напрежение. Максималното напрежение, което намотката на статора може да издържи. Максималното напрежение е свързано със следния параметър.
• Максимална скорост. Понякога те не показват максималната скорост, а Kv –броят обороти на двигателя на волт без натоварване на вала. Умножавайки този индикатор по максималното напрежение, получаваме максималната скорост на двигателя без натоварване на вала.
• Максимален ток. Максимално допустим ток на намотката. По правило се посочва и времето, през което двигателят може да издържи определения ток. Максималното ограничение на тока е свързано с възможно прегряване на намотката. Следователно при ниски температури на околната среда действителното време на работа с максимален ток ще бъде по-дълго, а при горещо време двигателят ще изгори по-рано.
• Максимална мощност на двигателя.Пряко свързан с предишния параметър. Това е пиковата мощност, която двигателят може да произведе за кратък период от време, обикновено няколко секунди. При продължителна работа на максимална мощност прегряването на двигателя и повредата му са неизбежни.
• Оценена сила. Мощността, която двигателят може да развие през цялото време, докато е включен.
• Ъгъл на изпреварване на фазата (време). Намотката на статора има известна индуктивност, което забавя нарастването на тока в намотката. Токът ще достигне своя максимум след известно време. За да се компенсира това забавяне, превключването на фазите се извършва с известно изпреварване. Подобно на запалването в двигател с вътрешно горене, където моментът на запалване се задава, като се вземе предвид времето за запалване на горивото.

Трябва също да обърнете внимание на факта, че при номинално натоварване няма да получите максимална скорост на вала на двигателя. Квпоказан за ненатоварен двигател. Когато захранвате двигателя от батерии, трябва да вземете предвид „провисването“ на захранващото напрежение под товар, което от своя страна също ще намали максималната скорост на двигателя.

Безчетковите двигатели са доста разпространени днес. Тези устройства най-често се използват с електрически задвижвания. Те могат да бъдат намерени и на различни хладилни съоръжения. В промишления сектор те се използват в отоплителни системи.

Освен това безчеткови модификации са инсталирани в конвенционалните вентилатори на климатика. В днешно време на пазара има много модели със и без сензори. В същото време модификациите се различават значително по вида на регулаторите. Въпреки това, за да разберем този въпрос по-подробно, е необходимо да проучим структурата на прост двигател.

Безчетков модел устройство

Ако разгледаме конвенционален трифазен безчетков двигател, тогава неговият индуктор е инсталиран от меден тип. Статорите се използват както широки, така и импулсни. Имат зъби с различна големина. Както споменахме по-рано, има модели със и без сензори.

Подложките се използват за фиксиране на статора. Самият процес на индукция възниква поради намотката на статора. Най-често се използват ротори от двуполюсен тип. Ядрата им са стоманени. Към моделите има специални жлебове за закрепване на магнити. Безчетковият двигател се управлява директно с помощта на регулатори, разположени близо до статора. За подаване на напрежение към външната намотка в устройствата са монтирани изолационни порти.

Двуцифрени модели

Безколекторен електрически Мотори от този тип често се използват в хладилно оборудване. В същото време голямо разнообразие от компресори са подходящи за тях. Средно мощността на модела може да достигне 3 kW. Веригата на двигателя с безчеткова намотка най-често включва двоен тип с медна намотка. Монтирани са само импулсни статори. В зависимост от производителя дължината на зъбите може да варира. Сензорите се използват както от електрически, така и от индуктивен тип. Тези модификации не са подходящи за отоплителни системи.

Трябва също така да се има предвид, че сърцевините на безчетковите двигатели са предимно стоманени. В този случай жлебовете за магнитите са доста широки и са разположени много близо един до друг. Поради това честотата на устройствата може да бъде висока. Регулаторите за такива модификации най-често се избират от едноканален тип.

Трибитови модификации

Триразрядният безчетков двигател е отличен за вентилационни системи. Неговите сензори обикновено са от електрически тип. В този случай бобините са инсталирани доста широки. Благодарение на това процесът на индукция се извършва бързо. В този случай честотата на устройството зависи от статора. Намотката му най-често е от меден тип.

Трибитовите безчеткови двигатели могат да издържат на максимално напрежение при 20 V. Тиристорните модификации са доста редки в наши дни. Трябва също да се отбележи, че магнитите в такива конфигурации могат да бъдат монтирани както от външната, така и от вътрешната страна на плочата на ротора.

Направи си сам четирибитови модификации

Направата на четирицифрен безчетков двигател със собствените си ръце е абсолютно проста. За да направите това, първо трябва да подготвите плоча с жлебове. Дебелината на метала в този случай трябва да бъде приблизително 2,3 mm. Жлебовете в тази ситуация трябва да са на разстояние 1,2 см. Ако разгледаме прост модел, тогава намотката трябва да бъде избрана с диаметър 3,3 см. В този случай тя трябва да издържа на прагово напрежение от 20 V.

Подложките за устройството най-често се избират от стомана. В този случай много зависи от размера на роторната плоча. Самият статор трябва да се използва с двойна намотка. В този случай е важно да подготвите ядрото от стоманен тип. Ако разгледаме модификации без регулатори, тогава можем да завършим сглобяването на безчетковия двигател, като инсталираме изолационна врата. В този случай контактите на устройството трябва да бъдат изведени от външната страна на плочата. За обикновен вентилатор такива безчеткови модели са идеални.

