Безколекторні потужні двигуни постійного струму. Безколекторні двигуни

Трохи з історії:

Головна проблема всіх двигунів – це перегрівання. Ротор обертався всередині якогось статора, і тому тепло від перегріву нікуди не йшло. Людям спала на думку геніальна ідея: обертати не ротор, а статор, який при обертанні охолоджувався б повітрям. Коли створили такий двигун, він почав широко використовуватись в авіації та суднобудуванні, і тому його прозвали Вентильним двигуном.

Незабаром було створено електричний аналог вентильного двигуна. Назвали його безколекторним мотором, тому що він не мав колекторів (щіток).

Безколекторний двигун.

Безколекторні (brushless англ.) електродвигуни прийшли до нас порівняно недавно, в останні 10-15 років. На відміну від колекторних моторіввони живляться трифазним змінним струмом. Безколекторні двигуни ефективно працюють у ширшому 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 сміливо сказати, що безколекторні мотори мало зношуються. Вартість безколекторних двигунів дещо вища, ніж колекторних. Це викликано тим, що всі безколекторні мотори мають підшипники і, як правило, виготовлені якісніше.

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

Потужність та ККД

Потужність можна обчислити таким чином:
1) Потужність у механіці обчислюється за такою формулою: N = F * v, де F – сила, а v – швидкість. Але оскільки гвинт перебуває у статичному стані, то руху немає, крім обертального. Якщо цей двигун встановити на авіамодель, то можна було б заміряти швидкість (вона дорівнює 12 м/с) і порахувати корисну потужність:
N поліз = 7.54 * 12 = 90.48 ват
2) ККД електричного двигуназнаходиться за такою формулою: ККД = N корисної / N витраченої * 100%, де N витрат = 101 ват
ККД = 90.48/101 * 100% = 90%
У середньому ККД безколекторних двигунів реально і коливається близько 90% (найбільший ККД досягнутий цим видом двигунів 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 моторівмножаться, як гриби після дощу. Тому хочеться вірити, що незабаром ціна на контролери та безколекторні. двигуни впадеЯк упала вона на апаратуру радіоуправління... Можливості мікроелектроніки з кожним днем ​​все розширюються, розміри і вага контролерів поступово зменшуються. Можна припустити, що незабаром контролери почнуть вбудовувати прямо в двигуни! Може, ми доживемо до цього дня...

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

Загальні відомості, будова, сфера застосування

Одна з причин вияву інтересу до БД - це зросла потреба у високооборотних мікродвигуна, що мають точне позиціонування. Внутрішнє влаштування таких приводів продемонстровано на малюнку 2.

Мал. 2. Пристрій біс колекторного двигуна

Як бачите, конструкція є 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 із внутрішнім якорем (саме такий тип конструкції можна побачити на малюнку 2), так і зовнішнім (див. рис. 3).

Мал. 3. Конструкція із зовнішнім якорем (outrunner)

Відповідно кожна з конструкцій має певну сферу застосування. Пристрої з внутрішнім якорем мають високою швидкістюобертання, тому використовуються в системах охолодження, як силових установокдронів і т.д. Приводи з зовнішнім роторомвикористовуються там, де потрібне точне позиціонування та стійкість до перевантажень по моменту (робототехніка, медичне обладнання, верстати ЧПУ тощо).

Принцип роботи

На відміну від інших приводів, наприклад, асинхронної машини змінного струмуДля 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, що діє на якір БД. Наочно цей процес продемонстровано малюнку 4.

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

Відмінності колекторного та безколекторного двигуна

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

Мал. 5. А – колекторний двигун, В – безколекторний

Розглянемо конструктивні відмінності. З малюнка 5 видно, що ротор (1 на рис. 5) двигуна колекторного типу, на відміну від безколекторного, має котушки, у яких проста схеманамотування, 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 збудження і утворюється магнітне поле. Воно вступає у взаємодію Космосу з постійними магнітами, це змушує прокручуватися якір і розміщений на ньому колектор. Через війну харчування подається іншу обмотку і цикл повторюється.

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

Конструктивні особливості двигунів безколекторного типу ми розглядали у попередньому розділі. Як ви пам'ятаєте, їхнє підключення вимагає наявності спеціального контролера, без якого вони просто не працюватимуть. З цієї причини ці двигуни що неспроможні використовуватися як генератор.

