Mocne bezszczotkowe silniki prądu stałego. Silniki bezszczotkowe

Trochę historii:

Głównym problemem wszystkich silników jest przegrzanie. Wirnik obracał się wewnątrz jakiegoś stojana, dlatego ciepło z przegrzania nigdzie się nie rozchodziło. Ludzie wpadli na genialny pomysł: obracać nie wirnikiem, ale stojanem, który podczas obrotu byłby chłodzony powietrzem. Kiedy taki silnik został stworzony, stał się szeroko stosowany w lotnictwie i przemyśle stoczniowym, dlatego nazwano go silnikiem bezszczotkowym.

Wkrótce powstał elektryczny odpowiednik silnika bezszczotkowego. Nazwali go silnikiem bezszczotkowym, ponieważ nie miał kolektorów (szczotek).

Silnik bezszczotkowy.

Bezszczotkowe (bezszczotkowe angielskie) silniki elektryczne trafiły do ​​​​nas stosunkowo niedawno, w ostatnim czasie 10-15 lat. w odróżnieniu silniki kolektorów zasilane są trójfazowym prądem przemiennym. Silniki bezszczotkowe działają wydajnie w szerszym zakresie obrotów i mają ich więcej wysoka wydajność . Jednocześnie konstrukcja silnika jest stosunkowo prosta, nie posiada zespołu szczotek, który nieustannie ociera się o wirnik i wytwarza iskry. Można powiedzieć, że silniki bezszczotkowe praktycznie się nie zużywają. Koszt silników bezszczotkowych jest nieco wyższy niż silników szczotkowych. Dzieje się tak dlatego, że wszystkie silniki bezszczotkowe mają łożyska i generalnie są wyższej jakości.

Testy wykazały:
Pręt ze śrubą 8x6 = 754 gramów,
obroty = 11550 obr./min,
Zużycie energii = 9 watów(bez śruby) , 101 watów(ze śrubą),

Moc i wydajność

Moc można obliczyć w następujący sposób:
1) Moc w mechanice oblicza się według następującego wzoru: N=F*v, gdzie F to siła, a v to prędkość. Ale ponieważ śruba jest w stanie statycznym, nie ma ruchu, z wyjątkiem ruchu obrotowego. Jeśli ten silnik jest zainstalowany na modelu samolotu, można by zmierzyć prędkość (jest równa 12 m / s) i obliczyć użyteczną moc:
N użyteczne \u003d 7,54 * 12 \u003d 90,48 watów
2) wydajność silnik elektryczny znajduje się według następującego wzoru: Wydajność = N użyteczna / N wydana * 100%, Gdzie Koszty N = 101 watów
Sprawność= 90,48/101 *100%= 90%
Średnio sprawność silników bezszczotkowych jest rzeczywista i oscyluje wokół 90% (najwyższa sprawność osiągana przez ten typ silnika to 99.68% )

Specyfikacje silnika:

Napięcie: 11,1 wolta
Obroty: 11550 obr./min
Maksymalny prąd: 15A
Moc: 200 watów
Pchnięcie: 754 gramów (śruba 8x6)

Wniosek:

Cena każdej rzeczy zależy od skali jej produkcji. Producenci silniki bezszczotkowe mnożą się jak grzyby po deszczu. Dlatego chcę wierzyć, że w niedalekiej przyszłości ceny kontrolerów i bezszczotkowych silniki spadną jak to padło na sprzęt do sterowania radiowego... Możliwości mikroelektroniki poszerzają się z każdym dniem, rozmiary i waga sterowników sukcesywnie maleją. Można przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości sterowniki będą wbudowane bezpośrednio w silniki! Może doczekamy tego dnia...

Sprzęt AGD i medyczny, modelarstwo lotnicze, napędy odcinające rury do rurociągów gazowych i naftowych - to daleko pełna lista zastosowania silników bezszczotkowych (BD) prąd stały. Przyjrzyjmy się urządzeniu i zasadzie działania tych napędów elektromechanicznych, aby lepiej zrozumieć ich zalety i wady.

Informacje ogólne, urządzenie, zakres

Jednym z powodów zainteresowania DB jest zwiększone zapotrzebowanie na szybkie mikrosilniki z precyzyjnym pozycjonowaniem. Wewnętrzną strukturę takich napędów przedstawiono na rysunku 2.

Ryż. 2. Urządzenie imp silnik komutatorowy

Jak widać, konstrukcja to wirnik (zwora) i stojan, pierwszy ma magnes trwały (lub kilka magnesów ułożonych w określonej kolejności), a drugi jest wyposażony w cewki (B) do wytwarzania pola magnetycznego.

Warto zauważyć, że te mechanizmy elektromagnetyczne mogą być z kotwicą wewnętrzną (ten typ konstrukcji można zobaczyć na ryc. 2) lub zewnętrzną (patrz ryc. 3).

Ryż. 3. Wykonanie z kotwą zewnętrzną (outrunner)

W związku z tym każdy z projektów ma określony zakres. Urządzenia z wewnętrzną armaturą mają wysoka prędkość obrotowe, dlatego są stosowane w układach chłodzenia, jak elektrownie drony itp. Jeździ z wirnik zewnętrzny znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane jest dokładne pozycjonowanie i odporność na przeciążenia momentowe (robotyka, sprzęt medyczny, maszyny CNC itp.).

Zasada działania

W przeciwieństwie do innych napędów, np. maszyna asynchroniczna prąd przemienny, do działania DB wymagany jest specjalny kontroler, który włącza uzwojenia w taki sposób, że wektory pól magnetycznych twornika i stojana są do siebie prostopadłe. Oznacza to, że w rzeczywistości urządzenie sterujące reguluje moment obrotowy działający na twornik DB. Proces ten jest wyraźnie pokazany na rycinie 4.