Уреди с регулатор AVR2

Безчетков двигател с регулатори от този тип е много популярен днес. Тези системи са най-подходящи за климатични устройства. Те също се използват широко в индустриални приложения за хладилно оборудване. Те могат да работят с електрически задвижвания с различни честоти. Техните бобини най-често се монтират от двоен тип. В този случай могат да се намерят само импулсни статори. На свой ред модификациите по ширина не са много чести.

Сензорите в безчеткови двигатели с регулатори от тази серия използват само индуктивни. В този случай честотата на устройството може да се следи с помощта на дисплейната система. Подложките, като правило, са монтирани от контактен тип и могат да бъдат прикрепени директно към плочата на статора. Безчетковият контролер на двигателя в този случай ви позволява да променяте честотата доста гладко. Този процес се осъществява чрез промяна на параметъра на изходното напрежение. Като цяло тези модификации са много компактни.

Двигатели с регулатори AVR5

Тази серия безчеткови двигатели с контролер често се използва в индустриални приложения за управление на различни електрически уреди. Инсталира се доста рядко в домакински устройства. Характеристика на такива безчеткови модификации може да се нарече повишена честота. В същото време е лесно да се промени параметърът им на мощност. В тези модификации има голямо разнообразие от намотки. Трябва също да се отбележи, че магнитите най-често се монтират от външната страна на кутията на ротора.

Шибърите се използват главно като изолиран тип. Те могат да бъдат монтирани или в кутията на статора, или в сърцевината. Като цяло настройката на устройството става доста бързо. Трябва обаче да се вземат предвид и недостатъците на такива системи. На първо място, те са свързани с прекъсвания на захранването при ниски честоти. Също така е важно да се спомене, че моделите от този тип имат доста висока консумация на енергия. Устройствата обаче не са подходящи за управление на интегрирани електрически задвижвания.

Използване на регулатори AVT6

Този тип безчетков регулатор на скоростта на двигателя е много търсен днес. Неговата отличителна черта може безопасно да се нарече гъвкавост. Регулаторите обикновено се инсталират на безчеткови двигатели, чиято мощност не надвишава 2 kW. В същото време тези устройства са идеални за управление на вентилационни системи. В този случай може да се инсталира голямо разнообразие от контролери.

Скоростта на предаване на сигнала в този случай зависи от вида на системата за управление. Ако разгледаме тиристорните модификации, те имат доста висока проводимост. Те обаче рядко имат проблеми с магнитни смущения. Доста е трудно да сглобите сами модел от този тип. В тази ситуация най-често се избират неизолирани порти.

Модели със сензори на Хол

Безчетковите двигатели със сензори на Хол са широко използвани в нагревателните устройства. В същото време те са подходящи за електрически задвижвания от различни класове. Директно се използват само едноканални регулатори. Намотките в устройството са монтирани от меден тип. В този случай размерът на зъбите на модела зависи единствено от производителя. Подложките за устройствата са директно избрани като тип контакт. Днес сензорите най-често се инсталират от страната на статора. На пазара обаче се предлагат и модели с по-ниско разположение. В този случай размерите на безчетковия двигател ще бъдат малко по-големи.

Нискочестотни модификации

Нискочестотните безчеткови двигатели вече се използват активно в индустриалния сектор. В същото време е идеален за фризери. Средно неговият параметър на ефективност е на ниво от 70%. Вентилите на моделите най-често се използват с изолатори. В същото време тиристорните модификации са доста често срещани в наши дни.

Системите за управление се използват в серията AVR. Освен това честотата на модела зависи от вида на ядрото и др. Трябва също да се има предвид, че има модели с двойни ротори. В този случай магнитите са разположени по дължината на плочата. Статорите най-често се използват с медни намотки. Но нискочестотните безчеткови двигатели със сензори са много редки.

Високочестотни двигатели

Тези модификации се считат за най-популярните за резонансни електрически задвижвания. В индустрията такива модели се срещат доста често. Техните сензори са инсталирани както електронни, така и индуктивни. В този случай намотките най-често се намират от външната страна на плочата. Роторите се монтират както в хоризонтално, така и във вертикално положение.

Директната промяна на честотата на такива устройства се извършва чрез контролери. Обикновено се инсталират със сложна контактна система. Директните стартери се използват само от двоен тип. От своя страна системите за управление зависят от мощността на безчетковото устройство.

Двигателите се използват в много области на техниката. За да може роторът на двигателя да се върти, трябва да има въртящо се магнитно поле. При конвенционалните двигатели с постоянен ток това въртене се извършва механично с помощта на четки, плъзгащи се по протежение на комутатора. В този случай възниква искрене и в допълнение, поради триенето и износването на четките, такива двигатели изискват постоянна поддръжка.

Благодарение на развитието на технологиите стана възможно да се генерира въртящо се магнитно поле по електронен път, което беше въплътено в безчеткови двигатели с постоянен ток (BLDC).

Устройство и принцип на действие

Основните елементи на BDPT са:

• ротор, на които са монтирани постоянни магнити;
• статор, на който са монтирани намотките;
• електронен контролер.

