6-шаговая коммутация BLDC моторов
Продолжаем разработку контроллера сервоприводов MC50, о котором статьи здесь:
В контроллере применяется чип семейства Renesas Synergy S5D9, в нем есть специальный периферийный блок для 6-шагового управления. Освоим его.
Что такое 6-шаговая коммутация
По поводу этого есть много обучающих материалов. Например такой ролик или такой.
6-шаговая коммутация на максимальной мощности мотора не требует никакой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и этим отличается от управления синусоидальным напряжением, где ШИМ требуется всегда. 6-шаговая коммутация требует значительно меньше вычислительных ресурсов процессора.
Ещё специальная 6-шаговая коммутация позволяет увеличить до двух раз скорость вращения ротора по сравнению с максимально достижимой при синусоидальном управлении. (9.5.6 Expended Speed Operation, Bimal K.Bose «Modern Power Electronics And AC Drivers«, ISBN 0-13-016743-6 )
На заре появления BLDC моторы шли со встроенной схемой коммутации и прямо управлялись простейшей логикой от датчиков положения ротора без всяких микропроцессоров. Скорость вращения регулировалась изменением напряжения подаваемого на драйвер мотора. Это практически совпадало по характеристикам с управлением DC моторами. Отсюда и пошло название brushless dc motor (BLDC).
На алиэкспрессе можно встретить так называемые BLDC моторы с тремя выводами. Это моторы с уже встроенным драйвером. Два провода питания и один управляющий.
В таких моторах уже применяется микросхема для управления силовыми транзисторами. В случае на фотографии стоит микросхема A4931. Схема мало-функциональна и на ней останавливаться не будем.
Мотор-редуктор
Мы выбрали для работы широко распространённый тип мотор-редуктора фигурирующего под названием “Planetary Gearbox Gear BLDC NEMA17 24V 90W Brushless DC Motor” на известных торговых площадках. Спецификация такого мотора с планетарным редуктором выглядит так:
Из спецификации следует, что мотор без нагрузки развивает скорость в 5000 оборотов в минуту. Поскольку у мотора 8 полюсов (т.е. 4 пары), то максимальная частота переменного сигнала на обмотках будет равна 5000*4 = 20000 об/мин или 333 Гц. Такую частоту и чуть больше мы должны обрабатывать с датчиков позиции ротора и с такой частотой обновлять состояние силового драйвера, т.е. каждые 3 мс. Для современных микроконтроллеров это более чем достаточное время если не придётся выполнять сложную фильтрацию или управление по сложной модели.
А действительно ли это BLDC мотор?
Тип мотора проверяют по обратной ЭДС во время ручного прокручивания. У BLDC моторов ЭДС должна быть трапецеидального вида. Как здесь:
Тут легко ошибиться пытаясь измерять обратную ЭДС между выводами мотора. Она может показаться синусоидальной. Но синус этот получается сложением двух трапецеидальных сигналов. Однако синус получается и сложением двух синусов. Поэтому измерять надо, как показано на рисунке ниже. Для этого придётся мотор распотрошить, найти в нем место соединения трех обмоток и припаяться к нему измерительным проводником.
После всех этих действий получили вот такую осциллограмму.
Мотор совсем не демонстрирует характеристику BLDC. Это PMSM с чистой синусоидальной характеристикой. Видимо, сказывается конструктивная особенность ротора, который представляется собой намагниченный цилиндр без визуально выделенных полюсов.
Из-за этого мы немного потеряем в эффективности при 6-шаговой коммутации.
Параметр Kv мотора будет равен ((362Hz/4poles paire)*60)/15V= 362
Кстати, сравнение 6-шаговой коммутации и векторного управления в применении к такому BLDC на похожей платформе можно найти здесь. Преимущества FOC, как следует из документа, довольно призрачны.
Датчики Холла
Датчики Холла размещаются в промежутках между зубцами ротора. Особой точностью размещение не отличается.
Модель датчика можно прочитать на корпусе чипа.
Это аналог хорошо документированной модели SS41F. Датчики с открытым коллектором, поэтому на плате установлены резисторы подтяжки R60, R61, R62.
Подтяжка к +5 С целью увеличения амплитуды сигнала на фоне помех. Далее идёт делитель с фильтром снижающий размах сигнала до 3.3 В пригодный для подачи на микроконтроллер.
