Введение в управление бесколлекторными двигателями постоянного тока

Аннотация

Steven Keeping, Введение в управление бесколлекторными двигателями постоянного тока. В статье рассмотрены области применения, конструктивные особенности и способы управления бесколлекторными двигателями постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока (БКЭПТ) становится все более популярными в таких секторах, как автомобильная (в частности, электромобили), ОВК, бытовые товары и промышленные изделия, поскольку он устраняет механический коммутатор, используемый в традиционных двигателях, заменяя его электронным устройством что повышает надежность и долговечность устройства.

Другим преимуществом двигателя БКЭПТ является то, что его можно сделать меньше и легче, чем коллекторный с одинаковой выходной мощностью, что делает его подходящим для приложений, где пространство ограничено.

Недостатком является то, что двигатели БКЭПТ нуждаются в электронном управлении для запуска. Например, микроконтроллер, используя входные сигналы от датчиков, указывающих положение ротора, необходим для включения катушек статора в нужный момент. Точная синхронизация позволяет точно регулировать скорость и крутящий момент, а также обеспечивать максимальную эффективность работы двигателя.

В этой статье объясняются основы работы двигателя БКЭПТ и описывается типичная схема управления для работы трехфазного моста. В статье также рассматриваются некоторые из интегрированных модулей, которые разработчик может выбрать для облегчения проектирования схемы, которые специально разработаны для управления двигателем БКЭПТ.

Преимущества бесколлекторной конструкции

Щетки обычного двигателя передают мощность на обмотки ротора, которые при включении вращаются в фиксированном магнитном поле. Трение между неподвижными щетками и вращающимся металлическим контактом на вращающемся роторе вызывает износ. Кроме того, мощность может быть потеряна из-за плохого контакта с металлическим контактом и дугой.

Поскольку двигатель БКЭПТ не имеет щеток, вместо этого используется электронный коммутатор – надежность и эффективность двигателя улучшаются за счет устранения этого источника износа и потери мощности. Кроме того, двигатели БКЭПТ обладают рядом других преимуществ по сравнению с электродвигателями постоянного тока и асинхронными двигателями, включая лучшие характеристики скорости и крутящего момента; более быстрый динамический отклик; бесшумная работа; и более высокие диапазоны скоростей.

Кроме того, соотношение крутящего момента относительно размера двигателя, выше, что делает его хорошим выбором для таких применений, как стиральные машины и электротранспорт, где требуется высокая мощность, но компактность и легкость являются критическими факторами. (Тем не менее, следует отметить, что коллекторные электродвигатели постоянного тока имеют более высокий пусковой момент).

Двигатель БКЭПТ известен как «синхронный», потому что магнитное поле, генерируемое статором и ротором, вращается с одинаковой частотой. Одним из преимуществ этой схемы является то, что двигатели БКЭПТ не подвержены «скольжению», характерного для асинхронных двигателей.

Хотя двигатели могут быть одно-, двух- или трехфазными, последний является наиболее распространенным типом и является версией, которая будет обсуждаться здесь.

Статор двигателя БКЭПТ содержит стальные пластины, прорезанные в осевом направлении для размещения четного числа обмоток вдоль внутреннего пространства. В то время как статор двигателя БКЭПТ напоминает двигатель асинхронного двигателя, обмотки распределены по-разному.

Ротор состоит из постоянных магнитов и имеет от двух до восьми пар полюсов Север-Юг. Больше пар магнитов увеличивает крутящий момент и сглаживает пульсации момента, во время работы двигателя. Недостатком является более сложная система управления, увеличенная стоимость и более низкая максимальная скорость.

Традиционно ферритовые магниты использовались для создания постоянных магнитов, но современные устройства, как правило, используют редкоземельные магниты. Хотя эти магниты являются более дорогими, они генерируют большую плотность потока, позволяя ротору иметь меньший размер при том же крутящем моменте. Использование этих мощных магнитов является ключевой причиной, по которой двигатели БКЭПТ обеспечивают более высокую мощность, чем двигатель постоянного типа с коллектором такого же размера.

Принцип работы

Электронный коммутатор двигателя БКЭПТ последовательно активирует катушки статора, генерируя вращающееся электрическое поле, которое тащит вокруг него ротор. N электрические обороты равны одному механическому обороту, где N – число пар магнитов.

Для трехфазного двигателя в статор встроены три датчика Холла, чтобы указать относительные положения статора и ротора на контроллер, чтобы он мог активировать обмотки в правильной последовательности и в правильное время. Датчики Холла обычно устанавливаются на не приводящем конце устройства.

Когда магнитные полюса ротора проходят датчики Холла, генерируется высокий (для одного полюса) или низкий (для противоположного полюса) сигнал. Как подробно описано ниже, точную последовательность коммутации можно определить, комбинируя сигналы от трех датчиков.

Все электродвигатели генерируют потенциал напряжения из-за перемещения обмоток через соответствующее магнитное поле. Этот потенциал известен как электродвижущая сила (ЭДС) и, согласно закону Ленца, это приводит к возникновению тока в обмотках с магнитным полем, которые противостоят первоначальному изменению магнитного потока. В более простых терминах это означает, что ЭДС стремится противостоять вращению двигателя и поэтому называется обратной ЭДС. Для данного двигателя с фиксированным магнитным потоком и количеством обмоток ЭДС пропорциональна угловой скорости ротора.

Но обратная ЭДС может быть использована для преимущества. Контролируя обратную ЭДС, микроконтроллер может определить относительные положения статора и ротора без необходимости датчиков Холла. Это упрощает конструкцию двигателя, снижает его стоимость, а также устраняет дополнительную проводку и соединения с двигателем, которые в противном случае были бы необходимы для работы датчиков. Это повышает надежность при наличии грязи и влажности.

Однако стационарный двигатель не генерирует обратную ЭДС, что делает невозможным определение положения ротора двигателя при запуске микроконтроллера. Решение состоит в том, чтобы запустить двигатель без обратной связи и разгонять до тех пор пока величина обратной ЭДС станет достаточной, чтобы микроконтроллер перешел в режим замкнутого управления. Эти так называемые бездатчиковые двигатели БКЭПТ набирают популярность.

Список использованной литературы

1. Brushless DC Motor Primer, Muhammad Mubeen, July 2008.
2. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN885, 2003.
3. Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control, Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN970, 2005.
4. AVR1607: Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323, Atmel application note, 2010.
5. FCM8201 Three-Phase Sine-Wave BLDC Motor Controller, Fairchild Semiconductor application note AN-8201, 2011.