По дизайн такъв двигател може да бъде два вида:

с вътрешен ротор (inrunner)

с външен ротор (извънредно устройство)

В първия случай роторът се върти вътре в статора, а във втория роторът се върти около статора.

Двигател тип Inrunnerизползва се, когато е необходимо да се получат високи скорости на въртене. Този двигател има по-опростен стандартен дизайн, който позволява използването на фиксиран статор за монтиране на двигателя.

Двигател тип OutrunnerПодходящ за постигане на висок въртящ момент при ниски скорости. В този случай двигателят е монтиран с помощта на фиксирана ос.

Двигател тип Inrunner- висока скорост, нисък въртящ момент. Двигател тип Outrunner- ниска скорост, висок въртящ момент.

Броят на полюсите в BLDC може да бъде различен. По броя на полюсите можете да прецените някои характеристики на двигателя. Например, двигател с ротор с 2 полюса има по-голям брой обороти и нисък въртящ момент. Двигателите с увеличен брой полюси имат повече въртящ момент, но по-малко обороти. Чрез промяна на броя на полюсите на ротора можете да промените скоростта на двигателя. По този начин, чрез промяна на дизайна на двигателя, производителят може да избере необходимите параметри на двигателя по отношение на въртящ момент и скорост.

Контрол на BDPT

Контролер на скоростта, външен вид

Използва се за управление на безчетков двигател специален контролер - регулатор на скоростта на вала на двигателяпостоянен ток. Неговата задача е да генерира и подава необходимото напрежение към желаната намотка в точното време. Контролерът за устройства, захранвани от мрежа от 220 V, най-често използва инверторна верига, в която токът с честота 50 Hz се преобразува първо в постоянен ток, а след това в сигнали с модулация на ширината на импулса (PWM). За подаване на захранващо напрежение към намотките на статора се използват мощни електронни превключватели на биполярни транзистори или други силови елементи.

Мощността и скоростта на двигателя се регулират чрез промяна на работния цикъл на импулсите и, следователно, от ефективната стойност на напрежението, подадено към намотките на статора на двигателя.

Принципна схема на регулатора на скоростта. K1-K6 - ключове D1-D3 - сензори за положение на ротора (сензори на Хол)

Важен въпрос е навременното свързване на електронни ключове към всяка намотка. За да се гарантира това контролерът трябва да определи позицията на ротора и неговата скорост. За получаване на такава информация могат да се използват оптични или магнитни сензори (напр. Сензори на Хол), както и обратни магнитни полета.

По-честа употреба Сензори на Хол, който реагират на наличието на магнитно поле. Сензорите са поставени върху статора по такъв начин, че да се влияят от магнитното поле на ротора. В някои случаи сензорите са инсталирани в устройства, които ви позволяват да промените позицията на сензорите и съответно да регулирате времето.

Регулаторите на скоростта на ротора са много чувствителни към силата на тока, преминаващ през него. Ако изберете акумулаторна батерия с по-висок ток, регулаторът ще изгори! Изберете правилната комбинация от характеристики!

Предимства и недостатъци

В сравнение с конвенционалните BLDC двигатели, те имат следните предимства:

• висока ефективност;
• висока производителност;
• възможност за промяна на скоростта на въртене;
• без искрящи четки;
• малки шумове, както в звуковия, така и във високочестотния диапазон;
• надеждност;
• способност да издържа на претоварване на въртящия момент;
• отлично съотношение на размери и мощност.

Безчетковият мотор е високоефективен. Може да достигне 93-95%.

Високата надеждност на механичната част на BD се обяснява с факта, че използва сачмени лагери и няма четки. Демагнетизирането на постоянните магнити става доста бавно, особено ако са направени с помощта на редкоземни елементи. Когато се използва в контролер за токова защита, експлоатационният живот на това устройство е доста дълъг. Всъщност Срокът на експлоатация на BLDC двигателя може да се определи от експлоатационния живот на сачмените лагери.

Недостатъците на BLDC са сложността на системата за управление и високата цена.

Приложение

Областите на приложение на BDTP са следните:

• създаване на модели;
• лекарство;
• автомобилна индустрия;
• Петролна и газова индустрия;
• уреди;
• военна техника.

Използване База данни за модели на самолетиосигурява значително предимство в мощността и размера. Сравнението на конвенционален колекторен двигател от типа Speed-400 и Astro Flight 020 BDTP от същия клас показва, че първият тип двигател има ефективност от 40-60%. Ефективността на втория двигател при същите условия може да достигне 95%. По този начин използването на база данни позволява да се увеличи почти 2 пъти мощността на силовата част на модела или неговото полетно време.

Поради ниския шум и липсата на нагряване по време на работа, BLDC се използват широко в медицината, особено в стоматологията.

В автомобилите се използват такива двигатели повдигачи за прозорци, електрически чистачки на предното стъкло, устройства за измиване на фаровете и електрически контроли за повдигане на седалките.

Няма искрене на комутатор или четкапозволява използването на бази данни като елементи на заключващи устройства в нефтената и газовата индустрия.

Като пример за използването на BD в домакинските уреди можем да отбележим пералнята с директно задвижване на барабана от LG. Тази компания използва RDU тип Outrunner. На ротора на двигателя има 12 магнита, а на статора - 36 индуктора, които са навити с тел с диаметър 1 mm върху сърцевини от магнитопроводима стомана. Бобините са свързани последователно по 12 броя на фаза. Съпротивлението на всяка фаза е 12 ома. Сензор на Хол се използва като датчик за положение на ротора. Роторът на двигателя е прикрепен към ваната на пералнята.

