Контроллер бесколлекторного двигателя принцип работы

Бесколлекторные моторы

• 

Обзор бесколлекторных моторов для Arduino

Бесколлекторные моторы (рис. 1) появились сравнительно недавно и были созданы с целью оптимизации электродвигателей постоянного тока. Бесколлекторные моторы питаются трехфазным переменным током. Они эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД. При этом конструкция двигателя проще, в ней нет щеточного узла, который постоянно трется с ротором и создает искры. Поэтому они практически не изнашиваются.

По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Двигатели inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Двигатели outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Коммутация в бесколлекторном двигателе (БД) осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Контроллеры бесколлекторных моторов (ESC регуляторы)

Для управления бесколлекторными моторами используют специальные контроллеры — ESC (Electric speed controller — электронный контроллер скорости) регуляторы (рис. 3).

Рис. 3. ESC регуляторы

Задача контроллера состоит в том, что бы передать энергию постоянного тока от аккумулятора к трехфазному бесколлекторному мотору. Для передачи энергии контроллер использует MOSFETы — силовые ключи, которые могут открываться и закрываться за долю секунды. Если мощности одного ключа недостаточно, используется несколько ключей, включенных параллельно. Попеременное включение/выключение фаз поддерживает вращение мотора. За переключением фаз следит микроконтроллер регулятора. Функциональная схема ESC регулятора показана на рис. 4

Рис. 4. Функциональная схема ESC регулятора

Подключение к плате Arduino

Схема подключения бесколлекторного двигателя с ESC-регулятором к плате Arduino показана на рис.5. Для подключения регулятора к плате Arduino используется 2 провода:

Красный провод регулятора является не входом, выходом с напряжением +5В, который можно использовать для питания платы Arduino.

Показания потенциометра будем использовать для управления скоростью мотора.

Рис. 5. Подключение бесколлекторного двигателя с ESC-регулятором к плате Arduino

Для управления регулятором будем использовать Arduino-библиотеку Servo. Минимальные и максимальные значения управляющего сигнала 800 мксек и 2300 мксек.

Содержимое скетча представлено в листинге 1.

После загрузки скетча на плату Arduino видим что мотор не запускается и не реагирует на повороты потенциометра. Регулятор необходимо откалибровать, чтобы он знал минимальные и максимальное значения. Для этого перед подачей питания на регулятор, выставляем потенциометр в максимальное значение. Подаем питание. Слышим «пиканье» двигателя. Переводим потенциометр в минимальное значение, слышим 3 «пика». Регулятор откалиброван. Теперь поворотом потенциометра можем регулировать скорость двигателя.

Пример использования

В качестве примера настроим автоматическую калибровку ESC-регулятора при запуске скетча Arduino. Нам потребуются следующие компоненты:

Плата Arduino Uno – 1;

Плата прототипирования – 1;

Мотор бесколлекторный – 1;

Потенциометр 10 кОм – 1;

Блок питания 12 В – 1;

Для калибровки в процедуре setup() производим эмуляцию перевода потенциометра м максимальное и минимальное положение. Содержимое скетча показано в листинге 2.

После запуска Arduino в процедуре setup() происходит калибровка регулятора, и в процедуре loop() мотор крутится со скоростью, соответствующей положению потенциометра.

Часто задаваемые вопросы

1. Не запускаются моторы

Проверьте подключение моторов к ESC-регулятору, ESC-регулятора к блоку питания и Arduino.

Источник

Бесколлекторный двигатель постоянного тока — принцип работы самого простого двухфазного типа

Коллекторные двигатели постоянного тока широко распространены в различных технических областях. Например, практически все ручные электроинструменты низкого и среднего ценового диапазона имеют коллекторные двигатели. Однако, основной недостаток таких двигателей заключается именно в наличии коллектора. Потому как на коллекторе происходят основные потери мощности электродвигателя. Но эти потери искупаются дешевизной изготовления коллекторно-щеточного узла.

Но ради увеличения КПД электродвигателя можно пойти и на удорожание его конструкции. В этом случае применяют бесколлекторные двигатели постоянного тока. Иногда такие электродвигатели называют бесконтактными двигателями. Отсутствие трущихся щёток позволяет повысить мощность и продлить срок службы двигателя.

Разумеется, щеточно-коллекторный узел у таких двигателей отсутствует. Например, он может заменяться полупроводниковым коммутатором-переключателем. Такой коммутатор управляется с помощью специальных сигналов. Сигналы поступают с бесконтактного датчика положения ротора. Чаще всего в качестве датчика положения ротора применяют датчики Холла .

