Безколекторний двигун постійного струму: особливості та принцип роботи. Безколекторні двигуни постійного струму. Пристрій бесколлекторного двигуна Двигуни безколекторні число обертів

Побутова та медична техніка, авіамоделювання, трубозапорние приводи газо- і нафтопроводів - це далеко не повний перелік областей застосування безколекторних двигунів (БД) постійного струму. Давайте розглянемо пристрій і принцип дії цих електромеханічних приводів, щоб краще зрозуміти їхні переваги і недоліки.

Загальні відомості, пристрій, сфера застосування

Одна з причин прояву інтересу до БД - це зросла потреба в високооборотних мікродвигуна, що володіють точним позиціонуванням. Внутрішній устрій таких приводів продемонстровано на малюнку 2.

Як бачите, конструкція являє собою ротор (якір) і статор, на першому є постійний магніт (або кілька магнітів, розташованих в певному порядку), а другий обладнаний котушками (В) для створення магнітного поля.

Примітно, що ці електромагнітні механізми можуть бути як з внутрішнім якорем (саме такий тип конструкції можна побачити на малюнку 2), так і зовнішнім (див. Рис. 3).

Відповідно, кожна з конструкцій має певну сферу застосування. Пристрої з внутрішнім якорем мають високу швидкість обертання, тому використовуються в системах охолодження, в якості силових установок дронів і т.д. Приводи з зовнішнім ротором використовуються там, де потрібне точне позиціонування і стійкість до перевантажень по моменту (робототехніка, медичне обладнання, верстати ЧПУ і т.д.).

Принцип роботи

На відміну від інших приводів, наприклад, асинхронної машини змінного струму, для роботи БД необхідний спеціальний контролер, який включає обмотки таким чином, щоб вектори магнітних полів якоря і статора були ортогональні один до одного. Тобто, по суті, пристрій-драйвер регулює крутний момент, діючий на якір БД. Наочно цей процес продемонстрований на малюнку 4.

Як бачимо, для кожного переміщення якоря необхідно виконувати певну комутацію в обмотці статора двигуна бесколлекторного типу. Такий принцип роботи не дозволяє плавно керувати обертанням, але дає можливість швидко набрати обертів.

Відмінності колекторного і бесколлекторного двигуна

Привід колекторного типу відрізняється від БД як конструктивними особливостями (див. Рис 5.), так і принципом роботи.

Розглянемо конструктивні відмінності. З малюнка 5 видно, що ротор (1 на рис. 5) двигуна колекторного типу, на відміну від бесколлекторного, має котушки, у яких проста схема намотування, а постійні магніти (як правило, два) встановлені на статорі (2 на рис. 5 ). Крім цього на валу встановлений колектор, до якого підключаються щітки, що подають напругу на обмотки якоря.

Коротко розповімо про принцип роботи колекторних машин. Коли на одну з котушок подається напруга, відбувається її порушення, і утворюється магнітне поле. Воно вступає у взаємодію з постійними магнітами, це змушує провертатися якір і розміщений на ньому колектор. В результаті харчування подається на іншу обмотку і цикл повторюється.

Частота обертання якоря такої конструкції безпосередньо залежить від інтенсивності магнітного поля, яке, в свою чергу, прямо пропорційно напрузі. Тобто, щоб збільшити або зменшити обороти, досить підвищити або знизити рівень харчування. А для реверсу необхідно переключити полярність. Такий спосіб управління не вимагає спеціального контролера, оскільки регулятор ходу можна зробити на базі змінного резистора, а звичайний перемикач буде працювати як інвертор.

Конструктивні особливості двигунів бесколлекторного типу ми розглядали в попередньому розділі. Як ви пам'ятаєте, їх підключення вимагає наявності спеціального контролера, без якого вони просто не будуть працювати. З цієї ж причини ці двигуни не можуть використовуватися як генератор.

Варто також відзначити, що в деяких приводах даного типу для більш ефективного управління відслідковуються положення ротора за допомогою датчиків Холла. Це істотно покращує характеристики безколекторних двигунів, але призводить до подорожчання і так недешевого конструкції.

Як запустити безколекторний двигун?

Щоб змусити працювати приводи даного типу, буде потрібно спеціальний контролер (див. Рис. 6). Без нього запуск неможливий.

Збирати самому такий пристрій немає сенсу, дешевше і надійніше буде придбати готовий. Підібрати його можна за такими характеристиками, властивим драйверам шим каналів:

• Максимально допустима сила струму, ця характеристика наводиться для штатного режиму роботи пристрою. Досить часто виробники вказують такий параметр в назві моделі (наприклад, Phoenix-18). У деяких випадках наводиться значення для пікового режиму, який контролер може підтримувати кілька секунд.
• Максимальна величина штатного напруги для тривалої роботи.
• Опір внутрішніх ланцюгів контролера.
• Допустима кількість обертів, вказується в rpm. Понад це значення контролер не дозволить збільшити обертання (обмеження реалізовано на програмному рівні). Слід звернути увагу, що частота обертання завжди наводиться для двополюсних приводів. Якщо пар полюсів більше, слід розділити значення на їх кількість. Наприклад, зазначено число 60000 rpm, отже, для 6-й магнітного двигуна частота обертання складе 60000/3 \u003d 20000 prm.
• Частота генеруючих імпульсів, у більшості контролерів цей параметр лежить в межах від 7 до 8 кГц, більш дорогі моделі дозволяють перепрограмувати параметр, збільшивши його до 16 або 32 кГц.

Звернемо увагу, що перші три характеристики визначають потужність БД.