Този двигател се използва широко в твърди дискове за компютри, което ги прави компактни, в CD и DVD устройства и охладителни системи за микро-електронни устройства и др.

Наред с BD с малка и средна мощност, големите BLDC двигатели все повече се използват в тежкотоварната, морската и военната промишленост.

Мощни бази данни са разработени за ВМС на САЩ. Например Powertec разработи 220 kW BDHP със скорост 2000 rpm. Въртящият момент на двигателя достига 1080 Нм.

В допълнение към тези области, DBs се използват в проекти за металорежещи машини, преси, линии за обработка на пластмаси, както и във вятърната енергия и използването на енергия от приливни вълни.

Характеристики

Основни характеристики на двигателя:

• оценена сила;
• максимална мощност;
• максимален ток;
• максимално работно напрежение;
• максимална скорост(или Kv коефициент);
• съпротивление на намотката;
• преден ъгъл;
• режим на работа;
• габаритни размери и тегловни характеристикидвигател.

Основният показател за двигателя е неговата номинална мощност, тоест мощността, генерирана от двигателя за дълъг период на работа.

Максимална мощност- това е мощността, която двигателят може да достави за кратък период от време, без да се повреди. Например за споменатия по-горе безчетков двигател Astro Flight 020 тя е 250 W.

Максимален ток. За Astro Flight 020 е 25 A.

Максимално работно напрежение– напрежение, което могат да издържат намотките на двигателя. За Astro Flight 020 обхватът на работното напрежение е зададен от 6 до 12 V.

Максимални обороти на двигателя. Понякога в паспорта се посочва коефициентът Kv - броят обороти на двигателя на волт. За Astro Flight 020 Kv= 2567 r/V. В този случай максималната скорост може да се определи чрез умножаване на този коефициент по максималното работно напрежение.

Обикновено съпротивление на намоткатаза двигатели е десети или хилядни от ома. За Astro Flight 020 R= 0.07 Ohm. Това съпротивление влияе върху ефективността на BLDC двигателя.

Предварителен ъгълпредставлява напредването на превключващите напрежения върху намотките. Свързва се с индуктивния характер на съпротивлението на намотката.

Режимът на работа може да бъде дългосрочен или краткотраен. В дългосрочен режим двигателят може да работи дълго време. В същото време топлината, генерирана от него, се разсейва напълно и не прегрява. Двигателите работят в този режим, например във вентилатори, конвейери или ескалатори. Краткосрочният режим се използва за устройства като асансьор, електрическа самобръсначка. В тези случаи двигателят работи за кратко и след това изстива за дълго време.

Техническият лист на двигателя показва неговите размери и тегло. Освен това, например, за двигатели, предназначени за модели на самолети, са дадени размерите за кацане и диаметърът на вала. По-специално, следните характеристики са дадени за двигателя на Astro Flight 020:

• дължината е 1,75”;
• диаметърът е 0,98”;
• диаметърът на вала е 1/8”;
• теглото е 2,5 унции.

Изводи:

1. В моделирането, в различни технически продукти, в индустрията и в отбранителната техника се използват BLDC, в които въртящо се магнитно поле се генерира от електронна схема.
2. По дизайн двигателите BLDC могат да имат вътрешен (inrunner) или външен (outrunner) ротор.
3. В сравнение с други BLDC двигатели, те имат редица предимства, основните от които са липсата на четки и искрене, висока ефективност и висока надеждност.

Домакински и медицински уреди, авиомоделиране, задвижвания за затваряне на тръби за газопроводи и нефтопроводи - това не е пълен списък на областите на приложение на безчеткови DC двигатели (BD). Нека да разгледаме конструкцията и принципа на работа на тези електромеханични задвижващи механизми, за да разберем по-добре техните предимства и недостатъци.

Обща информация, устройство, обхват на приложение

Една от причините за интереса към BD е повишената нужда от високоскоростни микромотори с прецизно позициониране. Вътрешната структура на такива устройства е показана на фигура 2.

Както можете да видите, дизайнът се състои от ротор (котва) и статор, първият има постоянен магнит (или няколко магнита, подредени в определен ред), а вторият е оборудван с намотки (B) за създаване на магнитно поле .

Трябва да се отбележи, че тези електромагнитни механизми могат да бъдат или с вътрешна арматура (този тип конструкция може да се види на фигура 2) или външна (вижте фигура 3).

Съответно всеки от дизайните има специфичен обхват на приложение. Устройствата с вътрешна арматура имат висока скорост на въртене, така че се използват в охладителни системи, като електроцентрали за дронове и др. Задвижващите механизми с външен ротор се използват там, където се изисква прецизно позициониране и устойчивост на въртящ момент (роботика, медицинско оборудване, CNC машини и др.).

Принцип на действие

За разлика от други задвижвания, например AC асинхронна машина, BD изисква специален контролер за работа, който включва намотките по такъв начин, че векторите на магнитните полета на котвата и статора да са перпендикулярни един на друг. Тоест по същество задвижващото устройство регулира въртящия момент, действащ върху DB арматурата. Този процес е ясно показан на фигура 4.

