Principes van borstelloze DC (BLDC) -motoren en de juiste manier om ze te gebruiken

De meest basale motor is de 'DC -motor (borstelmotor) '. Door een spoel in een magnetisch veld te plaatsen en er een stromende stroom doorheen te passeren, zal de spoel worden afgestoten door de magnetische polen aan de ene kant en tegelijkertijd door de andere kant aangetrokken worden, en zal ze blijven roteren onder deze actie. Tijdens de rotatie wordt de stroom die door de spoel stroomt omgekeerd, waardoor deze continu draait. Er is een deel van de motor genaamd de 'commutator ' die wordt aangedreven door 'borstels ', die boven de 'stuurwiel ' worden geplaatst en continu beweeg terwijl deze roteert. Door de positie van de borstels te wijzigen, kan de richting van de stroom worden gewijzigd. De commutator en borstels zijn onmisbare structuren voor de rotatie van een DC -motor.

Figuur 1: Schematisch diagram van de werking van een DC -motor (geborstelde motor).

De commutator schakelt de stroomstroom in de spoel, waardoor de richting van de polen wordt omgekeerd zodat ze altijd naar rechts draaien. De borstels leveren stroom aan de commutator die roteert met de as.

Motoren actief op veel gebieden

We hebben motoren gecategoriseerd op basis van voeding en rotatieprincipe (Fig. 2). Laten we de kenmerken en het gebruik van elk type motor kort bekijken.

Figuur 2: Hoofdsoorten motoren

DC -motoren (geborstelde motoren), die eenvoudig en gemakkelijk te bedienen zijn, worden vaak gebruikt voor toepassingen zoals het openen en sluiten van optische schijfbakken in huishoudelijke apparaten. Ze worden ook gebruikt in auto's voor toepassingen zoals het openen en sluiten van elektrische spiegels en richtingregeling. Hoewel het goedkoop is en op veel gebieden kan worden gebruikt, heeft het zijn nadelen. Omdat de commutator in contact komt met de borstels, heeft deze een korte levensduur en moeten de borstels periodiek of onder garantie worden vervangen.

Een steppermotor draait met het aantal elektrische pulsen dat ernaar wordt verzonden. De hoeveelheid beweging hangt af van het aantal elektrische impulsen dat eraan wordt verzonden, waardoor het geschikt is voor positie -aanpassing.

Het wordt vaak thuis gebruikt voor 'papiervoeding van faxmachines en printers ', enz. Omdat de voedingsstappen van een faxmachine afhankelijk zijn van de specificaties (gravure, fijnheid), is een opstapmotor die roteert met het aantal elektrische impulsen zeer eenvoudig te gebruiken. Het is gemakkelijk om het probleem op te lossen dat de machine tijdelijk stopt zodra het signaal stopt. Synchrone motoren, waarvan het aantal rotaties varieert met de frequentie van de voeding, worden gebruikt in toepassingen zoals 'rotatietabellen voor magnetrons.

De motoret heeft een versnellingsbak om het aantal rotaties te verkrijgen dat geschikt is voor het verwarmen van voedsel. Inductiemotoren worden ook beïnvloed door de frequentie van de voeding, maar de frequentie en het aantal revoluties vallen niet samen. In het verleden werden deze AC -motoren gebruikt in fans of wasmachines.

Zoals u kunt zien, is een breed scala aan motoren actief op verschillende gebieden. Wat zijn de kenmerken van BLDC -motoren (borstelloze motoren ) die ze zo veelzijdig maken?

Hoe draait een BLDC -motor?

De 'bl ' in BLDC -motoren betekent 'borstelloos ', wat betekent dat de 'borstels ' in DC -motoren (borstelmotoren) niet langer aanwezig zijn. De rol van borstels in DC -motoren (borstelmotoren) is om de spoelen in de rotor door de commutator te bekrachtigen. Dus hoe geeft een BLDC -motor zonder borstels de spoelen in de rotor energie? Het blijkt dat BLDC -motoren permanente magneten voor de rotor gebruiken en er geen spoel in de rotor is. Aangezien er geen spoelen in de rotor zijn, is er geen behoefte aan commutators en borstels voor het stimuleren van de motor. In plaats daarvan wordt de spoel gebruikt als stator (figuur 3).

Het magnetische veld gecreëerd door de vaste permanente magneten in een DC -motor (borstelmotor) beweegt niet en roteert door het magnetische veld te regelen dat door de spoel (rotor) erin wordt geregistreerd. Het aantal rotaties wordt gewijzigd door de spanning te wijzigen. De rotor van een BLDC -motor is een permanente magneet en de rotor wordt gedraaid door de richting van het magnetische veld te veranderen dat door de spoelen eromheen wordt gecreëerd. De rotatie van de rotor wordt geregeld door de richting en de grootte van de stroom te regelen die door de spoelen stroomt.

Figuur 3: Schematisch diagram van BLDC -motorbewerking.

   

Voordelen van BLDC -motoren

BLDC -motoren hebben drie spoelen op de stator, elk met twee draden, voor een totaal van zes looddraden in de motor. In werkelijkheid zijn meestal slechts drie draden nodig omdat ze intern zijn bedraad, maar het is nog steeds een meer dan de eerder beschreven DC -motor (geborstelde motor). Het zal niet puur bewegen door de positieve en negatieve batterijterminals aan te sluiten. Over hoe je een BLDC Motor wordt uitgelegd in de tweede aflevering van deze serie. Deze keer gaan we ons concentreren op de voordelen van BLDC -motoren.

Het eerste kenmerk van een BLDC -motor is 'High Efficiency '. Het is mogelijk om de rotatiekracht (koppel) te regelen om de maximale waarde te allen tijde te handhaven, terwijl met DC -motoren (borstelmotoren) het maximale koppel slechts een enkel moment tijdens de rotatie kan worden gehandhaafd en de maximale waarde kan niet te allen tijde worden gehandhaafd. Als een DC -motor (borstelmotor) zoveel koppel wil krijgen als een BLDC -motor, kan deze alleen de magneet vergroten. Dit is de reden waarom zelfs een kleine BLDC -motor veel kracht kan produceren.

De tweede functie is 'goede controleerbaarheid ', die gerelateerd is aan de eerste. BLDC -motoren kunnen het koppel, aantal revoluties, enz. Krijgen, precies zoals u wilt dat ze zijn, en BLDC -motoren kunnen precies het doelaantal revoluties, koppel, enz. Terugvoer. Nauwkeurige controle onderdrukt warmte -generatie en stroomverbruik van de motor. In het geval van batterijaandrijving is het mogelijk om de aandrijftijd te verlengen met zorgvuldige bediening. Daarnaast wordt het gekenmerkt door duurzaamheid en lage elektrische ruis. De bovenstaande twee punten zijn de voordelen die borstelloos zijn gebracht.