Управління безколекторним двигуном

Як вже зазначалося вище, управління комутацією обмоток приводу здійснюється електронікою. Щоб визначити, коли виробляти перемикання, драйвер відслідковує положення якоря за допомогою датчиків Холла. Якщо привід не споряджений такими детекторами, то в розрахунок береться зворотна ЕРС, яка виникає в непідключених котушках статора. Контролер, який, по суті, є апаратно-програмним комплексом, відстежує ці зміни і задає порядок комутації.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Більшість БД виконуються в трифазному виконанні. Для управління таким приводом в контролері є перетворювач постійної напруги в трифазне імпульсна (див. Рис.7).

Щоб пояснити, як працює такий вентильний двигун, слід разом з малюнком 7 розглядати малюнок 4, де по черзі зображені всі етапи роботи приводу. Розпишемо їх:

1. На котушки «А» подається позитивний імпульс, в той час як на «В» - негативний, в результаті якір зрушиться. Датчиками зафіксується його рух і подасться сигнал для наступної комутації.
2. Котушки «А» відключається, і позитивний імпульс йде на «С» ( «В» залишається без зміни), далі подається сигнал на наступний набір імпульсів.
3. На «С» - позитивний, «А» - негативний.
4. Працює пара «В» і «А», на які надходять позитивний і негативний імпульси.
5. Позитивний імпульс повторно подається на «В», і негативний на «С».
6. Чи включаються котушки «А» (подається +) і повторюється негативний імпульс на «С». Далі цикл повторюється.

В уявній простоті управління є маса складнощів. Потрібно не тільки відслідковувати стан якоря, щоб зробити наступну серію імпульсів, а й управляти частотою обертання, регулюючи струм в котушках. Крім цього слід вибрати найбільш оптимальні параметри для розгону і гальмування. Варто також не забувати, що контролер повинен бути оснащений блоком, що дозволяє управляти його роботою. Зовнішній вигляд такого багатофункціонального пристрою можна побачити на малюнку 8.

Переваги і недоліки

Електричний безколекторний двигун має багато переваг, а саме:

• Термін служби значно довше, ніж у звичайних колекторних аналогів.
• Високий ККД.
• Швидкий набір максимальної швидкості обертання.
• Він більш потужний, ніж КД.
• Відсутність іскор при роботі дозволяє використовувати привід в пожежонебезпечних умовах.
• Не потрібно додаткове охолодження.
• Проста експлуатація.

Тепер розглянемо мінуси. Істотний недолік, який обмежує використання БД - їх відносно висока вартість (з урахуванням ціни драйвера). До числа незручностей слід віднести неможливість використання БД без драйвера, навіть для короткострокового включення, наприклад, щоб перевірити працездатність. Проблемний ремонт, особливо якщо потрібно перемотування.

Двигуни використовуються в багатьох областях техніки. Для того щоб відбувалося обертання ротора двигуна необхідна наявність магнітного поля. У звичайних двигунах постійного струму це обертання здійснюється механічним способом за допомогою щіток, що ковзають по колектору. При цьому виникає іскріння, а, крім того, через тертя і зносу щіток для таких двигунів необхідно постійне технічне обслуговування.

Завдяки розвитку техніки стало можливим генерувати обертове магнітне поле електронним способом, що було втілено в безколекторних двигунах постійного струму (БДПС).

Пристрій і принцип дії

Основними елементами БДПС є:

• ротор, На якому укріплені постійні магніти;
• статор, На якому встановлені обмотки;
• електронний контролер.

За конструкцією такий двигун може бути двох типів:

з внутрішнім розташуванням ротора (inrunner)

із зовнішнім розташуванням ротора (outrunner)

У першому випадку ротор обертається усередині статора, а в другому - ротор крутиться навколо статора.

Двигун типу inrunner використовується в тому випадку, коли необхідно отримати великі обороти обертання. Цей двигун має більш просту стандартну конструкцію, яка дозволяє використовувати нерухомий статор для кріплення двигуна.

Двигун типу outrunner підходить для отримання великого моменту при низьких оборотах. В цьому випадку кріплення двигуна проводиться з використанням нерухомої осі.

Двигун типу inrunner - великі обороти, низький крутний момент. Двигун типу outrunner - маленькі обороти, високий крутний момент.

Число полюсів в БДПС може бути різним. За кількістю полюсів можна судити про деякі характеристики двигуна. Наприклад, двигун з ротором, що має 2 полюса, має більше число обертів і малий момент. Двигуни із збільшеною кількістю полюсів мають більший момент, але менше число обертів. Зміною числа полюсів ротора можна змінювати число обертів двигуна. Таким чином, змінюючи конструкцію двигуна, виробник може підібрати необхідні параметри двигуна по моменту і числа обертів.

управління БДПС

Регулятор оборотів, зовнішній вигляд

Для управління безколекторним двигуном використовується спеціальний контролер - регулятор швидкості обертання валу двигуна постійного струму. Його завданням є генерація і подача в потрібний момент на потрібну обмотку необхідного напруги. У контролері для приладів з живленням від мережі 220 В найчастіше використовується инверторная схема, в якій відбувається перетворення струму з частотою 50 Гц спочатку в постійний струм, а потім в сигнали з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Для подачі напруги живлення на обмотки статора використовуються потужні електронні ключі на біполярних транзисторах або інших силових елементах.

Регулювання потужності і числа обертів двигуна здійснюється зміною шпаруватості імпульсів, а, отже, і діючим значенням напруги, що подається на обмотки статора двигуна.