Както можете да видите, за всяко движение на арматурата е необходимо да се извърши определена комутация в намотката на статора на безчетков двигател. Този принцип на работа не позволява плавен контрол на въртенето, но дава възможност за бързо набиране на инерция.

Разлики между четкови и безчеткови двигатели

Задвижването от колекторен тип се различава от BD както по конструктивни характеристики (виж фиг. 5.), така и по принципа на работа.

Нека да разгледаме разликите в дизайна. От фигура 5 може да се види, че роторът (1 на фиг. 5) на двигател от колекторен тип, за разлика от безчетков, има намотки с проста верига на намотка, а на статора (2) са монтирани постоянни магнити (обикновено два). на фиг. 5 ). Освен това на вала е монтиран комутатор, към който са свързани четки, подаващи напрежение към намотките на котвата.

Нека поговорим накратко за принципа на работа на колекторните машини. При подаване на напрежение към една от бобините тя се възбужда и се образува магнитно поле. Той взаимодейства с постоянни магнити, което води до въртене на котвата и колектора, поставен върху нея. В резултат на това се подава захранване към другата намотка и цикълът се повтаря.

Честотата на въртене на арматура от този дизайн директно зависи от интензитета на магнитното поле, което от своя страна е пряко пропорционално на напрежението. Тоест, за да увеличите или намалите скоростта, достатъчно е да увеличите или намалите нивото на мощност. И за обръщане е необходимо да смените полярността. Този метод на управление не изисква специален контролер, тъй като регулаторът на скоростта може да бъде направен на базата на променлив резистор, а обикновен превключвател ще работи като инвертор.

Обсъдихме конструктивните характеристики на безчетковите двигатели в предишния раздел. Както си спомняте, свързването им изисква специален контролер, без който те просто няма да работят. По същата причина тези двигатели не могат да се използват като генератор.

Заслужава да се отбележи също, че при някои задвижвания от този тип, за по-ефективно управление, позициите на ротора се наблюдават с помощта на сензори на Хол. Това значително подобрява характеристиките на безчетковите двигатели, но увеличава цената на вече скъпия дизайн.

Как да стартирате безчетков двигател?

За да накарате устройствата от този тип да работят, ще ви е необходим специален контролер (вижте фиг. 6). Без него стартирането е невъзможно.

Няма смисъл сами да сглобявате такова устройство, ще бъде по-евтино и по-надеждно да закупите готово. Можете да го изберете въз основа на следните характеристики, характерни за драйверите на PWM канала:

• Максимално допустимата сила на тока, тази характеристика е дадена за нормалната работа на устройството. Доста често производителите посочват този параметър в името на модела (например Phoenix-18). В някои случаи се дава стойност за пиков режим, който контролерът може да поддържа за няколко секунди.
• Максимално номинално напрежение за продължителна работа.
• Съпротивление на вътрешните вериги на контролера.
• Допустимата скорост е посочена в rpm. Над тази стойност контролерът няма да позволи увеличаване на ротацията (ограничението е въведено на софтуерно ниво). Моля, имайте предвид, че скоростта винаги се дава за двуполюсни задвижвания. Ако има повече двойки полюси, разделете стойността на техния брой. Например, посочено е числото 60000 rpm, следователно за 6-магнитен двигател скоростта на въртене ще бъде 60000/3=20000 prm.
• Честотата на генерираните импулси, за повечето контролери този параметър варира от 7 до 8 kHz; по-скъпите модели ви позволяват да препрограмирате параметъра, като го увеличите до 16 или 32 kHz.

Моля, обърнете внимание, че първите три характеристики определят мощността на базата данни.

Безчетково управление на мотора

Както бе споменато по-горе, превключването на задвижващите намотки се управлява електронно. За да определи кога да превключи, водачът следи позицията на арматурата с помощта на сензори на Хол. Ако задвижването не е оборудвано с такива детектори, тогава се взема предвид обратната ЕМП, която възниква в несвързаните намотки на статора. Контролерът, който по същество е хардуерно-софтуерен комплекс, следи тези промени и задава реда на превключване.

Трифазен безчетков DC двигател

Повечето бази данни са реализирани в трифазен дизайн. За да управлява такова задвижване, контролерът има импулсен преобразувател от постоянен ток към трифазен (виж фиг. 7).

За да обясните как работи такъв клапанен двигател, заедно с Фигура 7, трябва да разгледате Фигура 4, която показва на свой ред всички етапи на работа на задвижването. Нека ги запишем:

1. Положителен импулс се прилага към намотките „A“, докато отрицателен импулс се прилага към „B“, в резултат на което арматурата се движи. Сензорите ще записват движението му и ще изпращат сигнал за следващо превключване.
2. Намотка “A” се изключва и положителен импулс отива към “C” (“B” остава непроменен), след което се изпраща сигнал към следващия набор от импулси.
3. „C“ е положителен, „A“ е отрицателен.
4. Работи двойка „Б” и „А”, които получават положителни и отрицателни импулси.
5. Положителен импулс се прилага отново към „B“, а отрицателен импулс към „C“.
6. Намотките “A” се включват (подава се +) и отрицателният импулс на “C” се повтаря. След това цикълът се повтаря.

