Устройство бесщеточного двигателя: Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, применение

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, применение

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД – это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

• Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
• Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
• Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» – отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» – положительный, «А» – отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

• Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокий КПД.
• Быстрый набор максимальной скорости вращения.
• Он более мощный, чем КД.
• Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
• Не требуется дополнительное охлаждение.
• Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.  

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.  

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Бесщеточные двигатели | Корпорация Nidec

Технические возможности Nidec

Бесщеточные двигатели постоянного тока

отличаются сниженным энергопотреблением, длительным сроком службы, низким уровнем шума, компактными размерами и малым весом.
Nidec является мировым лидером в разработке и производстве этих высокопроизводительных двигателей.

Щёточные электродвигатели постоянного тока обладают различными преимуществами, такими как высокая эффективность, возможность уменьшения габаритов, возможность работы от электроэнергии и низкие производственные затраты. Однако эти двигатели имеют ряд недостатков, таких как шум из-за трения щеток, образование искр и электрических помех, а также ограниченный срок службы из-за износа щеток. Разработка бесщеточного двигателя постоянного тока решила все эти проблемы.

В бесщеточном двигателе постоянного тока ротор, сделанный из постоянного магнита, приводится в движение магнитной силой цепи обмотки статора. В то время как щеточный двигатель постоянного тока использует щетку и коммутатор для переключения тока, бесщеточный двигатель постоянного тока использует датчик и электронную схему для переключения тока. Разработка этого двигателя стала возможной благодаря развитию технологий полупроводников и периферийных устройств. Этот двигатель имеет преимущества характеристик двигателей постоянного тока (ток и напряжение соответственно пропорциональны крутящему моменту и скорости вращения) и двигателей переменного тока (бесщеточная конструкция). Особенности бесщеточного двигателя постоянного тока включают компактный размер, высокую мощность, длительный срок службы и отсутствие искр и шума, и он используется в широком диапазоне приложений от ПК до бытовой техники.

Характеристики и классификация бесщеточных двигателей постоянного тока

Бесщеточный двигатель постоянного тока «вращает свой магнит».

Ротор, сделанный из магнита, вращается магнитными полями, которые создаются током, протекающим через обмотки статора. Ток переключается датчиком и электронной схемой.

Тип внешнего ротора (ротор снаружи статора)

Преимущества

• Легко получить большой крутящий момент.
• Скорость стабильна при постоянном вращении.

Недостатки

• Ротор большой (движение медленное).
• Внешний ротор требует соответствующих мер безопасности.

Тип внутреннего ротора (ротор находится внутри статора)

Преимущества

• Ротор маленький и может быстро реагировать.
• Змеевик расположен снаружи и уровень отвода тепла высокий.

Недостатки

• Трудно получить большой крутящий момент.
• Магниты могут быть повреждены центробежной силой.

Таблица сравнения типов двигателей

Бесщеточные двигатели постоянного тока

имеют много преимуществ (в частности, в области эффективности).

По сравнению с другими типами двигателей, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет много преимуществ, таких как компактный размер, высокая мощность, низкий уровень вибрации, низкий уровень шума и длительный срок службы.

Компания Nidec имеет значительный опыт в области малых бесщеточных двигателей постоянного тока. Компании принадлежит 80 % мирового рынка шпиндельных двигателей жестких дисков, 60 % мирового рынка двигателей DVD и других оптических приводов и 40 % мирового рынка двигателей вентиляторов. Nidec работает в области малогабаритных прецизионных двигателей, в которой произошел самый быстрый переход на бесщеточные двигатели. Нам удалось наладить массовое производство бесколлекторных двигателей постоянного тока раньше, чем у наших конкурентов, и занять лидирующие позиции на рынке. Кроме того, мы удерживаем позицию № 1 в мире, постоянно внедряя новые технологии, такие как первое в отрасли применение FDB (гидродинамических подшипников), которые удовлетворяют потребности все более точных жестких дисков, а также собственное производство инструментов проектирования и моделирования.