Принципова схема регулятора обертів. К1-К6 - ключі D1-D3 - датчики положення ротора (датчики Холла)

Важливим питанням є своєчасне підключення електронних ключів до кожної обмотці. Для забезпечення цього контролер повинен визначати положення ротора і його швидкість. Для отримання такої інформації можуть бути використані оптичні або магнітні датчики (наприклад, датчики Холла), А також зворотні магнітні поля.

Найбільш поширене використання датчиків Холла, які реагують на наявність магнітного поля. Датчики розміщуються на статорі таким чином, щоб на них діяло магнітне поле ротора. У деяких випадках датчики встановлюють в пристроях, які дозволяють змінювати положення датчиків і, відповідно, регулювати кут випередження (timing).

Регулятори оборотів обертання ротора дуже чутливі до сили струму, що проходить через нього. Якщо ви підберете акумуляторну батарею з більшою видається силою струму, то регулятор згорить! Правильно підбирайте поєднання характеристик!

Гідності й недоліки

У порівнянні зі звичайними двигунами БДПС мають такі переваги:

• великий кКД;
• високу швидкодію;
• можливість зміни частоти обертання;
• відсутність іскрять щіток;
• малі шуми, Як у звуковому, так і високочастотному діапазонах;
• надійність;
• здатність протистояти перевантаженням по моменту;
• відмінне співвідношення габаритів і потужності.

Безколекторний двигун відрізняється великим ккд. Він може досягати 93-95%.

Висока надійність механічної частини БД пояснюється тим, що в ньому використовуються шарикопідшипники і відсутні щітки. Розмагнічування постійних магнітів відбувається досить повільно, особливо, якщо вони виконані з використанням рідкісноземельних елементів. При використанні в контролері захисту по струму термін служби цього вузла досить високий. фактично термін служби БДПС може визначатися терміном служби шарикопідшипників.

Недоліками БДПС є складність системи управління і висока вартість.

застосування

Області застосування БДТП наступні:

• створення моделей;
• медицина;
• автомобілебудування;
• нафтогазова промисловість;
• побутові прилади;
• військова техніка.

Використання БД для авіамоделей дає значну перевагу по потужності і габаритів. Порівняння звичайного колекторного двигуна типу Speed-400 і БДТП того ж класу Astro Flight 020 показує, що двигун першого типу має ккд 40-60%. Ккд другого двигуна в тих же умовах може досягати 95%. Таким чином, використання БД дозволяє збільшити майже в 2 рази потужність силової частини моделі або час її польоту.

Завдяки малому шуму і відсутності нагрівання при роботі БДПС широко використовуються в медицині, особливо в стоматології.

В автомобілях такі двигуни використовуються в підйомниках стекол, електростеклоочістітелях, омивача фар і електрорегулятор підйому крісел.

Відсутність колектора і іскріння щіток дозволяє використовувати БД як елементи запірних пристроїв в нафтогазовій промисловості.

Як приклад використання БД в побутовій техніці можна відзначити пральну машину з прямим приводом барабана компанії LG. Ця компанія використовує БДТП типу Outrunner. На роторі двигуна є 12 магнітів, а на статорі - 36 котушок індуктивності, які намотані проводом діаметром в 1 мм на сердечники з магнітопроводящей стали. Котушки з'єднані послідовно по 12 штук в фазі. Опір кожної фази дорівнює 12 Ом. Як датчик положення ротора використовується датчик Холла. Ротор двигуна кріпиться до бака пральної машини.

Повсюдно даний двигун використовується в жорстких дисках для комп'ютерів, що робить їх компактними, в CD і DVD приводах і системах охолодження для мікро-електронотехніческіх пристроїв і не тільки.

Поряд з БД малої і середньої потужності в промисловості з важкими умовами роботи, судновий і військової промисловостях все більше використовуються великі БДПС.

БД великої потужності розроблені для американських ВМС. Наприклад, компанія Powertec розробила БДТП потужністю 220 кВт зі швидкістю в 2000 об / хв. Момент двигуна досягає 1080 Нм.

Крім зазначених областей, БД застосовуються в проектах верстатів, пресів, ліній для обробки пластмас, а також у вітроенергетиці і використанні енергії приливних хвиль.

Характеристики

Основні характеристики двигуна:

• номінальна потужність;
• максимальна потужність;
• максимальний струм;
• максимальна робоча напруга;
• максимальні оберти (Або коефіцієнт Kv);
• опір обмоток;
• кут випередження;
• режим роботи;
• габаритно-масові характеристики двигуна.

Основним показником двигуна є його номінальна потужність, тобто потужність, що виробляється двигуном протягом тривалого часу його роботи.

максимальна потужність - це потужність, яку може віддати двигун протягом короткочасного відрізка часу, не руйнуючись. Наприклад, для згаданого вище бесколлекторного двигуна Astro Flight 020 вона дорівнює 250 Вт.

Максимальний струм. Для Astro Flight 020 він дорівнює 25 А.

Максимальна робоча напруга - напруга, яке можуть витримати обмотки двигуна. Для Astro Flight 020 заданий діапазон робочих напруг від 6 до 12 В.

Максимальне число оборотів двигуна. Іноді в паспорті вказується коефіцієнт Kv - число обертів двигуна на один вольт. Для Astro Flight 020 Kv \u003d 2567 об / В. В цьому випадку максимальне число оборотів можна визначити множенням цього коефіцієнта на максимальний робочий напруга.

зазвичай опір обмоток для двигунів становить десяті або тисячні частки Ома. Для Astro Flight 020 R \u003d 0,07 Ом. Це опір впливає на ккд БДПС.

