Бесщеточный двигатель принцип работы

Как устроен бесщеточный двигатель

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле.

В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики.

С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере.

Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Использование

Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами встречается в основном в устройствах с мощностью в пределах 5 кВт.

В более мощной аппаратуре их применение нерационально.

Магниты в двигателях данного типа отличаются особой чувствительностью к высоким температурам и сильным полям.

Двигатели активно используются в электрических мотоциклах, автомобильных приводах благодаря отсутствию трения в коллекторе.

Описание и принцип работы

Бесщеточный (бесколлекторный) двигатель постоянного тока очень похож на двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, но не имеет щеток для замены или износа из-за искрения коммутатора.

Поэтому в роторе выделяется мало тепла, что увеличивает срок службы двигателей.

Конструкция бесщеточного двигателя устраняет необходимость в щетках благодаря более сложной схеме привода, в которой магнитное поле ротора является постоянным магнитом, который всегда синхронизирован с полем статора, что позволяет более точно контролировать скорость и крутящий момент.

Управление бесщеточными двигателями постоянного тока очень отличается от обычного щеточного двигателя постоянного тока тем, что этот тип двигателя включает в себя некоторые средства для определения углового положения роторов (или магнитных полюсов), необходимые для получения сигналов обратной связи, необходимых для управления переключением полупроводников. Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Как работает коллекторная машина

Чтобы произвести запуск коллекторного двигателя, потребуется подать напряжение на обмотку возбуждения, которая расположена непосредственно на якоре. При этом образуется постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на статоре, в результате чего проворачиваются якорь и коллектор, закрепленный на нём. При этом подается питание на следующую обмотку, происходит повтор цикла.

Как осуществляется управление

Электронный блок управления позволяет провести коммутацию обмоток привода. Для определения момента переключения при помощи драйвера отслеживается положение ротора по датчику Холла, установленном на приводе.

В том случае, если нет таких устройств, необходимо считывать обратное напряжение.

Оно генерируется в катушках статора, не подключенных на данный момент времени.

Контроллер — это аппаратно-программный комплекс, он позволяет отслеживать все изменения и максимально точно задавать порядок коммутации.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током.

Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи.

Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

1. На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
2. Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
3. На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
4. Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
6. На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Преимущества использования

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы.

Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

1. Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
2. Высокий уровень КПД.
3. Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
4. Скорость вращения набирается намного быстрее.
5. Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
6. Очень простая эксплуатация привода.
7. При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Управление бездатчиковыми бесколлекторными двигателями (Sensorless BLDC)

Существуют бесколлекторный двигатели без каких либо датчиков положения или энкодеров. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-« питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора. Обычно определяют момент перехода напряжения на свободной фазе через нулевую точку (половину питающего напряжения). Т.е. нужно отследить момент, когда напряжение на свободной фазе сравняется со средней точкой. Разумеется, для работы этого метода двигатель должен вращаться. Этот метод хорошо работает при сравнительно высоких оборотах двигателя. При низких оборотах наводимая ЭДС может оказаться недостаточной для четкого определения положения ротора. Тем не менее, этот метод применяется. Один из методов определения положения ротора при невращающемся двигателе будет рассмотрен в следующей статье. Способы запуска беcколлекторного бездатчикового двигателя также будут рассматриваться в следующей статье.

Схема со средней точкой

Виртуальная средняя точка

Эта схема очень проста и применяется очень часто, но она имеет свои недостатки. Из за ШИМ напряжение средней точки не постоянно. Оно колеблется в широком диапазоне напряжений. Для того чтобы микроконтроллер смог измерить напряжение, применяются цепи согласования сигналов — делители напряжения и RC-фильтры для сглаживания колебаний.

Если Ваш двигатель питается напряжением 24 вольта, то в средней точке напряжение может находиться в пределах от 0 до 24 Вольт. Микроконтроллеры обычно имеют предел измерения 5 В. Без схем согласования уровней сигналов не обойтись. Учтите, что повысив напряжение питания двигателя, следует изменить и делители напряжения в цепях согласования. В противном случае напряжение может превысить допустимое и вывести со строя микроконтроллер. Для предотвращения таких ситуаций дополнительно применяют схемы защиты.