Варто також зазначити, що у деяких приводах даного типудля ефективнішого управління відстежуються положення ротора з допомогою датчиків Холла. Це значно покращує властивості безколекторних двигунів, але призводить до подорожчання і так дорогої конструкції.

Як запустити безколекторний двигун?

Щоб змусити працювати приводи даного типу, знадобиться спеціальний контролер (див. рис. 6). Без нього запуск неможливий.

Мал. 6. Контролери безколекторних двигунів для моделізму

Збирати самому такий пристрій немає сенсу, дешевше і надійніше придбати готовий. Підібрати його можна за наступним характеристикам, властивим драйверам каналів:

• Максимально допустима сила струму ця характеристика наводиться для штатного режиму роботи пристрою. Досить часто виробники вказують такий параметр у назві моделі (наприклад, Phoenix-18). У деяких випадках наводиться значення пікового режиму, який контролер може підтримувати кілька секунд.
• Максимальний розмір штатної напруги для тривалої роботи.
• Опір внутрішніх ланцюгів контролера.
• Допустиме число оборотів, вказується в rpm. Понад це значення контролер не дозволить збільшити обертання (обмеження реалізовано на програмному рівні). Слід звернути увагу на те, що частота обертання завжди приводиться для двополюсних приводів. Якщо пар полюсів більше, слід розділити значення їх кількість. Наприклад, вказано число 60000 rpm, отже, для 6-ї магнітного двигуначастота обертання становитиме 60000/3=20000 prm.
• Частота генерованих імпульсів, більшість контролерів цей параметр лежить у межах від 7 до 8 кГц, більше дорогі моделідозволяють перепрограмувати параметр, збільшивши його до 16 чи 32 кГц.

Звернімо увагу, що три характеристики визначають потужність БД.

Управління безколекторним двигуном

Як зазначалося вище, управління комутацією обмоток приводу здійснюється електронікою. Щоб визначити, коли перемикатися, драйвер відстежує положення якоря за допомогою датчиків Холла. Якщо привід не забезпечений такими детекторами, то береться до уваги зворотна ЕРС, що виникає у непідключених котушках статора. Контролер, який, по суті, є апаратно-програмним комплексом, відстежує ці зміни та задає порядок комутації.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Більшість БД виконуються у трифазному виконанні. Для керування таким приводом у контролері є перетворювач постійної напругиу трифазне імпульсне (див. рис.7).

Рисунок 7. Діаграми напруг БД

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

1. На котушки "А" подається позитивний імпульс, тоді як на "В" - негативний, в результаті якір зрушить. Датчиками зафіксується його рух і подасть 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» та «А», на які надходять позитивний та негативний імпульси.
5. Позитивний імпульс повторно подається на "В", і негативний на "С".
6. Включаються котушки "А" (подається +) і повторюється негативний імпульс на "С". Далі цикл повторюється.

У простоті управління, що здається, є маса складнощів. Потрібно не тільки відстежувати положення якоря, щоб зробити наступну серію імпульсів, а й керувати частотою обертання, регулюючи струм у котушках. Крім цього слід вибрати найбільше оптимальні параметридля розгону та гальмування. Варто також не забувати, що контролер повинен бути оснащений блоком, що дозволяє керувати його роботою. Зовнішній виглядтакого багатофункціонального пристрою можна побачити малюнку 8.

Мал. 8. Багатофункціональний контролер керування безколекторним двигуном

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 швидкостіобертання.
• Він потужніший, ніж КД.
• Відсутність іскор при роботі дозволяє використовувати привід у пожежонебезпечних умовах.
• Не потрібне додаткове охолодження.
• Проста експлуатація.

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

Опубликовано 19.03.2013

Цією статтею я починаю цикл публікацій про безколекторні двигуни постійного струму. Доступною мовою опишу загальні відомості, пристрій, алгоритми керування безколекторним двигуном Будуть розглянуті різні типидвигунів, наведено приклади підбору параметрів регуляторів. Опишу пристрій та алгоритм роботи регулятора, методику вибору силових ключів та основних параметрів регулятора. Логічним завершенням публікацій буде схема регулятора.