В привидната простота на управление има много трудности. Необходимо е не само да се следи позицията на арматурата, за да се произведат следващите серии от импулси, но и да се контролира скоростта на въртене чрез регулиране на тока в намотките. Освен това трябва да изберете най-оптималните параметри за ускорение и спиране. Също така си струва да запомните, че контролерът трябва да бъде оборудван с устройство, което ви позволява да контролирате работата му. Появата на такова многофункционално устройство може да се види на фигура 8.

Предимства и недостатъци

Електрическият безчетков мотор има много предимства, а именно:

• Срокът на експлоатация е значително по-дълъг от този на конвенционалните колекторни аналози.
• Висока ефективност.
• Бързо настройване на максимална скорост на въртене.
• По-мощен е от CD.
• Липсата на искри по време на работа позволява задвижването да се използва в пожароопасни условия.
• Не е необходимо допълнително охлаждане.
• Лесен за използване.

Сега нека да разгледаме минусите. Съществен недостатък, който ограничава използването на бази данни, е тяхната относително висока цена (включително цената на драйвера). Сред неудобствата е невъзможността да се използва базата данни без драйвер, дори и за краткосрочно активиране, например, за проверка на нейната функционалност. Проблемни ремонти, особено ако се налага пренавиване.

Публикувана на 04/11/2014

Верига на регулатора

Веригата е условно разделена на две части: лявата е микроконтролерът с логика, дясната е силовата част. Силовата част може да бъде модифицирана за работа с двигатели с различна мощност или с различно захранващо напрежение.

Контролер – ATMEGA168. Гурметите могат да кажат, че ще бъде достатъчно ATMEGA88, А AT90PWM3- би било "поне според Фън Шуй". Току-що направих първия регулатор "според Фън Шуй". Ако имате възможност да използвате AT90PWM3– това ще бъде най-подходящият избор. Но за моите идеи 8 килобайта памет беше абсолютно недостатъчно. Затова използвах микроконтролер ATMEGA168.

Тази схема е предназначена като тестов стенд. На който се предполагаше да се създаде универсален, адаптивен контролер за работа с различни „калибри“ безчеткови двигатели: както със сензори, така и без сензори за положение. В тази статия ще опиша схемата и принципа на работа на фърмуера на контролера за управление на безчеткови двигатели с и без сензори на Хол.

Хранене

Захранването на веригата е отделно. Тъй като ключовите драйвери изискват захранване от 10V до 20V, се използва 12V мощност. Микроконтролерът се захранва от DC-DC преобразувател, монтиран на микросхема. Можете да използвате линеен стабилизатор с изходно напрежение 5V. Предполага се, че VD напрежението може да бъде от 12V и по-високо и е ограничено от възможностите на драйвера на ключа и самите ключове.

ШИМ и сигнали за ключове

На изхода OC0B(PD5)микроконтролер U1се генерира ШИМ сигнал. Отива до превключвателите JP2, JP3. С тези ключове можете да изберете опцията за прилагане на ШИМ към клавишите (към горните, долните или всички клавиши). На схемата има превключвател JP2настроен на позиция за подаване на ШИМ сигнал към горните клавиши. Превключване JP3на диаграмата е настроен на позиция за забрана на подаването на ШИМ сигнал към долните клавиши. Не е трудно да се досетим, че ако изключим ШИМ на горния и долния превключвател, ще получим постоянна „пълна скорост напред“ на изхода, което може да разкъса двигателя или регулатора в кошчето. Затова не забравяйте да обърнете главата си, когато ги превключвате. Ако нямате нужда от такива експерименти - и знаете на кои суичове ще прилагате ШИМ и на кои не, просто не правете суичове. След превключване на ШИМ сигналът отива към входовете на логическите елементи "&" ( U2, U3). Същата логика получава 6 сигнала от изводите на микроконтролера PB0..PB5, които са управляващи сигнали за 6 ключа. По този начин логическите врати ( U2, U3) наслагват ШИМ сигнал върху управляващите сигнали. Ако сте сигурни, че ще приложите ШИМ, да речем, само към долните клавиши, тогава ненужни елементи ( U2) могат да бъдат изключени от веригата и съответните сигнали от микроконтролера могат да бъдат доставени на ключовите драйвери. Тези. Сигналите ще отиват към драйверите на горните клавиши директно от микроконтролера, а към долните - чрез логически елементи.

Обратна връзка (мониторинг на фазовото напрежение на двигателя)

Фазово напрежение на двигателя У,V,Uчрез резистивни делители W – (R17,R25), V – (R18, R24), U – (R19, R23)пристигат на входа на контролера ADC0(PC0), ADC1 (PC1), ADC2 (PC2). Тези щифтове се използват като входове за сравнение. (В примера, описан в AVR444.pdfот компания AtmelТе не използват компаратори, а измерват напрежението с помощта на ADC. Изоставих този метод, защото времето за преобразуване на ADC не беше подходящо за задвижване на високоскоростни двигатели). Резистивните разделители са избрани по такъв начин, че напрежението, подадено към входа на микроконтролера, да не надвишава допустимата стойност. В този случай резисторите 10K и 5K са разделени на 3. Т.е. При захранване на двигателя 12V. ще бъдат доставени на микроконтролера 12V*5K/(10K+5K) = 4V. Референтно напрежение за компаратор (вход AIN1) се подава от половината от захранващото напрежение на двигателя през делител ( R5, R6, R7, R8). Моля, имайте предвид, че резистори ( R5, R6) са същите по номинална стойност като ( R17, R25), (R18, R24),(R19, ​​​​R23). След това напрежението се намалява наполовина чрез делител R7, R8, след което се преминава към крака AIN1вътрешен компаратор на микроконтролера. Превключване JP1ви позволява да превключите референтното напрежение към напрежението на „средната точка“, генерирано от резистори ( R20, R21, R22). Това беше направено за експерименти и не се оправда. Ако не е необходимо, JP1, R20, R21, R22могат да бъдат изключени от схемата.