Наиболее плодотворным рынком с точки зрения применения бесколлекторных двигателей постоянного тока становится рынок автомобильных двигателей. Как свидетельствует система гидроусилителя руля, уровень расхода топлива которой можно улучшить на 3-5%, если заменить гидравлическую систему на электрическую, эффект энергосбережения очень высок за счет использования систем электроснабжения. В различных местах все больше и больше гидравлических систем заменяются двигателями. В частности, бесщеточный двигатель постоянного тока играет ведущую роль в замене функций, где требуется управляемость, а также в местах, где часто используются детали и, следовательно, требуются детали с длительным сроком службы. Основная область применения после ГУР – компрессорные двигатели кондиционеров. Кроме того, тяговые двигатели для электромобилей (EV) являются перспективной областью для бесщеточных двигателей постоянного тока. Поскольку система работает от батареи с ограниченной мощностью, двигатель должен быть высокоэффективным и компактным, чтобы его можно было установить в ограниченном пространстве. Благодаря опыту, который мы накопили в области малых прецизионных двигателей, мы стремимся стать компанией № 1 в мире, работающей в области автомобильных двигателей.

Рынок автомобильных компонентов значительно расширяется как область применения бесщеточных двигателей постоянного тока.

Статьи и колонки, связанные с этим продуктом

• Технологии и практические примеры　Технические возможности Nidec　Решения, основанные на бесколлекторных двигателях постоянного тока

Обзор бесколлекторных двигателей постоянного тока

для ракетных исполнительных систем следующего поколения Краткое описание

по
Чарльз Фрик

Скачать PDF

Системы боеприпасов быстро становятся такими же ограниченными по стоимости, как и другие области техники, поскольку затраты растут, а клиенты требуют продуктов меньшего размера и большей дальности. Чтобы эффективно управлять этими боеприпасами в полете, небольшая система управления (CAS) выполняет небольшие точные регулировки для размещения стабилизаторов и регулировки воздушного потока над корпусом. Традиционно эти системы были пневматическими или приводились в действие щеточным двигателем постоянного тока с редуктором, но современные достижения в области электроприводов, включая бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), позволили создать меньшие, легкие, дешевые и более эффективные конструкции CAS. Однако это происходит за счет дополнительной сложности системы для управления тремя фазами BLDC.

Дополнительная сложность возникает из ряда источников. Во-первых, в то время как для традиционного коллекторного двигателя постоянного тока требуется только один H-мост, для BLDC требуются три отдельные пары полевых МОП-транзисторов для управления фазами. Это добавляет небольшую стоимость и требует дополнительной площади земли на печатной плате. При управлении этими полевыми МОП-транзисторами необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать протекания тока, который может вывести из строя полевые МОП-транзисторы, если одновременно активируются верхние и нижние транзисторы. Особое внимание следует уделить мертвому времени, вставляемому между верхней и нижней линиями возбуждения для широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

С точки зрения программного обеспечения, обычным коллекторным двигателем можно управлять с помощью простого ПИД-контура, в то время как для BLDC потребуются более сложные контуры и стратегии коммутации, обычно измеряющие токи обмотки, фазные напряжения, угол ротора и скорость.

Строительство BLDC

BLDC представляет собой набор электромагнитов на статоре с постоянными магнитами, прикрепленными к подвижному ротору. Двигатель может быть либо инраннерным (магниты внутри катушек), либо аутраннерным (магниты снаружи катушек). На рисунке 1 показаны инраннер и аутраннер BLDC. В обоих случаях три фазы проводов (U, V, W или A, B, C) наматываются на зубья статора. Эти обмотки последовательно запитываются, чтобы притягивать и отталкивать постоянные магниты (красный/синий).

Рисунок 1. Inrunner против Outrunner.

Стандартный микропроцессор или DSP не имеют силы тока привода для адекватного питания катушек напрямую, поэтому каскад инвертора мощности, состоящий из полевых МОП-транзисторов (по два на фазу), обычно используется для преобразования привода ШИМ из интерфейса управления в требуемое высокое напряжение. привод для мотора.