Безколекторні двигуни набули широкого поширення завдяки розвитку електроніки і, у тому числі, завдяки появі недорогих силових транзисторних ключів. Також важливу роль відіграла поява потужних неодимових магнітів.

Однак не варто вважати безколекторний двигун новинкою. Ідея безколекторного двигуна з'явилася на зорі електрики. Але через неготовність технологій чекала свого часу до 1962 року, коли з'явився перший комерційний безколекторний двигун постійного струму. Тобто. вже понад півстоліття існують різні серійні реалізації цього електроприводу!

Трохи термінології

Безколекторні двигуни постійного струму називають також вентильними, в зарубіжній літературі BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) або PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно безколекторний двигун складається з ротора з постійними магнітами та статора з обмотками. Звертаю Вашу увагу на те, що в колекторному двигуні навпаки обмотки знаходяться на роторі. Тому, далі у тексті ротор – магніти, статор – обмотки.

Для керування двигуном застосовується електронний регулятор. У зарубіжній літературі Speed ​​Controller чи ESC (Electronic speed control).

Що таке безколекторний двигун?

Зазвичай люди, зіштовхуючись із чимось новим, шукають аналогії. Іноді доводиться чути фрази "ну це як синхронник", або ще гірше "він схожий на кроковик". Оскільки більшість безколекторних двигунів трифазні, це ще більше плутає, що призводить до неправильної думки про те, що регулятор "годує" двигун змінним 3x фазним струмом. Усе сказане вище відповідає дійсності лише частково. Справа в тому, що синхронними можна назвати всі двигуни, крім асинхронних. Усі двигуни постійного струму є синхронними із самосинхронізацією, але їх принцип дії відрізняється від синхронних двигунів змінного струму, у яких відсутня самосинхронізація. Як кроковий безколекторний двигун також, напевно, зможе працювати. Але тут така справа: цегла вона теж може літати... правда, недалеко, бо для цього не призначено. В якості крокового двигунабільше підійде вентильний реактивний двигун.

Спробуємо розібратися, що є безколекторним двигуном постійного струму (Brushles Direct Current Motor). У цій фразі вже криється відповідь – це двигун постійного струму без колектора. Функції колектора виконує електроніка.

Переваги і недоліки

З конструкції двигуна видаляється досить складний важкий і вогнетривкий вузол – колектор, що вимагає обслуговування. Конструкція двигуна значно спрощується. Двигун виходить легшим і компактнішим. Значно зменшуються втрати на комутацію, оскільки контакти колектора та щітки замінюються. електронними ключами. У результаті отримуємо електродвигун з найкращими показниками ККД та показником потужності на кілограм. власної ваги, з найбільшим діапазоном зміни швидкості обертання. Насправді безколекторні двигуни гріються менше, ніж їхні колекторні брати. Переносять велике навантаженняна момент. Застосування потужних неодимових магнітів зробили безколекторні двигуни ще компактнішими. Конструкція безколекторного двигуна дозволяє експлуатувати його у воді та агресивних середовищах (зрозуміло, тільки двигун, регулятор мочити буде дуже дорого). Безколекторні двигуни практично не створюють радіоперешкод.

Єдиним недоліком вважають складний дорогий електронний блоккерування (регулятор або ESC). Однак, якщо ви хочете керувати оборотами двигуна, без електроніки не обійтися. Якщо вам не треба керувати обертами безколекторного двигуна, без електронного блоку управління все одно не обійтись. Безколекторний двигун без електроніки просто залізниця. Немає можливості подати на нього напругу і досягти нормального обертання як у інших двигунів.

Що відбувається у регуляторі безколекторного двигуна?

Для того щоб зрозуміти, що відбувається в електроніці регулятора, що управляє безколекторним двигуном, повернемося трохи назад і спочатку розберемося, як працює колекторний двигун. Зі шкільного курсу фізики пам'ятаємо, як магнітне поле діє на рамку зі струмом. Рамка зі струмом обертається у магнітному полі. У цьому вона обертається постійно, а повертається до певного становища. Для того, щоб відбувалося безперервне обертання, потрібно перемикати напрямок струму в рамці в залежності від положення рамки. У нашому випадку рамка зі струмом – це обмотка двигуна, а перемиканням займається колектор – пристрій зі щітками та контактами. Пристрій найпростішого двигуна дивись на малюнку.