кут випередження є випередження перемикання напруг на обмотках. Воно пов'язане з індуктивним характером опору обмоток.

Режим роботи може бути тривалим або короткочасним. При довготривалому режимі двигун може працювати тривалий час. При цьому виділяється їм тепло повністю розсіюється і він не перегрівається. У такому режимі працюють двигуни, наприклад, в вентиляторах, конвеєрах або ескалаторах. Короткочасний режим використовується для таких пристроїв, як наприклад, ліфт, електробритва. У цих випадках двигун працює короткий час, а потім довгий час остигає.

У паспорті на двигун наводяться його розміри і маса. Крім того, наприклад, для двигунів, призначених для авіамоделей, наводяться посадочні розміри і діаметр валу. Зокрема, для двигуна Astro Flight 020 наведені такі характеристики:

• довжина дорівнює 1,75 ";
• діаметр дорівнює 0,98 ";
• діаметр вала дорівнює 1/8 ";
• вага дорівнює 2,5 унції.

висновки:

1. У моделюванні, в різних технічних виробах, в промисловості і в оборонній техніці використовуються БДПС, в яких обертається магнітне поле формується електронною схемою.
2. За своєю конструкцією БДПС можуть бути з внутрішнім (inrunner) і зовнішнім (outrunner) розташуванням ротора.
3. У порівнянні з іншими двигунами БДПС мають ряд переваг, основними з яких є відсутність щіток і іскріння, великий ККД та висока надійність.

Відмітні особливості:

• Загальні відомості про БКЕПТ
• Використовує контролер силового каскаду
• Приклад програмного коду

Вступ

В даних рекомендаціях щодо застосування описується, як реалізувати пристрій управління безколекторним електродвигуном постійного струму (БКЕПТ) з використанням датчиків положення на основі AVR-мікроконтролера AT90PWM3.

Високопродуктивне AVR-ядро мікроконтролера, яке містить контролер силового каскаду, дозволяє реалізувати пристрій управління високошвидкісним безколекторним електродвигуном постійного струму.

В даному документі дається короткий опис принципу дії бесколлекторного електродвигуна постійного струму, а в деталях розглядається управління БКЕПТ в сенсорному режимі, а також наводиться опис принципової схеми опорної розробки ATAVRMC100, на якій базуються дані рекомендації по застосуванню.

Обговорюється також програмна реалізація з програмно-реалізованим контуром управління на основі ПІД-регулятора. Для управління процесом комутації мається на увазі використання тільки датчиків положення на основі ефекті Холла.

Принцип дії

Області застосування БКЕПТ безперервно збільшуються, що пов'язано з рядом їх переваг:

1. Відсутність колекторного вузла, що спрощує або навіть взагалі виключає технічне обслуговування.
2. Генерація нижчого рівня акустичного та електричного шуму в порівнянні з універсальними колекторними двигунами постійного струму.
3. Можливість роботи в небезпечних середовищах (з займистими продуктами).
4. Гарне співвідношення масогабаритних характеристик і потужності ...

Двигуни такого типу характеризуються невеликою інерційністю ротора, тому що обмотки розташовані на статорі. Комутація управляється електронікою. Моменти комутації визначаються або за інформацією від датчиків положення, або шляхом вимірювання зворотної ЕРС, що генерується обмотками.

При управлінні з використанням датчиків БКЕПТ складається, як правило, з трьох основних частин: статор, ротор і датчики Холла.

Статор класичного трифазного БКЕПТ містить три обмотки. У багатьох двигунах обмотки поділяються на кілька секцій, що дозволяє зменшити пульсації крутного моменту.

На малюнку 1 показана електрична схема заміщення статора. Він складається з трьох обмоток, кожна з яких містить три послідовно включених елемента: індуктивність, опір і зворотна ЕРС

Малюнок 1. Електрична схема заміщення статора (три фази, три обмотки)

Ротор БКЕПТ складається з парного числа постійних магнітів. Кількість магнітних полюсів в роторі також впливає на розмір кроку обертання і пульсації крутного моменту. Чим більша кількість полюсів, тим менше розмір кроку обертання і менше пульсації крутного моменту. Можуть використовуватися постійні магніти з 1..5 парами полюсів. У деяких випадках число пар полюсів збільшується до 8 (рисунок 2).

Малюнок 2. Статор і ротор трифазного, триобмоткового БКЕПТ

Обмотки встановлені стаціонарно, а магніт обертається. Ротор БКЕПТ характеризується легшим вагою щодо ротора звичайного універсального двигуна постійного струму, у якого обмотки розташовані на роторі.

Датчик холу

Для оцінки стану ротора в корпус двигуна вбудовуються три датчика Холла. Датчики встановлені під кутом 120 ° по відношенню один до одного. За допомогою даних датчиків можливо виконати 6 різних перемикань.

Комутація фаз залежить від стану датчиків Холла.

Подача напруги живлення на обмотки змінюється після зміни станів виходів датчиків Холла. При правильному виконанні синхронізованою комутації крутний момент залишається приблизно постійним і високим.

Малюнок 3. Сигнали датчиків Холла в процесі обертання

комутація фаз

З метою спрощеного опису роботи трифазного БКЕПТ розглянемо тільки його версію з трьома обмотками. Як було показано раніше, комутація фаз залежить від вихідних значень датчиків Холла. При коректної подачі напруги на обмотки двигуна створюється магнітне поле і ініціюється обертання. Найбільш поширеним і простим способом управління комутацією, який використовується для управління БКЕПТ, є схема включення-відключення, коли обмотка або проводить струм, або ні. В один момент часу можуть бути запитані тільки дві обмотки, а третя залишається відключеною. Підключення обмоток до шин харчування викликає протікання електричного струму. Даний спосіб називається трапецеидальной комутацією або блокової комутацією.

Для управління БКЕПТ використовується силовий каскад, що складаються з 3 півмилі. Схема силового каскаду показана на малюнку 4.

Малюнок 4. Силовий каскад

За лічених значень датчиків Холла визначається, які ключі повинні бути замкненими.

Таблиця 1. Комутація ключів за годинниковою стрілкою

У двигунів з декількома полями електричне обертання не відповідає механічному обертанню. Наприклад, у чотирьохполюсних БКЕПТ чотири цикли електричного обертання відповідають одному механічному обертанню.

Від сили магнітного поля залежить потужність і частота обертання двигуна. Регулювати частоту обертання і крутний момент двигуна можна за рахунок зміни струму через обмотки. Найбільш поширений спосіб управління струмом через обмотки є управління середнім струмом. Для цього використовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), робочий цикл якої визначає середнє значення напруги на обмотках, а, отже, і середнє значення струму і, як наслідок, частоту обертання. Швидкість може регулюватися при частотах від 20 до 60 кГц.

Обертається поле трифазного, триобмоткового БКЕПТ показано на малюнку 5.

Малюнок 5. Ступені комутації і обертається поле

Процес комутації створює обертове поле. На ступені 1 фаза А підключається до позитивної шині харчування ключем SW1, фаза В підключається до загального за допомогою ключа SW4, а фаза С залишається непідключеної. Фазами А і В створюються два вектора магнітного потоку (показані червоною і синій стрілками, відповідно), а сума цих двох векторів дає вектор магнітного потоку статора (зелена стрілка). Після цього ротор намагається слідувати магнітному потоку. Як тільки ротор досягає деякого положення, в якому змінюється стан датчиків Холла зі значення "010" на "011", виконується відповідним чином перемикання обмоток двигуна: фаза В залишається незапітанной, а фаза З підключається до загального. Це призводить до генерації нового вектора магнітного потоку статора (ступінь 2).

Якщо слідувати схемі комутації, показаної на малюнку 3 і в таблиці 1, то отримаємо шість різних векторів магнітного потоку, відповідних шести ступеням комутації. Шість ступенів відповідають одному обороту ротора.

Стартовий набір ATAVRMC100

Принципова електрична схема представлена \u200b\u200bна малюнках 21, 22, 23 і 24 в кінці документа.

Програма містить контур управління швидкістю за допомогою ПІД-регулятора. Такий регулятор складається з трьох ланок, кожен з яких характеризується власним коефіцієнтом передачі: Kп, Кі і Kд.

Кп - коефіцієнт передачі пропорційного ланки, Кі - коефіцієнт передачі інтегруючого ланки і Kд - коефіцієнт передачі дифференцирующего ланки. Відхилення заданої швидкості від фактичної (на малюнку 6 називається "сигнал неузгодженості") обробляється кожним з ланок. Результат цих операцій складається і подається на двигун для отримання необхідної частоти обертання (див. Рисунок 6).

Малюнок 6. Структурна схема ПІД-регулятора

Коефіцієнт Кп впливає на тривалість перехідного процесу, коефіцієнт Кі дозволяє придушити статичні помилки, а Кд використовується, зокрема, для стабілізації становища (див. Опис контуру управління в архіві з програмним забезпеченням для зміни коефіцієнтів).

Опис апаратної частини

Як показано на малюнку 7 мікроконтролер містить 3 контролера силового каскаду (PSC). Кожен PSC можна розглядати як широтно-імпульсний модулятор (ШІМ) з двома вихідними сигналами. Щоб уникнути виникнення наскрізного струму PSC підтримує можливість управління затримкою неперекритих силових ключів (див. Документацію на AT90PWM3 для більш детального вивчення роботи PSC, а також малюнок 9).

Аварійний вхід (Over_Current, струмовий перевантаження) пов'язаний з PSCIN. Аварійний вхід дозволяє микроконтроллеру відключити всі виходи PSC.

Малюнок 7. Апаратна реалізація

Для вимірювання струму можна використовувати два диференціальних каналу з програмованим підсилювальним каскадом (Ку \u003d 5, 10, 20 або 40). Після вибору коефіцієнта посилення необхідно підібрати номінал шунтового резистора для найбільш повного охоплення діапазону перетворення.

Сигнал Over_Current формується зовнішнім компаратором. Гранична напруга компаратора можна регулюватися за допомогою внутрішнього ЦАП.

Перемикання фаз має виконуватися у відповідності зі значенням на виходах датчиків Холла. ДХ_A, ДХ_B і ДХ_C підключаються до входів джерел зовнішніх переривань або до трьох внутрішнім компаратором. Компаратори генерують такий же тип переривань, що і зовнішні переривання. На малюнку 8 показано, як використовуються порти введення-виведення в стартовому наборі.

Малюнок 8. Використання портів введення-виведення мікроконтролера (корпус SO32)

VMOT (Vдв.) І VMOT_Half (1/2 Vдв.) Реалізовані, але не використовуються. Вони можуть використовуватися для отримання інформації про напругу живлення двигуна.

Виходи H_x і L_x використовуються для управління силовим мостом. Як було сказано вище, вони залежать від контролера силового каскаду (PSC), який генерує ШІМ-сигнали. У такому застосуванні рекомендується використовувати режим з вирівнюванням по центру (див. Рисунок 9), коли регістр OCR0RA використовується для синхронізації запуску перетворення АЦП для вимірювання струму.

Малюнок 9. Осцилограми сигналів PSCn0 і PSCn1 в режимі з вирівнюванням по центру

• Час вкл. 0 \u003d 2 * OCRnSA * 1 / Fclkpsc
• Час вкл. 1 \u003d 2 * (OCRnRB - OCRnSB + 1) * 1 / Fclkpsc
• Період PSC \u003d 2 * (OCRnRB + 1) * 1 / Fclkpsc

Пауза неперекритих між PSCn0 і PSCn1:

• | OCRnSB - OCRnSA | * 1 / Fclkpsc

Блок PSC тактується сигналів CLKPSC.

Для подачі ШІМ-сигналів в силовий каскад може використовуватися один з двох способів. Перший полягає в додатку ШІМ-сигналів до верхніх і нижніх частин силового каскаду, а другий - в додатку ШІМ-сигналів тільки до верхніх частин.

Опис програмного забезпечення

Atmel розробила бібліотеки для керування БКЕПТ. Перший крок їх використання полягає в конфігурації і ініціалізації мікроконтролера.

Конфігурація і ініціалізація мікроконтролера

Для цього необхідно використовувати функцію mc_init_motor (). Вона викликає функції ініціалізації апаратної і програмної частини, а також ініціалізує всі параметри двигуна (напрямок обертання, частота обертання і останов двигуна).

Структура програмної реалізації

Після конфігурації і ініціалізації мікроконтролера може бути виконаний запуск двигуна. Для управління двигуном необхідно тільки кілька функцій. Всі функції визначені в mc_lib.h:

Void mc_motor_run (void) - Використовується для запуску двигуна. Викликається функція контуру стабілізації для установки робочого циклу ШІМ. Після цього виконується перша фаза комутації. Bool mc_motor_is_running (void) - Визначення стану двигуна. Якщо "1", то двигун працює, якщо "0", то двигун зупинений. void mc_motor_stop (void) - Використовується для зупинки двигуна. void mc_set_motor_speed (U8 speed) - Установка заданої користувачем швидкості. U8 mc_get_motor_speed (void) - Повертає задану користувачем швидкість. void mc_set_motor_direction (U8 direction) - Установка напрямку обертання "CW" (за годинниковою стрілкою) або "CCW" (проти годинникової стрілки). U8 mc_get_motor_direction (void) - Повертає поточний напрямок обертання двигуна. U8 mc_set_motor_measured_speed (U8 measured_speed) - Збереження виміряної швидкості в змінної measured_speed. U8 mc_get_motor_measured_speed (void) - Повертає виміряну швидкість. void mc_set_Close_Loop (void) void mc_set_Open_Loop (void) - Конфігурація контуру стабілізації: замкнутий контур або розімкнутий (див. малюнок 13).

Малюнок 10. Конфігурація AT90PWM3

Малюнок 11. Структура програмного забезпечення

На малюнку 11 показані чотири змінні mc_run_stop (пуск / стоп), mc_direction (напрямок), mc_cmd_speed (задана швидкість) і mc_measured_speed (виміряна швидкість). Вони є основними програмними змінними, доступ до яких може виконуватися за допомогою раніше описаних призначених для користувача функцій.

Програмну реалізацію можна розглядати як чорний ящик з найменуванням "Управління двигуном" (рисунок 12) і декількома входами (mc_run_stop, mc_direction, mc_cmd_speed, mc_measured_speed) і виходами (всі сигнали управління силовим мостом).

Малюнок 12. Основні програмні змінні

Більшість функцій доступні в mc_drv.h. Тільки деякі з них залежать від типу двигуна. Функції можна розділити на чотири основні класи:

• Ініціалізація апаратної частини
void mc_init_HW (void); Ініціалізація апаратної частини повністю виконана в цій функції. Тут виконується ініціалізація портів, переривань, таймерів і контролера силового каскаду.

Void mc_init_SW (void); Використовується для ініціалізації програмного забезпечення. Дозволяє все переривання.

Void mc_init_port (void); Ініціалізація порту введення-виведення шляхом завдання через регістри DDRx, які висновки функціонують як вхід, а які як вихід, а також із зазначенням, на яких входах необхідно включити підтягує резистори (через регістр PORTx).

Void mc_init_pwm (void); Ця функція запускає ФАПЧ і встановлює все регістри PSC в початковий стан.

Void mc_init_IT (void); Модифікуйте цю функцію для дозволу або заборони типів переривань.

Void PSC0_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC1_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); void PSC2_Init (unsigned int dt0, unsigned int ot0, unsigned int dt1, unsigned int ot1); PSCx_Init дозволяє користувачеві вибрати конфігурацію контролера силового каскаду (PSC) мікроконтролера.

• Функції комутації фаз U8 mc_get_hall (void); Зчитування стану датчиків Холла, відповідне шести ступеням комутації (HS_001, HS_010, HS_011, HS_100, HS_101, HS_110).

  Interrupt void mc_hall_a (void); _interrupt void mc_hall_b (void); _interrupt void mc_hall_c (void); Дані функції виконуються, якщо виявлено зовнішнє переривання (зміна виходу датчиків Холла). Вони дозволяють виконати комутацію фаз і обчислити швидкість.

  Void mc_duty_cycle (U8 level); Ця функція встановлює робочий цикл ШІМ відповідно до конфігурації PSC.

  Void mc_switch_commutation (U8 position); Комутація фаз виконується відповідно до значення на виходах датчиків Холла і тільки в разі, якщо користувач запустить двигун.

• Конфігурація часу перетворення void mc_config_sampling_period (void); Ініціалізація таймера 1 для генерації переривання кожні 250 мкс. _interrupt void launch_sampling_period (void); Після активізації 250 мкс-ого переривання встановлює прапор. Він може використовуватися для управління часом перетворення.
• Оцінка швидкості void mc_config_time_estimation_speed (void); Конфігурація таймера 0 для виконання функції обчислення швидкості.

  Void mc_estimation_speed (void); Ця функція обчислює частоту обертання двигуна на основі принципу вимірювання періоду проходження імпульсів датчика Холла.

  Interrupt void ovfl_timer (void); При виникненні переривання виконується приріст 8-розрядної змінної для реалізації 16-розрядного таймера за допомогою 8-розрядного таймера.

• Вимірювання струму _interrupt void ADC_EOC (void); Функція ADC_EOC виконується відразу після завершення перетворення підсилювача для установки прапора, який може використовуватися користувачем.

  Void mc_init_current_measure (void); Ця функція ініціалізує підсилювач 1 для вимірювання струму.

  U8 mc_get_current (void); Зчитування значення струму, якщо перетворення завершено.

  Bool mc_conversion_is_finished (void); Відображає завершення перетворення.

  Void mc_ack_EOC (void); Скидання прапора завершення перетворення.

• Детекція струмового перевантаження void mc_set_Over_Current (U8 Level); Встановлює поріг визначення струмового перевантаження. Як порога виступає вихід ЦАП, пов'язаний із зовнішнім компаратором.

Контур стабілізації вибирається за допомогою двох функцій: розімкнутий (mc_set_Open_Loop ()) або замкнутий контур (mc_set_Close_Loop ()). На малюнку 13 показаний програмно-реалізований контур стабілізації.

Малюнок 13. Контур стабілізації

Замкнутий контур являє собою контур стабілізації швидкості на основі ПІД-регулятора.

Як було показано раніше, коефіцієнт Кп використовується для стабілізації часу відгуку двигуна. Спочатку встановіть Кі і Кд рівними 0. Для отримання необхідного часу відгуку двигуна необхідно підбирати значення Кп.

• Якщо час відгуку занадто мало, то збільште Кп.
• Якщо час відгуку швидке, але не стабільний, то знизьте Кп.

Малюнок 14. Налаштування Кп

Параметр Кі використовується для придушення статичної похибки. Залиште коефіцієнт Кп незмінним і встановіть параметр Кі.

• Якщо похибка відрізняється від нуля, то збільште Кі.
• Якщо придушення похибки передував коливальний процес, то зменшите Кі.

Малюнок 15. Налаштування Кі

На малюнках 14 і 15 показані приклади вибору правильних параметрів регулятора Кп \u003d 1, Ки \u003d 0.5 і Kд \u003d 0.

Налаштування параметра Кд:

• Якщо швидкодія низька, то збільште Кд.
• При нестабільності Кд необхідно знижувати.

Ще одним істотним параметром є час перетворення. Його необхідно вибирати щодо часу реагування системи. Час перетворення повинно бути, принаймні, в два рази менше часу відгуку системи (за правилом Котельникова).

Для конфігурації часу перетворення передбачені дві функції (обговорювалися вище).

Їх результат відображається в глобальній змінній g_tick, яка встановлюється кожні 250 мкс. За допомогою даної змінної можливо налаштувати час перетворення.

ЦПУ і використання пам'яті

Всі вимірювання виконуються при частоті генератора 8МГц. Вони також залежать від типу двигуна (кількість пар полюсів). При використанні двигуна з 5 парами полюсів частота сигналу на виході датчика Холла в 5 разів нижче частоти обертання двигуна.

Всі результати, наведені на малюнку 16, отримані при використанні трифазного БКЕПТ з п'ятьма парами полюсів і максимальною частотою обертання 14000 об / хв.

Малюнок 16. Використання швидкодії мікроконтролера

У гіршому випадку рівень завантаження мікроконтролера близько 18% з часом перетворення 80 мс і частотою обертання 14000 об / хв.

Першу оцінку можна виконати для більш швидкого двигуна і з додаванням функції стабілізації струму. Час виконання функції mc_regulation_loop () знаходиться між 45 і 55мкс (необхідно взяти до уваги час перетворення АЦП близько 7 мкс). Для оцінки було обрано БКЕПТ з часом відгуку струму близько 2-3 мс, п'ятьма парами полюсів і максимальною частотою обертання близько 2-3 мс.

Максимальна частота обертання двигуна дорівнює близько 50000 об / хв. Якщо ротор використовує 5 пар полюсів, то результуюча частота на виході датчиків Холла буде дорівнює (50000 об / хв / 60) * 5 \u003d 4167 Гц. Функція mc_estimation_speed () запускається при кожному наростаючому фронті датчика Холла А, тобто кожні 240 мкс при тривалості виконання 31 мкс.

Функція mc_switch_commutation () залежить від роботи датчиків Холла. Вона виконується при виникненні фронтів на виході одного з трьох датчиків Холла (наростаючий або падаючий фронти), таким чином, за один період імпульсів на виході датчика Холла генерується шість переривань, а результуюча періодичність виклику функції дорівнює 240/6 мкс \u003d 40 мкс.

Нарешті, час перетворення контуру стабілізації повинно бути, принаймні, в два рази менше ніж час реагування двигуна (близько 1 мс).

Результати наведені на малюнку 17.

Малюнок 17. Оцінка завантаження мікроконтролера

В такому випадку рівень завантаження мікроконтролера близько 61%.

Всі вимірювання виконувалися з використанням одного і того ж програмного забезпечення. Комунікаційні ресурси не використовуються (УАПП, LIN ...).

При таких умовах використовується наступний обсяг пам'яті:

• 3175 байт пам'яті програм (38,7% від усього обсягу флеш-пам'яті).
• 285 байт пам'яті даних (55,7% від усього обсягу статичного ОЗУ).

Конфігурація і використання ATAVRMC100

На малюнку 18 представлена \u200b\u200bповна схема різних режимів роботи стартового набору ATAVRMC100.

Малюнок 18. Призначення портів введення-виведення мікроконтролера і комунікаційні режими

Режим роботи

Підтримується два різних режими роботи. Встановіть перемички JP1, JP2 і JP3 відповідно до малюнком 19 для вибору одного з цих режимів. В даних рекомендаціях щодо застосування використовується тільки режим з використанням датчиків. Повний опис апаратної частини приведено в керівництві користувача до набору ATAVRMC100.

Малюнок 19. Вибір режиму управління з використанням датчиків

На малюнку 19 показані вихідні установки перемичок, які відповідають використанню програмного забезпечення, пов'язаного з цими рекомендаціями щодо застосування.

Програма, яка поставляється разом з платою ATAVRMC100, підтримує два режими роботи:

• запуск двигуна на максимальній швидкості без зовнішніх компонентів.
• регулювання швидкості двигуна за допомогою одного зовнішнього потенціометра.

Малюнок 20. Підключення потенциометра

висновок

В даних рекомендаціях щодо застосування представлено апаратне і програмне рішення пристрою управління безколекторним електродвигуном постійного струму з використанням датчиків. Крім цього документа, доступний для скачування повний вихідний код.

До складу програмної бібліотеки входить функції запуску та управління швидкістю будь-якого БКЕПТ з вбудованими датчиками.

Принципова схема містить мінімум зовнішніх компонентів, необхідних для управління БКЕПТ з вбудованими датчиками.

Можливості ЦПУ і пам'яті мікроконтролера AT90PWM3 дозволять розробнику розширити функціональні даного рішення.

Малюнок 21. Принципова електрична схема (частина 1)

Малюнок 22. Принципова електрична схема (частина 2)

Малюнок 23. Принципова електрична схема (частина 3)

Малюнок 24. Принципова електрична схема (частина 4)

документація:

Фантастичний євроремонт квартир і ремонт котеджів за великі гроші.

Трохи з історії:

Головна проблема всіх двигунів - це перегрівання. Ротор обертався всередині якогось статора, і тому тепло від перегріву нікуди не йшло. Людям прийшла в голову геніальна ідея: обертається не ротор, а статор, який при обертанні охолоджувався б повітрям. Коли створили такий двигун, він став широко використовуватися в авіації та суднобудуванні, і тому його прозвали вентильний електродвигун.

Незабаром був створений електричний аналог вентильного двигуна. Назвали його безколекторним мотором, тому що у нього не було колекторів (щіток).

Безколекторні (brushless англ.) Електродвигуни прийшли до нас порівняно недавно, в останні 10-15 років. На відміну від колекторних моторів вони харчуються трифазним змінним струмом. Безколекторні двигуни ефективно працюють в більш широкому діапазоні оборотів і мають більш високий ККД. Конструкція двигуна при цьому відносно простіше, в ній немає щіткового вузла, який постійно треться з ротором і створює іскри. Можна сказати, що безколекторні мотори практично не зношуються. Вартість безколекторних двигунів трохи вище, ніж колекторних. Це викликано тим, що всі безколекторні мотори забезпечені підшипників та, як правило, виготовлені якісніше.

Випробування показали:
Тяга з гвинтом 8х6 \u003d 754 грами,
Частота обертання \u003d 11550 об / хв,
Споживана потужність \u003d 9 ват(Без гвинта) , 101 ват(З гвинтом),

Потужність і ККД

Потужність можна обчислити ось таким способом:
1) Потужність в механіці обчислюється за такою формулою: N \u003d F * v, Де F - сила, а v - швидкість. Але так як, гвинт знаходиться в статичному стан, то руху немає, крім обертального. Якщо цей мотор встановити на авіамодель, то можна було б заміряти швидкість (вона дорівнює 12 м / с) і порахувати корисну потужність:
N поліз \u003d 7.54 * 12 \u003d 90.48 ват
2) ККД електричного двигуна знаходиться за такою формулою: ККД \u003d N корисною / N витраченої * 100%, де N витрат \u003d 101 ват
ККД \u003d 90.48 / 101 * 100% \u003d 90%
В середньому ККД безколекторних двигунів реально і коливається близько 90% (найбільший ККД досягнутий даним видом моторів дорівнює 99.68% )

Характеристики двигуна:

напруга: 11.1 вольт
обороти: 11550 об / хв
Максимальна сила струму: 15А
потужність: 200 ват
тяга: 754 грам (гвинт 8х6)

висновок:

Ціна будь-якої речі залежить від масштабів її виробництва. Виробники безколекторних моторів множаться, як гриби після дощу. Тому хочеться вірити, що в недалекому майбутньому ціна на контролери і безколекторні двигуни впаде, як впала вона на апаратуру радіоуправління ... Можливості мікроелектроніки з кожним днем \u200b\u200bвсе розширюються, розміри і вага контролерів поступово зменшуються. Можна припустити, що в недалекому майбутньому контролери почнуть вбудовувати прямо в двигуни! Може, ми доживемо до цього дня ...