Обычно в трехфазном инверторе используется шесть N-канальных МОП-транзисторов (см. верхнюю часть рис. 2), которые создают состояния переключения, показанные в нижней части рис. 2. Несколько состояний переключения не показаны: 001, 010. , 011 и 101. 1 означает, что один из трех верхних МОП-транзисторов включен. Эти состояния отображаются в пространстве состояний, как показано шестью секторами на рис. 3. При включении и выключении переключателей напряжение, подаваемое на обмотки, может достигать максимума 2/3 × В _ДК . Естественным расширением этой стратегии является применение ШИМ к каждой паре МОП-транзисторов. Изменяя скважность сигналов ШИМ, генерируемое напряжение в обмотках может создавать широкий диапазон напряжений в зависимости от разрешения системы генерации ШИМ.

Рис. 2. Трехфазный инвертор и состояния переключения.

Рисунок 3. Переключение представлений в пространстве состояний и разделение на Сектор I по Сектор VI.

Без ШИМ вполне естественной стратегией коммутации является простое последовательное питание каждой пары обмоток (то есть блочная коммутация или шестиступенчатая коммутация). Для этой стратегии одна или две фазы подключаются к высокому уровню, а остальные обмотки — к низкому. При последовательном включении фаз магниты на роторе притягиваются к каждой фазе, и ротор начинает вращаться. Чтобы определить, на какие фазы подавать питание, три датчика Холла обычно устанавливаются на статоре с разницей в 60 электрических градусов друг от друга. Датчики Холла обнаруживают каждый из магнитов ротора и генерируют 3-битную цифровую последовательность, которая используется для определения следующей области коммутации. Хотя эта стратегия хорошо работает для недорогих систем управления двигателем, она страдает от пульсаций крутящего момента на низких скоростях. Кроме того, эта пульсация крутящего момента вызывает акустический шум и вносит ошибку позиционирования, если двигатель используется для позиционирования/сервоприводов. ¹

Синусоидальная коммутация работает по принципу выравнивания токов статора с потоком статора в BLDC. BLDC движется за счет трапециевидного тока через обмотки. Каждый из этих токов должен быть сдвинут по фазе на 120°. Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) похож на BLDC, но требует синусоидальных токов для привода. Блок-схема привода СДПМ представлена ​​на рисунке 4. Простое управление скоростью достигается за счет использования датчика скорости или оценки на основе датчика положения вала и параметров двигателя. Синусоидальный привод особенно хорошо работает на низких скоростях, но выходит из строя на более высоких скоростях, поскольку электрическая частота необходимой синусоидальной волны также должна увеличиваться со скоростью. На более высоких скоростях двигателю требуются более высокие крутящие моменты, что приводит к отставанию фазных токов. ² Для надлежащего управления на более высоких скоростях обычно необходимо вводить фазовое опережение, чтобы поддерживать правильное выравнивание векторов крутящего момента и магнитного потока.

Рис. 4. Синусоидальный привод СДПМ.

Для преодоления этой проблемы может быть реализована более совершенная схема управления, называемая полевым управлением (FOC). Как и в случае с другими стратегиями коммутации, FOC может быть реализован без датчика с оценкой положения и скорости на основе противо-ЭДС, генерируемой обмотками, или с датчиками положения и тока. В основе ВОК лежит управление векторами крутящего момента и потока, поступающими в обмотки двигателя. Генерация этих векторов исходит из желаемой скорости, подаваемой на двигатель.

Используя электрические и механические константы двигателя (момент инерции, коэффициент трения, индуктивность и сопротивление обмоток статора и постоянная противо-ЭДС), контуры ПИ на рис. 5 преобразуют желаемую скорость в величины постоянного тока. Для управления электрическим циклом двигателя эти величины необходимо преобразовать в систему отсчета ротора (рис. 6) для получения V _α и V _β с помощью преобразования Парка. Следующим шагом в FOC является преобразование V _α и V _β в значения ШИМ, отправляемые на блок инвертора ШИМ. Обычно для этого процесса используется либо схема синусоидальной модуляции (SPWM), либо схема модуляции пространственного вектора (SVPWM или SVM).

Рис. 5. Блок-схема ВОК.