Aan de andere kant zijn DC -motoren (geborstelde motoren) onderhevig aan slijtage vanwege het contact tussen de borstels en de commutator gedurende een lange periode. Het contactgedeelte genereert ook vonken. Vooral wanneer de kloof van de commutator de borstel raakt, zal er een enorme vonk en lawaai zijn. Als u niet wilt dat geluid wordt gegenereerd tijdens het gebruik, wordt een BLDC -motor overwogen.

BLDC -motoren worden in deze gebieden gebruikt

Waar worden BLDC -motoren met veel efficiëntie, veelzijdige behandeling en lang leven gebruikt? Ze worden vaak gebruikt in producten die hun hoge efficiëntie en een lange levensduur kunnen gebruiken en worden continu gebruikt. Bijvoorbeeld huishoudelijke apparaten. Mensen gebruiken al heel lang wasmachines en airconditioners. Onlangs zijn BLDC -motoren aangenomen voor elektrische fans en zijn ze erin geslaagd het stroomverbruik dramatisch te verminderen.

Het is vanwege de hoge efficiëntie dat het stroomverbruik is verminderd. BLDC -motoren worden ook gebruikt in vacuümreinigers. In één geval werd door het wijzigen van het besturingssysteem een grote toename van het aantal revoluties gerealiseerd. Dit voorbeeld toont de goede controleerbaarheid van BLDC -motoren.

BLDC -motoren worden ook gebruikt in het roterende deel van harde schijven, die belangrijke opslagmedia zijn. Omdat het een motor is die lange tijd moet lopen, is duurzaamheid belangrijk. Natuurlijk heeft het ook het doel van het extreem onderdrukken van het stroomverbruik. De hoge efficiëntie hier is ook gerelateerd aan het lage verbruik van elektriciteit.

Er zijn veel meer toepassingen voor BLDC -motoren

Van BLDC -motoren wordt verwacht dat ze worden gebruikt in een breder scala aan velden, en ze zullen worden gebruikt in een breed scala van kleine robots, met name 'servicerobots ' die diensten bieden in andere gebieden dan productie. 'Positionering is belangrijk voor robots, dus moeten we niet stappenmotoren gebruiken die worden uitgevoerd met het aantal elektrische pulsen? ' Misschien zou je dat kunnen denken. In termen van krachtcontrole zijn BLDC -motoren echter geschikter. Als stappenmotoren worden gebruikt, moet bovendien een structuur zoals de pols van de robot worden geleverd met een grote hoeveelheid stroom om in een bepaalde positie te worden bevestigd. Met BLDC -motoren , alleen het vereiste vermogen kan worden geleverd in combinatie met een externe kracht, waardoor het stroomverbruik wordt beteugeld.

Het kan ook worden gebruikt in transport. Eenvoudige DC-motoren worden al lang gebruikt in elektrische auto's of golfkarren voor ouderen, maar recent zijn zeer efficiënte BLDC-motoren met goede controleerbaarheid aangenomen. BLDC -motoren worden ook gebruikt in drones. Vooral in UAV's met multi-asrekken, omdat het de vluchthouding regelt door het aantal rotaties van de propellers te wijzigen, zijn BLDC-motoren die precies kunnen regelen dat de rotaties voordelig zijn.

Hoe zit het? BLDC -motoren zijn van hoge kwaliteit motoren met een hoog rendement, goede controle en een lange levensduur. Het maximaliseren van het vermogen van BLDC -motoren vereist echter de juiste controle. Hoe moet het worden gedaan?

Kan niet alleen draaien door verbinding

De BLDC -motor van de binnenste rotor is een typisch type BLDC -motor en de buitenkant en het interieur worden hieronder getoond (Fig. 1). Een borstel DC -motor (hierna aangeduid als een DC -motor) heeft een spoel op de rotor en een permanente magneet aan de buitenkant, terwijl een BLDC -motor een permanente magneet op de rotor heeft en een spoel aan de buitenkant, en een BLCD -motor heeft een permanente magneet zonder een spoel op de rotor, dus er is geen noodzaak om de rotor te bekrachtigen. Dit maakt het mogelijk om een 'borstelloos type ' te realiseren zonder borstels voor energie.

Aan de andere kant, in vergelijking met DC -motoren, wordt controle moeilijker. Het is niet alleen een kwestie van het verbinden van de kabels van de motor met de voeding. Zelfs het aantal kabels is anders. Het is niet hetzelfde als 'het verbinden van de positieve (+) en negatieve (-) terminals met de voeding '.

Figuur 1: Exterieur en interieur van BLDC -motor

Figuur 2-A: BLDC Motor Rotation Principle

Eén spoel wordt in de BLDC -motor geplaatst met intervallen van 120 graden, voor een totaal van drie spoelen, om de stroom in de bekrachtigde fase of spoel te regelen

Zoals getoond in figuur 2-A, gebruiken BLDC-motoren drie spoelen. Deze drie spoelen worden gebruikt om magnetische flux te genereren wanneer ze worden gestimuleerd en worden U, V en W. Probeer deze spoel te bekrachtigen. Het huidige pad op spoel U (hierna aangeduid als 'spoel ') wordt geregistreerd als fase U, V wordt geregistreerd als fase V en W wordt geregistreerd als fase W. Kijk vervolgens naar fase U. Laten we een kijkje nemen in fase U. Wanneer elektriciteit wordt toegepast op de U-fase, wordt de magnetische flux gegenereerd in de richting van de arrow zoals getoond in figuur 2-B. In werkelijkheid zijn de U-, V- en W -fasen echter niet hetzelfde als de U -fase.

In werkelijkheid zijn de kabels van U, V en W echter allemaal met elkaar verbonden, dus het is niet mogelijk om alleen de U -fase te bekrachtigen. Hier zal energie van de U-fase naar de W-fase magnetische flux in U en W genereren zoals getoond in Fig. 2-C. De twee magnetische fluxen van U en W worden gesynthetiseerd in de grotere magnetische flux getoond in Fig. 2-D. De permanente magneet zal worden gedraaid dat deze gesynthetiseerde magnetische flux in dezelfde richting is als de N -pool van de centrale permanente magneet (rotor).