Сензори на Хол

Тъй като контролерът е универсален, той трябва да получава сигнали от сензори на Хол, ако се използва двигател със сензори. Приема се, че сензорите на Хол са дискретни, тип SS41. Също така е възможно да се използват други видове сензори с дискретен изход. Сигналите от три сензора се получават чрез резистори R11, R12, R13към превключватели JP4, JP5, JP6. Резистори R16, R15, R14действат като издърпващи резистори. C7, C8, C9– филтърни кондензатори. Превключватели JP4, JP5, JP6избран е типът обратна връзка към двигателя. В допълнение към промяната на позицията на превключвателите, в настройките на софтуера на регулатора трябва да посочите подходящия тип двигател ( Без сензориили Сензоризиран).

Измервания на аналогов сигнал

На входа ADC5 (PC5)през разделител R5, R6Захранващото напрежение на двигателя се подава. Това напрежение се контролира от микроконтролер.

На входа ADC3 (PC3)От текущия сензор се получава аналогов сигнал. Сензор за ток ACS756SA. Това е токов сензор, базиран на ефекта на Хол. Предимството на този сензор е, че не използва шунт, което означава, че има вътрешно съпротивление, близко до нула, така че няма генериране на топлина върху него. В допълнение, изходът на сензора е аналогов в рамките на 5 V, така че се подава към входа на ADC на микроконтролера без никакво преобразуване, което опростява веригата. Ако имате нужда от сензор с по-голям обхват на измерване на тока, просто заменете съществуващия сензор с нов, без изобщо да променяте веригата.

Ако искате да използвате шунт с последващо усилване и съвпадаща верига, моля, направете го.

Задаване на сигнали

Сигнал за настройка на оборотите на двигателя от потенциометъра RV1влиза във входа ADC4 (PC4). Обърнете внимание на резистора R9– шунтира сигнала при прекъсване на проводника към потенциометъра.

Освен това има вход R.C.сигнал, който се използва широко в модели с дистанционно управление. Изборът на контролния вход и калибрирането му се извършва в софтуерните настройки на контролера.

UART интерфейс

Сигнали TX, RXслужат за конфигуриране на контролера и предоставяне на информация за състоянието на контролера - обороти на двигателя, ток, захранващо напрежение и др. За да конфигурирате контролера, можете да го свържете към USB порта на вашия компютър чрез . Конфигурирането се извършва чрез всяка терминална програма. Например: Хипертерминалили Замазка .

други

Има и обратни контакти - изход на микроконтролер PD3. Ако затворите тези контакти преди стартиране на двигателя, двигателят ще се върти в обратна посока.

Към изхода е свързан светодиод, показващ състоянието на регулатора PD4.

Силова част

Използвани ключови драйвери IR2101. Този драйвер има едно предимство - ниска цена. Подходящ за слаботокови системи, за мощни ключове IR2101ще бъде слаб. Един драйвер управлява два “N” канални MOSFET транзистора (горен и долен). Имаме нужда от три такива микросхеми.

Ключовете трябва да бъдат избрани в зависимост от максималния ток и захранващото напрежение на двигателя (отделна статия ще бъде посветена на избора на ключове и драйвери). Диаграмата показва IR540, действително са използвани K3069. K3069предназначен за напрежение 60V и ток 75A. Това очевидно е прекалено, но ги получих безплатно в големи количества (желая ви същото щастие).

Кондензатор C19включва паралелно със захранващата батерия. Колкото по-голям е неговият капацитет, толкова по-добре. Този кондензатор предпазва батерията от токови удари и ключовете от значителни спадове на напрежението. При отсъствието на този кондензатор, вие гарантирано имате минимум проблеми с ключовете. Ако свържете батерията директно към VD– може да прескочи искра. Резистор за потискане на искри R32използва се, когато е свързан към захранващата батерия. Веднага се свързваме " – "батерии, тогава сервирайте" + " За да се свържете Антиискра. Токът протича през резистора и плавно зарежда кондензатора C19. След няколко секунди свържете контакта на батерията към VD. С 12V захранване не можеш да направиш Antispark.