Те саме робить і електроніка, що керує безколекторним двигуном - в потрібні моментипідключає постійну напругу на необхідні обмотки статора.

Датчики положення, двигуни без датчиків

Зі сказаного вище важливо усвідомити, що подавати напругу на обмотки двигуна потрібно в залежності від положення ротора. Тому електроніка має вміти визначати положення ротора двигуна. . Для цього застосовуються датчики положення. Вони можуть бути різного типу, оптичні, магнітні і т.д. Нині дуже поширені дискретні датчики з урахуванням ефекту Холла (наприклад SS41). У трифазному безколекторному двигуні використовується 3 датчики. Завдяки таким датчикам електронний блок управління завжди знає, в якому положенні знаходиться ротор і які обмотки подавати напругу в кожний момент часу. Пізніше буде розглянуто алгоритм керування трифазним безколекторним двигуном.

Існують безколекторні двигуни, які не мають датчиків. У таких двигунах положення ротора визначається шляхом вимірювання напруги на незадіяній в Наразічасу обмотування. Ці методи також будуть розглянуті пізніше. Слід звернути увагу на суттєвий момент: цей спосіб є актуальним тільки при обертанні двигуна. Коли двигун не обертається або обертається повільно, такий метод не працює.

У яких випадках застосовують безколекорні двигуни з датчиками, а в яких – без датчиків? У чому їхня відмінність?

Двигуни з датчиками положення кращі з технічної точки зору. Алгоритм керування такими двигунами значно простіше. Однак є і свої мінуси: потрібно забезпечити живлення датчиків та прокладання проводів від датчиків у двигуні до електроніки, що управляє; у разі виходу з ладу одного з датчиків двигун припиняє роботу, а заміна датчиків, як правило, вимагає розбирання двигуна.

У тих випадках, коли конструктивно неможливо розмістити датчики в корпусі двигуна використовують двигуни без датчиків. Конструктивно такі двигуни практично не відрізняються від двигунів із датчиками. А ось електронний блок має вміти керувати двигуном без датчиків. При цьому блок управління повинен відповідати характеристикам конкретної моделідвигуна.

Якщо двигун повинен стартувати із суттєвим навантаженням на валу двигуна (електротранспорт, підйомні механізми тощо) – застосовують двигуни з датчиками.
Якщо двигун стартує без навантаження на валу (вентиляція, повітряний гвинт, застосовується відцентрова муфта зчеплення тощо), можна застосовувати двигуни без датчиків. Запам'ятайте, що двигун без датчиків положення повинен стартувати без навантаження на валу. Якщо ця умова не дотримується, слід використовувати двигун із датчиками. Крім того, в момент старту двигуна без датчиків можливі обертальні коливання осі двигуна різні сторони. Якщо це критично для Вашої системи, використовуйте двигун із датчиками.

Три фази

Трифазні безколекторні двигуни придбали найбільшого поширення. Але можуть бути і одне, двох, трьох і більше фазними. Чим більше фаз, тим паче плавне обертання магнітного поля, а й складніше система управління двигуном. 3-х фазна система найбільш оптимальна за співвідношенням ефективність/складність, тому й набула такого широкого поширення. Далі розглядатиметься лише трифазна схема, як найпоширеніша. Фактично фази – це обмотки двигуна. Тому якщо сказати "трьохобмотковий", думаю, це теж буде правильно. Три обмотки з'єднуються за схемою "зірка" або "трикутник". Трифазний безколекторний двигун має три дроти – висновки обмоток, див. рисунок.

Двигуни з датчиками мають додаткових 5 проводів (2-живлення датчиків положення, та 3 сигнали від датчиків).

У трифазній системі у кожний момент часу напруга подається на дві з трьох обмоток. Таким чином, є 6 варіантів подачі постійної напруги на обмотки двигуна, як показано нижче.

Характеристики електродвигуна постійного струму. Як і електродвигуни постійного струму, вентильні двигунипрацюють від мережі постійного струму. ВД можна як двигун постійного струму, у якому щёточно-коллекторный вузол замінений електронікою , що підкреслюється словом «вентильний», тобто «керований силовими ключами » (вентилями). Фазні струми вентильного двигуна мають синусоїдальну форму. Як правило, як підсилювач потужності застосовується автономний інвертор напруги з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Вентильний двигун слід відрізняти від безколекторного двигуна постійного струму (БДПТ), який має трапецеїдальний розподіл магнітного поля в зазорі та характеризується прямокутною формою фазної напруги. Структура БДПТ простіше ніж структура ВД (відсутня перетворювач координат, замість ШІМ використовується 120- або 180-градусна комутація, реалізація якої простіше ШІМ).

У російськомовній літературі двигун називають вентильним, якщо проти-ЕРС керованої синхронної машини синусоїдальна, а безконтактним двигуномпостійного струму, якщо протиЕРС трапецеїдальна.

В англомовній літературі такі двигуни зазвичай не розглядаються окремо від електроприводу та згадуються під абревіатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) або BLDC (Brushless Direct Current Motor). Варто зазначити, що абревіатура PMSM в англомовній літературі частіше використовується для позначення самих синхронних машин з постійними магнітами і з синусоїдальною формою фазних проти-ЕРС, в той час як абревіатура BLDC аналогічна російській абревіатурі БДПТ і відноситься до двигунів з трапецеїдальної форми інша форма не обумовлена ​​спеціально).

Взагалі кажучи, вентильний двигун не є електричною машиною в традиційному розумінні, оскільки його проблематика торкається ряду питань, пов'язаних з теорією електроприводу та систем автоматичного управління: структурна організація, використання датчиків та електронних компонентів, а також програмне забезпечення.

Вентильні двигуни, що поєднують у собі надійність машин змінного струму з хорошою керованістю машин постійного струму, є альтернативою двигунам постійного струму, які характеризуються рядом вад, пов'язаних зі ЩКУ, таких як іскріння, перешкоди, знос щіток, поганий тепловідведення якоря та ін. застосовувати ВД у тих додатках, де використання ДПТ утруднене чи неможливе.

Опис та принцип роботи[ | ]

Мал. 2. Структура двофазного вентильного двигуна із синхронною машиною з постійними магнітами на роторі.ПК - перетворювач координат, РОЗУМ - підсилювач потужності,
СЕМП – синхронний електромеханічний перетворювач (синхронна машина), ДПР – датчик положення ротора.

U α = − u q ⋅ sin ⁡ θ , (\displaystyle u_(\alpha )=-u_(q)\cdot \sin (\theta ),)

U β = (\displaystyle u_(\beta )=) u q ⋅ cos ⁡ θ , (\displaystyle u_(q)\cdot \cos (\theta ),)

де - кут повороту ротора (і системи обертових координат) щодо осі α (\displaystyle \alpha)нерухомої системи координат. Для виміру миттєвого значення кута θ (\displaystyle \theta)на валу ВД встановлюється датчик ротора (ДПР).

По суті, є в цьому випадку завданням значення амплітуди фазної напруги. А ПК, здійснюючи позиційну модуляцію сигналу u q (\displaystyle u_(q)), формує гармонійні сигнали u α , u β (\displaystyle u_(\alpha ),u_(\beta )), які підсилювач потужності (РОЗУМ) перетворює на фазну напругу u A , u B (\displaystyle u_(A),u_(B)). Синхронний двигуну складі вентильного двигуна часто називають синхронним електромеханічним перетворювачем (СЕМП).

Як правило, електронна частина ВД комутує фази статора синхронної машини так, щоб вектор магнітного потоку статора був ортогональний вектор магнітного потоку ротора (т. н. векторне управління). При дотриманні ортогональності потоків статора і ротора забезпечується підтримання максимального моменту, що обертає ВД в умовах зміни частоти обертання, що запобігає випаданню ротора з синхронізму і забезпечує роботу синхронної машини з максимально можливим для неї ККД . Для визначення поточного положення потоку ротора замість датчика положення ротора можуть використовуватися струмові датчики (непрямий вимір положення).

Електронна частина сучасного ВД містить мікроконтролер та транзисторний міст, а для формування фазних струмів використовується принцип широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Мікроконтролер відстежує дотримання заданих законів управління, а також проводить діагностику системи та її програмний захист від аварійних ситуацій.

Іноді датчик положення ротора відсутня, а положення оцінюється системою управління вимірюваннями струмових датчиків за допомогою спостерігачів (т.з. «бездатчикове» управління ВД). У таких випадках за рахунок видалення дорогого і найчастіше громіздкого датчика положення зменшується ціна та масо-габаритні показники електроприводу з ВД, проте ускладнюється керування, знижується точність визначення положення та швидкості.

У додатках середньої та великої потужності до системи можуть додатково включатися електричні фільтри для пом'якшення негативних ефектів ШІМ: перенапруг на обмотках, підшипникових струмів та зниження ККД. Втім, це притаманно всіх типів двигунів.

Гідності й недоліки[ | ]

Вентильні двигуни покликані поєднати в собі кращі якостідвигунів змінного струму та двигунів постійного струму. Це зумовлює їх переваги.

Переваги:

Вентильні двигуни характеризуються деякими недоліками, головний з яких - висока вартість. Однак, говорячи про високу вартість, слід враховувати і той факт, що вентильні двигуни зазвичай використовуються в дорогих системах з підвищеними вимогами щодо точності та надійності.

Недоліки:

Конструкція [ | ]

Конструктивно сучасні вентильні приводи складаються з електромеханічної частини (синхронної машини та датчика положення ротора) та з керуючої частини (мікроконтролер та силовий міст).

Згадуючи про конструкцію ВД, корисно мати на увазі і неконструктивний елемент системи – програму (логіку) управління.

Синхронна машина, що використовується в ВД, складається з шихтованого (зібраного з окремих електрично ізольованих листів електротехнічної сталі - для зниження вихрових струмів) статора, в якому розташована багатофазна (зазвичай двох-або трифазна) обмотка, і ротора (зазвичай на постійних магнітах).

Як датчики положення ротора в БДПТ застосовуються датчики Холла , а в ВД - трансформатори , що обертаються , і накопичувальні датчики . У т.з. «бездатчикових» системах інформація про становище визначається системою управління за миттєвими значеннями фазних струмів.

Інформація про положення ротора обробляється мікропроцесором, який, згідно з програмою управління, виробляє ШИМ-сигнали, що управляють. Низьковольтні ШІМ-сигнали мікроконтролера потім перетворюються підсилювачем потужності (зазвичай транзисторним мостом) на силові напруги, що подаються на двигун.

Сукупність датчика положення ротора та електронного вузла у ВД та БДПТ можна з певною часткою достовірності порівняти з щітково-колекторним вузлом ДПТ. Однак слід пам'ятати, що двигуни рідко застосовуються поза електроприводом. Таким чином, електронна апаратура характерна для ВД майже так само, як і для ДПТ.

Статор [ | ]

Статор має традиційну конструкцію. Він складається з корпусу, сердечника з електротехнічної сталі та мідної обмотки, покладеної в пази по периметру сердечника. Обмотка розбита на фази, які покладені в пази таким чином, що просторово зсунуті один щодо одного на кут, що визначається числом фаз. Відомо, що для рівномірного обертання валу двигуна машини змінного струму достатньо двох фаз. Зазвичай синхронні машини, що застосовуються у ВД, трифазні, проте зустрічаються також і ВД із чотирьох- та шестифазними обмотками.

Ротор [ | ]

За розташуванням ротора вентильні двигуни поділяються на внутрішньороторні (англ. inrunner) та зовнішньороторні (англ. outrunner).

Ротор виготовляється з використанням постійних магнітів і має від двох до шістнадцяти пар полюсів з чергуванням північного і південного полюсів.

Виникнення безколекторних двигунів пояснюється необхідністю створення електричної машини з багатьма перевагами. Безколекторний двигун є пристроєм без колектора, функцію якого бере на себе електроніка.

БКЕПТ - безколекторні електродвигуни постійного струму, можуть бути потужністю, наприклад, 12, 30 вольт.

• Вибір відповідного двигуна
• Принцип роботи
• Пристрій БКЕПТ
• Датчики та їх відсутність
• Відсутність датчика
• Поняття ШІМ частоти
• Система arduino
• Кріплення двигуна

Вибір відповідного двигуна

Щоб підібрати агрегат, необхідно порівняти принцип роботи та особливості колекторних та безколекторних двигунів.

