Определение

Бесщеточный двигатель постоянного тока состоит из ротора в виде постоянного магнита и статора в виде многофазных обмоток якоря. Он отличается от обычного двигателя постоянного тока тем, что не содержит щеток, а коммутация осуществляется электрически, с использованием электронного привода для питания обмоток статора.

В основном двигатель BLDC может быть сконструирован двумя способами - путем размещения ротора вне сердечника и обмоток в сердечнике, а другой - путем размещения обмоток вне сердечника. В первом варианте магниты ротора действуют как изолятор, снижают скорость рассеивания тепла от двигателя и работают при малом токе. Обычно используется в вентиляторах. В последнем варианте двигатель рассеивает больше тепла, что приводит к увеличению его крутящего момента. Он используется в жестких дисках.

BLDC

4-полюсный 2-фазный двигатель

Бесщеточный двигатель постоянного тока приводится в действие электронным приводом, который переключает напряжение питания между обмотками статора при вращении ротора. Положение ротора контролируется датчиком (оптическим или магнитным), который передает информацию электронному контроллеру, и на основе этого положения определяется обмотка статора, которая должна быть запитана. Этот электронный привод состоит из транзисторов (по 2 на каждую фазу), которые управляются микропроцессором.

BLDC-DC

Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, взаимодействует с полем, индуцированным током в обмотках статора, создавая механический крутящий момент. Электронная переключающая схема или привод переключает ток питания на статор так, чтобы поддерживать постоянный угол от 0 до 90 градусов между взаимодействующими полями. Датчики Холла обычно устанавливаются на статоре или роторе. Когда ротор проходит через датчик Холла на основе северного или южного полюса, он генерирует высокий или низкий сигнал. На основе комбинации этих сигналов определяется возбуждаемая обмотка. Чтобы двигатель продолжал работать, магнитное поле, создаваемое обмотками, должно смещаться, поскольку ротор движется, чтобы догнать поле статора.

Схема

В четырехполюсном двухфазном бесщеточном двигателе постоянного тока используется один датчик Холла, встроенный в статор. Когда ротор вращается, датчик Холла определяет положение и вырабатывает высокий или низкий сигнал в зависимости от полюса магнита (северный или южный). Датчик Холла подключен к транзисторам через резистор. Когда на выходе датчика появляется сигнал высокого напряжения, транзистор, подключенный к катушке A, начинает проводить, обеспечивая путь для протекания тока и, таким образом, возбуждая катушку A. Конденсатор начинает заряжаться до полного напряжения питания. Когда датчик Холла обнаруживает изменение полярности ротора, он вырабатывает сигнал низкого напряжения на его выходе, и, поскольку транзистор 1 не получает питания, он находится в состоянии отсечки. Напряжение, возникающее вокруг конденсатора, равно Vcc, которое представляет собой напряжение питания 2^ndтранзистор, и катушка B теперь находится под напряжением, так как через нее проходит ток.

Двигатели BLDC имеют фиксированные постоянные магниты, которые вращаются, и фиксированный якорь, что устраняет проблемы подключения тока к движущемуся якорю. И, возможно, больше полюсов на роторе, чем у статора или реактивных двигателей. Последние могут быть без постоянных магнитов, это могут быть только полюса, которые индуцируются на роторе, а затем стягиваются в систему синхронизированными обмотками статора. Электронный контроллер заменяет щеточный / коллекторный узел щеточного двигателя постоянного тока, который постоянно переключает фазу на обмотки, чтобы двигатель продолжал вращаться. Контроллер выполняет сравнительное синхронизированное распределение мощности с использованием твердотельной схемы вместо системы щеток / коммутаторов.

Двигатель BLDC

7 преимуществ бесщеточных двигателей постоянного тока

Лучшая скорость по сравнению с крутящим моментом
Высокий динамический отклик
Высокая эффективность
Длительный срок службы благодаря отсутствию электрических потерь и потерь на трение
Бесшумная работа
Более высокие диапазоны скорости

Приложения:

Стоимость бесщеточного двигателя постоянного тока снизилась с момента его презентации из-за улучшения материалов и дизайна. Это снижение стоимости в сочетании с многочисленными фокусами на щеточном двигателе постоянного тока делает бесщеточный двигатель постоянного тока популярным компонентом во многих различных приложениях. Приложения, использующие двигатель BLDC, включают, но не ограничиваются:

Бытовая электроника
Транспорт
Отопление и вентиляция
Промышленная инженерия
Модельная инженерия

Принцип работы

Принципы работы двигателей BLDC такие же, как и для щеточного двигателя постоянного тока, т.е. обратная связь по положению внутреннего вала. В случае щеточного двигателя постоянного тока обратная связь реализуется с помощью механического коммутатора и щеток. В двигателе BLDC это достигается с помощью нескольких датчиков обратной связи. В двигателях BLDC мы в основном используем датчик Холла, когда магнитные полюса ротора проходят рядом с датчиком Холла, они генерируют сигнал ВЫСОКОГО или НИЗКОГО уровня, который можно использовать для определения положения вала. Если направление магнитного поля меняется на противоположное, возникающее напряжение также меняется на противоположное.