Рис. 6. Преобразование параметров управления в ВОК.

Как упоминалось ранее, управляя переключением МОП-транзисторов внутри силового инвертора, можно создать представление пространственного вектора, как на рис. 3. Пространство между соседними единичными векторами кодируется для создания сектора между 1 и 6, соответствующего шесть коммутационных секторов электрического цикла коммутации. Крупный план сектора 1 с рисунка 3 показан на рисунке 7. Вектор напряжения V _REF состоит из векторов напряжения V _α и V _β , а угол θ представляет собой арктангенс V _d , деленный на V _q . ³ На рисунке 7 показано, что V _REF может быть получен с использованием двух смежных единичных векторов (V ₁ и V ₂ ) и пребывания в каждом состоянии определенного времени (соответствующего рабочему циклу). Этот рабочий цикл можно рассчитать с помощью уравнений, аналогичных тем, которые получены из векторной математики (см. рис. 8).

Рис. 7. Сектор 1 пространства состояний.

Расчет U, V, W по векторному уравнению

Рисунок 8. Время секторов из опорных векторов.

Из уравнений на рис. 7 время ШИМ можно найти, используя нормализованное время 1,0 (равное полному 100% рабочему циклу) и вычитая T _n и T _n+1 . Сектор можно определить с помощью дополнительных расчетов, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Определение сектора.

После того, как рабочие циклы рассчитаны и отправлены в модуль PWM контроллера, достигается управление без обратной связи с использованием FOC. Теперь необходимо интегрировать обратную связь, чтобы обеспечить управление с обратной связью. Как показано на рис. 4, токи трех обмоток измеряются и преобразуются с использованием обратных преобразований Кларка и обратного преобразования Парка. Чтобы измерить эти токи, можно использовать несколько различных стратегий: шунтирование в соответствии с каждой фазной обмоткой, один шунт нижнего конца между тремя нижними МОП-транзисторами и землей, фазовые шунты под каждым МОП-транзистором на землю или шунты на стороне высокого напряжения между каждым из них. верхний МОП-транзистор и V _ДК . Если конструкция ограничена по стоимости, метод с использованием двух шунтов на одной линии с обмотками обеспечивает хорошее измерение, поскольку это обеспечивает прямой способ измерения тока двух обмоток напрямую. Третий ток можно рассчитать, используя закон тока Кирхгофа и сумму 0. Дополнительным преимуществом является то, что ток можно измерить в любой момент, а не только при включенных нижних или верхних МОП-транзисторах. После измерения этих токов их следует нормализовать в диапазоне [–1, +1], используя максимальный ток, измеряемый шунтирующей системой.

Для определения положения и скорости можно использовать энкодеры (относительные или абсолютные), датчики Холла, резольверы или магнитные угловые датчики. Однако в зависимости от разрешения датчика могут потребоваться дополнительные схемы оценки положения и скорости. Независимо от технологии, измеренный угол необходимо преобразовать в электрический угол, чтобы синхронизировать коммутацию с фактическим положением ротора и включить преобразования ротора. Угловая скорость также должна быть известна, но обычно она хранится в механической области, чтобы соответствовать желаемой входной скорости.

Зная фактическое положение и скорость ротора, можно выполнить обратное/обратное преобразование Парка и Кларка для преобразования фазных токов из системы отсчета неподвижного статора во вращающуюся систему отсчета в системе отсчета d, q. Контуры PI для результирующих членов ошибок тока и скорости создают векторы ошибок, которые затем возвращаются обратно в прямые преобразования Парка и Кларка, и процесс управления может повторяться.

Как быстро должен повториться этот процесс? Ответ зависит от характеристик двигателя. Частота ШИМ обычно выбирается вне слышимого диапазона (от 15 кГц до 30 кГц), чтобы двигатель не резонировал на слух. Затем FOC и необходимые контуры управления реализуются в подпрограмме обслуживания прерывания PWM, так что новые значения для PWM доступны для следующего цикла PWM. Это налагает жесткие временные ограничения на процедуру FOC, поскольку любое время, затраченное на обслуживание прерывания PWM, является временем, не затраченным на обслуживание других аспектов управляющего процессора (таких как последовательные интерфейсы для программ на базе ПК). При частоте ШИМ 30 кГц каждая ISR ШИМ составляет всего 33,3 мкс. Так что каждая микросекунда имеет значение! Необходимо соблюдать осторожность, чтобы свести к минимуму вычислительные затраты для синуса и косинуса и других вычислений с плавающей запятой. Как правило, предпочтительно, чтобы подпрограмма FOC занимала менее 50% доступного времени PWM ISR, чтобы процессор мог обслуживать другие периферийные устройства, такие как UART, для обслуживания менее важных задач, таких как изменение желаемой скорости или установка нового положения.

Отдельные компоненты

Учитывая и без того сложный характер реализации FOC, тщательный выбор компонентов может помочь свести к минимуму дополнительные проблемы системной интеграции. Analog Devices предлагает ряд компонентов для сигнальных цепей управления двигателем. Эти детали включают драйверы затворов, датчики абсолютного угла и эффекта Холла, датчики тока и изоляционные изделия.

Простую блок-схему компонентов сигнальной цепи управления двигателем можно увидеть на рисунке 10. На верхнем уровне положение и скорость вала BLDC определяются с помощью датчика угла ADA4571 AMR и преобразователя магнитного поля AD22151. Токи фазных обмоток измеряются с помощью встроенных шунтирующих резисторов, а усилители измерения тока AD8418 снимают синфазное напряжение ШИМ. 8-битный 18-разрядный АЦП LTC2345-18 преобразует 6-кратное аналоговое напряжение от датчиков в цифровую область для микроконтроллера. Микроконтроллер использует эти сигналы для расчета рабочего цикла ШИМ, который отправляется на аппаратные таймеры. Драйверы МОП-транзисторов LT1158 действуют как драйверы затворов для шести МОП-транзисторов силового инвертора.

Рис. 10. Блок-схема цепочки сигналов управления двигателем.

LT1158 — это интегрированный полумостовой N-канальный драйвер MOSFET. В то время как напряжение питания может варьироваться от 5 В до 30 В постоянного тока, логика формы входного сигнала ШИМ может принимать уровни ТТЛ или КМОП. Кроме того, один вход ШИМ преобразуется в высокий и низкий управляющие сигналы MOSFET, в то время как микросхема автоматически вставляет адаптивное мертвое время. Это означает, что частота ШИМ может изменяться динамически, а мертвое время автоматически вставляется для защиты полевых МОП-транзисторов от пробоя тока без необходимости внесения изменений в код или регистры таймера ШИМ.

Рис. 11. Драйвер двойного N-канального МОП-транзистора LT1158.

Встроенный анизотропный магниторезистивный (AMR) датчик ADA4571 способен измерять поворот на 180° с точностью до 0,5°. Этот датчик работает от одного источника питания от 2,7 В до 5 В и потребляет всего 7 мА с включенной температурной компенсацией. Выход этого датчика представляет собой две аналоговые синусоидальные волны (V _SIN , V _COS ) с центром около 2,5 В (питание 5 В). После оцифровки напряжений V _SIN и V _COS их можно преобразовать в угол по простой формуле:

Рис. 12. Датчик ADA4571 AMR.

Для измерения абсолютного вращения на 360° ADA4571 можно комбинировать с датчиком магнитного поля с линейным выходом (эффект Холла), таким как AD22151. AD22151 предназначен для работы от одного источника питания 5 В и выдает напряжение, линейно пропорциональное магнитному полю, приложенному перпендикулярно корпусу. Во время нормальной работы устройство потребляет максимум 10 мА и может обнаруживать биполярные или униполярные поля с различной степенью усиления. Преимуществом этого датчика является аналоговое выходное напряжение, которое можно легко добавить в систему, уже измеряющую аналоговые величины, такие как выходы датчика тока или дополнительные аналоговые датчики угла. Поместив AD22151 перпендикулярно ADA4571, можно программно соединить выходные сигналы вместе, чтобы обеспечить определение 360-градусного движения диаметрального магнита, установленного на валу.

