двигатель bldc что это
Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое?
Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора, методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.
Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.
Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!
Немного терминологии
Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).
Что такое бесколлекторный двигатель?
Преимущества и недостатки
Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?
Датчики положения, двигатели без датчиков
Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.
В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.
Три фазы
Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).
В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.
Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.
Бесколлекторные моторы «на пальцах» Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:
Чипгуру
Сообщение #1 Strock » 23 фев 2018, 16:09
Я в этом полный дуб, потому хотелось для себя разобраться, понять и научится строить БК моторы.
Тема создана в связи с наличием велика, статора, подходящего для создания БК мотора и желания установить последний на велосипед.
Надеюсь на ваше понимание и помощь! Вместе, думаю, разберемся, а выкладки по этой теме могут пригодится многим 
Сообщение #2 T-Duke » 23 фев 2018, 16:27
Как тот, кто уже много лет занимается этой тематикой, хочу сказать, что нужно еще правильно классифицировать моторы.
Английская аббревиатура BLDC говорит, что это просто Двигатель постоянного тока без щеток. Иными словами это бесколлекторный двигатель в понимании механического коллектора. Но без коллектора много типов двигателей с постоянными магнитами.
Следует отметить, что как правило на рынке не BLDC двигатели, а PMSM двигатели. Разница у них в конструкции магнитной системы. Именно BLDC двигатели заточены под работу с блочной коммутацией. У них рывки при переходе полюсов меньше. Если же запустить в блочном режиме синусоидальный двигатель, то он дергает сильнее, чем исконный BLDC. То есть пульсация крутящего момента у него выше. На видео как раз двигатель типа PMSM работающий в режиме BLDC двигателя.
Но конечно двигатели работают в обеих режимах. Мне лично нравится синусоидальный плавный режим работы. Именно это направление я и развивал для себя.
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.
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:
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).
Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:
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:
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.
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ BLDC
Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC — Brushless DC electric motor) часто используется в мотор-колесе электросамокатов и электровелосипедов. Его первые версии появились в 1960-х годах. Двигатели BLDC намного эффективнее и имеют гораздо больший крутящий момент.
Размещение постоянного магнита в роторе (внутренняя конфигурация) и управление окружающими катушками через транзисторы, позволило устранить самый важный недостаток щеточных (коллекторных) двигателей постоянного тока, которым являются сами щетки.
В альтернативной конфигурации (внешний ход) катушки якоря могут образовывать твердый сердечник, вокруг которого вращается ротор с постоянным магнитом, приводящий в движение вал двигателя. В обоих случаях катушки неподвижны.
Двигатели BLDC считаются двигателями с электронной коммутацией (ECM) в отличие от щеточных двигателей с механической коммутацией.
Общий принцип управления двигателем BLDC
Для двигателей BLDC требуются современные электронные контроллеры, которые могут определять положение ротора. Для этой цели можно использовать датчик Холла, реагирующий на положение каждой из катушек якоря при работающем двигателе. Скорость двигателя BLDC больше не может регулироваться напряжением, как в щеточных двигателях, а только путем изменения частоты переключения. Эти двигатели питаются от сигнала ШИМ, как показано на рисунке.
Двигатели BLDC делятся на 1-фазные, 2-фазные и 3-фазные, но принцип работы является общим для всех типов. Вместо механического коммутатора, изменяющего направление магнитного поля катушек ротора, используются транзисторы, которые непрерывно изменяют фазу напряжения подаваемого на катушку статора, что заставляет ротор непрерывно вращаться.
Управление однофазными двигателями BLDC
Однофазные двигатели BLDC имеют две параллельные обмотки якоря, управляемые напряжением ШИМ через мост H. Выходной сигнал одного датчика Холла постоянно меняет полярность тока, протекающего через обмотку якоря, таким образом поддерживая непрерывное вращение ротора. Однофазные двигатели BLDC очень просты в управлении. Для их работы достаточно одной интегральной микросхемы, например LB11970RV (однофазный двухполупериодный драйвер).
Принцип управления однофазным двигателем BLDC
Управление двухфазными двигателями BLDC
Двухфазные двигатели немного сложнее в управлении. Якорь состоит из 4 катушек, а магнитное поле создается 4 парами постоянных магнитов. Катушки якоря сгруппированы попарно, поэтому двухфазные двигатели имеют больший крутящий момент, чем однофазные.
Двухфазные двигатели обычно используются в некритических низкоуровневых устройствах, таких как большие вентиляторы, поэтому там не требуются сложные контроллеры. В результате двухфазные двигатели мощнее и дешевле. Драйверы, такие как например LB1668M, могут использоваться для их управления.
Управление 3-фазными двигателями BLDC
Трехфазные двигатели BLDC имеют 3 катушки якоря, соответствующие 6 состояниям коммутации. В каждую из катушек обычно помещают датчики Холла, которые реагируют на прохождения над ними постоянных магнитов, которые являются элементами ротора. Принцип использования сигналов от датчиков Холла показан на рисунке.
Конструкция двигателя BLDC с датчиками Холла
Тут тоже сигналы от датчиков Холла определяют моменты переключения. Эти сигналы через соответствующую систему подключения включают транзисторы, которые напрямую управляют катушками двигателя. Конечно, переключение в трехфазных двигателях происходит в 3 раза быстрее, чем в однофазных. Это приводит к снижению вибрации (дёргания) и более точному контролю скорости. Примером трехфазного драйвера двигателя BLDC с датчиками Холла является микросхема LB1976.
Принцип управления мотором BLDC с использованием датчиков Холла
Двигателями также можно управлять без датчиков Холла, используя сигнал BEMF (Back EMF) от каждой катушки. Этот сигнал получается путем сравнения напряжения, индуцированного в каждой из трех катушек, с центральным напряжением (точка COM). Результат такой связи усиливается и передается в систему определения положения ротора.
Сигналы от трех катушек преобразуются в формы импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 120 °. Некоторые контроллеры используют простые компараторы для определения фазы каждой обмотки, другие требуют использования внешних микроконтроллеров. Трехфазный интегрированный бессенсорный контроллер LB11983 включает в себя датчик положения ротора со схемами запуска, синхронизации, переключения, тепловой защиты и контроля насыщения и не требует внешнего микроконтроллера.
Принцип управления двигателем BLDC с помощью сигнала BEMF
Драйверы двигателей BLDC, использующие сигналы BEMF, имеют проблему с определением положения ротора во время запуска, потому что эти сигналы еще не генерируются. В этом случае двигатель запускается с неизвестного положения, то есть неизвестно положение статора относительно ротора. Это положение необходимо быстро распознать во время работы, потому что включение неправильной фазы может изменить направление вращения двигателя и даже сделать невозможной работу.
Форум по обсуждению материала БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ BLDC
Схема усилителя и микрофона из пьезоэлемента, подходящая для сборки своими руками.
Трёхфазный бесколлекторный двигатель
1. Двигатель стиральной машины с прямым приводом
Пожалуй уже каждый слышал о стиральных машинах с прямым приводом барабана. Но до сих пор, даже не все специалисты по ремонту стиральных машин знают как устроен и как работает двигатель в такой машине.
Сама идея конечно не новая, ведь за основу взят шаговый двигатель, который уже давно получил распространение во многих электротехнических устройствах. А вот первое применение его в конструкции стиральной машины в качестве привода барабана, принадлежит корейскому концерну LG. С середины 2005 года, компания LG начала активно продвигать свою продукцию, заявляя о 10-ти летней гарантии на двигатель для стиральных машин с прямым приводом.
Сегодня, помимо LG, компании Samsung, Haier и Whirpool в ряде моделей стиральных машин стали применять подобные двигатели. Забегая вперёд, можно сказать, что компания LG не просчиталась и двигатель для прямого привода барабана действительно довольно надёжный и имеет преимущество по сравнению с более традиционным и распространённым коллекторным двигателем.
2. Устройство двигателя
Такой двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два вида подобных двигателей:
Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. В стиральных машинах с прямым приводом применяется Outrunner тип двигателя.
В этой статье мы ознакомим с устройством двигателя от стиральной машины LG.
3. Ротор
Рис.2 Ротор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом
4. Статор
Рис.3 Статор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом
Поскольку в каждый момент времени работают только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор неравномерно по всей окружности (Рис.5).
Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее (Рис.6)
 |
Рис.4 Соединение обмоток по схеме «звезда»
Рис.5 Воздействие магнитных сил на ротор
В двигателе стиральной машины LG, распределение фазных обмоток, а также относительное положение ротора и статора можно увидеть ниже (см. Рис.7). На схеме производителя, фазные обмотки обозначают буквами : V, W, U
Рис.7 Трёхфазный двигатель постоянного тока (BLDC) стиральной машины LG (общий вид)
Для контроля положения ротора применяется датчик работающий на эффекте Холла. Датчик реагирует на магнитное поле и поэтому его располагают на статоре таким образом, чтобы магниты ротора воздействовали на него.
5. Система управления трёхфазным двигателем (BLDC)
Стоит отметить, что система управления двигателем BLDC и схема её реализации аналогична схеме управления трёхфазным асинхронным двигателем описанной в другой нашей статье. Что бы в точности не повторяться, поясним всё же немного по другому.
Двигатель постоянного тока имеет три вывода (т.е. три фазы), на которые в разный момент времени подаётся «+» и «-» питания. Это реализуется при помощи IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором) представляющие электронные силовые ключи, включённые по мостовой схеме (Рис.8)
Рис.8 Условная схема силовой части инвертора и обмоток двигателя подключённых по схеме «звезда»
При включении ключей, как показано выше, на двигатель подается полное напряжение питания. При этом двигатель развивает максимальные обороты (мощность). Чтобы обеспечить управление двигателем, нужно регулировать напряжение питания двигателя. Изменение действующего напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
На (Рис.9) представлен график, иллюстрирующий применение трёхуровневой ШИМ для управления электродвигателем, которая используется в приводах асинхронных электродвигателей с переменной частотой. Напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку двигателя показано в виде прямоугольных импульсов. Пунктирной линией грубо изображён магнитный поток в статоре двигателя. Магнитный поток имеет приблизительно синусоидальную форму, благодаря соответствующему закону ШИМ.
Поэтому, ключи открыты не все время, а открываются, и закрываются с фиксированной частой, но изменяемой скважностью. Таким образом, изменяется действующее напряжение от нулевого до напряжения питания.
Назревает вопрос: зачем нужно менять скважность, зачем эта частота и для чего это всё нужно? Дело в том, что слишком малая частота может быть не эффективной или не обеспечивать необходимой плавности регулирования оборотов двигателя.
Рис.9 График иллюстрирующий напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку двигателя.
Например: если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный реальный оборот.
При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот.
В нашем случае, имеется 12 магнитов на роторе. Для того, чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 12/2=6 электрических оборотов поля. Поэтому, учитывая особенность конструкции двигателя и инверторную систему управления, для питания фаз двигателя необходима электрическая частота значительно выше 50Гц.
Чтобы добиться управления оборотами двигателя нужно наложить сигнал ШИМ, на сигналы, подаваемые на ключи. Для этого, микроконтроллер электронного блока управления, программно формирует ШИМ для каждого из ключей (IGBT). В программу контроллера, производитель закладывает определённый алгоритм и все данные для управления конкретным двигателем.
6. Неисправности и диагностика двигателя
Как и говорилось выше, сам по себе двигатель довольно надёжный, относительно простой и в практике известны единичные случаи выхода из строя обмоток статора. Магниты на статоре имеют конечно не самое высшее качество, но их отклеивание или расколы почти не встречались.
Уязвимая деталь, пожалуй только датчик Холла. При возникновении его неисправности, отсутствует сигнал положения ротора, что приводит к некорректной работе системы питания фаз двигателя. В этом случае можно наблюдать, как ротор двигателя стопорится и издаёт дребезжащий металлический звук. В стиральных машинах LG, эта проблема зачастую сопровождается кодом неисправности «SE» на модуле интерфейса.
В отличие от коллекторного двигателя, запустить и проверить трёхфазный двигатель напрямую вне стиральной машины без каких-либо специальных приспособлений не получится, поскольку статор крепится к баку, а ротор к валу барабана стиральной машины. Поэтому, при наличии обычного цифрового мультиметра, можно проверить только сопротивление обмоток фаз статора. В связи с этим, на практике, при диагностировании неисправности, проблемную деталь двигателя или модуль управления, выявляют путём замены детали на заведомо исправную.
7. Преимущества и недостатки BLDC двигателей
Более ярким получится сравнение трёхфазного двигателя (BLDC) с традиционным коллекторным двигателем, которым оснащено большинство стиральных машин.
К преимуществу двигателей BLDC стоит отнести:
К недостаткам двигателя BLDC относятся:
Справедливости ради, стоит отметить, что двигатель стиральной машины LG с прямым приводом не идеально бесшумный. В момент пуска двигателя, из-за взаимодействия магнитных полей статора с магнитами ротора, возникают колебания последнего, сопровождающиеся характерным металлическим звоном. По мере увеличения оборотов ротора, звук становится более мягким, но всё-равно своеобразным и характерным для всех стиральных машин LG с прямым приводом барабана.