Възможности на фърмуера

• възможност за управление на двигатели със и без сензори;
• за безсензорен двигател има три вида стартиране: без определяне на първоначалната позиция; с определяне на първоначалната позиция; комбиниран;
• регулиране на ъгъла на изпреварване на фазата за безсензорен двигател на стъпки от 1 градус;
• възможност за използване на един от двата главни входа: 1-аналогов, 2-RC;
• калибриране на входни сигнали;
• реверс на двигателя;
• настройка на контролера през UART порта и получаване на данни от контролера по време на работа (обороти, ток, напрежение на батерията);
• ШИМ честота 16.32 KHz.
• настройка на нивото на PWM сигнала за стартиране на двигателя;
• Контрол на напрежението на батерията. Два прага: ограничение и прекъсване. Когато напрежението на акумулатора падне до прага на ограничаване, оборотите на двигателя намаляват. При падане под прага на прекъсване настъпва пълно спиране;
• контрол на тока на двигателя. Два прага: ограничение и прекъсване;
• регулируем амортисьор на управляващия сигнал;
• задаване на мъртво време за ключове

Работа на регулатора

Включване

Захранващото напрежение на регулатора и двигателя са отделни, така че може да възникне въпросът: в каква последователност да се приложи напрежението. Препоръчвам да подадете напрежение към веригата на регулатора. След това свържете захранващото напрежение на двигателя. Въпреки че нямаше проблеми с другата последователност. Съответно, нямаше проблеми при едновременно подаване на напрежение.

След запалване двигателят издава 1 кратък сигнал (ако звукът не е изключен), светодиодът светва и свети постоянно. Регулаторът е готов за работа.

За стартиране на двигателя трябва да се увеличи стойността на командния сигнал. Ако се използва главен потенциометър, двигателят ще стартира, когато командното напрежение достигне приблизително 0,14 V. Ако е необходимо, можете да калибрирате входния сигнал, което ви позволява да използвате по-ранни диапазони на управляващи напрежения. Демпферът на сигнала по подразбиране е конфигуриран. При рязък скок в зададения сигнал скоростта на двигателя ще се увеличи плавно. Амортисьорът има асиметрична характеристика. Нулирането на скоростта става незабавно. Ако е необходимо, амортисьорът може да се регулира или напълно да се изключи.

Стартирайте

Безсензорният двигател се стартира с нивото на стартовото напрежение, зададено в настройките. В момента на стартиране позицията на дросела няма значение. Ако опитът за стартиране е неуспешен, опитът за стартиране се повтаря, докато двигателят започне да се върти нормално. Ако двигателят не може да стартира в рамките на 2-3 секунди, трябва да спрете опитите, да премахнете газта и да продължите с регулирането на регулатора.

Когато двигателят спре или роторът механично блокира, защитата се задейства и регулаторът се опитва да рестартира двигателя.

Стартирането на двигател със сензори на Хол също се извършва с помощта на настройките за стартиране на двигателя. Тези. Ако дадете пълна газ, за ​​да стартирате двигателя със сензори, регулаторът ще подаде напрежението, посочено в настройките за стартиране. И едва след като двигателят започне да се върти, ще се подаде пълно напрежение. Това е донякъде необичайно за сензорен двигател, тъй като такива двигатели се използват предимно като тягови двигатели и в този случай постигането на максимален въртящ момент при стартиране може да бъде трудно. Този регулатор обаче има функция, която предпазва двигателя и регулатора от повреда поради механично блокиране на двигателя.

По време на работа регулаторът предоставя данни за скоростта на двигателя, тока, напрежението на батерията през UART порта във формат:

E: минимално напрежение на батерията: максимално напрежение на батерията: максимален ток: скорост на двигателя (rpm) A: текущо напрежение на батерията: текущ ток: текуща скорост на двигателя (rpm)

Данните се издават на интервали от приблизително 1 секунда. Скорост на трансфер на порт 9600.

Настройка на регулатора

За да конфигурирате контролера, той трябва да бъде свързан към компютъра чрез . Скорост на трансфер на порт 9600.

Контролерът преминава в режим на настройка, когато контролерът е включен, когато сигналът за настройка на потенциометъра е по-голям от нула. Тези. За да превключите регулатора в режим на настройка, завъртете копчето на потенциометъра за настройка и след това включете регулатора. В терминала ще се появи подкана под формата на символа „ > “. След което можете да въвеждате команди.

Контролерът приема следните команди (наборът от настройки и команди може да се различава в различните версии на фърмуера):

ч– показване на списък с команди;
? – извеждане на настройки;
° С– калибриране на управляващия сигнал;
д– възстановяване на фабричните настройки.

екип " ? ” показва в терминала списък с всички налични настройки и тяхното значение. Например:

Motor.type=0 motor.magnets=12 motor.angle=7 motor.start.type=0 motor.start.time=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 voltage.limit=128 voltage.cutoff =120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1

Можете да промените желаната настройка с помощта на команда в следния формат:

<настройка>=<значение>

Например:

pwm.start=15

Ако командата е зададена правилно, настройката ще бъде приложена и запазена. Можете да проверите текущите настройки, след като ги промените с командата “ ? “.

Измерванията на аналогови сигнали (напрежение, ток) се извършват с помощта на ADC микроконтролер. ADC работи в 8-битов режим. Точността на измерване е съзнателно намалена, за да се осигури приемлива скорост на преобразуване на аналогов сигнал. Съответно, контролерът извежда всички аналогови стойности под формата на 8-битово число, т.е. от 0 до 255.

Цел на настройките:

Списък с настройки, тяхното описание:

* – числова стойност на 8-битовия аналогово-цифров преобразувател.
Изчислява се по формулата: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5
Където: U– напрежение във волтове; R5, R6– съпротивление на разделителните резистори в ома.