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.
Базовая схема для экспериментов с BLDC-моторами (на ATtiny2313)
Представленная ниже схема является основой для экспериментов с bldc-моторами. Для тех, кто не в курсе, BLDC — это одна из разновидностей синхронных моторов, которая используется, например, в винчестерах, сидирумах, дисководах и т.п. (типа таких, как на картинке справа).
Теорию работы синхронных движков в общем виде можно почитать здесь, чуть конкретнее про BLDC — вот здесь.
Схема позволяет организовать необходимое для питания BLDC-моторов трёхфазное напряжение из обычного однофазного (с помощью ШИМ-модуляции).
Никаких специальных возможностей управления работой мотора (по датчикам Холла или по обратной ЭДС обмоток) в этой схеме не предусмотрено. Про различные варианты такого управления мы поговорим позже, а здесь я постараюсь подробно описать исходя из каких соображений и как рассчитываются элементы именно базовой схемы.
Как видите, нам понадобятся: 1 контроллер ATtiny2313, 3 микрухи спаренных полевиков FDS4542 (N- и P-channel в одном восьминогом корпусе), 6 биполярных транзисторов (я использовал FMMT2222 — маленькие биполярнички в корпусах SOT23 c маркировкой 1P), 3 диода (я взял LL4148) и некоторое количество всяких резисторов и кондёров. (их номиналы будут указаны ниже).
Суть схемы довольно простая — микроконтроллер управляет тремя абсолютно аналогичными силовыми каналами (поэтому на схеме показан только один), каждый из которых имеет на выходе комплиментарную пару мощных полевиков, образующую полумост с независимым управлением плечами.
То есть каждое из плеч можно включать и выключать независимо от другого, что даёт возможность получить на выходе полумоста три разных состояния: Hi — выход полумоста подключен к питанию (верхний полевик открыт, нижний — закрыт), Lo — выход полумоста подключен к общему проводу (верхний полевик закрыт, нижний — открыт) и Z — выход полумоста отключен и от питания, и общего провода (оба полевика закрыты).
В принципе, можно получить ещё и четвёртое состояние — когда оба полевика открыты, но в этом случае получится КЗ и один из полевиков просто сгорит. Поэтому такое состояние мы будем считать запрещённым и с ним нам как раз придётся всеми способами бороться.
В схеме предусмотрено отдельное питание для схемы управления (+5В) и для силовой части (+12В), поэтому для верхнего плеча пришлось делать развязку на транзисторах T1, T2. Два транзистора были использованы для того, чтобы умощнить эту развязку и сделать её характеристику симметричной, чтобы она могла не только быстро заряжать, но и разряжать затвор верхнего полевика (то есть это ещё и драйвер).
Нижний полевик управляется без всякого драйвера, напрямую от ноги микроконтроллера.
Резисторы R7, R8 — это необязательные подтяжки, назначение которых — предотвратить самопроизвольные открытия полевиков в тот момент, когда ноги микроконтроллера ещё не настроены на выход и находятся в Z-состоянии (при старте). Соответственно, номиналы этих резисторов не очень важны, они просто должны быть намного больше номиналов резисторов R5 и R6, чтобы не мешать нормальной работе схемы после запуска контроллера. Более того, поскольку нам главное, чтобы полевики оба сразу не открылись (если один откроется — шут с ним), можно оставить только R8. Я так и сделал, — взял номинал резистора R8 равным 10 кОм, а резистор R7 вообще выкинул.
Стоит отметить, что помимо функции подтяжки, R7 может выполнять ещё и функцию борьбы с наводками на линию управления транзистором T2. Ток в этой линии очевидно будет гораздо меньше, чем через R5 и в случае, если такие наводки всё же будут, резистор R7 придётся вернуть (это если вы свою разводку платы будете делать).
Ну что, дальше давайте считать. Исходить будем из двух предпосылок: 1) полевиками нужно рулить максимально быстро, но без фанатизма; 2) высшая математика — удовольствие на любителя (особенно когда есть осциллограф и можно всё проверить на практике). В связи с этими, особой точностью и правильностью я увлекаться не буду, но, по крайней мере, рассчёты позволят на что-то ориентироваться.
Начнём с нижнего полевика (N-канальник). Для максимально быстрого управления этим полевиком нам нужно выжать с ноги микроконтроллера максимальный ток и в то же время эту ногу не поджарить.
Пиковый ток на ногу в документации на ATtiny2313 не указан, поэтому будем исходить из значений, указанных в Absolute maximum ratings — 40 мА. При этом максимальный ток у нас будет протекать в самом начале заряда, когда разность потенциалов на затворе и ножке микроконтроллера максимальна. Таким образом, получается R5=5В/40мА=125 Ом. Ближайшее большее значение стандартного номинала — 150 Ом, но мы возьмём 200 Ом, чтобы был небольшой запас. Максимальный ток при этом получится 5/200=25 мА.