Afbeelding 2-B: rotatieprincipe van BLDC-motor

Flux wordt bekrachtigd van de U-fase naar de W-fase. Ten eerste, door zich alleen op het U -deel van de spoel te concentreren, wordt vastgesteld dat een magnetische flux wordt gegenereerd zoals in de pijlen

Figuur 2-D: Rotatieprincipe van een BLDC-motor die elektriciteit van fase U naar fase W passeert, kan worden gezien als het genereren van twee magnetische fluxen gesynthetiseerd

Als de richting van de gesynthetiseerde magnetische flux wordt gewijzigd, wordt de permanente magneet ook gewijzigd. Schakel in combinatie met de positie van de permanente magneet de fase in de U-fase, V-fase en W-fase om de richting van de gesynthetiseerde magnetische flux te veranderen. Als deze bewerking continu wordt uitgevoerd, zal de gesynthetiseerde magnetische flux roteren, waardoor een magnetisch veld wordt gegenereerd en de rotor roteert.

Fig. 3 toont de relatie tussen de bekrachtigde fase en de synthetische magnetische flux. In dit voorbeeld zal de synthetische magnetische flux door de energie-modus van 1-6 te veranderen van 1-6, met de klok mee. Door de richting van de gesynthetiseerde magnetische flux te veranderen en de snelheid te regelen, kan de rotatiesnelheid van de rotor worden geregeld. De methode voor het regelen van de motor door te schakelen tussen deze zes energisatiemodi wordt '120-graden Energisation Control ' genoemd.

Figuur 3: De permanente magneten van de rotor zullen roteren alsof ze worden getrokken door een synthetische magnetische flux, en de as van de motor zal daardoor roteren

Gladde rotatie met behulp van sinusgolfregeling

Vervolgens, hoewel de richting van de gesynthetiseerde magnetische flux wordt gedraaid onder 120 graden bekrachtigde controle, zijn er slechts zes verschillende richtingen. Als u bijvoorbeeld de 'bekrachtigde modus 1 ' in Fig. 3 verandert in 'Energieerde modus 2 ', zal de richting van de synthetische magnetische flux met 60 graden veranderen. De rotor zal dan roteren alsof het wordt aangetrokken. Vervolgens zal de richting van de synthetische magnetische flux, door te veranderen van 'Energieerde modus 2 ' naar 'Energieerde modus 3 ', weer met 60 graden. De rotor zal zich opnieuw aangetrokken voelen tot deze verandering. Dit fenomeen zal worden herhaald. De beweging zal stijf worden. Soms maakt deze actie ook lawaai.

Het is de 'sinusgolfcontrole ' die de tekortkomingen van de 120-graden bekrachtigde controle elimineert en soepele rotatie bereikt. In 120 graden vermogensregeling wordt de gesynthetiseerde magnetische flux in zes richtingen bevestigd. Het wordt zo gecontroleerd dat het continu varieert. In het voorbeeld in Fig. 2-C zijn de door U en W gegenereerde fluxen van dezelfde grootte. Als de U-fase, V-fase en W-fase echter beter kunnen worden geregeld, kunnen de spoelen elk worden gemaakt om een magnetische flux van verschillende afmetingen te genereren en kan de richting van de gesynthetiseerde magnetische flux nauwkeurig worden geregeld. Door de huidige grootte van elk van de U-fase, V-fase en W-fase aan te passen, wordt tegelijkertijd een gesynthetiseerde magnetische flux gegenereerd. Door de continue generatie van deze flux te regelen, roteert de motor soepel.

Figuur 4: Sinusgolfregeling Sinusgolfregeling

Stroom op 3 fasen kan worden geregeld om synthetische magnetische flux te genereren voor gladde rotatie. Synthetische magnetische flux kan worden gegenereerd in een richting die niet kan worden gegenereerd door 120 graden bekrachtigde controle

Een omvormer gebruiken om een motor te bedienen

Hoe zit het met de stromingen op elke fase van u, v en w? Denk terug aan de energieke controle van 120 graden en neem een kijkje om het gemakkelijker te begrijpen en kijk. Kijk opnieuw naar Fig. 3. In Energized Mode 1 stroomt de stroom van u naar W; In Energized Mode 2 stroomt de stroom van U naar V. Zoals u kunt zien, verandert de richting van de synthetische fluxpijlen ook wanneer de combinatie van spoelen waarin stroomstromen verandert, ook.

Kijk vervolgens naar de energisatiemodus 4. In deze modus stroomt de huidige stroom van W naar u, in de tegenovergestelde richting van de energisatiemodus 1. In DC -motoren , het schakelen van de huidige richting zoals deze wordt gedaan door een combinatie van commutator en borstels. BLDC -motoren gebruiken echter niet een dergelijke methode voor contacttype. Een omvormercircuit wordt gebruikt om de richting van de stroom te wijzigen. Invertercircuits worden over het algemeen gebruikt om BLDC -motoren te regelen.

Het omvormer -circuit past de stroomwaarde aan door de toegepaste spanning in elke fase te wijzigen. Voor spanningsaanpassing wordt PWM (pulseWidthmodulation = pulsbreedtemodulatie) gewoonlijk gebruikt. PWM is een methode om de spanning te veranderen door de tijdsduur van de puls -aan/uit aan te passen, en wat belangrijk is, is de verandering van de verhouding (duty cyclus) tussen de tijd en de off -tijd. Als de AAN -verhouding hoog is, kan hetzelfde effect als het verhogen van de spanning worden verkregen. Als de AAN -verhouding afneemt, wordt hetzelfde effect als spanningsreductie verkregen (Fig. 5).

Om PWM te realiseren, zijn microcomputers uitgerust met speciale hardware nu beschikbaar. Om sinusgolfcontrole uit te voeren is het noodzakelijk om de spanningen van 3 fasen te regelen, dus de software is iets complexer dan de 120 graden bekrachtigde controle waar slechts 2 fasen worden bekrachtigd. De omvormer is een circuit dat nodig is om een BLDC -motor aan te drijven. Omvormers worden ook gebruikt in AC-motoren, maar er kan worden aangenomen dat bijna alle BLDC-motoren worden gebruikt in wat 'inverter-type ' thuisapparatuur wordt genoemd.

Figuur 5: Relatie tussen PWM -uitgang en uitgangsspanning

Wijzig de op tijd op een bepaald tijdstip om de RMS -waarde van de spanning te wijzigen.

Hoe langer de tijd, hoe dichter de RMS -waarde bij de spanning is wanneer 100% spanning wordt toegepast (op tijd).

BLDC -motoren met behulp van positiesensoren Het bovenstaande is een overzicht van de regeling van BLDC -motoren, die de richting veranderen van de gesynthetiseerde magnetische flux die wordt gegenereerd door de spoelen, waardoor de permanente magneten van de rotor dienovereenkomstig veranderen.

