Бесщёточный двигатель постоянного тока обзор

Бесщёточный двигатель постоянного тока обзор

Разработка бесщёточный двигатель постоянного тока датируется 1960-и годами. Реализация нового типа электродвигателя стала возможной благодаря транзисторному переключателю, изобретённому незадолго до появления нового мотора. Применение электроники вместо механического коммутатора и щёток стало своего рода прорывом в области электротехники тех времён. Разработка быстро нашла применение в разных отраслях промышленности, а в отдельных новый тип моторов вытеснил коллекторные двигатели постоянного тока.

Бесщёточный двигатель постоянного тока + контроллер

Высокий уровень производительности в сочетании с долговечностью – вот явные преимущества бесщёточного двигателя постоянного тока. Тем не менее, мотору не удалось полностью вытеснить коллекторные двигатели. Причины очевидны — дорогостоящее решение и сложная конструкция наряду с системой управления.

Контроллер БЩД обеспечивает функции и методы, присущие контроллерам щёточных моторов постоянного тока. Однако существуют некоторые концептуальные различия в устройстве и реализации. Рассмотрим ниже характеристики контроллера на бесщёточный двигатель постоянного тока. В частности, принцип работы, устройств, предназначение.

Контроллером двигателя БЩД регулируется скорость и крутящий момент. Система также:

  • запускает,
  • останавливает,
  • реверсирует движение.

С целью лучшего понимания принципа работы контроллера, логичным видится рассмотреть конструкцию бесщёточного двигателя. Основные компоненты конструкции мотора включают:

  1. Ротор (якорь) на постоянных (неодимовых) магнитах.
  2. Статор с обмотками из провода.

За счёт магнитов ротора и обмоток статора, формирующих магнитное поле при подаче тока, обеспечивается вращение ротора электродвигателя. Вращательные силы создаются притяжением/отталкиванием ротора и статора противоположными полюсами.

Аналогичный процесс характерен и для коллекторного мотора постоянного тока. Существенное отличие, однако, — это способ коммутации тока, протекающего через проводники статорных обмоток.

Способ коммутации на коллекторных щёточных двигателях представлен механическим процессом коллектора и щёток. Коммутация на бесщёточных моторах выполняется электронным способом через транзисторные ключи.

Бесщёточный двигатель принцип работы

Здесь главную роль исполняет контроллер электронного управления. Контроллером бесщёточного двигателя определяется положение ротора, либо сенсором (как правило, датчик Холла), либо без сенсора. Контроллер получает сигнал от датчика и управляет транзистором. Через транзистор питание подаётся на конкретную обмотку статора.

В зависимости от расположения ротора, различают два типа бесщёточных двигателей:

  1. Роторно-внутренний.
  2. Роторно-внешний.

Роторно-внутренняя конструкция (ротор внутри, статор снаружи) имеет лёгкий вес и показывает более высокую скорость вращения по причине меньшего вращаемого диаметра. В свою очередь, роторно-внешняя конструкция имеет более высокий крутящий момент по причине длинного плеча и большей электродвижущей силы, приложенной к ротору.

Бесщёточный двигатель постоянного тока обзор + исполнение
Схематично показанное исполнение: 1 — роторно-внутреннее ( + схема соединения обмоток); 2 — роторно-внешнее ( + схема соединения обмоток)

Трехфазные бесщёточные двигатели постоянного тока также различают по конфигурации соединения обмоток:

  1. Звезда (Y).
  2. Треугольник (Δ).

Для первой конфигурации характерным является соединение нейтрального провода с землёй. Такой подход обеспечивает защиту мотора от перенапряжения и перегрузки. Соединение треугольником не имеет нейтрального провода, поэтому такая схема предпочтительна для моторов, где нагрузка сбалансирована.

Бесщёточный двигатель классификация контроллера

Как уже отмечалось, контроллеры бесщёточных двигателей различают в зависимости от метода, который используется для определения положения ротора. Определяется точка ротора посредством датчиков положения или методом без датчиков. Как правило, тут есть варианты:

  • датчики Холла,
  • поворотные энкодеры,
  • сенсоры переменного сопротивления,
  • резольверы,
  • оптические сенсоры.

Бессенсорный контроллер бесщёточного двигателя, соответственно, работает без датчика. Здесь определение точки положения ротора выполняется оценкой противоэлектродвижущей силы. Имеется в виду напряжение (противоположная ЭДС), создаваемое в обмотках статора вращающимся якорем. Чем ближе магнит ротора, тем выше противоположная сила.

Типичный контроллер на бесщёточный двигатель имеет схему «полумост» или «H-мост». Первая конфигурация, в отличие от схемы «H-мост», имеет только два ключа. Один транзистор верхнего плеча и один транзистор нижнего плеча.

Большинство бесщёточных двигателей построены с учётом двух- или трёх фазной системы питания. Соответственно, принципиальная схема контроллера представлена в виде двух или трёх схем «полумост» с парой переключателей в каждой.

Контроллер трехфазной схемы с датчиками Холла

Для этой схемы характерным является наличие трёх обмоток, расположенных под углом 120° относительно одна к другой. Каждая обмотка имеет векторное представление напряжения и тока, что прикладываются к статору.

Датчики Холла контроллера определяют положение ротора. Получив сигнал датчика, силовые транзисторы (МОП структура) переключают ток на правую обмотку. Контроллеры большой мощности обычно наделяются IGBT- и GaN- переключателями, которые допустимо заменить полевыми транзисторами (МОП структура).