Теперь давайте оценим время переключения нашего полевика с резистором 200 Ом в затворе. Оценить это время можно по формуле t=Qg/I, где Qg — total gate charge (берём из документации на FDS4542), I — ток драйвера (мы возьмём максимальный расчётный зарядный ток, чтобы точно не ошибиться в меньшую сторону). Получаем t=28 нК / 25 мА = 1,12 мкс.
Зачем нам нужно время переключения? Очень просто. Когда мы будем писать программу управления — мы должны будем учитывать, что полевики закрываются не мгновенно и вводить задержки между закрытием полевика в одном плече и открытием полевика в другом плече, во избежание возникновения сквозных токов (когда полевики в обоих плечах приоткрыты).
Переходим к P-канальному полевику. Тут ситуация попроще и ногу контроллера нам нагружать не нужно, зато нужно не спалить биполярные транзисторы и диод.
Резисторы R1 и R3 в обвязке p-канальника — это просто высокоомные подтяжки и их номиналы не должны нас особо сильно волновать, поэтому я для начала взял их по 10 кОм (чтобы токи через них можно было не учитывать) и про них забыл.
Затворные токи здесь определяются резисторами R2 и R4, а сама обвязка работает следующим образом: при открытии транзистора T2 потенциал базы транзистора T1 падает ниже потенциала его эмиттера, T1 закрывается, а затвор полевика разряжается через диод и резистор R4; при закрытии транзистора T2 потенциал базы транзистора T1 растёт быстрее, чем на его эмиттере, что приводит к открытию T1 и резкому заряду затвора через R2.
Сначала разберёмся с зарядом. По документации ток через FMMT2222 может быть до 600 мА, а для LL4148 — до 450 мА импульсный и до 150 постоянный, поэтому ориентироваться будем на диод и возьмём для расчётов, скажем 150 мА (чтобы ничего сильно не грелось). Исходя из этого, получим сопротивление резистора R4 = (12-0,5)В/150мА = 76,6 Ом. Далее аналогично, — возьмём ближайший стандартный номинал больше расчётного — 100 Ом. Пересчитываем обратно в ток, получаем I = 115 мА. Ну что ж, пусть будет так. При этом время заряда можно оценить на уровне t = 36 нК / 115 мА = 313 нс.
Чтобы сильно не заморачиваться, возьмём R2 такого же номинала, как и R4, и будем считать, что время закрытия будет примерно такое же, как и время открытия.
Теперь проверим, насколько правильно мы выбрали R1. Чтобы транзистор T1 нормально открывался, ток базы должен быть не более чем в h21 раз меньше тока коллектора. Ток коллектора у нас 100 мА, h21 (из доки) не менее 35, значит ток базы нам нужен не менее 2,86 мА. А он у нас получается 12В/10кОм = 1,2 мА. Ну, тогда возьмём R1 = 3,3 кОм. В этом случае ток базы = 12/3,3 = 3,6 мА. Так и оставим.
Тот же расчёт проделаем для транзистора T2. Ток коллектора у него такой же, как и у T1, значит ток базы тоже должен быть не менее 2,86 мА. Значит R6 должен иметь номинал менее 5/2,86=1,75 кОм. Возьмём с запасом резистор на 1 кОм.
В итоге получилось: R1=3,3 кОм, R2=R4=100 Ом, R3=10 кОм, R5=200 Ом, R6=1 кОм, R7 мы выкинули, R8=10 кОм. При этом время переключения нижнего полевика мы ожидаем на уровне 1,12 мкс, а верхнего — на уровне 313 нс.
Что у нас осталось? Во-первых, конденсаторы. С1=С2=20 пФ, С3=100 мкФ, С4=0,1 мкФ. При проектировании платы C3,C4 нужно расположить как можно ближе к силовым ногам ключей. Во-вторых, на схеме не полностью показана обвязка микроконтроллера. Нужно подтянуть ногу MCLR к питанию через резистор 1 — 10 кОм, а так же поставить конденсатор 0,1 мкФ между питанием и общим проводом поближе к ножкам контроллера.
Что ж, — собираем и тестим.
Для снятия осциллограмм была написана тестовая программа, в которой транзисторы специально переключались с интервалами гораздо больше расчётных (на случай, если расчёты окажутся слишком кривыми).
Как видите, наши рассчёты дали примерно адекватные результаты, по крайней мере корректировать ничего не нужно.
Простейшая программка для контроллера (пуск / стоп / реверс / изменение питающего напряжения и частоты вращения)
Небольшое видео, демонстрирующее работу устройства
Контроллер BLDC
В целях приближения к построению квадрокоптера с прошлого года ковыряю тему бездатчикового управления бесколлекторными синхронными двигателями. По первым попыткам похоже, что это будет продолжаться до следующего года если не надоест.
