Заметки о трёхфазных BLDC-моторах. Часть 1. Алгоритм блочной коммутации

Скопилось тут у меня достаточно много моторчиков от старых винчестеров. Выкидывать это добро — жалко, поэтому решено было куда-нибудь их приделать. Ну, до «приделать» мы ещё дойдём, а перво-наперво неплохо было бы разобраться как такие моторы вообще работают и как ими управлять. Написано об этом в общем-то довольно много, но я попробую изложить всю эту теорию несколько по-новому, так сказать под другим углом.

Итак, поехали. Аббревиатура BLDC расшифровывается с буржуинского как brushless direct current (motor) — бесщёточный мотор постоянного тока. По своей сути это обычный трёхфазный синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, по крайней мере в том, что касается конструкции самого двигателя. Про общие принципы работы синхронных двигателей можно почитать вот тут.

Если вкратце говорить о конструкции, то тут всё просто, — на статоре двигателя располагаются электромагниты, намотанные тремя проводами (три фазы), на роторе закреплены постоянные магниты. Двигатели с ротором, расположенным внутри статора, называются Inrunner («крутилка» внутри), двигатели с ротором, расположенным вокруг статора, называются Outrunner («крутилка» снаружи). Оба варианта показаны на рисунке слева. Обмотки статора соединяются между собой в звезду или в треугольник. Вот и вся конструкция.

Что же в нём всё таки особенного, чем он всё таки отличается от обычного синхронника и как его запитать постоянным током? Для того, чтобы это понять — с обычного синхронника и начнём, постепенно «переделывая» его в bldc-мотор.

Как питается обычный синхронник

Для начала давайте нарисуем диаграмму подачи напряжений на обмотки обычного синхронного электродвигателя (рисунок справа). Это три синусоиды, которые сдвинуты на 120 0 по фазе. Они, как известно, создают вращающееся магнитное поле, с которым сцепляется и синхронно вращается магнитное поле ротора (ну и, соответственно, сам ротор). Вертикальные оси на рисунке (U, V, W) — напряжение на обмотках относительно нулевого провода трёхфазной сети (тот, к которому подключается общая точка при соединении обмоток звездой), горизонтальные оси (t) — оси времени.

Переделываем обычный синхронник на однополярное питание

А теперь давайте возьмём и сделаем нашу синусоиду дискретной, ну то есть разделим её на кучу участков, на каждом из которых часть синусоиды заменим на среднее для этого участка напряжение(рисунок слева). Что принципиально поменялось? Да ничего! При достаточно большой степени дискретизации двигатель вообще не заметит никакой разницы.

Это как со звуком. Звук ведь сейчас почти повсеместно цифровой, то есть дискретный, однако мало кто может отличить цифровой звук от аналогового. Ну, разве что какие-то особо изощрённые любители «тёплого лампового звука» (и то, это им только так кажется). Или другая аналогия — если бы у телеги колеса были не идеально круглыми, а многогранными с очень большим количеством маленьких граней. Телега бы всё равно отлично ехала, просто колеса бы вращались не совсем равномерно.

Видео:БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Как работает? Чем отличаться от щёточного? #бесколлекторный #МОТОРСкачать

С нашим двиглом будет ровно то же самое. Его вращение будет слегка неравномерным, поскольку слегка неравномерным станет модуль вращающего момента, но в целом двигатель как крутился — так и будет крутиться.

А что если мы вместо переменного напряжения будем делать эти дискретные синусоиды от источника постоянного напряжения? Да без разницы, абсолютно. Мы можем за нулевой потенциал принять любой уровень напряжения. Тем более в идеальном случае (обмотки абсолютно одинаковые) ток через нулевой провод, подключенный к общей точке звезды, равен нулю (а у треугольника и вовсе нет никакой общей точки). Так что ничего такого особенного для нас в потенциале общей точки звезды нет.

Как сделать цифровые синусоиды

Ну вот мы и пришли к тому, что наш обычный синхронный двигатель может работать от постоянного напряжения. Всё, что нам теперь нужно — это каким-то образом извернуться и сделать цифровые синусоиды. Да легко. Берём на каждую фазу по два ключа и шинкуем этими ключами импульсы, скважность которых изменяется по синусоидальному закону (ну то есть применяем ШИМ-модуляцию). Тогда среднее за время импульса напряжение тоже будет изменяться по синусоидальному закону. Схема показана на рисунке справа.

Читайте также: Управление мотором etc что это

От синусоид к блочной коммутации

А теперь поиздеваемся над нашими синусоидами ещё немного, — аппроксимируем исходные синусоиды не множеством маленьких прямоугольных импульсов, а только шестью, как это показано на рисунке справа.

Если проводить аналогию с телегой, то мы, можно сказать, заменили идеально круглое колесо не многоугольником, а конкретно шестиугольником. Поедет наша телега с шестиугольными колёсами? Да она и с квадратными поедет, и с треугольными, весь вопрос в том, насколько лошадь сильная. Ну и, естественно, чем меньше углов — тем сильнее нашу телегу будет трясти. Я, кстати, попозже покажу как сделать так, чтобы телегу с треугольными колёсами трясло поменьше. Но… вернёмся к нашим моторам.

У нас всё аналогично, чем меньшим количеством отрезков мы аппроксимируем синусоиду — тем более неравномерным будет вращение ротора, однако, вращение всё равно будет, никуда не денется.

Первый интервал у нас на картинке получился разорванным, так что давайте эту картинку перерисуем в более удобоваримом виде, сдвинув фазу таким образом, чтобы все интервалы получились сплошными. У нас все сигналы периодические, поэтому без разницы, какую точку принять за начало отсчёта и с какого интервала начинать нумерацию, главное чтобы порядок следования этих интервалов остался правильным. Заодно, кстати, и нулевой потенциал на рисунке сдвинем таким образом, чтобы он соответствовал минусу источника питания (мы же собираемся от источника постоянного напряжения всё это запитывать). После проделанных манипуляций получим картинку слева. Видно, что теперь нам для управления нужно всего три уровня (синие, жёлтые и красные участки), один из которых — это минус источника питания (синие участки).

А что делать, если у нас нет ШИМа? Как тогда сформировать жёлтые участки? Да никак. Выкинем их и всё. Тут как бы придётся сделать ещё одно допущение. Если вернуться к реальным синусоидам, то в момент пересечения этими синусоидами нуля (имеется ввиду ноль относительно нулевого провода звезды, а не относительно источника постоянного напряжения) потребляемая соответствующими обмотками от источника питания мощность равна нулю (напряжение между двумя концами обмотки — ноль, значит и потребляемая мощность — ноль). То есть источник питания в этот момент как бы можно и отключить, и ничего не изменится.

Видео:⚙️Типы синхронных двигателей BLDC, PMSM, IPM, SPM Мотор-колесо на STM32G4Скачать

Теперь вернёмся к нашим «шестиугольным колёсам». Жёлтые участки на нашей последней картинке как раз аппроксимируют те участки реальных синусоид, которые пересекают ноль (относительно нулевого провода). То есть на этих участках средняя потребляемая мощность тоже как бы должна быть равна нулю. И поэтому источник питания тоже как бы можно отключить и всё будет работать, а мы получим классический алгоритм управления обмотками BLDC-моторов. Этот алгоритм называется блочной коммутацией и именно моторы с таким алгоритмом управления называются BLDC.

Что нам этот алгоритм даёт? Очень просто. Теперь нам не нужно никаких ШИМ-ов, нужно только по 2 раза за цикл переключить каждый из наших шести ключей, вот и всё. Картинка этих переключений показана на рисунке справа. Обратная ЭДС у нас, кстати, теперь будет трапециевидная, а совсем не синусоидная, ну да про это мы ещё поговорим.

Частота вращения ротора, понятное дело, как и для любого синхронника, определяется частотой циклов подачи управляющих напряжений (раньше у нас это была просто частота синусоид, но теперь так уже не скажешь, синусоид-то как бы больше нет), делённой на количество пар полюсов ротора.