Управление двигателем BLDC

Блок управления реализован на базе микроэлектроники, имеет несколько высокотехнологичных вариантов. Это может быть реализовано с использованием микроконтроллера, специального микроконтроллера, встроенного микроэлектронного блока, ПЛК или другого подобного блока.

Аналоговый контроллер все еще используется, но не может обрабатывать сообщения обратной связи и управлять соответствующим образом. С помощью этого типа схем управления можно реализовать высокопроизводительные алгоритмы управления, такие как векторное управление, управление с ориентацией на поле, высокоскоростное управление, все из которых связаны с электромагнитным состоянием двигателя. Кроме того, управление внешним контуром для различных требований динамики, таких как управление двигателем скольжения, адаптивное управление, прогнозирующее управление и т. Д., Также реализовано традиционно.

Помимо всего этого, мы находим высокопроизводительные PIC (силовые интегральные схемы), ASIC (специализированные интегральные схемы) и т. Д. это может значительно упростить конструкцию блока управления и силовой электроники. Например, сегодня у нас есть полный ШИМ-регулятор (широтно-импульсная модуляция) в единой ИС, который может заменить весь блок управления в некоторых системах. ИС составного драйвера может обеспечить полное решение для управления всеми шестью переключателями питания в трехфазном преобразователе. Существует множество подобных интегральных схем, которые с каждым днем все больше и больше добавляются. В конце концов, сборка системы, возможно, будет включать в себя только часть управляющего программного обеспечения, и все оборудование будет иметь правильную форму и форму.

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) может использоваться для управления скоростью двигателя. Здесь дано среднее напряжение или средний ток, протекающий через двигатель, будет изменяться в зависимости от времени включения и выключения импульсов, управляющих скоростью двигателя, т.е. рабочий цикл волны управляет его скоростью. При изменении рабочего цикла (времени включения) мы можем изменить скорость. Меняя местами выходные порты, он эффективно изменяет направление двигателя.

Контроль скорости

Регулировка скорости двигателя BLDC важна для того, чтобы двигатель работал с желаемой скоростью. Скорость бесщеточного двигателя постоянного тока можно контролировать, контролируя входное напряжение постоянного тока. Чем выше напряжение, тем выше скорость. Когда двигатель работает в нормальном режиме или работает со скоростью ниже номинальной, входное напряжение якоря изменяется с помощью модели PWM. Когда двигатель работает с частотой вращения выше номинальной, магнитный поток ослабляется за счет опережения выходящего тока.

Управление скоростью может быть замкнутым или разомкнутым.

Управление скоростью с разомкнутым контуром - это простое управление напряжением постоянного тока, подаваемым на клеммы двигателя, путем прерывания напряжения постоянного тока. Однако это приводит к некоторой форме ограничения тока.

Замкнутый контур управления скоростью - Он включает управление входным напряжением питания через обратную связь по скорости от двигателя. Таким образом, напряжение питания регулируется в зависимости от сигнала ошибки.

“как работает лифт ”

Регулирование скорости с обратной связью состоит из трех основных компонентов.

Схема ШИМ для генерации необходимых импульсов ШИМ. Это может быть либо микроконтроллер, либо микросхема таймера.
Чувствительное устройство для определения фактической скорости двигателя. Это может быть датчик Холла, инфракрасный датчик или оптический энкодер.
Моторный привод для управления работой двигателя.

Этот метод изменения напряжения питания на основе сигнала ошибки может осуществляться либо с помощью метода управления ПИД, либо с использованием нечеткой логики.

Применение для управления скоростью бесщеточного двигателя постоянного тока

Управление двигателем постоянного тока BLDC

Работа двигателя управляется с помощью оптрона и полевого МОП-транзистора, где входная мощность постоянного тока регулируется с помощью метода ШИМ с микроконтроллера. Когда двигатель вращается, инфракрасный светодиод, расположенный на его валу, освещается белым светом из-за наличия белого пятна на его валу и отражает инфракрасный свет. Фотодиод принимает этот инфракрасный свет и претерпевает изменение своего сопротивления, вызывая изменение напряжения питания подключенного транзистора, и на микроконтроллер подается импульс для генерации числа оборотов в минуту. Эта скорость отображается на ЖК-дисплее.

Требуемая скорость вводится с клавиатуры, подключенной к микроконтроллеру. Разница между измеренной скоростью и желаемой скоростью - это сигнал ошибки, и микроконтроллер генерирует сигнал ШИМ в соответствии с сигналом ошибки на основе нечеткой логики для подачи питания постоянного тока на двигатель.

Таким образом, используя управление с обратной связью, можно управлять скоростью бесщеточного двигателя постоянного тока, и его можно заставить вращаться с любой желаемой скоростью.

Фото: