Управление бесколлекторным двигателем

Автор перевода:Шичанин Л.В.
Источник: Digi-Key Article Library

Аннотация

Steven Keeping, Введение в управление бесколлекторными двигателями постоянного тока. В статье рассмотрены области применения, конструктивные особенности и способы управления бесколлекторными двигателями постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока (БКЭПТ) становится все более популярными в таких секторах, как автомобильная (в частности, электромобили), ОВК, бытовые товары и промышленные изделия, поскольку он устраняет механический коммутатор, используемый в традиционных двигателях, заменяя его электронным устройством что повышает надежность и долговечность устройства.

Другим преимуществом двигателя БКЭПТ является то, что его можно сделать меньше и легче, чем коллекторный с одинаковой выходной мощностью, что делает его подходящим для приложений, где пространство ограничено.

Недостатком является то, что двигатели БКЭПТ нуждаются в электронном управлении для запуска. Например, микроконтроллер, используя входные сигналы от датчиков, указывающих положение ротора, необходим для включения катушек статора в нужный момент. Точная синхронизация позволяет точно регулировать скорость и крутящий момент, а также обеспечивать максимальную эффективность работы двигателя.

В этой статье объясняются основы работы двигателя БКЭПТ и описывается типичная схема управления для работы трехфазного моста. В статье также рассматриваются некоторые из интегрированных модулей, которые разработчик может выбрать для облегчения проектирования схемы, которые специально разработаны для управления двигателем БКЭПТ.

Преимущества бесколлекторной конструкции

Щетки обычного двигателя передают мощность на обмотки ротора, которые при включении вращаются в фиксированном магнитном поле. Трение между неподвижными щетками и вращающимся металлическим контактом на вращающемся роторе вызывает износ. Кроме того, мощность может быть потеряна из-за плохого контакта с металлическим контактом и дугой.

Поскольку двигатель БКЭПТ не имеет щеток, вместо этого используется – надежность и эффективность двигателя улучшаются за счет устранения этого источника износа и потери мощности. Кроме того, двигатели БКЭПТ обладают рядом других преимуществ по сравнению с электродвигателями постоянного тока и асинхронными двигателями, включая лучшие характеристики скорости и крутящего момента; более быстрый динамический отклик; бесшумная работа; и более высокие диапазоны скоростей.

Кроме того, соотношение крутящего момента относительно размера двигателя, выше, что делает его хорошим выбором для таких применений, как стиральные машины и электротранспорт, где требуется высокая мощность, но компактность и легкость являются критическими факторами. (Тем не менее, следует отметить, что коллекторные электродвигатели постоянного тока имеют более высокий пусковой момент).

Двигатель БКЭПТ известен как «синхронный», потому что магнитное поле, генерируемое статором и ротором, вращается с одинаковой частотой. Одним из преимуществ этой схемы является то, что двигатели БКЭПТ не подвержены «скольжению», характерного для асинхронных двигателей.

Хотя двигатели могут быть одно-, двух- или трехфазными, последний является наиболее распространенным типом и является версией, которая будет обсуждаться здесь.

Статор двигателя БКЭПТ содержит стальные пластины, прорезанные в осевом направлении для размещения четного числа обмоток вдоль внутреннего пространства. В то время как статор двигателя БКЭПТ напоминает двигатель асинхронного двигателя, обмотки распределены по-разному.

Ротор состоит из постоянных магнитов и имеет от двух до восьми пар полюсов Север-Юг. Больше пар магнитов увеличивает крутящий момент и сглаживает пульсации момента, во время работы двигателя. Недостатком является более сложная система управления, увеличенная стоимость и более низкая максимальная скорость.

Традиционно ферритовые магниты использовались для создания постоянных магнитов, но современные устройства, как правило, используют редкоземельные магниты. Хотя эти магниты являются более дорогими, они генерируют большую плотность потока, позволяя ротору иметь меньший размер при том же крутящем моменте. Использование этих мощных магнитов является ключевой причиной, по которой двигатели БКЭПТ обеспечивают более высокую мощность, чем двигатель постоянного типа с коллектором такого же размера.