Основой датчика Холла является тонкая пластинка проводника или полупроводника. На четырех гранях этой пластинки находятся контактные площадки с выводами. На два противоположных вывода подается питание. С двух других выводов снимается выходной сигнал. Сигнал появляется в том случае, если на пластину действует магнитное поле. Причем направление индукции этого поля должно быть перпендикулярно плоскости пластины.

Здесь рассматривается наиболее простой вариант бесконтактного двигателя постоянного тока. У данного двигателя ротор является постоянным магнитом. На статоре электродвигателя располагаются четыре обмотки.

В бесколлекторном двигателе, в отличии от коллекторного, якорем является статор . У бесколлекторных двигателей статор-якорь может иметь как внешнее, так и внутреннее устройство. Примером бесколлекторного электродвигателя с внутренним статором может служить мотор-колесо для электрических велосипедов и самокатов. Однако, двухфазный электродвигатель постоянного тока может быть только с внешним статором. У двигателей с внутренним статором количество фаз должно быть не менее трех.

Для работы бесколлекторного двигателя необходимо, чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора. То есть, происходят практически те же процессы, что и в коллекторном двигателе постоянного тока. Только достигаются они другими средствами. В процессе работы двигателя по двум противоположным обмоткам поочерёдно протекает электрический ток. При этом эти обмотки становятся двумя разными полюсами электромагнита. Датчики Холла устанавливаются в пазах обмоток двух смежных полюсов. Иначе говоря, датчики устанавливают со смещением по окружности статора на 90% относительно друг друга.

Магнитное поле ротора действует на один из датчиков Холла. То есть, на тот, который в данный момент расположен перпендикулярно этому магнитному полю. На контактах датчика появляется напряжение. То есть, с этого датчика поступает сигнал на открытие соответствующих транзисторов. Транзисторы открываются и благодаря этому по двум противоположным обмоткам начинает течь электрический ток. Две противоположные обмотки статора становится электромагнитами с разными полюсами. Каждый из полюсов статора притягивает противоположный полюс ротора. Ротор поворачивается и своим магнитным полем действует на следующий датчик Холла.

Датчик посылает сигнал на транзисторы. Транзисторы открываются и по двум следующим противоположным обмоткам статора начинает течь электрический ток. Обмотки становится электромагнитами. И каждым из своих полюсов притягивают противоположный полюс ротора. Ротор поворачивается и действует на другой датчик Холла. Все эти действия повторяются вновь и вновь. То есть, до тех пор пока на двигатель подается питание ротор вращается. Для изменения направления вращения электродвигателя изменяют полярность питания датчиков Холла.

Данный двигатель постоянного тока имеет два основных положения в процессе своего движения. То есть, изменение его вращения имеют две фазы. Потому подобный электродвигатель постоянного тока называется двухфазным. Разумеется, что он имеет устройство и принцип работы отличные от двухфазного двигателя переменного тока .

Вместо датчиков Холла в таких двигателях могут использоваться и другие виды датчиков. Например, оптические датчики. А также существуют бесколлекторные двигатели, которые и вовсе не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Обычно двигатели без датчиков применяются, если старт происходит без нагрузки на валу.

Количество фаз бесконтактного электродвигателя может быть больше, чем две. Чем больше фаз, тем более плавнее вращается ротор. Но, с другой стороны, у таких двигателей более сложная система управления. К примеру, трехфазные двигатели постоянного тока получили наиболее широкое распространение. Потому как такая система наиболее оптимальна по соотношению сложности к эффективности. Бесколлекторные двигатели с двухполюсным ротором имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Электродвигатели постоянного тока с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения. Но зато у них больший крутящий момент.

Для вашего удобства подборка публикаций

Спасибо за посещение канала, чтение заметки, упоминание в социальных сетях и других интернет — ресурсах, а также подписку, лайки, дизлайки и комментарии ( Лайки и дизлайки можно ставить не регистрируясь и не заходя в аккаунт )

Источник

Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы

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

Общие сведения, устройство, сфера применения

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

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

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

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

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

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

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

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

Фазы работы бесколлекторного привода

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

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

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

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

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

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

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

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

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

Как запустить бесколлекторный двигатель?

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

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

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

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

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

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

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

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

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

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

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

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

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

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

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

Источник