Читайте также: Мотор стеклоочистителя заднего стекла калина

Собственно говоря, можно было и сразу последнюю картинку нарисовать и сказать — смотрите, моторы вот с такими управляющими напряжениями на обмотках называются BLDC. Но тогда было бы непонятно, откуда это всё взялось. А теперь, надеюсь, видно, что алгоритм рождён не с потолка, а получился в результате ряда аппроксимаций обычных синусоид, питающих обычные синхронники. А раз так, то возврат к любому предыдущему уровню аппроксимации для BLDC-мотора вполне возможен, ничего принципиально не мешает нам запитывать его, например, от трёх синусоид или от трёх цифровых синусоид.

Современные бесколлекторные двигатели постоянного тока

Благодаря существенному прогрессу в области полупроводниковой электроники и в технологии создания мощных неодимовых магнитов, широкое распространение получили сегодня бесколлекторные двигатели постоянного тока. Они применяются в стиральных машинах, пылесосах, вентиляторах, дронах и т. д.

И хотя идея касательно принципа работы бесколлекторного двигателя высказывалась еще в начале 19 века, она ждала своего часа до начала полупроводниковой эры, когда технологии стали готовы к практической реализации этой интересной и эффективной концепции, позволившей бесколлекторным двигателям постоянного тока шагать так широко, как это происходит сегодня.

В англоязычной версии двигатели данного типа именуются BLDC motor – Brushless Direct Current Motor — бесщеточный мотор постоянного тока. Ротор двигателя содержит постоянные магниты, а рабочие обмотки располагаются на статоре, то есть устройство BLDC мотора полностью противоположно тому, как это имеет место в классическом коллекторном двигателе. Управляется BLDC мотор электронным регулятором, который называют ESC — Electronic speed controller — электронный регулятор хода.

Электронный регулятор хода и высокий КПД

Видео:Как работают бесколлекторные ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ? Вентильный двигатель. Понятное объяснение!Скачать

Электронный регулятор хода позволяет плавно варьировать электрическую мощность, подаваемую на бесколлекторный электродвигатель. В отличие от ранних, более простых версий резистивных регуляторов хода, которые просто ограничивали мощность путем включения в цепь последовательно с мотором активной нагрузки, превращающей избыточную мощность в тепло, электронный регулятор хода позволяет получить значительно более высокий КПД, не расходуя подводимую электрическую энергию на бесполезный нагрев.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока можно классифицировать как самосинхронизируемый синхронный двигатель, в котором полностью исключен искрящий узел, требующий регулярного обслуживания — коллектор. Функцию коллектора несет на себе электроника, благодаря чему вся конструкция изделия сильно упрощается и становится компактнее.

Щетки заменены, по сути, на электронные ключи, потери в которых сильно меньше чем были бы при механической коммутации. Мощные неодимовые магниты на роторе позволяют добиться большего момента на валу. И греется такой двигатель меньше нежели его коллекторный предшественник.

В итоге КПД двигателя получается наилучшим, а показатели мощности на килограмм веса — выше, плюс достаточно широкий диапазон регулировки скорости вращения ротора и практически полное отсутствие генерируемых радиопомех. Конструктивно двигатели данного типа легко адаптируются для эксплуатации в воде и в агрессивных средах.

Электронный блок управления — очень важная и дорогостоящая часть бесколлекторного двигателя постоянного тока, без которой, однако, никак не обойтись. От данного блока двигатель получает питание, параметры которого одновременно влияют и на скорость, и на мощность, которую двигатель будет в состоянии развить под нагрузкой.

Даже если скорость вращения регулировать не нужно, все равно электронный блок управления необходим, ведь он несет на себе не только функцию управления, но также имеет силовую составляющую. Можно сказать, что ESC – это аналог частотного регулятора для асинхронных двигателей переменного тока, специально предназначенный для питания и управления бесколлекторным мотором постоянного тока.

Управление двигателем BLDC

Чтобы понять как происходит управление BLDC двигателем, сначала вспомним как работает коллекторный двигатель. В его основе принцип вращения рамки с током в магнитном поле.

Каждый раз, когда рамка с током повернулась и нашла положение равновесия, коммутатор (щетки прижатые к коллектору) изменяет направление тока через рамку, и рамка движется дальше. Этот процесс повторяется при движении рамки от полюса к полюсу. Только вот в коллекторном двигателе таких рамок много и магнитных полюсов несколько пар, поэтому коллекторно-щеточный узел содержит не два контакта, а много.

Видео:BLDC аксиальный мотор (ч.1) / Аxial BLDC motor (p.1)Скачать

Читайте также: Мастер мотор в петербурге

Электронный блок управления бесколлекторным двигателем делает то же самое. Он изменяет полярность магнитного поля как только ротор необходимо провернуть дальше из положения равновесия. Только управляющее напряжение подается не на ротор, а на обмотки статора, и делается это при помощи полупроводниковых ключей в нужные моменты времени (фазы ротора).

Очевидно, что ток на обмотки статора бесколлекторного двигателя необходимо подавать в правильные моменты времени, то есть тогда, когда ротор находится в определенном известном положении. Для этого применяется один из следующих методов. Первый — на основе датчика положения ротора, второй — путем измерения ЭДС на одной из обмоток, которая в данный момент не получает питание.

Датчики бывают разными, магнитными и оптическими, наиболее популярны магнитные датчики на основе эффекта Холла. Второй способ (на основе измерения ЭДС) хотя и эффективен, однако он не позволяет осуществлять точное управление на низких скоростях и при старте. А вот датчики Холла обеспечивают возможность более точного управления во всех режимах. В трехфазных BLDC двигателях таких датчиков три штуки.

Двигатели без датчиков положения ротора применимы в тех случаях, когда старт мотора происходит без нагрузки на валу (вентилятор, пропеллер и т. п.). Если же старт происходит под нагрузкой, необходим мотор с датчиками положения ротора. В том и в другом варианте есть свои плюсы и минусы.

Решение с датчиком оборачивается более удобным управлением, но при выходе из строя хотя бы одного из датчиков, мотор придется разбирать, к тому же датчики требуют отдельных проводов. В варианте без датчика нет надобности в специальных проводах, но во время старта ротор будет раскачиваться туда-сюда. Если это недопустимо, необходимо ставить в систему датчики.

Ротор и статор, количество фаз

Ротор BLDC двигателя может быть наружным или внутренним, а статор, соответственно, внутренним или наружным. Статор изготавливают из магнитопроводящего материала, с количеством зубцов, которое нацело делится на количество фаз. Ротор может быть изготовлен необязательно из магнитопроводящего материала, но обязательно с жестко зафиксированными на нем магнитами.

Чем сильнее магниты — тем выше доступный вращающий момент. Количество зубцов статора не обязательно должно быть равно количеству магнитов на роторе. Минимальное количество зубцов равно количеству фаз управления.

Видео:Как сделать мощный бесщеточный двигательСкачать

Большинство современных бесколлекторных двигателей постоянного тока — трехфазные, просто в силу простоты такой конструкции и способа управления ею. Как и в асинхронных двигателях переменного тока, обмотки трех фаз соединяются здесь на статор «треугольником» либо «звездой».

Такие двигатели без датчиков положения ротора имеют 3 питающих провода, а двигатели с датчиками — 8 проводов: дополнительные два провода — для питания датчиков и три — сигнальные выводы датчиков.

Обмотка статора выполняется изолированным медным проводом так, чтобы сформировать магнитные полюса необходимого количества фаз, равномерно распределенные по окружности ротора. Количество отдельно стоящих полюсов на статоре для каждой фазы выбирается исходя из требуемой скорости вращения двигателя (и вращающего момента).

Низкооборотные двигатели с наружным ротором делают с большим количеством полюсов (и соответственно зубцов) на каждую фазу, чтобы получить вращение с угловой частотой значительно меньше частоты управляющего тока. Но даже в высокооборотных трехфазных моторах обычно не применяют количество зубцов меньше 9.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

источники:

https://evakuatorinfo.ru/chto-takoe-blcd-motor