Фильтр создаёт некоторое запаздывание сигнала, но без него могут присутствовать сильные помехи в сигнале. Сами сенсоры имеют некоторый разброс чувствительности и могут быть установлены с некоторым произвольным наклоном. Все это провоцирует возможность запуска вращения мотора с неправильной последовательностью коммутации. При этом момент силы развиваемый мотором может не сильно отличаться от момента развиваемого при правильной коммутации. Единственным признаком ошибочной коммутации может служить повышенный в несколько раз ток потребления. Но поскольку по абсолютной величине ток остаётся приемлемым, в пределах 1-2 А, то не зная истинного нормального тока может показаться, что все нормально. Однако попытавшись туже последовательность коммутации подать в реверсном направлении вращение не начинается. А это уже верный признак неверной коммутации.
8-полюсный и 4-х полюсный ротор. Что это за полюса.
Полюса находятся на роторе. На статоре находятся зубцы. Не всем это сразу понятно. И автор тоже тут немного лагал в начале. Бывает что ссылаются на количество пар полюсов. Например у 4-полюсного ротора будет две пары полюсов. Ну и естественно у ротора всегда чётное количество полюсов. А вот зубцов может быть нечётное количество.
В интернетах трудно встретить описание коммутации, где ротор был бы не 4-полюсный 6-зубцовый (ну всем так проще рисовать). Даже 2-полюсный 3-зубцовый рисуют, хотя промышленно таких моторов не делают. И конечно не сообщают, что для вращения ротора с другим количеством полюсов в том же направлении понадобится другая таблица коммутации. Существует множество комбинаций полюсов и зубцов. Вот неполная таблица найденная в интернете
И беда в том что купленный в следующей партии мотор той же марки может быть с ротором содержащим иное количество полюсов (ведь цельно-литой ротор очень легко перемагнитить). Он будет абсолютно рабочим, но станет крутить не в ту сторону и не с той скоростью. Надо быть готовым оперативно поменять в программе способ коммутации чтобы адаптироваться к новой конфигурации. Но в целом чем больше полюсов на роторе тем он тише и плавнее вращается.
Хороший источник информации по конфигурации полюсов, зубцов, слотов и обмоток BLDC моторов — книга Dr. Duane Hanselman «BrushlessPermanent MagnetMotor Design. Second Edition«, ISBN 1-881855-15-5
Коммутировать BLDC просто, но не совсем.
В микроконтроллерах семейства Renesas Synergy S5D9 есть периферийный блок под названием Output Phase Switching (OPS).
Если в обычных микроконтроллерах для управления 6 сигналами управления драйвером двигателя требуется минимум таймер с 3 компараторными блоками с взаимно инвертированными выходами, то тут нужен всего один компаратор и не используются выходы компараторов. Это экономит ресурсы таймеров для других задач с одой стороны и не приводит к асинхронности перестройки компараторов с другой.
Однако таблица коммутации в S5D9 всего одна. Если мотор надо крутить только в одну сторону, то можно полностью отказаться от услуг процессора и заставить крутиться мотор автоматически по сигналам с датчиков положения ротора (датчиков Холла в нашем случае). Но если надо изменять направление вращения ротора, то придётся по прерываниям от датчиков Холла явно выбирать строку с таблице коммутации. И тут поджидает проблема приведения в соответствие позиции строк сигналам от датчиков Холла.
Иногда можно слышать от «специалистов» по асинхронным моторам, что для изменения направления достаточно поменять просто фазы на моторе. С BLDC так не работает. Просто поменять фазы мотора нельзя. Не сработает даже если поменять местами произвольные фазы и на моторе и от датчиков Холла. Поменять можно только взаимно связанные фазы мотора и датчиков Холла, но это уже не так дёшево схематически.
Ниже дана диаграмма использованная для определения последовательности переключений транзисторов драйвера и отображения битовых масок совокупности сигналов с датчиков Холла на строки встроенной таблицы коммутаций микроконтроллера.
Программирование таймера с компараторами для модуля OPS делается довольно просто если не пользоваться API с лишними слоями абстракции. В коде ниже инициализируется работа таймера в треугольно-волновом режиме. Т.е. таймер периодически сначала инкрементируется, а потом декрементируется. Тут же настраивается компаратор для сигала триггера АЦП. Сам OPS инициализировать не нужно. У OPS всего один регистр и он записывается нужным значением сразу в прерывании вызываемом по окончании преобразования АЦП. Прерывания АЦП служат и для смены состояния коммутации силовых транзисторов.
По датчикам Холла прерывания не используются. Поскольку сигналы с датчиков приходят асинхронно с ШИМ, то мгновенная реакция на изменение состояния датчиков Холла приводила бы часто к необходимости укорочения импульсов ШИМ и изменениям в периоде выборки АЦП. А как показано ниже синхронность и предсказуемость работы АЦП очень важны.
Жёсткая коммутация и мягкая коммутация
Существуют разные способы коммутации силовых транзисторов во время подачи ШИМ. Четыре способа показан на рисунке ниже. Все начинаются с одного и того же состояния в фазе нарастания тока в катушке мотора, но отличаются тем как коммутируется катушка в фазе спада тока.
В режиме жёсткой коммутации (feedback mode в некоторой литературе) ШИМ подаётся и на верхние и на нижние плечи. Ток обмоток при низком уровне импульса ШИМ рассасывается в шину питания через диоды верхних и нижних транзисторов либо через замкнутые противоположные транзисторы. Спад тока происходит быстро. Управление током можно обеспечить максимально быстрое.
В режиме мягкой коммутации (freewheeling mode) ШИМ подаётся только на верхние транзисторы и ток обмоток при низком уровне импульса ШИМ закорачивается через нижний открытый транзистор и диод другого нижнего транзистора либо через оба нижних транзистора. Здесь также можно сделать наоборот и подавать ШИМ на нижние транзисторы и оставлять открытым верхний. Спад тока происходит медленней, но и управление получается с запаздыванием. Мягкая коммутация основной нагрев переводит на мотор.
Модуль OPS микроконтроллера позволяет выполнять управление в обоих режимах, но не все способы, и необходимо использовать прерывания.
По умолчанию мы применяем жёсткую коммутацию способом 1. В этом случае происходит максимально быстрое рассасывание тока катушки мотора.
Чтобы управлять мотором нужно знать ток. Точно знать.
Момент силы мотора прямо пропорционален току через обмотки мотора, если управление правильное. Поэтому управляя током мы управляем моментом силы или скоростью если момент постоянный. А током мы управляем изменяя напряжение с помощью ШИМ на обмотках двигателя добиваясь нужного значения тока. Все это происходит динамически и быстро с элементами предсказания, эвристиками, фильтрацией и элементами шаманства. И чем мы точнее и быстрее измеряем ток, тем меньше ухищрений и ресурсов процессора приходится тратить.
Очень точно измеряют сигма-дельта АЦП. И они дешёвые. Но это опасный соблазн. Коммутация силовых транзисторов — это сплошное нагромождение шума, даже когда нет ШИМа. Дешёвые сигма-дельта АЦП сэмплируют по одному биту, но с высокой частотой поэтому они захватывают моменты переходных процессов из-за чего в сигнале получают гораздо больше шума.
Общепринятым способом является синхронизированное с ШИМ измерение. Выборку АЦП выполняют по середине импульсов ШИМ модулятора. В это время не происходит переключение транзисторов и как будто не должно быть никаких помех.
Но помехи все же будут, они возникают при резонансных осцилляциях в тех обмотках в которых происходит прерывание тока. Но семплирование в этих точках с одной стороны можно игнорировать, с другой стороны помехи в эти моменты не так мощны.
Другой проблемой является длительность выборки отсчётов АЦП. АЦП микроконтроллера многоканальное. Нам нужно за время покоя оцифровать множество сигналов, это не только токи мотора, но значения с датчиков температуры, с датчиков напряжения, с серво-сенсора и т.д. Это занимает до десятка микросекунд. Значит минимальная длительность активного импульса не может быть слишком маленькой. Т.е. коэффициент заполнения не должен быть меньше 10% при частоте ШИМ 16 КГц, иначе какие-то отсчёты попадут на момент коммутации.
Почему нужен именно треугольно-волновой ШИМ?
Ведь можно просто использовать ШИМ по счётчику с нарастанием и сбросом, т.е. по пилообразному сигналу. Это просто и понятно. Но проблема возникает тогда с синхронизацией работы АЦП.
Triangle-wave PWM — так называется этот режим у Renesas, у других можно встретить определение как симметричный ШИМ. Симметричный ШИМ нужен для того чтобы выборки АЦП можно было привязать ровно к середине импульса и периодичность выборок не колебалась бы при изменении скважности.
Сама процедура обслуживания прерывания АЦП не сложная и выглядит вот так:
Связь между АЦП и таймером GPT0, который вырабатывает ШИМ для модуля OPS, происходит посредством модуля Event Link Controller (ELC). ELC — это отдельный модуль в наборе периферии чипа предназначенный для управления маршрутизацией дискретных сигналов между различной периферией. Всего модуль на входе может оперировать 511 сигналами и перенаправлять их на 19 определенных получателей. Среди получателей есть оба набортных АЦП по два выделенных сигнала каждому (у каждого возможно организовать две группы с отдельными конфигурациям сканирования)
Старт выборки АЦП инициируется сигналом ELC_EVENT_GPT0_AD_TRIG_A (184) исходящим из таймера GPT0 в момент когда его значение совпадёт со значением регистра компаратора триггера АЦП. В таймерах GPT есть специальные регистры компараторов для генерации вспомогательных сигналов именно для отправки на АЦП.
Инициализация АЦП выглядит так:
Важный момент заключается в том что чип S5D9 способен одновременно сэмплировать до 6 аналоговых сигналов. Это позволяет избавиться от ошибки при последовательном измерении, возникающую у обычных микроконтроллеров с 2-х модульными многоканальными АЦП. Взятые семплы потом последовательно оцифровываются один за другим. Остальные каналы сэмплируются и оцифровываются последовательно один за другим без паузы. В сумме весь процесс взятия выборок и оцифровки занимает при текущей настройке около 2 мкс. Уменьшение времени выборки может ухудшить точность измерения.
Порядок семплирования определяется номером канала. Каналы с меньшим номером семплируются первыми. Кроме того сэмплируются ещё внутренние каналы встроенного датчика температуры и референсного напряжения. Они сэмплируются последними.
Что такое BLDC-мотор
BLDC двигатель, он же вентильный двигатель — это бесколлекторный синхронный двигатель постоянного тока на постоянных магнитах. Функцию коллектора в данном случае выполняет электронный контроллер, как если бы двигатель был коллекторный — контроллер переключает обмотки в зависимости от положения ротора с магнитами, определяемого датчиками Холла, установленными в мотор. Если двигатель застопорить, то контроллер будет подавать ток в те две фазы, которые должны его стронуть в нужную сторону. Контроллер не будет переключать фазы, пока ротор стоит. Дополнительно в отличие от механических коллекторов,это обеспечивает работу большого количества магнитных пар,чем может быть обеспечен значительно больший момент.
По сути, BLDC – это коллекторный двигатель с «электронным коллектором», но лишенный его недостатков в виде механического износа щеток и постоянного обслуживания щеточного узла для удаления нагара и загрязнений.
« Вентильный электродвигатель» — это наше, советское название. В зарубежной литературе они называются по другому . Общие аббревиатуры для обозначения синхронных бесколлектроных электродвигателей постоянного тока — это BLDC или PMSM:
- BLDC — Brushless DC electric motor (бесколлекторный электродвигатель постоянного тока).
- PMSM — Permanent Magnet Synchronous Motor (синхронный двигатель с постоянными магнитами).
Конструкция:
- Ротор
В роторе двигателя размещаются постоянные магниты, создающие магнитное поле, которые чередуются + — + -. В зависимости от количества магнитов, двигатель имеет соответствующее количество полюсов. Роторы линейки Golden Motor 3-5-10-20кВт имеют 8 магнитов, т.е. 4 пары магнитов.
- Статор
Статор сделан из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для вращения необходимы 3 фазы. Обычно ВД трёхфазные, в Golden Motor в т.ч.
BLDC двигатель так же имеет более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с асинхронными двигателями. Он обладает лучшей удельной мощностью (мощность на килограмм массы), лучшим КПД, особенно на низких оборотах и на старте, более простое управление (асинхронным двигателям требуется чистый синус).
Трёхфазный бесколлекторный двигатель
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
Двигатель стиральной машины с прямым приводом, представляет собой трёхфазный бесколлекторный двигатель постоянного тока, отчасти похожий на шаговый двигатель, но это не совсем так. В иностранной литературе его ещё часто называют BLDC (Brushless Direct Current Motor — бесщёточный мотор постоянного тока), для удобства мы тоже будем применять эту аббревиатуру.
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
Ротор BLDC — вращающаяся часть двигателя (Рис.2) По форме напоминает чашу, к внутренней стороне которой специальным клеем крепятся магниты прямоугольной формы. Магниты всегда имеют чётное количество и установлены с чередованием полюсов. В нашем случае установлено 12 магнитов, размер которых зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. В центре ротора есть специальное посадочное отверстие с насечками, что позволяет, при помощи болта или гайки, закрепить ротор напрямую к валу барабана. С внешней стороны ротора, продавлено 10 щелей образующих на обратной его стороне небольшие лопасти для охлаждения обмоток статора.
4. Статор
Рис.3 Статор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом
Статор BLDC — неподвижная часть двигателя и крепится к задней части бака стиральной машины (Рис.3) Статор состоит из нескольких листов магнитопроводящей стали заключённый в пластиковый каркас, который служит изолятором. В целом, каркас статора напоминает круг с прямоугольными зубьями. На каждый зуб статора наматывается катушка.