Присутствие делителя напряжения ведет к снижению чувствительности на малых оборотах двигателя, а наличие фильтров вносит задержку. Задержка является причиной погрешностей в определении положения ротора и может стать критичной для управления двигателями на высоких скоростях.

Поскольку схема с виртуальной средней точкой достаточно шумная, можно прибегнуть к другой схеме, где стабильное напряжение средней точки устанавливается отдельно и зависит от питающего напряжения.

В литературе встречались упоминания о схемах, которые используют измерение третьей гармоники статора. Также есть упоминание о применение высокочастотного сигнала для определения положения ротора. Однако более подробной информации об этом методе сообщить не могу.

Мы будем рассматривать простую схему, в которой стабильное напряжение средней точки устанавливается отдельно.

Алгоритм коммутаций

На первом этапе P1 на фазу V подается «+», минус — на фазу U. При этом напряжение на фазе W начинает расти и в середине периода P1 пересекает нулевую точку — половину напряжения между фазами V и U, т.е. половину питающего напряжения. Как видно из диаграммы, изменение состояния ключей нужно выполнить на половине периода между событием пересечения нулевой точки (ZC). После переключения состояния ключей (этап P2) измерения выполняем на свободной фазе V. Обратите внимание на то, что напряжение на свободной фазе может расти или падать. Это придется учитывать при работе компараторов. Таким образом, наш регулятор должен помнить на каком шаге от P1 до P6 находится, и переходить к следующему состоянию, исходя из расчетов времени, вычисленных между событиями ZC.

Ниже приведена таблица соответствия состояния ключей и свободных фаз для каждого из 6 положений ротора:

Этап	Питание +	Питание —	Открытые ключи	Измерения на фазе
P1	V	U	SW1, SW5	W↑
P2	W	U	SW3, SW5	V↓
P3	W	V	SW3, SW4	U↑
P4	U	V	SW2, SW4	W↓
P5	U	W	SW2, SW6	V↑
P6	V	W	SW1, SW6	U↓

Итак, нам понадобится подсчитывать время между ZC. И отмерять время от события ZC до переключения ключей. Это время должно учитывать угол опережения фазы.

Выбор частоты ШИМ

Предположим ситуацию, когда, частота ШИМ 8 кГц, скважность 100% (полный газ), двигатель вращается со скоростью, при которой частота коммутаций тоже равняется 8 кГц. Т.е. от момента переключения ключей до следующего переключения проходит ровно один период ШИМ сигнала. Если скорость вращения возрастёт и частота коммутаций превысит частоту ШИМ, возникнет ситуация, при которой ШИМ сигнал будет удерживать ключи открытыми дольше необходимого и противодействовать вращению двигателя. Кроме того, измерение напряжения на свободной фазе синхронизированы частотой ШИМ сигнала, поэтому нет технической возможности вычислить скорость коммутации выше частоты ШИМ. Другими словами контролер теоретически не сможет управлять двигателем, если тот вращается со скоростью, при которой частота коммутаций превышает частоту ШИМ сигнала. Это только теоретические расчеты. На практике, желательно чтобы частота ШИМ в несколько раз превышала частоту коммутаций.

Например, имеем регулятор с частотой ШИМ 8 кГц, и двигатель с 14 магнитами. Максимальная теоретически возможная частота вращения вала двигателя будет:

V=(Q/6/(N/2)*60);

Q — частота ШИМ в герцах 6 — количество коммутаций за один электрический оборот N — количество магнитов 60 — количество секунд в минуте

V=((8000/6/(14/2))*60) = 11428 об/мин.

Двигатель с 28 магнитами: V=((8000/6/(28/2))*60) = 5714 об/мин.

Т.е. если вам нужно управлять многополюсным двигателем на высоких оборотах, придется использовать регулятор с более высокой частотой ШИМ.

Например, чтобы раскрутить двигатель с 24 магнитами до 10000 об/мин понадобится регулятор с частотой ШИМ не ниже 24кГц. Нужно так же помнить, что чем выше частота ШИМ, тем больше переходных процессов происходит на ключах за единицу времени. Это может привести к увеличению потерь и к увеличению тепловыделения на ключах.

Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы

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.