Принцип работы

Электронный коммутатор двигателя БКЭПТ последовательно активирует катушки статора, генерируя вращающееся электрическое поле, которое вокруг него ротор. N равны одному механическому обороту, где N – число пар магнитов.

Для трехфазного двигателя в статор встроены три датчика Холла, чтобы указать относительные положения статора и ротора на контроллер, чтобы он мог активировать обмотки в правильной последовательности и в правильное время. Датчики Холла обычно устанавливаются на не приводящем конце устройства.

Когда магнитные полюса ротора проходят датчики Холла, генерируется высокий (для одного полюса) или низкий (для противоположного полюса) сигнал. Как подробно описано ниже, точную последовательность коммутации можно определить, комбинируя сигналы от трех датчиков.

Все электродвигатели генерируют потенциал напряжения из-за перемещения обмоток через соответствующее магнитное поле. Этот потенциал известен как электродвижущая сила (ЭДС) и, согласно закону Ленца, это приводит к возникновению тока в обмотках с магнитным полем, которые противостоят первоначальному изменению магнитного потока. В более простых терминах это означает, что ЭДС стремится противостоять вращению двигателя и поэтому называется ЭДС. Для данного двигателя с фиксированным магнитным потоком и количеством обмоток ЭДС пропорциональна угловой скорости ротора.

Но обратная ЭДС может быть использована для преимущества. Контролируя обратную ЭДС, микроконтроллер может определить относительные положения статора и ротора без необходимости датчиков Холла. Это упрощает конструкцию двигателя, снижает его стоимость, а также устраняет дополнительную проводку и соединения с двигателем, которые в противном случае были бы необходимы для работы датчиков.

Это повышает надежность при наличии грязи и влажности.

Однако стационарный двигатель не генерирует обратную ЭДС, что делает невозможным определение положения ротора двигателя при запуске микроконтроллера. Решение состоит в том, чтобы запустить двигатель без обратной связи и разгонять до тех пор пока величина обратной ЭДС станет достаточной, чтобы микроконтроллер перешел в режим замкнутого управления. Эти так называемые двигатели БКЭПТ набирают популярность.

Список использованной литературы

1. , Muhammad Mubeen, July 2008.
2. , Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN885, 2003.
3. , Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN970, 2005.
4. , Atmel application note, 2010.
5. , Fairchild Semiconductor application note AN-8201, 2011.


Одним из самых приятных аспектов использования радиоуправляемых транспортных средств хобби-класса является то, что они предлагают превосходный уровень их настройки.

Какой радиоуправляемый вертолет лучше купить или какую модель радиоуправляемой машины лучше выбрать, вам помогут сделать выбор наши онлайн консультанты или консультант по телефону, в соответствии с вашими требованиями и возможного бюджета.

Перед совершением покупки вы должны хорошо быть проинформированы, по определенной выбранной модели радиоуправляемой игрушки.

Необходимо узнать, как выбрать соответствующие друг другу бесколлекторный двигатель и бесщеточное управление скоростью хода (ESC), чтобы можно было обеспечить полностью функциональную систему, которая способна достичь своего идеального уровня производительности. Приведем правила и советы того, как сделать правильный выбор.

1. Выберите двигатель, который наилучшим образом соответствует вашим требованиям к питанию. Двигатели содержат обмотки, которые непосредственно связаны с крутящим моментом и максимальным вращением в минуту (RPM).

Решите, что для вас важнее, большой разгон и высокий уровень крутящего момента, или же исключительно высокая максимальная скорость. Выберите двигатель с высокими оборотами в течение ускорения (т.е. 14T) и низкие обороты двигателя в течение высокой скорости (т.е.

6T).

2. Определите пиковый ток, вашего двигателя, это, как правило, указано на его упаковке. Однако если это не так или упаковку вы уже выбросили, то обратите внимание на количество витков, так они являются также важными при рассмотрении варианта покупки ESC.

3. Выберите ESC, который имеет высокий рейтинг усилителя, который соответствует или превышает по пиковому потреблению тока двигателя. Убедитесь в соответствии максимального рейтинга усилителя до максимального потребления тока двигателя, так как это единственный аспект, который может привести к повреждению электроники.