Зліва направо: колекторний двигун та двигун ФК 28-12 безколекторний

Колекторні коштують менше, але розвивають невисоку швидкість обертання моменту, що крутить. Вони працюють від постійного струму, має невелику вагу та розмір, доступний ремонтіз заміни деталей. Прояв негативної якості виявляється при отриманні величезної кількості обертів. Щітки контактують із колектором, викликаючи тертя, що може пошкодити механізм. Працездатність агрегату знижується.

Щіточки не тільки вимагають ремонту через швидкого зносу, але можуть призвести до перегріву механізму.

Головною перевагою безколекторного двигуна постійного струму є відсутність контактів моменту, що крутить, і перемикання. Значить відсутність джерел втрат, як у двигунах із постійними магнітами. Їхні функції виконують транзистори МОП. Раніше їхня вартість була високою, тому вони не були доступні. Сьогодні ціна стала прийнятною, а показники значно покращали. За відсутності в системі радіатора потужність обмежується від 2,5 до 4 ват, а струм роботи від 10 до 30 Ампер. ККД безколекторних електродвигунівдуже високий.

Другою перевагою є налаштування механіки. Вісь встановлюється на широкопідшипники. У структурі немає елементів, що ламають і стираються.

Єдиним мінусом є дорогий електронний блок керування.

Розглянемо приклад механіки ЧПУ верстата зі шпинделем.

Заміна колекторного двигуна на безколекторний захистить від поломки шпинделя для ЧПУ. Під шпинделем мається на увазі, що володіє правими і лівими оборотами крутного моменту. Шпиндель для ЧПУ має великою потужністю. Швидкість моменту, що крутить, контролюється регулятором сервотестором, а оберти управляються автоматичним контролером. Вартість ЧПУ із шпинделем близько 4 тисяч рублів.

Принцип роботи

Головна особливість механізму – відсутність колектора. Постійні магніти встановлені у шпинделя, є ротором. Навколо нього розташовуються дротяні обмотки, які мають різні магнітні поля. Відмінністю безколекторних моторів 12 вольт є сенсор управління ротором, розташований на ньому. Сигнали подаються до блоку регулятора швидкості.

Пристрій БКЕПТ

Схему розташування магнітів усередині статора зазвичай застосовують двофазних двигунів з невеликою кількістю полюсів. Принцип моменту, що крутить, навколо статора застосовують при необхідності отримати двофазний двигун з невеликими оборотами.

На роторі розташовані чотири полюси. Магніти у вигляді прямокутника встановлюються, чергуючи полюси. Однак не завжди кількість полюсів дорівнює числу магнітів, яких може бути 12, 14. Але кількість полюсів має бути парною. Кілька магнітів можуть становити один полюс.

На зображенні зображено 8 магнітів, що формують 4 полюси. Момент сили залежить від потужності магнітів.

Датчики та їх відсутність

Регулятори ходу поділяються на дві групи: з датчиком положення ротора та без.

Токові сили подаються на обмотки двигуна особливому становищіротора. Його визначає електронна системаза допомогою датчика положення. Вони бувають різноманітних типів. Популярний регулятор ходу – дискретний датчик з ефектом Холла. У двигуні на три фази на 30 вольт буде використано 3 датчики. Блок електроніки завжди має у своєму розпорядженні дані про положення ротора і направляє напругу вчасно в необхідні обмотки.

Поширене пристосування, що змінює свої висновки при перемиканні обмоток.

Пристрій із розімкненим контуром вимірює струм, частоту обертання. ШИМ канали приєднуються до нижньої частини системи керування.

Три введення приєднуються до датчика Холла. У разі зміни датчика Холла починається процес переробки переривання. Для швидкого реагування обробки переривання підключається датчик Холла до молодших висновків порту.

Використання датчика положення з мікроконтролером

Для економії на платежах за електроенергію наші читачі радять "Економіст енергії Electricity Saving Box". Щомісячні платежі стануть на 30-50% меншими, ніж були до використання економіка. Він прибирає реактивну складову з мережі, у результаті знижується навантаження і, як наслідок, струм споживання. Електроприлади споживають менше електроенергії, знижуються витрати на її оплату.

Контролер сили каскаду лежить в основі AVR ядра, що забезпечує грамотне керування безколекторним двигуном постійного струму. AVR є чіп для виконання певних завдань.