In feite is er een ander punt dat niet wordt genoemd in de bovenstaande beschrijving. Dat wil zeggen de aanwezigheid van sensoren in BLDC -motoren. BLDC -motoren worden geregeld in combinatie met de positie (hoek) van de rotor (permanente magneet). Daarom is een sensor om de positie van de rotor te verwerven noodzakelijk. Als er geen sensor is om de richting van de permanente magneet te kennen, kan de rotor in een onverwachte richting draaien. Dit is niet het geval wanneer er een sensor is om informatie te verstrekken.

Tabel 1 toont de hoofdtypen sensoren voor positiedetectie in BLDC -motoren. Afhankelijk van de besturingsmethode zijn verschillende sensoren nodig. Voor 120-graden energieverbruik is een Hall-effectsensor die elke 60 graden een signaal kan invoeren uitgerust om te bepalen welke fase moet worden bekrachtigd. Aan de andere kant, voor 'vectorcontrole ' (beschreven in de volgende sectie), die de gesynthetiseerde magnetische flux nauwkeurig regelt, zijn sensoren met een hoge nauwkeurigheid zoals hoeksensoren of foto-elektrische encoders effectiever.

Het gebruik van deze sensoren maakt het mogelijk om de positie te detecteren, maar er zijn enkele nadelen. De sensoren zijn minder bestand tegen stof en onderhoud is essentieel. Het temperatuurbereik waarover ze kunnen worden gebruikt, wordt ook verminderd. Het gebruik van sensoren of de toevoeging van bedrading voor dit doel zorgt ervoor dat de kosten stijgen en zeer nauwkeurige sensoren zijn inherent duur. Dit leidde tot de introductie van de methode 'sensorloze '. Het gebruikt geen sensor voor positiedetectie, waardoor de kosten worden gecontroleerd en de behoefte aan sensorgerelateerd onderhoud wordt geëlimineerd. Voor het illustreren van het principe wordt echter aangenomen dat de informatie is verkregen uit de positiesensor.

Sensortype	Hoofdtoepassingen	Kenmerken
Hall Effect Sensor	120 graden energieke controle	Verwerft het signaal om de 60 graden. Lagere prijs. Niet hittebestendig.
Optische encoder	Sinusgolfregeling, vectorregeling	Er zijn twee typen: incrementele type (de afgelegde afstand van de oorspronkelijke positie is bekend) en absoluut type (de hoek van de huidige positie is bekend). De resolutie is hoog, maar stofweerstand is zwak.
Hoeksensor	Sinusgolfregeling, vectorregeling	Hoge resolutie. Kan zelfs worden gebruikt in robuuste en harde omgevingen.

Tabel 1: Typen en kenmerken van sensoren gespecialiseerd voor positiedetectie

Hoog efficiëntie wordt te allen tijde gehandhaafd door vectorcontrole

Sinusgolfregeling verandert soepel de richting van de gesynthetiseerde magnetische flux door 3 fasen te stimuleren, zodat de rotor soepel draait. 120-graden energieverbruikschakelaars 2 van de U-fase, V-fase en W-fase om de motor te roteren, terwijl sinusvormige controle precieze controle van de stromen in de 3 fasen vereist. Bovendien is de besturingswaarde een AC -waarde die altijd verandert, waardoor het moeilijker is om te controleren.

Dit is waar vectorcontrole binnenkomt. Vectorregeling vereenvoudigt controle door de AC -waarden van de drie fasen te berekenen als de DC -waarden van de twee fasen door coördinaattransformatie. Vectorbesturingsberekeningen vereisen echter informatie over rotorpositie bij hoge resolutie. Er zijn twee methoden voor positiedetectie, namelijk de methode met behulp van positiesensoren zoals foto -elektrische encoders of hoeksensoren, en de sensorloze methode die de huidige waarden van elke fase extrapoleert. Deze coördinaattransformatie maakt directe controle mogelijk van de huidige waarde geassocieerd met het koppel (rotatiekracht), waardoor efficiënte controle wordt gerealiseerd zonder overtollige stroom.

Vectorcontrole vereist echter coördinaattransformatie met behulp van trigonometrische functies of complexe berekeningsverwerking. Daarom worden in de meeste gevallen microcomputers met een hoog rekenvermogen gebruikt als controlemicrocomputers, zoals microcomputers uitgerust met FPU's (drijvende punteenheden).

Een borstelloze DC -motor (BLDC: BrushlessDirectCurrentMotor), ook bekend als een elektronisch omgezette motor (ECM of EC -motor) of synchrone DC -motor, is een type synchrone motor die een directe stroom (DC) voeding gebruikt.

Een borstelloze DC-motor (BLDC: borstelloze directe stroommotor) is in wezen een permanente magneet synchrone motor met positiefeedback die een DC-stroomingang en een omvormer gebruikt om deze te converteren naar een driefasige AC-voeding. A Borstelloze motor (BLDC: borstelloze directcurrent-motor) is een zelfgecommodeerd type (zelfsturingomschakeling) en is daarom complexer om te regelen.

https://www.holrymotor.com/Brushless-motors.html

BLDC Motor (borstellessDirectCurrentMotor) regeling vereist kennis van de rotorpositie en het mechanisme waardoor de motor wordt verholpen en gestuurd. Voor snelheidsregeling met gesloten lus zijn er twee extra vereisten, een meting van de rotorsnelheid/ of motorstroom en een PWM-signaal om het motorsnelheidsvermogen te regelen.

BLDC-motoren (BrushlessDirectCurrentMotor) kunnen PWM-signalen opzij uitgelijnde of in het midden uitgelijnde PWM-signalen gebruiken, afhankelijk van de toepassingsvereisten. De meeste toepassingen die alleen de werking van de snelheidsverandering vereisen, zullen zes afzonderlijke zij -uitgelijnde PWM -signalen gebruiken. Dit biedt de hoogste resolutie. Als de applicatie serverpositionering, energierem of stroomomkering vereist, worden de aanvullende in het midden uitgelijnde PWM-signalen aanbevolen.

Om de rotorpositie te detecteren, gebruiken BLDC -motoren (BrushlessDirectCurrentMotor) Hall Effect -sensoren om absolute positie -detectie te bieden. Dit resulteert in het gebruik van meer draden en hogere kosten. Sensorloze BLDC -regeling elimineert de behoefte aan Hall -sensoren en gebruikt in plaats daarvan de tegen elektromotorische kracht van de motor (elektromotorische kracht) om de rotorpositie te voorspellen. Sensorloze regeling is van cruciaal belang voor goedkope variabele snelheidstoepassingen zoals fans en pompen. Sensorloze regeling is ook vereist voor koelkast- en airconditioningscompressoren wanneer BLDC -motoren (borstelloze directe stroommotoren) worden gebruikt.

Er zijn allerlei motoren en de BLDC -motor is de meest ideale snelheidsmotor die vandaag beschikbaar is. Het combineert de voordelen van DC -motoren en AC -motoren, met de goede aanpassingsprestaties van DC -motoren en de voordelen van AC -motoren zoals eenvoudige structuur, geen commutatie vonk, betrouwbare werking en eenvoudig onderhoud. Daarom is het erg populair in de markt en wordt het veel gebruikt in auto's, huishoudelijke apparaten, industriële apparatuur en andere gebieden.

Borstelloze DC -motor overwint de inherente defecten van Borstel DC -motor en vervangt de mechanische commutator door elektronische commutator, dus borstelloze DC -motor heeft de kenmerken van de DC -motor met goede snelheidsreguleringsprestaties, en heeft ook de voordelen van AC -motor met eenvoudige structuur, no -commutation sparks, betrouwbare werking en eenvoudig onderhoud.

Borstelloze DC -motor (borstelloosDirectCurrentMotor) is vandaag de meest ideale snelheidsregelmotor. Het combineert de voordelen van DC -motoren en AC -motoren, met de goede aanpassingsprestaties van DC -motoren en de voordelen van AC -motoren, zoals eenvoudige structuur, geen commutatiewarks, betrouwbare werking en eenvoudig onderhoud.

Borstelloze directe stroommotor (BrushlessDirectCurrentMotor) Ontwikkelingsgeschiedenis

Borstelloze DC -motoren worden ontwikkeld op basis van borstelmotoren en hun structuur is complexer dan borstelmotoren. Borstelloze DC -motor bestaat uit motorlichaam en bestuurder. Andere van geborstelde DC-motor, borstelloze DC-motor (borstelloosDirectCurrentMotor) maakt geen gebruik van mechanisch borstelapparaat, maar neemt square-wave zelfbeheersing permanent magnet synchrone motor en vervangt koolstofborstelcommitant met Hall-sensor en gebruikt neodymium-ijzer-boron als het permanente magnetisch materiaal van rotor. (Opgemerkt moet worden dat ten tijde van de geboorte van de elektromotor in de vorige eeuw de praktische motoren die zich voordeden van de borstelloze vorm.)

1740s: het begin van de uitvinding van de elektromotor

Vroege modellen van de elektromotor verschenen voor het eerst in de jaren 1740 door het werk van de Schotse wetenschapper Andrew Gordon. Andere wetenschappers, zoals Michael Faraday en Joseph Henry, bleven vroege motoren ontwikkelen, experimenteerden met elektromagnetische velden en ontdekken hoe elektrische energie om te zetten in mechanische energie.

1832: Uitvinding van de eerste commutator DC -motor

De eerste DC -motor die voldoende stroom kon leveren om machines te besturen, werd uitgevonden door de Britse fysicus William Sturgeon in 1832, maar de toepassing ervan was ernstig beperkt vanwege het lage vermogensuitgang, dat nog technisch gebrekkig was.

1834: De eerste echte elektromotor is gebouwd

In navolging van Sturgeon's voetstappen, Thomas Davenport van Vermont, VS, schreef geschiedenis door de eerste officiële elektrische motor van de batterij in 1834 uit te vinden. Het was de eerste elektromotor met voldoende stroom om zijn taak uit te voeren, en zijn uitvinding werd gebruikt om een kleine drukpers te voeden. In 1837, Thomas Davenport en zijn vrouw, Emily Davenport, ontving de eerste patent voor een DC-motor.

Homas en de gepatenteerde motor van Emily Davenport

1886: Uitvinding van de praktische DC -motor    

In 1886 werd de eerste praktische DC -motor die op constante snelheid met variabel gewicht kon lopen, geïntroduceerd. Frankjulian Sprague was zijn uitvinder.

Frank Julian Sprague's 'Utility ' Motor

Het is vermeldenswaard dat de utiliteitsmotor een borstelloze vorm was van de AC-sekhirrel-kooi asynchrone motor, die niet alleen vonken en spanningsverliezen op de wikkelterminals elimineerde, maar ook het vermogen met een constante snelheid kon leveren. De asynchrone motor had echter veel onoverkomelijke gebreken, zodat de ontwikkeling van motortechnologie traag was.

1887: AC -inductiemotor gepatenteerd

In 1887 vond Nikola Tesla de AC -inductiemotor (AcinductionMotor) uit, die hij een jaar later met succes heeft gepatenteerd. Het was niet geschikt voor gebruik in wegvoertuigen, maar werd later aangepast door ingenieurs van Westinghouse. In 1892 werd de eerste praktische inductiemotor ontworpen, gevolgd door een roterende bar-gewonde rotor, waardoor de motor geschikt was voor autotoepassingen.

1891: Ontwikkeling van de driefasige motor

In 1891 begon General Electric de ontwikkeling van de driefasige inductiemotor (Threephasemotor). Om het wondrotorontwerp te gebruiken, ondertekenden GE en Westinghouse een cross-licensing-overeenkomst in 1896.

1955: Begin van het DC -borstelloze motortijdperk

In 1955, de Verenigde Staten d. Harrison en anderen solliciteerden zich voor het eerst met een transistorcommutatielijn in plaats van Borstel DC Motor mechanisch borsteloctrooi, die officieel de geboorte van de moderne borstelloze DC -motor (BrushlessDirectCurrentMotor) markeerden. Op dat moment was er echter geen detectieapparaat voor motorrotorpositie, de motor had niet de mogelijkheid om te starten.

1962: De eerste borstelloze DC (BLDC) -motor werd uitgevonden dankzij de vooruitgang in vaste toestand technologie in de vroege jaren zestig. In 1962 vonden Tgwilson en Phtrickey de eerste BLDC-motor uit, die ze de 'solid-state commuted DC Motor ' noemden. Het belangrijkste element van de Borstelloze motor was dat er geen fysieke commutator nodig was, waardoor het de meest populaire keuze was voor computerschijfstations, robots en vliegtuigen.

Ze gebruikten Hall -elementen om de rotorpositie te detecteren en de faseverandering van de wikkelstroom te regelen om borstelloze DC -motoren praktisch te maken, maar werden beperkt door transistorcapaciteit en relatief laag motorvermogen.

1970s tot aanwezig: snelle ontwikkeling van borstelloze DC -motortoepassingen

Sinds de jaren zeventig, met de opkomst van nieuwe Power Semiconductor-apparaten (zoals GTR, MOSFET, IGBT, IPM), de snelle ontwikkeling van computercontroletechnologie (microcontroller, DSP, nieuwe besturingstheorieën), evenals hoogwaardige zeldzame earth permanent magnet-materialen (zoals Samarium Cobalt, Nodymium-Iron-Iron), de borstel-iron), de borstels), de borstelloze directeur), de borstels), de borstelloze maaltijd (borstels), de borstelloze maaltijd (borstels). ontwikkeld. BrushlessDirectCurrentMotor) is snel ontwikkeld en de capaciteit neemt toe. Technologiegedreven industriële ontwikkeling, met de introductie van Mac Classic Brushless DC Motor en zijn bestuurder in 1978, evenals het onderzoek en de ontwikkeling van Square-Wave Borstelloze motor- en sinusgolfborstelloze DC-motor in de jaren 80 begonnen borstelloze motoren echt het praktische podium binnen te gaan en snelle ontwikkeling te krijgen.

Borstelloze DC -motor Algemene structuur en principe

Borstelloze DC -motor (borstelloosDirectCurrentMotor) bestaat uit synchrone motor en bestuurder, een typisch mechatronisch product. De statorwikkeling van de synchrone motor wordt meestal gemaakt in driefasige symmetrische sterrenverbinding, die zeer vergelijkbaar is met driefasige asynchrone motor.

De structuur van BLDCM -besturingssysteem omvat drie hoofdonderdelen: motorlichaam, rijcircuit en bedieningscircuit. In het werkproces wordt de motorspanning-, stroom- en rotorpositie -informatie verzameld en verwerkt door het besturingscircuit om de overeenkomstige besturingssignalen te genereren, en het aandrijfcircuit drijft de motorlichaam na het ontvangen van de besturingssignalen.

Borstelloze DC -motor (borstelloos DirectCurrentMotor) bestaat voornamelijk uit een stator met spoelwikkelingen, een rotor gemaakt van permanent magneetmateriaal en een positiesensor. De positiesensor kan, zoals vereist, ook niet worden achtergelaten.

Stator

De statorstructuur van een BLDC -motor is vergelijkbaar met die van een inductiemotor. Het bestaat uit gestapelde stalen laminaties met axiale groeven voor wikkeling. De wikkelingen in BLDC zijn enigszins verschillend van die in conventionele inductiemotoren.

BLDC -motorstator

Meestal bestaan de meeste BLDC -motoren uit drie statorwikkelingen verbonden in een ster of 'y ' vorm (geen neutraal). Bovendien zijn de statorwikkelingen op basis van spoelverbindingen verder onderverdeeld in trapeziumvormige en sinusvormige motoren.

BLDC -motor omgekeerde elektromotorische kracht

In een trapeziumvormige motor hebben zowel de aandrijfstroom als de aanrechtelektromotorische kracht een trapeziumvormige vorm (sinusoïdaal in het geval van een sinusvormige motor). Meestal worden motoren beoordeeld bij 48 V (of minder) gebruikt in auto- en robotica (hybride auto's en robotarmen).

Rotor

Het rotorgedeelte van een BLDC-motor bestaat uit permanente magneten (meestal zeldzame aardmogelijkheden zoals Neodymium (ND), Samarium Cobalt (SMCO) en Neodymium Iron Boron (NDFEB).

Afhankelijk van de toepassing kan het aantal polen variëren tussen twee en acht, waarbij de Noordpool (N) en Zuidpool (s) afwisselend zijn geplaatst. Het onderstaande diagram toont drie verschillende arrangementen van magnetische polen.

(a) De magneet wordt aan de rand van de rotor geplaatst.

(b) Een rotor die een elektromagnetisch ingebedde rotor wordt genoemd, waarbij een rechthoekige permanente magneet is ingebed in de kern van de rotor.

(c) De magneet wordt in de kern van de rotor ingebracht. 

BLDC Motor Rotor Position Sensor (Hall Sensor)

Omdat er geen borstels zijn in BLDC -motoren, wordt commutatie elektronisch geregeld. Om de motor te roteren, moeten de statorwikkelingen opeenvolgend worden bekrachtigd en moet de positie van de rotor (dwz de noord- en zuidpalen van de rotor) bekend zijn om een specifieke set statorwikkelingen nauwkeurig te bekrachtigen.

Positiesensoren die Hall -sensoren gebruiken (werken op het Hall -effectprincipe) worden vaak gebruikt om de positie van de rotor te detecteren en om te zetten in een elektrisch signaal. De meeste BLDC -motoren gebruiken drie Hall -sensoren die in de stator zijn ingebed om de positie van de rotor te detecteren.

Hall -sensoren zijn een type sensor gebaseerd op het Hall -effect, dat voor het eerst werd ontdekt in 1879 door de Amerikaanse natuurkundige Hall in metalen materialen, maar werd niet gebruikt omdat het Hall -effect in metallische materialen te zwak was. Met de ontwikkeling van halfgeleidertechnologie begon ze halfgeleider -materialen te gebruiken om halcomponenten te produceren, omdat het haleffect aanzienlijk is en is toegepast en ontwikkeld. Een Hall -sensor is een sensor die een uitgangsspanningspuls genereert wanneer een afwisselend magnetisch veld voorbijgaat. De amplitude van de puls wordt bepaald door de veldsterkte van het excitatiemagnetisch veld. Daarom vereisen Hall -sensoren geen externe voeding.

De output van de Hall -sensor zal hoog of laag zijn, afhankelijk van of de noordpool van de rotor de zuidpool is of in de buurt van de Noordpool. Door de resultaten van de drie sensoren te combineren, kan de exacte reeks energie worden bepaald.

In tegenstelling tot geborstelde DC-motoren, waarbij de stator en de rotor volledig zijn omgekeerd, worden de ankerwikkelingen aan de statorzijde gezet en hoogwaardig permanent magnetmateriaal aan de rotorzijde geplaatst, de motorlichaamstructuur van de BLDCM bestaat uit de stator-armaturen, de permanente magnetrotor en de positie-sensoren, en de driezijdige wikkelingen zijn gearrangeerd in de statorsruimte van de stators. elektrische hoek tussen respectievelijk fasen. Deze structuur verschilt van een puur geborsteld DC -motor en is vergelijkbaar met de statorwikkelstructuur van een AC -motor, maar het aantal square golf AC -vermogen wordt aan de motor geleverd door het aandrijfcircuit wanneer deze werkt.

De BLDCM selecteert een full-bridge, driefasige, ster-bedrade, zes-staten, twee-bij-twee geleidingsmodus, waarin twee MOSFET's tegelijkertijd in het aandrijfcircuit worden bekrachtigd, en dienovereenkomstig worden de tweefasige statorwindingen in het lichaam van de motor in reeks bekrachtigd. Elke elektronische faseverandering Eenmaal, de stator magnetische dynamische potentiaal FA draaide 60 ° ruimte elektrische hoek, is een stapmagnetische dynamische potentiaal, het interval van 60 ° tijd elektrische hoek, FA maakte een sprong. Hoewel de rotor continu roteert, maar de stator magnetische momentumrotatiemodus een staptype is, dat verschilt van het reële AC -synchrone motor roterende magnetische momentum. BLDCM's FA en rotor magnetisch momentum FF Space Angle is altijd in het bereik van 60 ° ~ 120 ° Bereik van periodieke veranderingen, de gemiddelde waarde van 90 °, het gemiddelde van het gemiddelde van 90 ° Maximaal elektromagnetisch koppel T, de sterke drag permanente magneet rotor continue rotatie.

Het werkende principe van Borstelloze DC -motor is vergelijkbaar met die van de borstel DC -motor. De krachtwet van Lorentz stelt dat zolang een stroomafhankelijke geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst, deze aan een kracht zal worden onderworpen. Vanwege de reactiekracht zal de magneet worden onderworpen aan gelijke en tegengestelde krachten. Wanneer een stroom door een spoel wordt geleid, wordt een magnetisch veld gegenereerd, dat wordt aangedreven door de magnetische polen van de stator, met homopolariteit die elkaar afstoten en anisotrope polen die elkaar trekken. Als de richting van de stroom in de spoel continu wordt gewijzigd, worden de polen van het magnetische veld geïnduceerd in de rotor ook continu gewijzigd en dan zal de rotor de hele tijd roteren onder de werking van het magnetische veld.

In BLDC-motoren zijn de permanente magneten (rotor) in beweging, terwijl de stroomdragende geleider (stator) is vastgesteld.

BLDC Motor werkdiagram

Wanneer de statorspoel stroom van de voeding ontvangt, wordt deze een elektromagneet en begint het een uniform magnetisch veld in de luchtspleet te genereren. De schakelaar genereert een AC -spanningsgolfvorm met een trapeziumvormige vorm, ondanks het feit dat de voeding DC is. De rotor blijft roteren vanwege de interactiekracht tussen de elektromagnetische stator en de permanente magneetrotor.

Door de wikkelingen naar hoge en lage signalen te schakelen, zijn de overeenkomstige wikkelingen opgewonden als Noord- en South Poles. De permanente magneetrotor met zuid- en noordpalen is uitgelijnd met de statorpalen, waardoor de motor roteert.

BLDC Motor Werkingsdiagrammen voor eenpolige en tweepolige BLDC-motoren

Borstelloze DC-motoren zijn er in drie configuraties: eenfase, tweefasen en driefasige. Onder hen is driefasige BLDC de meest voorkomende.

(3) Borstelloze DC -motorrijmethoden

De rijmethode van Borstelloze DC -motor kan worden onderverdeeld in verschillende rijmethoden volgens verschillende categorieën:

Volgens de aandrijfgolfvorm: Square Wave Drive is deze aandrijfmethode handig om te beseffen, gemakkelijk om de motor te realiseren zonder positiesensorbesturing.

Sinusoïdale aandrijving: deze aandrijfmethode kan het motorrijeffect verbeteren en het uitgangskoppel uniform maken, maar het realisatieproces is relatief ingewikkeld. Tegelijkertijd heeft deze methode op twee manieren SPWM en SVPWM (Space Vector PWM), SVPWM is beter dan SPW.

(4) Voordelen en nadelen van borstelloze DC -motor

Voordelen:

▷   Hoog uitgangsvermogen

▷ Klein formaat en gewicht 

▷ Goede warmte -dissipatie en hoog rendement 

▷ breed scala aan bedieningssnelheden en lage elektrische ruis. 

▷ Hoge betrouwbaarheid en onderhoudsarme vereisten. 

▷ Hoge dynamische reactie 

▷ Lage elektromagnetische interferentie

Onvoldoende:

▶ De elektronische controller die nodig is om deze motor te regelen is duur 

▶ Complexe aandrijfcircuits zijn vereist 

▶ Extra positie -sensoren zijn vereist (FOC wordt niet gebruikt)

5） Toepassing van borstelloze DC -motor

Borstelloze DC -motoren worden veel gebruikt in verschillende applicatiebehoeften, zoals industriële controle (borstelloze DC -motoren spelen een belangrijke rol in industriële productie zoals textiel, metallurgie, afdrukken, geautomatiseerde productielijnen, CNC -machinetools, enz.), Automotive (motoren zijn te vinden in wipers, power -deuren, power -deuren, power deuren, power deuren, power ramen en andere delen van de auto.). Machines, harde schijfaandrijvingen, floppy disk drives, filmcamera's, enz., In hun spindel- en dochterbewegingsgestuurde controle hebben allemaal, allemaal hebben Borstelloze DC-motoren .) Bovendien kan gezondheidszorgapparatuur (het gebruik van borstelloze DC-motoren vaker voorkomt, kan worden gebruikt om een kleine bloedpomp in het kunstmatige hart aan te drijven; in het land zijn chirurgische hogesnelheidsapparatuur voor high-speed centrifuges, thermische beeldvorming en thermische beeldvorming en thermische beeldvorming en positionerende lozers in dergelijke velden.

Verschillen tussen borstelloze DC -motoren en geborsteld DC -motoren

Projectcategorie	Borstelloze DC -motor	Borstel de DC -motor
Structuur	Permanente magneet als rotor, elektrische aandrijving als stator	Permanente magneet als rotor, elektrische aandrijving als stator
Wikkelingen en spoelverbindingen	Borstelde motorische kenmerken, lange levensduur, geen interferentie, geen onderhoud, laag geluid, hoge prijs.	Warmte -dissipatie
Goed	Arm	Commutatie
Elektronisch schakelcommutator met elektronische circuits	Mechanisch contact tussen borstel en gelijkrichter	Rotorpositiesensor
Hall -elementen, optische encoders, enz. Of tegenpotentiële generatoren	Zelfpropagerend door borstels	Zelfpropagerend door borstels
Omkering	Verander de schakelsequentie van de elektronische stuurwiel	Verandering van terminalspanningspolariteit
Vergelijking van voor- en nadelen	Goede mechanische en controle -eigenschappen, lange levensduur, geen interferentie, lage stem, maar hogere kosten.	Goede mechanische kenmerken en controle, hoge ruis, elektromagnetische interferentie

Vergelijking van borstelloze DC -motoren en geborsteld DC -motoren

Global BLDC Motor Mainstream -fabrikanten (Top10)

Momenteel zijn de topbedrijven in de BLDC -industrie ABB, AMTEK, NIDEC, MINEBEA Group, Textronic, United Motion Technologies, Baldor Electronics, North American Electric Company, Schneider Electric en Regalbeloit Corporation.