Общие сведения о двигателях от HDD, CD-ROM, DVD-ROM


Двигатель, вращающий шпиндель жесткого диска (или CD/DVD-ROM)- это синхронный трёхфазный мотор постоянного тока.
Раскрутить такой двигатель можно подключив его к трём полумостовым каскадам, которые управляются трёхфазным генератором, частота которого при включении очень мала, а затем плавно повысится до номинальной. Это не лучшее решение задачи, такая схема не имеет обратной связи и следовательно частота генератора будет повышаться в надежде, что двигатель успевает набрать обороты, даже если на самом деле его вал неподвижен. Создание схемы с обратной связью потребовало бы применения датчиков положения ротора и несколько корпусов ИМС не считая выходных транзисторов. CD/DVD-ROM уже содержат датчики холла, по сигналам которых можно определить положение ротора двигателя, но иногда, совсем не важно точное положение и не хочется впустую тянуть "лишние провода".
К счастью, промышленность выпускает готовые однокристальные драйверы управления, которым к тому же им не требуются датчики положения ротора, в роли таких датчиков выступают обмотки двигателя.

Микросхемы управления трёхфазными двигателями постоянного тока, которым не требуются дополнительные датчики (датчиками являются сами обмотки двигателя):
LB11880; TDA5140; TDA5141; TDA5142; TDA5144; TDA5145.
Есть и некоторые другие, но почему-то их нет в продаже, там, где я искал, а ждать от 2 до 30 недель заказа я не люблю.

Принципиальная схема подключения двигателя к микросхеме LB11880

Изначально, эта микросхема предназначена для управления двигателем БВГ видеомагнитофонов, так что она старенькая, в ключевых каскадах у неё биполярные транзисторы а не MOSFET`ы.
В своих конструкциях, я использовал именно эту микросхему, она во-первых, оказалась в наличии в ближайшем магазине, во-вторых, её стоимость была ниже, чем у прочих микросхем из списка выше.
Собственно, схема включения двигателя:


Если ваш двигатель имеет не 3 а 4 вывода, то подключать его следует согласно схеме:

Немного дополнительной информации об LB11880 и не только

Двигатель, подключенный по указанным схемам будет разгоняться до тех пор, пока либо не наступит предел по частоте генерации VCO микросхемы, которая определяется номиналами конденсатора подключенного к выводу 27 (чем его ёмкость меньше, тем выше частота), либо двигатель не будет разрушен механически.
Не следует слишком уменьшать ёмкость конденсатора подключенного к выводу 27, так как это может затруднить пуск двигателя.

Как регулировать скорость вращения?
Регулировка скорости вращения производится изменением напряжения на выводе 2 микросхемы, соответственно: Vпит — максимальная скорость; 0 — двигатель остановлен.
Однако, необходимо отметить, что плавно регулировать частоту просто применив переменный резистор не удастся, так как регулировка не линейна и происходит в меньших пределах чем Vпит — 0, по этому лучшим вариантом будет подключение к этому выводу конденсатора на который через резистор, например от микроконтроллера подаётся ШИМ сигнал.
Для определения текущей частоты вращения следует использовать вывод 8 микросхемы, на котором при вращении вала двигателя присутствуют импульсы, по 3 импульса на 1 оборот вала.

Как задать максимальный ток в обмотках?
Известно, что трёхфазные двигатели постоянного тока потребляют значительный ток вне своих рабочих режимов (при питании их обмоток импульсами заниженный частоты).
Для выставления максимального тока в данной схеме служит резистор R1.
Как только падение напряжения на R1 и следовательно на выводе 20 станет более 0.95 вольта, то выходной драйвер микросхемы прерывает импульс.
Выбирая значение R1, учитывайте, что для данной микросхемы максимальный ток не более 1.2 ампера, номинальный 0.4 ампера.

Параметры микросхемы LB11880
Напряжение питания выходного каскада (вывод 21): 8 …

13 вольт (максимально 14.5);
Напряжение питания ядра (вывод 3): 4 … 6 вольт (максимально 7);
Максимальная рассеиваемая микросхемой мощность: 2.8 ватта;
Диапазон рабочих температур: -20 …

+75 градусов.

А вот собственно, для чего я применил двигатель от HDD в совокупности с указанной микросхемой:


Вот этот диск (правда когда на нём ещё не было медных болтов), казалось бы мелкий и чахлый двигатель от старенького винчестера Seagate Barracuda, на 40Гб, рассчитанный на 7200 оборотов/мин (RPM) умудрялся разгонять до 15000 … 17000 оборотов/мин, если я не ограничивал его скорость. Так что область применения двигателей от завалящих винчестеров, думаю весьма обширна. Точило/дрель/болгарку конечно не сделать, даже не думайте, но без особой нагрузки, двигатели способны на многое, например если с их помощью вращать барабан с зеркалами, для механической развёртки лазерного луча и т.п.

Добавлено: 2371 дн 14 час 37 мин 40 сек назад | Внесений правок: 1 | Последняя правка: 2357 дн 16 час 46 мин 36 сек назад

Регуляторы оборотов управляют двигателями по командам полетного контроллера и они тоже сделаны на микроконтроллере и нуждаются в настройке. Еще в статье мы расскажем о калибровке винто-моторной группы.

Подключение для настройки

Есть много способов программирования конфигурации регуляторов оборотов. Самый простой — сделать это в ручную при помощи аппаратуры радиоуправления. Также можно, например, применить для этого специальную карту. Некоторые полетные контроллеры умеют сами выставлять настройки.
Мы будем настраивать при помощи пульта. При этом доступны все настройки и не надо никаких дополнительных устройств.
У нас стоят регуляторы оборотов HobbyKing 25A BlueSeries. Инструкцию к ним можно скачать здесь.
Настройку регуляторов оборота проще всего производить на собранном коптере, когда регуляторы уже подключены к двигателям и подготовлены к подключению аккумулятора. Настройку обязательно производить при снятых пропеллерах! Управляющий провод подключите к третьему канала приемника (канал газа). Все остальное отключите от приемника.
При таком подключении приемник питается от встроенного стабилизатора регулятора.

Процесс настройки

Методология настройки следующая. Вам необходимо подать на регулятор одновременно питание и максимальный газ. Через пять секунд регулятор перейдет в режим настройки, о чем просигналит писком двигателя. Затем начнется последовательный перебор пунктов меню, каждому из которых соответствует свой звуковой сигнал. Как только регулятор дошел до нужного параметра, нужно опустить газ в минимум, дождаться звукового подтверждения и выключить питания.
Вот как звучит это звуковой меню:

Теперь разберемся с тем, какие настройки нужно выставить:

  1. (_*_*_*_*), Brake, on/off. Тормоз, по дефолту выключен и должен так и остаться. Подробнее об этой настройке чуть позже.
  2. Battery type, тип батареи
    • (~ ~ ~ ~), NiCad
    • (~~ ~~ ~~ ~~), LiPo — установлен по умолчанию. Оставить без изменения
  3. Low voltage Cutoff Threshold, порог отключения для защиты батареи от разряда
    • (*_ _* *_ _* *_ _* *_ _*), Low 2.8/50%
    • (*_ _ _* *_ _ _* *_ _ _* *_ _ _*), Medium 3.0v/60% — установлен по умолчанию. Оставить без изменения
    • (*_ _ _ _* *_ _ _ _* *_ _ _ _* *_ _ _ _*), High 3.2v/ 65%
  4. (- — — -), Restore Factory defaults. Сброс к заводским настройкам
  5. Timing Setup
    • (- — — -), Automatic (7-30) — установлено по умолчанию.

      Оставить без изменения

    • (- — — — —), Low (7-22)
    • (— — — —), High (22-30)
  6. Soft Acceleration Start Ups, настройка ограничения ускорения
    • (V V V V V V V V), Very Soft
    • (V V V V), Soft Acceleration — установлено по умолчанию
    • (V V V V V V V V V V V V), Start Acceleration — требуется установить для максимальной быстроты отклика
  7. Governer
    • (_*_ _*_ _*_ _*_), Rppm off — установлен по умолчанию, оставить без изменения
    • (_**_ _**_ _**_ _**_), Heli first range
    • (_***_ _***_ _***_ _***_), Heli second range
  8. (W W W W), Motor rotation, Forward/Reverse. Направление вращения, оставить без изменения
  9. Switching Frequency, частота переключения
    • (// // // //), 8 kHz — установлена по умолчанию
    • (\\ \\ \\ \\), 16 kHz — требуется установить для двигателя наружного вращения
  10. Low Voltage Cutoff Type, способ отключения при разряде батареи
    • (__-__-__-__-), Reduce Power — установлено по умолчанию. Оставить без изменения
    • (-_ -_ -_ -_), Hard Cut Off

В итоге, нужно скорректировать всего две настройки.
При нормальном включении двигателя пищат. Первая последовательность звуковых сигналов соответствует количество банок подключенной батареи. Второй цикл показывает состояние торможения. Один сигнал — включено, два — выключено.

Калибровка газа

Для калибровки нужно также включить пульт и установить на максимум газ. Затем подключиться питание регулятора и через 2-3 секунды опустить газ до минимума. Регулятор пропищит о том, что диапазон значений запомнен. При желании можно задать регулировку не от минимального значения, а, например, от середины.

Калибровка винто-моторной группы

Мы не знали куда включить эту информацию, поэтому напишем здесь.
Для снижения вибраций нужно откалибровать винты и двигатели. Для калибровки винтов очень удобно использовать вот такой балансир:

Балансир

Суть калибровки сводится к выравниванию весов лопастей. Нужно положить винт с балансиром на параллельные направляющие (мы ставим на губки тисков) и найти более тяжелую лопасть. Для подгонки веса поскребите нерабочую часть лопасти канцелярским ножом. Нужно добиться, чтобы пропеллер мог стоять параллельно земле неподвижно.

Проверка калибровки винта

На форумах советуют откалибровать еще и двигатель.

Теоретически, нужно на запущенный двигатель (без винта) посветить лазером и посмотреть на отражение. Если оно размазано, то нужно наклеить кусочек скотча на двигатель. Если биения уменьшились — хорошо, если нет — надо клеить в другом месте.
На практике делать это сложно: нужен мощный лазер, темнота и терпение. Да и необходимость в этом довольно сомнительная. Мы этот этап не делали.
И в заключении, ссылки на остальные части статей о коптерах:
Часть 1. Что такое квадрокоптер
Часть 2. Элементы квадрокоптера
Часть 3. Все об аккумуляторах для квадрокоптеров
Часть 4. Рама квадрокоптера
Часть 5. Подсветка коптера
Часть 6. Подключение элементов квадрокоптера
Часть 7. Настройка пульта Turnigy9x для коптера
Часть 9. Настройка полетного контроллера DJI NAZA
Часть 10. Гиростабилизированный подвес для камеры SJ4000

Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.

Метки: ESC, ВМГ, калибровка, настройка, пульт Просмотров: 18472


Блок управления бесколлекторным двигателем BLSD

Блок управления BLSD предназначен для управления трёхфазными бесколлекторными двигателями постоянного тока с датчиками Холла.

Управление блоком может осуществляться  в ручном режиме и в режиме управления по шине RS-485. Блок позволяет управлять скоростью, ускорением, торможением и направлением движения двигателя.

Основные характеристики блока управления бесколлекторным двигателем BLSD:
Модель BLSD-20 BLSD-50
Напряжение,В 24-48
Ток, А 20 50
Время нарастания скорости, с 1/3-8

Условия эксплуатации блока:

  • температура окружающего воздуха – (-25…+50)ºС
  • относительная влажность воздуха до 90%
  • атмосферное давление (650…800)мм. рт. ст.

Управление скоростью:

  • аналоговый вход
    — напряжение: 0 — 5В
    — сопротивление: 5 кОм
  • встроенным потенциометром

Управление направлением:

  • Направление вращения в момент запуска зависит от положения переключателя "Reverse". В ходе работы направление вращения меняется сигналом "Reverse" — типа сухой контакт.
  • Для управления ускорением и торможением двигателя предназначен потенциометр «ACCEL». Для резкого торможения  предназначена кнопка «BRAKE».

 Схема подключения и управляющие сигналы

Подключение двигателей IG-80WGM и IG-90WGM к блоку управления BLSD-20

Увеличить изображение

Добавить комментарий

Закрыть меню