Обмотка трёхфазного бесколлекторного двигателя изготовлена из медной проволоки толщиной 1 мм. Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы, то есть все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно. В данном случае статор имеет 36 зубьев — это значит по 12 зубьев на одну фазу. Сопротивление обмотки каждой фазы порядка 10 Ом.
Как известно, в трёхфазных двигателях, обмотки соединяют по схеме звезда или треугольник.
В нашем случае, обмотки статора соединены по схеме звезда, т.е. концы фаз имеют общую точку (Рис.4)
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)
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.
Управление двигателем с прямым приводом построено на инверторе напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Инвертор — (от лат. inverto — поворачивать, переворачивать) — элемент вычислительной схемы, осуществляющий определённые преобразования сигнала изменяемой амплитуды и частоты. К примеру, в инверторе, сетевое напряжение 220 вольт с частотой 50 Гц, преобразуется в постоянное напряжение, а параметры питания обмоток статора двигателя могут колебаться от 0 до 120 вольт с частотой до 300 Гц.
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»
Замыкая ключ SW1 подаётся «+» на фазу V , а замыкая SW6 подаётся «-» на фазу U . Таким образом, ток потечет от «+» выпрямителя через фазы V и U . Для обеспечения обратного направления, открывается SW5 и SW2. В этом случае ток потечет от «+» выпрямителя через фазы U и V в обратном направлении. При работе двигателя одновременно должен быть открыт только один верхний и один нижний ключ.
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).
Дадим определение этим терминам:
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. А скважность — это отношение периода следования (повторения) сигнала к длительности (широте) его импульса.
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.
Мы пояснили немного суть системы управления двигателем, а вот детальный обзор устройства и принцип работы инверторного блока управления — очень объёмный материал и в рамках данной статьи мы рассматривать не будем.
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:
- низкий уровень шума
- относительно простая конструкция
- особое позиционирование двигателя в стиральной машине, позволяющее снизить колебание бака
- отсутствие приводного ремня, из-за которого терялась часть полезной энергии двигателя на преодоление сил трения ремня, между шкивом двигателя и шкивом барабана
- отсутствие уязвимого коллекторно-щёточного узла, имеющего ограниченный ресурс и требующего обслуживания
К недостаткам двигателя BLDC относятся:
- достаточно сложная система управления ( по сравнению с коллекторным двигателем)
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.
Чипгуру
Всем здравствуйте! Итак, предлагаю обсудить и разобраться в сути BLDC моторов (бесколлекорных электродвигателей с постоянными магнитами). Такими движками можно оборудовать различный транспорт от скейтборда и самоката, до полноценного авто на электротяге. да и не только электротранспорт. А потому было бы ооочень интересно узнать методы расчетов, формулы и пр., таких движков как для самостоятельной сборки оного с нуля, так и исходя из имеющегося железа. Например есть в наличии статор, то какие характеристики с него можно получить?! Как их получить?! И самое главное помимо расчетов железа, не помешало бы разобрать электронную составляющую — контролёры, инверторы и др. Т.к. эти двигатели и электроника управления ими тесно связаны.
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
Отправлено спустя 16 минут 51 секунду:
BLDC — двигатели бесколлекторные постоянного тока и ч постоянными магнитами. Имеют три выхода с обмоток и являются трезфазными двигателями. А потому для их работы необходима электронная система управленя.
Бывают двух видов:
Inranner — классический вид, статор снаружи и ротор с магнитами внутри. Обычно высокооборотных.
Outranner — когда статор внутри и ротор с магнитами с наружи.
BLDC (БК мотор) — что, как, почему.
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.
Поэтому принято называть именно BLDC двигатели с трапецеидальной формой тока. А двигатели которые питаются синусоидальным током, относят к другим подклассам — например PMSM.
Так же и режимы работы разные. Исконные BLDC работают в так называемом режиме блочной коммутации. То есть на обмотки подается не синус, а просто два состояния — включена обмотка, или выключена. При работе такой двигатель создает характерный тракторный шум. Можно двигатель питать от синусоидального контроллера. Их еще называют векторными. Тогда двигатель вертится плавно, без рывков и тракторного шума.
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.
Китайцы делают в основном PMSM двигатели для транспорта. Их проще делать. Поэтому родной режим работы таких двигателей не BLDC, а синусоидальный. и правильный контроллер к ним — синусоидальный (векторный).
Но конечно двигатели работают в обеих режимах. Мне лично нравится синусоидальный плавный режим работы. Именно это направление я и развивал для себя.