Полевыми транзисторами, как правило, управляют интегрированные, либо дискретные драйверы затворов. Драйверы схемы контроллера действуют как промежуточное звено между переключателями и микроконтроллером.

Бесщёточный двигатель постоянного тока обзор + датчик Холла
Датчики Холла (H1, H2, H3) воспринимают магнитное поле и генерируют логический «высокий» сигнал для одного магнитного полюса или логический «низкий» сигнал для противоположного полюса

Схема контроллера трёхфазного двигателя включает шесть шагов, необходимых для завершения полного цикла переключения (подачи питания на все три обмотки статора). При включении и выключении транзисторов верхнего и нижнего плеча, ток последовательно протекает через обмотки статора.

При проектировании контроллера бесщёточного двигателя учитываются различные подходы на коммутацию тока. В частности, имеет место трапецеидальная и синусоидальная коммутации. Названия связаны с формами сигнала.

При трапециевидной коммутации две обмотки из трёх допустимо оставить под напряжением одновременно. При синусоидальном методе управления фазовый сдвиг подчиняется закону синусов. Такой подход обеспечивает плавное переключение тока между фазами.

Трапециевидная коммутация выглядит проще, но способна вызвать вибрации на малых скоростях. Внедрение синусоидальных форм тока, как правило, позволяет обеспечить безупречную работу системы. Однако этот тип коммутации сложно согласовать с высокоскоростным режимом.

Широтно-импульсная модуляция схемы контроллера

Традиционно схемой контроллера используется широтно-импульсная модуляция. Эта технология помогает регулировать ток, подаваемый в обмотки ротора, выполнять процесс коммутации плавно и эффективно. Особенно актуальна технология для контроллеров с обратной связью по выходному сигналу и регулированием входной мощности.

Здесь важен параметр скважности — процентное соотношение между текущим импульсом и полным циклом токового сигнала. Контроллер скорости бесщёточного двигателя изменяет рабочие циклы ШИМ для создания синусоидальных сигналов. В схеме контроллера синусоидального бесщёточного двигателя используется трёхфазная широтно-импульсная модуляция.

Частота переключения ШИМ различна в зависимости от применения. Но в любом случае частота ШИМ достаточно высокая, чтобы предотвратить потерю мощности. Физические ограничения статора определяют максимальный уровень частоты, как и характеристики блока управления.

Проблемы создания контроллера скорости БЩД

Построение схемы контроллера вполне может сопровождаться определёнными проблемами. В зависимости от функциональности и области применения, необходимо выбрать подходящее оборудование и реализовать необходимые алгоритмы.

Например, контроллеры моторов силовой электроники работают с большими токами и напряжениями. Соответственно, требуют высокой частоты переключения. Поэтому логично использовать дискретные компоненты, включая внешние транзисторы большой мощности (IGBT, GaN и т.п.).

Точность позиционирования ротора видится одной из выраженных проблем любого контроллера бесщёточного двигателя. Как показывает практика, точность позиционирования достигается применением соответствующих сенсоров.

Так, современные датчики положения дают относительно простой метод обнаружения, который реализуется без сложных алгоритмов управления. Однако использование датчиков обнаружения требует специального обустройства и обслуживания конструкции.

Бездатчиковый метод (измерение обратной ЭДС) снижает стоимость спецификации и несколько упрощает конструкцию контроллера. Но в этом варианте отмечается проблема хода ротора, поскольку обратная ЭДС отсутствует, когда ротор находится в состоянии покоя.

Кроме того, обратная ЭДС пропорциональна скорости вращения ротора. Соответственно, точность позиционирования снижается, если двигатель работает на низких скоростях.

Как определить обратную ЭДС?

Чтобы определять обратную ЭДС, необходимо тщательно продумать схему контроллера, разработать правильно программное обеспечение. Потребуется:

  • установить преобразователи тока и напряжения,
  • добавить фильтры помех,
  • построить алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Многое, конечно, зависит от конкретной реализации метода определения. Для повышения точности допустимо комбинировать разные подходы.

Например, использовать оптический датчик или поворотный энкодер вместе с датчиком Холла. Для определения положения ротора разумно измерять обратную ЭДС и дополнительно получать данные от датчика Холла или лазерного датчика положения.

Бесщёточный двигатель постоянного тока обзор + обратная ЭДС
Обратная ЭДС проявляется в результате прямо противоположного процесса генерации магнитного поля или когда движущееся (меняющееся) магнитное поле проходит через катушку, индуцируя ток

Основные проблемы программирования заключаются в разработке прошивки микроконтроллера. Прошивка традиционно включает в состав кода:

  • коммутацию,
  • определение положения ротора,
  • генерацию сигналов ШИМ,
  • другие функции.

Обычно микроконтроллером используется ПИД алгоритм (пропорционально-интегрально-дифференцирующий). Алгоритм ПИД необходим для регулирования скорости, крутящего момента и других характеристик мотора.

Этим алгоритмом обрабатываются данные текущей скорости, сравниваются значения с заданными значениями. Определяется частота выходных сигналов, применимых к мотору для стабилизации скорости.

Заключение

Бесщёточные двигатели постоянного тока применяются повсеместно, от бытовых устройств до сложных систем промышленной автоматизации. Между тем, несмотря на высокую степень надёжности и высокий КПД, универсальность таких моторов не подтвердилась. Высокая стоимость и сложная реализация контроллера – основные причины. Кроме того, разработка систем управления требует значительных ресурсов и нетрадиционных инженерных решений, как на аппаратном, так и на программном уровне.


При помощи информации: IntegraSources