Принцип роботи регулятора ходу може бути датчиком і без. Програма плати AVR здійснює:

• пуск двигуна максимально швидко, без використання зовнішніх додаткових приладів;
• керування швидкістю одним зовнішнім потенціометром.

Окремий вигляд автоматичного керуваннясма, використовується у пральних машинах.

Відсутність датчика

Для визначення положення ротора необхідно проводити вимірювання напруги на незадіяну обмотку. Цей спосібзастосовний при обертанні двигуна, інакше він не діятиме.

Бездатчикові регулятори ходу виготовляються легше, це пояснює їх широке поширення.

Контролери мають такі властивості:

• значення максимального постійного струму;
• значення максимальної робочої напруги;
• число максимальних оборотів;
• опір силових ключів;
• імпульсна частота.

При підключенні контролера важливо робити дроти якомога коротше. Через виникнення кидків струму на старті. Якщо провід довгий, можуть виникнути похибки визначення положення ротора. Тому контролери продаються із дротом 12 - 16 см.

Контролери мають безліч програмних налаштувань:

• контроль вимикання двигуна;
• плавне або жорстке вимикання;
• гальмування та плавне вимикання;
• випередження потужності та ККД;
• м'який, твердий, швидкий старт;
• обмеження струму;
• режим газу;
• зміна напряму.

Контролер LB11880 зображений на малюнку містить драйвер безколекторного двигуна потужного навантаження, тобто можна запустити двигун безпосередньо до мікросхеми без додаткових драйверів.

Поняття ШІМ частоти

Коли включення ключів, повне навантаження подається на двигун. Агрегат досягає максимальних обертів. Для того, щоб керувати двигуном, потрібно забезпечити регулятор живлення. Саме це здійснює широтно-імпульсна модуляція (ШІМ).

Встановлюється необхідна частота відкриття та закриття ключів. Напруга змінюється з нульового на робоче. Щоб керувати обертами, необхідно накласти сигнал ШІМ на сигнали ключів.

Сигнал ШІМ може бути сформований апаратом на кілька висновків. Або створити ШІМ для окремого ключа програмою. Схема стає простішою. ШИМ сигнал має 4-80 кілогерц.

Збільшення частоти призводить до більшої кількості перехідних процесів, що дає виділення тепла. Висота частоти ШІМ збільшує кількість перехідних процесів, від цього відбуваються втрати на ключах. Невелика частота не дає необхідну плавність управління.

Щоб зменшити втрати на ключах при перехідних процесах, ШІМ сигнали подаються на верхні чи нижні ключі окремо. Прямі втрати розраховуються за формулою P=R*I2, де P – потужність втрат, R – опір ключа, I – сила струму.

Найменший опір мінімізують втрати, збільшує ККД.

Система arduino

Часто для керування безколекторними двигунами використовується апаратна обчислювальна платформа arduino. В основі знаходиться плата та середовище розробки мовою Wiring.

У Плату arduino входить мікроконтролер Atmel AVR та елементна обв'язка програмування та взаємодії зі схемами. На платі є стабілізатор напруги. Плата Serial Arduino є нескладною схемою, що інвертує, для конвертування сигналів з одного рівня на інший. Програми встановлюються через USB. У деяких моделях, наприклад Arduino Mini, необхідна додаткова платадля програмування.

Мова програмування Arduino використовується стандартний процес. Деякі моделі arduino дозволяють керувати кількома серверами одночасно. Програми обробляє процесор, а компілює AVR.

Проблеми з контролером можуть виникати через провали напруги та надмірне навантаження.

Кріплення двигуна

Моторама - механізм кріплення двигуна. Застосовується в установках двигунів. Моторама є взаємопов'язані стрижні та елементи каркаса. Моторами бувають плоскими, просторовими елементами. Моторама одиночного двигуна 30 вольт чи кількох пристроїв. Силова схемамоторами складається із сукупності стрижнів. Моторама встановлюється у поєднанні фермових та каркасних елементів.

Безколекторний електродвигун постійного струму незамінний агрегат, який застосовується як у побуті, так і в промисловості. Наприклад, ЧПУ верстат, медичне обладнання, автомобільні механізми.

БКЕПТ виділяються надійністю, високоточним принципом роботи, автоматичним інтелектуальним управлінням та регулюванням.