Наряду с датчиками угла, ВОК с датчиками требуют точного измерения фазных токов через BLDC. AD8418 — это двунаправленный усилитель для измерения тока с нулевым дрейфом, хорошо подходящий для этой задачи. Этот внешний шунтирующий усилитель работает с коэффициентом усиления 20 В/В по температуре с диапазоном подавления синфазного сигнала от –2 В до +70 В. Усилитель также воспринимает двунаправленные токи через шунт, что особенно полезно при измерении фазных токов для BLDC. Деталь рассчитана на работу с напряжением питания В _S между 2,7 В и 5 В, с аналоговым выходным напряжением, сосредоточенным вокруг V _S /2. Если питание выбрано для 5 В, выходное напряжение составляет около 2,5 В, как и в ADA4571.

Рисунок 13. Датчик тока AD8418.

Для датчиков с аналоговым выходом результаты должны быть преобразованы в цифровую форму. Несмотря на то, что существует множество АЦП, LTC2345 особенно подходит для управления двигателем благодаря 8 одновременным каналам дискретизации. Выборка синхронизируется с одним нарастающим фронтом на линии преобразования. Фазные токи и выходы датчика абсолютного угла затем могут быть синхронизированы с одним и тем же моментом времени во время ШИМ с выравниванием по центру. Работа с одним источником питания 5 В упрощает конструкцию источника питания, при этом потребляя менее 20 мА. Отдельное выходное напряжение цифровой логики позволяет LTC2345 взаимодействовать с микроконтроллерами, процессорами или FPGA с более низким напряжением. Благодаря гибкому характеру диапазонов аналоговых входов смещение 2,5 В датчиков положения и тока может быть автоматически удалено аппаратно с помощью аналоговых входных каналов (IN–). Данные могут выводиться из LTC2345 с использованием выходов SDO с различной тактовой частотой в зависимости от требуемой пропускной способности дискретизации.

Рисунок 14. Блок-схема LTC2345.

Выводы

С ростом распространенности BLDC в исполнительных системах управления требуются более совершенные алгоритмы, датчики и приводные схемы. Синусоидальная и FOC — две стратегии коммутации, которые обеспечивают точное управление BLDC. Обе стратегии требуют точного измерения угла ротора BLDC, что может быть затруднено без правильных компонентов. Однако ADA4571 и AD22151 упрощают это измерение. LT1158 упрощает линии возбуждения ШИМ для трех фаз для БКЭПТ за счет уменьшения количества линий ШИМ и исключения расчетов мертвого времени. AD8418 упрощает ток обмотки, а LTC2345 легко оцифровывает и синхронизирует выходы нескольких аналоговых датчиков. Эти компоненты составляют небольшую часть портфолио Analog Devices для приложений управления двигателями. Для получения дополнительной информации и помощи по проектированию посетите веб-сайт Analog Devices.

использованная литература

¹ Шиён Ли. «Сравнительное исследование методов коммутации трехфазного бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами». 2009.

² Даниэль Коллинз. «Часто задаваемые вопросы: что такое синусоидальная коммутация для двигателей постоянного тока?» Советы по управлению движением.

³ Джин-Ву Юнг. «Проект № 2 Космический векторный инвертор ШИМ». Университет штата Огайо, февраль 2005 г.

Автор

Чарльз Фрик

Чарльз (Час) Фрик — инженер по системным приложениям в Aerospace and Defense Group в Гринсборо, Северная Каролина. До прихода в ADI Час получил две степени бакалавра наук в области робототехники и электротехники в Вустерском политехническом институте в 2016 году. С момента прихода в ADI в 2016 году он работал над всевозможными проектами внутренних и внешних заказчиков, затрагивающими области проектирования печатных плат, встроенного кода C. , графические интерфейсы MATLAB, автоматизация тестирования Python, управление двигателем и многое другое. Вне работы Часа, скорее всего, можно найти либо работающим на своем Jeep Wrangler JLR в гараже, либо катающимся по бездорожью (вероятно, покрытым грязью) в Национальном лесу Ухарри со своей женой и пушистым питбулем «Атлас».