Надо бы рассказать, что такое BLDC, чем отличается от PMSM, но я этого делать не буду, название тут ни о чем не говорит, некоторые аппноты утверждают, что последний имеет Sinusouidal Back-EMF вместо Trapezoidal у первого и управляется более эффективно с помощью FOC тогда как для BLDC и метод шести шагов дает хорошую эффективность.
Inrunner и Outrunner думаю все понятно, что такое, ротор внутри статора и ротор вокруг статора, второе дает больший момент при тех же размерах и массе.
Количество полюсов статора и магнитов ротора, связь между электрической скоростью и механической, способы наматывания и соединения проводов.
Это все не слишком важно, с электрической стороны все варианты одинаковы. Хорошо объяснено во множестве аппнотов и на rcgroups, человека с avrfreaks заспамили вопросами и он недавно ответил вот этим.
www.youtube.com/watch?v=4XXB_7kJwbI&context=C32e523cADOEgsToPDskIcc1eAUm5ZgHCW-3sn75GC
Статьи здесь, как перематывать и переклеивать магниты на моторы от cdrom.
www.southernsoaringclub.org.za/
Аппнотов так много, что проще самому найти, самый известный похоже AVR444, где предлагают использовать ADC синхронизированный с PWM.
Схемы управления рассматриваются в том видео. Хотя схема всегда одна, шесть транзисторов, более интересны схемы ШИМ-ления ими, это может влиять на измрение Back-EMF, простой способ ШИМ-ить три верхних или три нижных транзистора. Шести-шаговый цикл тоже везде расписан, две обмотки работают третья свободна, что позволяет измерять ЭДС (EMF) в ней и определять положение ротора.
Управление начинается с либо выравнивания (align) либо определения каким-то образом положения ротора, повторю, что буду говорить только о бездатчиковых вариантах, на rcgroups в крупной и большой теме про BLDC предлагался способ
связанный с измерением `inductive kick`, как и что не знаю, ниже будет ссылка, мне пока хватает простого выравнивания, суть его в том, что на двигатель подается одна из шести фаз на некоторое достаточно длительное время, за которое ротор успевает повернутся и стабилизироваться в известном положении, что позволяет далее начать вращение в нужную сторону.
Следующий шаг разгон (ramp up) без обратной связи (open loop), может быть достаточно одного переключения, может несколько десятков, зависит от мотора и его нагрузки. Здесь увеличивается частота переключения. Примерные числа, конечная скорость 300 RPM и 5% duty cycle.
Ну и целевой замкнутый (closed-loop) режим это подстройка частоты переключения под поведение двигателя, а управление моментом/скоростью производится изменением скважности ШИМ.
Одна из простых для AVR схем измерения Back-EMF. Точнее определения перехода через ноль (Zero Crossing), используется виртуальный ноль, точка соединения сигналов с трех фаз, как замена настоящей точки соединения обмоток, и компараторы для ловли момента ZC.
www.rcgroups.com/forums/attachment.php?attachmentid=1634110
Похоже такая схема пошла вот от сюда и сейчас всякие ESC от HobbyKing используют эту схему и этот код.
http://home.versanet.de/
У меня однако подобным образом получалось детектить только какой-то шум. Но проблема не в методе.
Другой способ это прямое измерение без виртуальной нулевой точки и работа синхронно с PWM, хорошо объяснено вот здесь.
scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-09152003-171904/unrestricted/T.pdf
Можно использовать и компаратор и АЦП, но т.к. выборки делаются синхронно с ШИМ а это редко, то компаратор не даст нужной точности, значения АЦП можно интерполировать и вычислить точное время ZC. Основное преимущество, отсутствие шумов от ШИМ, измерение происходит когда транзисторы открыты PWM ON или когда верхний закрыт PWM OFF. Комплементарный вариант называют active freewheeling когда речь идет об эффективности, это уменьшает потери во время PWM OFF при прохождении тока через диод нижнего транзистора.
Один раз по такой синхронной схеме удалось получить, что-то похожее на нормальный BEMF сигнал. 
Но небольшое изменение схемы старта, больше/меньше скважность ШИМ или частота переключений, способ её наращивания, и получается мусор, ротор не синхронизирован с полем статора, хотя вращается при этом хорошо, или выглядит, что хорошо. Следующая картинка немного более зашумлена, но проблема не в этом, наклон не в ту сторону и нет почти-линейного изменения напряжения как должно быть. 
А прямо сейчас получается ещё хуже чем на последней картинке, пока нет смысла показывать cвой код, схему, плату и детально рассказывать метод.
Может кто-то знает причины подобных проблем со стартом.
Только начал читать, но кажется это лучшее, что я видел по теме bld.