Jak widać, dla każdego ruchu twornika konieczne jest wykonanie pewnej komutacji w uzwojeniu stojana silnika bezszczotkowego. Taka zasada działania nie pozwala na płynne sterowanie obrotami, ale umożliwia szybkie nabranie rozpędu.

Różnice między silnikami szczotkowymi i bezszczotkowymi

Napęd typu kolektor różni się od DB jako cechy konstrukcyjne(patrz rys. 5.) oraz zasadę działania.

Ryż. 5. A - silnik kolektora, B - bezszczotkowy

Rozważać różnice projektowe. Rysunek 5 pokazuje, że wirnik (1 na ryc. 5) silnika kolektorowego, w przeciwieństwie do silnika bezszczotkowego, ma cewki, w których prosty obwód uzwojenie i magnesy trwałe(zwykle dwa) są zamontowane na stojanie (2 na ryc. 5). Dodatkowo na wale zainstalowany jest kolektor, do którego podłączone są szczotki doprowadzające napięcie do uzwojeń twornika.

Krótko opisz zasadę działania maszyny kolekcjonerskie. Po przyłożeniu napięcia do jednej z cewek zostaje ona wzbudzona i powstaje pole magnetyczne. Oddziałuje on z magnesami trwałymi, co powoduje obracanie się twornika i umieszczonego na nim kolektora. W rezultacie zasilanie jest dostarczane do drugiego uzwojenia i cykl się powtarza.

Częstotliwość obrotu twornika tego projektu zależy bezpośrednio od natężenia pola magnetycznego, które z kolei jest wprost proporcjonalne do napięcia. Oznacza to, że aby zwiększyć lub zmniejszyć prędkość, wystarczy zwiększyć lub zmniejszyć poziom mocy. Aby odwrócić, konieczna jest zmiana polaryzacji. Ten sposób sterowania nie wymaga specjalnego sterownika, ponieważ sterownik jazdy może być wykonany w oparciu o rezystor zmienny, a konwencjonalny przełącznik będzie działał jako falownik.

W poprzedniej sekcji rozważyliśmy cechy konstrukcyjne silników bezszczotkowych. Jak pamiętacie, ich połączenie wymaga specjalnego kontrolera, bez którego po prostu nie będą działać. Z tego samego powodu silniki te nie mogą być używane jako generatory.

Należy również zauważyć, że w niektórych napędach tego typu w celu wydajniejszego sterowania pozycje wirnika są monitorowane za pomocą czujników Halla. To znacznie poprawia charakterystykę silników bezszczotkowych, ale prowadzi do wzrostu kosztów i tak już drogiego projektu.

Jak uruchomić silnik bezszczotkowy?

Aby napęd tego typu działał, wymagany jest specjalny sterownik (patrz rysunek 6). Bez tego uruchomienie jest niemożliwe.

Ryż. 6. Bezszczotkowe sterowniki silników do modelowania

Nie ma sensu samodzielnie montować takiego urządzenia, taniej i bardziej niezawodnie będzie kupić gotowe. Możesz odebrać wg następujące cechy, charakterystyka sterowników kanału PWM:

• Maksymalny dopuszczalny prąd, ta charakterystyka jest podana dla normalnej pracy urządzenia. Dość często producenci wskazują ten parametr w nazwie modelu (na przykład Phoenix-18). W niektórych przypadkach podawana jest wartość dla trybu szczytowego, którą sterownik może utrzymać przez kilka sekund.
• Maksymalne napięcie znamionowe dla pracy ciągłej.
• Rezystancja obwodów wewnętrznych sterownika.
• Dopuszczalna liczba obrotów wyrażona w obr./min. Powyżej tej wartości sterownik nie pozwoli na zwiększenie obrotów (ograniczenie jest realizowane na poziomie oprogramowania). Należy pamiętać, że prędkość jest zawsze podawana dla napędów 2-biegunowych. Jeśli par biegunów jest więcej, podziel wartość przez ich liczbę. Na przykład liczba 60000 obr./min jest zatem wskazana dla 6 silnik magnetyczny prędkość obrotowa wyniesie 60000/3=20000 obr./min.
• Częstotliwość generowanych impulsów, dla większości sterowników parametr ten mieści się w przedziale od 7 do 8 kHz, więcej drogie modele pozwalają przeprogramować parametr, zwiększając go do 16 lub 32 kHz.

Należy zauważyć, że pierwsze trzy cechy określają pojemność bazy danych.

Bezszczotkowe sterowanie silnikiem

Jak wspomniano powyżej, komutacja uzwojeń napędu jest sterowana elektronicznie. Aby określić, kiedy przełączyć, sterownik monitoruje położenie twornika za pomocą czujników Halla. Jeśli napęd nie jest wyposażony w takie detektory, to powrót emf, który występuje w niepołączonych cewkach stojana. Kontroler, który w rzeczywistości jest kompleksem sprzętowo-programowym, monitoruje te zmiany i ustala kolejność przełączania.

Trójfazowy bezszczotkowy silnik prądu stałego

Większość baz danych jest wykonywana w projekcie trójfazowym. Do sterowania takim napędem sterownik posiada konwerter stałe napięcie w impuls trójfazowy (patrz ryc. 7).

Rysunek 7. Schematy napięć DB

Aby wyjaśnić, jak działa taki silnik bezszczotkowy, należy spojrzeć na rysunek 4 razem z rysunkiem 7, na którym pokazane są kolejno wszystkie etapy pracy napędu. Zapiszmy je:

1. Impuls dodatni jest przykładany do cewek „A”, a impuls ujemny do „B”, w wyniku czego twornik się poruszy. Czujniki zarejestrują jego ruch i dadzą sygnał do kolejnej komutacji.
2. Cewka „A” zostaje wyłączona, a impuls dodatni przechodzi do „C” („B” pozostaje bez zmian), następnie podawany jest sygnał do kolejnego zestawu impulsów.
3. Na „C” - dodatni, „A” - ujemny.
4. Działa para „B” i „A”, które odbierają impulsy dodatnie i ujemne.
5. Impuls dodatni jest ponownie przykładany do „B”, a impuls ujemny do „C”.
6. Cewki „A” są włączone (dostarczony jest +), a na „C” powtarzany jest ujemny impuls. Następnie cykl się powtarza.

W pozornej prostocie zarządzania kryje się wiele trudności. Konieczne jest nie tylko śledzenie położenia twornika w celu wytworzenia kolejnych serii impulsów, ale także sterowanie prędkością obrotową poprzez regulację prądu w cewkach. Ponadto należy wybrać najbardziej optymalne parametry dla przyspieszania i zwalniania. Warto również zaznaczyć, że sterownik musi być wyposażony w blokadę pozwalającą na sterowanie jego pracą. Wygląd takie wielofunkcyjne urządzenie można zobaczyć na rysunku 8.

Ryż. 8. Wielofunkcyjny bezszczotkowy sterownik silnika

Zalety i wady

Elektryczny silnik bezszczotkowy ma wiele zalet, a mianowicie:

• Żywotność jest znacznie dłuższa niż w przypadku konwencjonalnych odpowiedników kolektorów.
• Wysoka wydajność.
• szybkie wybieranie prędkość maksymalna obrót.
• Jest potężniejszy niż CD.
• Brak iskier podczas pracy pozwala na stosowanie napędu w warunkach zagrożenia pożarowego.
• Nie wymaga dodatkowego chłodzenia.
• Prosta obsługa.

Teraz spójrzmy na wady. Istotna wada, co ogranicza korzystanie z bazy danych – ich stosunkowo wysoki koszt (biorąc pod uwagę cenę kierowcy). Wśród niedogodności jest niemożność korzystania z bazy danych bez sterownika, nawet do krótkotrwałej aktywacji, na przykład w celu sprawdzenia wydajności. Naprawa problemu, zwłaszcza jeśli wymagane jest przewijanie.

Opublikowano 19.03.2013

Tym artykułem rozpoczynam cykl publikacji poświęconych bezszczotkowym silnikom prądu stałego. Opiszę przystępnym językiem informacje ogólne, urządzenie, algorytmy sterowania silnikiem bezszczotkowym. Zostanie rozważony różne rodzaje silników podano przykłady doboru parametrów regulatora. Opiszę urządzenie i algorytm regulatora, sposób doboru wyłączników mocy oraz główne parametry regulatora. Logicznym wnioskiem z publikacji będzie schemat regulatora.

Silniki bezszczotkowe stały się powszechne dzięki rozwojowi elektroniki, a zwłaszcza dzięki pojawieniu się niedrogich przełączników tranzystorowych mocy. Ważną rolę odegrało również pojawienie się potężnych magnesów neodymowych.

Jednak bezszczotkowy silnik nie powinien być uważany za nowość. Idea silnika bezszczotkowego pojawiła się u zarania elektryczności. Jednak ze względu na niedostępność technologii czekał na swój czas do 1962 roku, kiedy to pojawił się pierwszy komercyjny bezszczotkowy silnik prądu stałego. Te. Od ponad pół wieku pojawiają się różne seryjne wdrożenia tego typu napędu elektrycznego!

Trochę terminologii

Bezszczotkowe silniki prądu stałego są również nazywane silnikami zaworowymi, w literaturze zagranicznej BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) lub PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Strukturalnie silnik bezszczotkowy składa się z wirnika z magnesami trwałymi i stojana z uzwojeniami. Zwracam uwagę na fakt, że przeciwnie, w silniku kolektora uzwojenia znajdują się na wirniku. Dlatego w dalszej części tekstu wirnik to magnesy, a stojan to uzwojenia.

Do sterowania silnikiem służy regulator elektroniczny. W literaturze zagranicznej Speed ​​​​Controller lub ESC (elektroniczna kontrola prędkości).

Co to jest silnik bezszczotkowy?

Zwykle ludzie w obliczu czegoś nowego szukają analogii. Czasem trzeba usłyszeć zdanie „no, to jak synchronizator”, albo jeszcze gorzej, „wygląda jak stepper”. Ponieważ większość silników bezszczotkowych jest trójfazowych, jest to jeszcze bardziej mylące, co prowadzi do błędnego przekonania, że ​​regulator „zasila” silnik trójfazowym prądem przemiennym. Wszystko powyższe jest tylko częściowo prawdziwe. Faktem jest, że wszystkie silniki oprócz asynchronicznych można nazwać synchronicznymi. Wszystkie silniki prądu stałego są synchroniczne z samosynchronizacją, ale ich zasada działania różni się od synchronicznych silników prądu przemiennego, które nie mają samosynchronizacji. Jako bezszczotkowy silnik krokowy prawdopodobnie też może działać. Ale o to chodzi: cegła też może latać… jednak nie daleko, bo nie jest do tego przeznaczona. Jak silnik krokowy bardziej odpowiedni jest bezszczotkowy silnik reluktancyjny.

Spróbujmy dowiedzieć się, czym jest bezszczotkowy silnik prądu stałego (Brushles Direct Current Motor). W tym zdaniu odpowiedź jest już ukryta - jest to silnik prądu stałego bez kolektora. Funkcje kolektora realizowane są przez elektronikę.

Zalety i wady

Dość skomplikowany, ciężki i iskrzący zespół, kolektor, został usunięty z konstrukcji silnika. Konstrukcja silnika jest znacznie uproszczona. Silnik jest lżejszy i bardziej kompaktowy. Znacznie zmniejszone straty przełączania dzięki wymianie komutatora i styków szczotki klucze elektroniczne. W efekcie otrzymujemy silnik elektryczny o najlepszej sprawności i mocy na kilogram. posiadać wagę, z najszerszym zakresem zmiany prędkości obrotowej. W praktyce silniki bezszczotkowe nagrzewają się mniej niż ich bracia kolektorzy. wytrzymać Ciężki ładunek przez chwilę. Zastosowanie potężnych magnesów neodymowych sprawiło, że silniki bezszczotkowe stały się jeszcze bardziej kompaktowe. Konstrukcja bezszczotkowego silnika pozwala na jego pracę w wodzie i agresywnym środowisku (oczywiście sam silnik, regulator będzie bardzo kosztowny w zamoczeniu). Bezszczotkowe silniki praktycznie nie powodują zakłóceń radiowych.

Jedyną wadą jest uważana za złożoną i kosztowną jednostka elektroniczna sterowanie (pokrętło lub ESC). Jeśli jednak chcesz kontrolować prędkość obrotową silnika, elektronika jest niezbędna. Jeśli nie musisz kontrolować prędkości silnika bezszczotkowego, nadal nie możesz obejść się bez elektronicznej jednostki sterującej. Bezszczotkowy silnik bez elektroniki to tylko kawałek żelaza. Nie ma możliwości podania do niego napięcia i uzyskania normalnych obrotów jak inne silniki.

Co dzieje się w bezszczotkowym sterowniku silnika?

Aby zrozumieć, co dzieje się w elektronice regulatora sterującego silnikiem bezszczotkowym, cofnijmy się trochę i najpierw zrozummy, jak działa silnik bezszczotkowy. Ze szkolnego kursu fizyki pamiętamy, jak pole magnetyczne działa na ramę z prądem. Rama z prądem obraca się w polu magnetycznym. Jednak nie obraca się stale, ale obraca się do określonej pozycji. Aby wystąpił ciągły obrót, konieczne jest przełączanie kierunku prądu w pętli w zależności od położenia pętli. W naszym przypadku ramą z prądem jest uzwojenie silnika, a komutator jest zaangażowany w przełączanie - urządzenie ze szczotkami i stykami. Urządzenie najprostszego silnika, patrz rysunek.

Elektronika sterująca silnikiem bezszczotkowym robi to samo - w właściwe chwilełączy napięcie stałe z żądanymi uzwojeniami stojana.

Enkodery, silniki bez enkoderów

Z powyższego ważne jest, aby zrozumieć, że konieczne jest przyłożenie napięcia do uzwojeń silnika w zależności od położenia wirnika. Dlatego elektronika musi być w stanie określić położenie wirnika silnika . W tym celu stosuje się czujniki położenia. Oni mogą być różne rodzaje, optyczny, magnetyczny itp. Obecnie bardzo powszechne są czujniki dyskretne oparte na efekcie Halla (na przykład SS41). 3-fazowy silnik bezszczotkowy wykorzystuje 3 czujniki. Dzięki takim czujnikom elektroniczna jednostka sterująca zawsze wie, w jakim położeniu znajduje się wirnik i które uzwojenia podać napięcie w danym momencie. W dalszej części zostanie omówiony algorytm sterowania trójfazowego silnika bezszczotkowego.

Istnieją silniki bezszczotkowe, które nie mają czujników. W takich silnikach położenie wirnika określa się mierząc napięcie na nieużywanym in ten moment czas nawijania. Metody te zostaną również omówione później. Należy zwrócić uwagę na istotną kwestię: ta metoda ma zastosowanie tylko wtedy, gdy silnik się obraca. Gdy silnik nie obraca się lub obraca się bardzo wolno, ta metoda nie działa.

W jakich przypadkach stosowane są silniki bezszczotkowe z czujnikami, aw jakich bez czujników? Jaka jest ich różnica?

Z technicznego punktu widzenia preferowane są silniki z enkoderami. Algorytm sterowania takimi silnikami jest znacznie prostszy. Jednak są też wady: wymagane jest doprowadzenie zasilania do czujników i ułożenie przewodów od czujników w silniku do elektroniki sterującej; w przypadku awarii jednego z czujników silnik przestaje działać, a wymiana czujników z reguły wymaga demontażu silnika.

W przypadkach, gdy konstrukcyjnie niemożliwe jest umieszczenie czujników w obudowie silnika, stosuje się silniki bez czujników. Konstrukcyjnie takie silniki praktycznie nie różnią się od silników z czujnikami. Ale jednostka elektroniczna musi być w stanie sterować silnikiem bez czujników. W takim przypadku jednostka sterująca musi być zgodna z charakterystyką konkretny model silnik.

Jeśli silnik musi zostać uruchomiony przy znacznym obciążeniu wału silnika (transport elektryczny, mechanizmy podnoszące itp.), Stosuje się silniki z czujnikami.
Jeśli silnik uruchomi się bez obciążenia wału (wentylacja, śmigło powietrzne, stosuje się sprzęgło odśrodkowe itp.), można zastosować silniki bez czujników. Pamiętaj: silnik bez enkodera musi się uruchamiać bez obciążenia na wale. Jeżeli ten warunek nie jest spełniony należy zastosować silnik z enkoderami. Dodatkowo w momencie uruchomienia silnika bez czujników możliwe są oscylacje obrotowe osi silnika różne strony. Jeśli jest to krytyczne dla twojego systemu, użyj silnika z czujnikami.

Trójfazowy

Zakupiono trójfazowe silniki bezszczotkowe najbardziej rozpowszechnione. Ale mogą być jedno, dwu, trzy lub więcej fazowe. Im więcej faz, tym płynniejszy obrót pola magnetycznego, ale bardziej złożony układ sterowania silnikiem. System 3-fazowy jest najbardziej optymalny pod względem stosunku wydajności do złożoności, dlatego stał się tak powszechny. Co więcej, tylko obwód trójfazowy będzie brany pod uwagę jako najbardziej powszechny. W rzeczywistości fazy są uzwojeniami silnika. Dlatego jeśli powiesz „trójuzwojeniowy”, myślę, że to również będzie poprawne. Trzy uzwojenia są połączone zgodnie ze schematem „gwiazdy” lub „trójkąta”. Trójfazowy silnik bezszczotkowy ma trzy przewody - przewody uzwojenia, patrz rysunek.

Silniki z enkoderami posiadają dodatkowo 5 przewodów (2 do zasilania enkodera położenia i 3 do sygnałów z enkodera).

W systemie trójfazowym napięcie jest przykładane do dwóch z trzech uzwojeń w dowolnym momencie. Tak więc istnieje 6 opcji przyłożenia napięcia stałego do uzwojeń silnika, jak pokazano na poniższym rysunku.

Charakterystyka silnika prądu stałego. Podobnie jak silniki prądu stałego, silniki bezszczotkowe działają na prąd stały. VD można uznać za silnik prądu stałego, w którym zespół szczotka-kolektor został zastąpiony elektroniką, co podkreśla słowo „zawór”, czyli „sterowane klawiszami zasilania” (zawory). Prądy fazowe silnika bezszczotkowego mają kształt sinusoidalny. Z reguły autonomiczny falownik napięcia z modulacją szerokości impulsu (PWM) jest używany jako wzmacniacz mocy.

Silnik zaworu należy odróżnić od bezszczotkowego silnika prądu stałego (BDC), który ma trapezoidalny rozkład pola magnetycznego w szczelinie i charakteryzuje się prostokątnym kształtem napięć fazowych. Struktura BLDT jest prostsza niż struktura VD (nie ma konwertera współrzędnych, zamiast PWM stosuje się przełączanie o 120 lub 180 stopni, którego implementacja jest prostsza niż PWM).

W literaturze rosyjskojęzycznej silnik nazywany jest silnikiem zaworowym, jeśli pole elektromagnetyczne sterowanej maszyny synchronicznej jest sinusoidalne, a bezdotykowy silnik DC, jeśli back-EMF jest trapezoidalny.

W anglojęzycznej literaturze takie silniki zwykle nie są rozpatrywane oddzielnie od napędu elektrycznego i są określane skrótami PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) lub BLDC (Brushless Direct Current Motor). Warto zauważyć, że skrót PMSM w literaturze anglojęzycznej jest częściej używany w odniesieniu do samych maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi i sinusoidalną postacią fazowego wstecznego pola elektromagnetycznego, natomiast skrót BLDC jest podobny do rosyjskiego skrótu BDPT i odnosi się do silniki z trapezowym kształtem back-EMF (jeśli nie podano innego kształtu).

Ogólnie rzecz biorąc, silnik bezszczotkowy nie jest maszyną elektryczną w tradycyjnym tego słowa znaczeniu, ponieważ jego problemy dotyczą szeregu zagadnień związanych z teorią napędów elektrycznych i układów automatyki: organizacji strukturalnej, zastosowania czujników i elementów elektronicznych, a także oprogramowanie.

Silniki BLDC, które łączą w sobie niezawodność maszyn prądu przemiennego z dobrą sterowalnością maszyn prądu stałego, są alternatywą dla silników prądu stałego, które charakteryzują się szeregiem mankamentów związanych z panelem sterującym, takich jak iskrzenie, hałas, zużycie szczotek, słaby twornik odprowadzanie ciepła itp. Brak panelu sterującego pozwala na zastosowanie VD w tych aplikacjach, w których użycie DPT jest utrudnione lub niemożliwe.

Opis i zasada działania[ | ]

Ryż. 2. Budowa dwufazowego silnika bezszczotkowego z maszyną synchroniczną z magnesami trwałymi na wirniku. PC - konwerter współrzędnych, PA - wzmacniacz mocy,
SEMP - synchroniczny przekształtnik elektromechaniczny (maszyna synchroniczna), DPR - czujnik położenia wirnika.

U α = - u q ⋅ grzech ⁡ θ , (\ Displaystyle u _ (\ alfa) = -u_ (q) \ cdot \ sin (\ teta))

U β = (\ displaystyle u _ (\ beta) =) u q ⋅ sałata ⁡ θ , (\ Displaystyle u_ (q) \ cdot \ cos (\ teta))

gdzie jest kątem obrotu wirnika (i układem współrzędnych obrotowych) względem osi α (\ displaystyle \ alpha) stały układ współrzędnych. Aby zmierzyć chwilową wartość kąta θ (\ Displaystyle \ teta) czujnik położenia wirnika (RPS) jest zainstalowany na wale HP.

W rzeczywistości w tym przypadku jest to przypisanie wartości amplitudy napięć fazowych. Komputer PC realizujący modulację położenia sygnału u q (\ displaystyle u_ (q)), generuje sygnały harmoniczne u α , u β (\ Displaystyle u_ (\ alfa), u_ (\ beta)), które wzmacniacz mocy (PA) przetwarza na napięcia fazowe u ZA , u b (\ Displaystyle u_ (A), u_ (B)). Silnik synchroniczny jako część silnika bezszczotkowego jest często nazywany synchronicznym przetwornikiem elektromechanicznym (SEMC).

Z reguły część elektroniczna WP przełącza fazy stojana maszyny synchronicznej tak, aby wektor strumienia magnetycznego stojana był ortogonalny do wektora strumienia magnetycznego wirnika (tzw. sterowanie wektorowe). Przy zachowaniu ortogonalności przepływów stojana i wirnika maksymalny moment WP jest utrzymywany w warunkach zmiany prędkości obrotowej, co zapobiega wypadaniu wirnika z synchronizmu i zapewnia pracę maszyny synchronicznej z najwyższą ewentualna dla niego wydajność. Do określenia aktualnego położenia strumienia wirnika zamiast czujnika położenia wirnika można zastosować czujniki prądowe (pośredni pomiar położenia).

Część elektroniczna nowoczesnego VD zawiera mikrokontroler i mostek tranzystorowy, a zasada modulacji szerokości impulsu (PWM) jest wykorzystywana do tworzenia prądów fazowych. Mikrokontroler monitoruje przestrzeganie określonych praw sterowania, a także przeprowadza diagnostykę systemu i zabezpiecza jego oprogramowanie przed sytuacjami awaryjnymi.

Czasami nie ma czujnika położenia wirnika, a położenie jest szacowane przez układ sterowania na podstawie pomiarów czujników prądu przy pomocy obserwatorów (tzw. „bezczujnikowe” sterowanie WC). W takich przypadkach, dzięki usunięciu kosztownego i często kłopotliwego czujnika położenia, cena oraz waga i wymiary napędu elektrycznego z HP spadają, ale sterowanie staje się bardziej skomplikowane, a dokładność wyznaczania położenia i prędkości maleje.

W zastosowaniach o średniej i dużej mocy do systemu można dodać filtry elektryczne, aby złagodzić negatywne skutki PWM: przepięcia uzwojenia, prądy łożyskowe i zmniejszoną wydajność. Dotyczy to jednak wszystkich typów silników.

Zalety i wady[ | ]

Silniki zaworów są przeznaczone do łączenia najlepsze cechy Silniki prądu przemiennego i silniki prądu stałego. To decyduje o ich godności.

Zalety:

Silniki zaworów charakteryzują się również pewnymi wadami, z których główną jest wysoki koszt. Jednak mówiąc o wysokich kosztach, należy również wziąć pod uwagę fakt, że silniki bezszczotkowe są zwykle stosowane w drogich układach o zwiększonych wymaganiach co do dokładności i niezawodności.

Wady:

Projekt [ | ]

Strukturalnie nowoczesne napędy zaworów składają się z części elektromechanicznej (maszyna synchroniczna i czujnik położenia wirnika) oraz części sterującej (mikrokontroler i mostek mocy).

Odnosząc się do projektowania VD, warto pamiętać o niekonstrukcyjnym elemencie systemu - programie sterującym (logice).

Maszyna synchroniczna stosowana w HP składa się z laminowanego (składanego z oddzielnych izolowanych elektrycznie arkuszy stali elektrotechnicznej - w celu zmniejszenia prądów wirowych) stojana, w którym znajduje się uzwojenie wielofazowe (zwykle dwu- lub trójfazowe) oraz wirnik (zwykle na magnesach trwałych).

Czujniki Halla są używane jako czujniki położenia wirnika w BDPT, a obracające się transformatory i czujniki akumulacyjne są używane w VD. W tzw. W systemach „bezczujnikowych” informacja o położeniu jest określana przez układ sterowania na podstawie chwilowych wartości prądów fazowych.

Informacje o położeniu wirnika przetwarzane są przez mikroprocesor, który zgodnie z programem sterującym generuje sterujące sygnały PWM. Niskonapięciowe sygnały PWM z mikrokontrolera są następnie przetwarzane przez wzmacniacz mocy (zwykle mostek tranzystorowy) na napięcie zasilające podawane do silnika.

Kombinację czujnika położenia wirnika i zespołu elektronicznego w HP i BDPT można porównać z pewnym stopniem niezawodności z zespołem szczotki-kolektora DT. Należy jednak pamiętać, że silniki są rzadko używane poza napędem. Tak więc sprzęt elektroniczny jest charakterystyczny dla VD prawie w takim samym stopniu jak dla DPT.

stojan [ | ]

Stojan ma tradycyjną konstrukcję. Składa się z obudowy, rdzenia wykonanego ze stali elektrotechnicznej oraz miedzianego uzwojenia ułożonego w rowkach wzdłuż obwodu rdzenia. Uzwojenie jest podzielone na fazy, które są ułożone w rowkach w taki sposób, że są przestrzennie przesunięte względem siebie o kąt określony przez liczbę faz. Wiadomo, że do równomiernego obracania się wału silnika maszyny prądu przemiennego wystarczą dwie fazy. Zazwyczaj maszyny synchroniczne stosowane w HP są trójfazowe, ale spotyka się również HP z uzwojeniami cztero- i sześciofazowymi.

Wirnik [ | ]

W zależności od umiejscowienia wirnika silniki bezszczotkowe dzielą się na wewnątrzwirnikowe (ang. inrunner) i zewnętrzne (eng. outrunner).

Wirnik jest wykonany z magnesów trwałych i ma zwykle od dwóch do szesnastu par biegunów z naprzemiennymi biegunami północnym i południowym.

Pojawienie się silników bezszczotkowych tłumaczy się potrzebą stworzenia maszyny elektrycznej o wielu zaletach. Silnik bezszczotkowy to urządzenie bez kolektora, którego funkcję przejmuje elektronika.

BKEPT - bezszczotkowe silniki prądu stałego, mogą mieć moc, na przykład 12, 30 woltów.

• Wybór odpowiedniego silnika
• Zasada działania
• ZACHOWAJ urządzenie
• Czujniki i ich brak
• Brak czujnika
• Pojęcie częstotliwości PWM
• układ arduino
• Mocowanie silnika

Wybór odpowiedniego silnika

Aby wybrać jednostkę, należy porównać zasadę działania i cechy silników kolektorowych i bezszczotkowych.

Od lewej do prawej: silnik kolektora i silnik bezszczotkowy FK 28-12

Kolektory kosztują mniej, ale rozwijają niską prędkość obrotową momentu obrotowego. Działają na prąd stały, mają niewielką wagę i rozmiar, przystępna cena naprawy na części zamienne. Przejaw negatywnej jakości ujawnia się, gdy otrzymana zostanie ogromna liczba obrotów. Szczotki stykają się z komutatorem, powodując tarcie, które może uszkodzić mechanizm. Wydajność urządzenia jest zmniejszona.

Pędzle nie tylko wymagają naprawy ze względu na szybkie zużycie, ale może również doprowadzić do przegrzania mechanizmu.

Główną zaletą bezszczotkowego silnika prądu stałego jest brak momentu obrotowego i kołków przełączających. Oznacza to, że nie ma źródeł strat, jak w silnikach z magnesami trwałymi. Ich funkcje pełnią tranzystory MOS. Wcześniej ich koszt był wysoki, więc nie były dostępne. Dziś cena stała się akceptowalna, a wydajność znacznie się poprawiła. W przypadku braku grzejnika w systemie moc jest ograniczona od 2,5 do 4 watów, a prąd roboczy wynosi od 10 do 30 amperów. efektywność silniki bezszczotkowe bardzo wysoki.

Drugą zaletą są ustawienia mechaniki. Oś osadzona jest na szerokich łożyskach. W konstrukcji nie ma elementów łamiących i wymazujących.

Jedynym minusem jest droga elektroniczna jednostka sterująca.

Rozważmy przykład mechaniki maszyny CNC z wrzecionem.

Wymiana silnika kolektora na bezszczotkowy uchroni wrzeciono CNC przed pęknięciem. Pod wrzecionem rozumie się wał z prawymi i lewymi obrotami momentu obrotowego. Wrzeciono CNC ma duża moc. Prędkość momentu obrotowego jest kontrolowana przez tester serwomechanizmu, a prędkość jest kontrolowana przez automatyczny sterownik. Koszt CNC z wrzecionem to około 4 tysiące rubli.

Zasada działania

Główną cechą mechanizmu jest brak kolektora. A magnesy trwałe są zainstalowane na wrzecionie, którym jest wirnik. Wokół niego są uzwojenia drutu, które mają różne pola magnetyczne. Różnica między silnikami bezszczotkowymi 12 V polega na umieszczonym na nich czujniku sterowania wirnikiem. Sygnały są podawane do jednostki regulatora prędkości.

ZACHOWAJ urządzenie

Układ magnesów wewnątrz stojana jest zwykle stosowany w silnikach dwufazowych o małej liczbie biegunów. Zasada momentu obrotowego wokół stojana jest stosowana, gdy konieczne jest uzyskanie silnika dwufazowego o niskiej prędkości obrotowej.

Na rotorze znajdują się cztery bieguny. Magnesy w kształcie prostokąta są instalowane przez naprzemienne bieguny. Jednak liczba biegunów nie zawsze jest równa liczbie magnesów, która może wynosić 12, 14. Ale liczba biegunów musi być parzysta.Kilka magnesów może tworzyć jeden biegun.

Na rysunku przedstawiono 8 magnesów tworzących 4 bieguny. Moment siły zależy od mocy magnesów.

Czujniki i ich brak

Sterowniki jazdy dzielą się na dwie grupy: z czujnikiem położenia wirnika i bez niego.

Siły prądu są przykładane do uzwojeń silnika w specjalne stanowisko wirnik Jest to określone przez układ elektroniczny za pomocą czujnika położenia. Są różnego rodzaju. Popularnym kontrolerem podróży jest dyskretny czujnik Halla. Silnik trójfazowy 30 V będzie korzystał z 3 czujników. Jednostka elektroniczna stale ma dane o położeniu wirnika i kieruje napięcie w czasie do żądanych uzwojeń.

Powszechne urządzenie, które zmienia swoje wnioski podczas przełączania uzwojeń.

Urządzenie z otwartą pętlą mierzy prąd, prędkość. Kanały PWM są przymocowane do dolnej części układu sterowania.

Trzy wejścia są podłączone do czujnika Halla. W przypadku zmiany czujnika Halla rozpoczyna się proces obsługi przerwania. Aby zapewnić szybką reakcję na przerwanie, czujnik Halla jest podłączony do dolnych pinów portu.

Wykorzystanie czujnika położenia z mikrokontrolerem

Aby zaoszczędzić na rachunkach za prąd, nasi czytelnicy polecają Electricity Saving Box. Miesięczne raty będą o 30-50% mniejsze niż przed skorzystaniem z wygaszacza. Usuwa element bierny z sieci, w wyniku czego zmniejsza się obciążenie, a co za tym idzie pobór prądu. Urządzenia elektryczne zużywają mniej energii elektrycznej, zmniejszając koszt jej zapłaty.

Sercem rdzenia AVR jest kaskadowy kontroler mocy, który zapewnia inteligentne sterowanie bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. AVR to chip do wykonywania określonych zadań.

Zasada działania kontrolera skoku może być z czujnikiem lub bez. Program płyty AVR:

• jak najszybsze uruchomienie silnika bez użycia zewnętrznych urządzeń dodatkowych;
• regulacja prędkości za pomocą jednego zewnętrznego potencjometru.

osobny widok automatyczna kontrola sma, stosowany w pralkach.

Brak czujnika

Aby określić położenie wirnika, należy zmierzyć napięcie na uzwojeniu biegu jałowego. Ta metoda ma zastosowanie, gdy silnik się obraca, w przeciwnym razie nie będzie działać.

Bezczujnikowe kontrolery podróży są lżejsze, co wyjaśnia ich powszechne zastosowanie.

Kontrolery mają następujące właściwości:

• wartość maksymalnego prądu stałego;
• wartość maksymalnego napięcia roboczego;
• numer maksymalna prędkość;
• rezystancja wyłączników mocy;
• częstotliwość impulsów.

Podczas podłączania sterownika ważne jest, aby przewody były jak najkrótsze. Ze względu na występowanie skoków prądu na starcie. Jeśli drut jest długi, mogą wystąpić błędy w określeniu położenia wirnika. Dlatego kontrolery sprzedawane są z przewodem o długości 12 - 16 cm.

Kontrolery posiadają wiele ustawień programowych:

• kontrola wyłączenia silnika;
• miękkie lub twarde wyłączenie;
• hamowanie i płynne wyłączanie;
• postęp mocy i wydajności;
• miękki, twardy, szybki start;
• obecny limit;
• tryb gazowy;
• zmiana kierunku.

Pokazany na rysunku kontroler LB11880 zawiera mocny bezszczotkowy sterownik silnika, co oznacza, że ​​​​możesz uruchomić silnik bezpośrednio do mikroukładu bez dodatkowych sterowników.

Pojęcie częstotliwości PWM

Gdy kluczyki są włączone, do silnika przykładane jest pełne obciążenie. Urządzenie osiąga maksymalną prędkość. W celu sterowania silnikiem należy zapewnić regulator mocy. To właśnie robi modulacja szerokości impulsu (PWM).

Ustawiona jest wymagana częstotliwość otwierania i zamykania kluczy. Napięcie zmienia się od zera do pracy. Aby kontrolować prędkość, konieczne jest nałożenie sygnału PWM na sygnały klawiszy.

Sygnał PWM może być generowany przez urządzenie na kilku wyjściach. Lub utwórz PWM dla osobnego klucza za pomocą programu. Obwód staje się prostszy. Sygnał PWM ma 4-80 kiloherców.

Zwiększenie częstotliwości prowadzi do większej liczby procesów przejściowych, co powoduje wzrost ciepła. Wysokość częstotliwości PWM zwiększa liczbę transjentów, co skutkuje stratami na klawiszach. Mała częstotliwość nie daje pożądanej płynności sterowania.

Aby zmniejszyć straty na klawiszach podczas stanów nieustalonych, sygnały PWM są podawane osobno do górnego lub dolnego przełącznika. Straty bezpośrednie oblicza się ze wzoru P=R*I2, gdzie P to moc strat, R to rezystancja przełącznika, I to natężenie prądu.

Mniejszy opór minimalizuje straty, zwiększa wydajność.

układ arduino

Często do sterowania silnikami bezszczotkowymi używany jest komputer sprzętowy. platforma Arduino. Opiera się na płytce i środowisku programistycznym w języku Wiring.

Płytka arduino zawiera mikrokontroler Atmel AVR oraz programowanie elementów i interakcję z obwodami. Na płytce znajduje się regulator napięcia. Płyta Serial Arduino to prosty obwód odwracający do konwersji sygnałów z jednego poziomu na drugi. Programy są instalowane przez USB. Niektóre modele, takie jak Arduino Mini, wymagają dodatkowa opłata do programowania.

Język programowania Arduino wykorzystuje przetwarzanie standardowe. Niektóre modele arduino umożliwiają jednoczesne sterowanie wieloma serwerami. Programy są przetwarzane przez procesor i kompilowane przez AVR.

Problemy ze sterownikiem mogą wystąpić z powodu spadków napięcia i nadmiernego obciążenia.

Mocowanie silnika

Mocowanie silnika to mechanizm, który montuje silnik. Stosowany w instalacjach silnikowych. Mocowanie silnika składa się z połączonych ze sobą prętów i elementów ramy. Mocowania silnika są płaskie, przestrzenne jeśli chodzi o elementy. Uchwyt silnika dla pojedynczego silnika 30 V lub wielu urządzeń. obwód zasilania Mocowanie silnika składa się z zestawu prętów. Mocowanie silnika jest instalowane w kombinacji elementów kratownicy i ramy.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest nieodzowną jednostką stosowaną zarówno w życiu codziennym, jak iw przemyśle. Na przykład maszyna CNC, sprzęt medyczny, mechanizmy samochodowe.

BKEPT wyróżniają się niezawodnością, bardzo precyzyjną zasadą działania, automatycznym inteligentnym sterowaniem i regulacją.