Inleiding tot borstelloze DC -motoren

Een borstelloze DC -motor (BLDC) is een type synchrone motor waarin het magnetische veld gegenereerd door de stator en het magnetische veld gegenereerd door de rotor dezelfde frequentie hebben. Het wordt veel gebruikt vanwege de voordelen van hoog uitgangsvermogen, lage elektrische ruis, hoge betrouwbaarheid, hoge dynamische respons, minder elektromagnetische interferentie en een beter snelheid-torque.

Borstelloze DC -motor interne structuur

De structuur van een DC borstelloze motor wordt hieronder weergegeven (sleuf, externe rotor, sensorloze motor als voorbeeld):

De borstelloze motor is samengesteld uit voorklep, middelste hoes, magneet, siliciumstalen plaat, geëmailleerde draad, lager, roterende as en achterafdekking. Onder hen vormen de magneet, lager en roterende as de rotor van de motor; De stator van de motor bestaat uit siliciumstalen plaat en geëmailleerde draad. De voorklep, het middelste omslag en de achterkant omvatten de schaal van de motor. Belangrijke componenten worden in de volgende tabel beschreven:

	Componenten	Beschrijving
Rotor	Magneet	Een belangrijk onderdeel van een borstelloze motor. De overgrote meerderheid van de prestatieparameters van een borstelloze motor is daarmee gerelateerd;
	Rotatieasas	Het direct gestresste deel van de rotor;
	Handelswijze	Zijn de garantie van een soepele motorische werking; Momenteel gebruiken de meest borstelloze motoren diepe groove kogellagers;
Rotor	Siliciumstaalplaat	Siliconenstaalplaat is een belangrijk onderdeel van de sleufborstelloze motor, de hoofdfunctie is om de magnetische weerstand te verminderen en deel te nemen aan de werking van het magnetische circuit;
	Geëmailleerde draad	Als de bekrachtigde geleider van de spoelwikkeling; Door de afwisselende frequentie en golfvorm van de stroom wordt een magnetisch veld gevormd rond de stator om de rotor aan te drijven om te roteren;

Rotorbeschrijving

De rotor van een Borstelloze DC-motor (BLDC) is gemaakt van permanente magneten met meerdere paren die afwisselend zijn gerangschikt volgens N- en S-Pole (waarbij de poolpaarparameter betrokken is).

Rotormagneet dwarsdoorsnede

Statorbeschrijving

De stator van een Borstelloze DC -motor (BLDC) bestaat uit een siliciumstaalplaat (onderstaande figuur) met statorwikkelingen geplaatst in slots die axiaal langs de interne as zijn gesneden (het parameteraantal kernpolen (aantal slots n) is betrokken). Elke statorwikkeling bestaat uit een aantal spoelen die op elkaar zijn aangesloten. Gewoonlijk worden de wikkelingen verdeeld in een drie-verbonden sterrenpatroon.

Triple-verbonden stervolken spoelen, volgens de manier waarop de spoelen zijn verbonden, kunnen de statorwikkelingen worden onderverdeeld in trapeziumvormige en sinusvormige wikkelingen. Het verschil tussen de twee is voornamelijk de golfvorm van de gegenereerde tegen elektromotorische kracht. Zoals de naam suggereert: trapeziumvormige statorwikkeling produceert een trapeziumvormige elektromotorische kracht, en sinusvormige wikkeling produceert een sinusvormige teller elektromotorische kracht. Dit wordt getoond in de onderstaande afbeelding:   

PS: wanneer de motor zonder belasting wordt geleverd, kan de golfvorm worden gemeten door oscilloscoop.

02 Classificatie van borstelloze DC -motoren

Borstelloze DC motorclassificatie Beschrijving

Borstelloze DC -motor (BLDC) volgens de rotormistributie kan worden onderverdeeld in de interne rotormotor, externe rotormotor; Volgens de aandrijffase kan kunnen worden onderverdeeld in eenfase motor, tweefasenmotor, driefasige motor (het meest voorkomende gebruik); Volgens de vraag of de sensor al dan niet is verdeeld in de sensorische motoren en niet-sensorische motoren, enzovoort; Er zijn veel classificaties van motoren, de ruimtelijke reden, om hier niet te zijn om de broeders te beschrijven die geïnteresseerd zijn in hun eigen begrip.

Innerlijke en buitenste rotoriemotorbeschrijving

Borstelloze motoren kunnen worden onderverdeeld in buitenste rotormotoren en binnenrotormotoren volgens de rijstructuur van rotor en stator (zoals hieronder getoond).

Motor	Beschrijvend
Buitenste rotormotor	De interne bekrachtigde spoelwikkeling dient als de stator en de permanente magneten zijn gekoppeld aan de behuizing als de rotor; In gemeenschappelijke taal: de rotor is buiten en de stator is binnen;
Interne rotormotor	De interne permanente magneten zijn gekoppeld aan de as als de rotor, de bekrachtigde spoelwikkeling en de schaal als de stator. Gewoonlijk: rotor binnen, stator buiten;

Verschil tussen interne en externe rotoriemotor

Naast de verschillende rotor- en statorsequencing zijn er ook verschillen tussen interne en externe rotormotoren als volgt:

Kenmerken	Interne rotormotor	Buitenste rotormotor
Vermogensdichtheid	Hoger	Lager
Snelheid	Hoger	Lager
Lagere stabiliteit	Lager	Hoger
Kosten	Relatief hoger relatief	Lager
Warmte -dissipatie	Middelmatig	Erger nog beter
Poolparen	Minder	Meer

03 DC borstelloze motorparameters

Borstelloze motorparameters

Parameter	Beschrijving
Nominale spanning	Voor borstelloze motoren zijn ze geschikt voor een zeer breed scala aan bedrijfsspanningen, en deze parameter is de bedrijfsspanning onder gespecificeerde belastingsomstandigheden.
KV -waarde	Fysieke betekenis: snelheid per minuut onder 1V werkspanning, dat wil zeggen: snelheid (geen belasting) = KV -waarde * Werkspanning voor borstelloze motoren met groottevestigingen: 1. Het aantal wikkelingswikkels is groot, de KV -waarde is laag, de maximale uitgangsstroom is klein en het koppel is groot; 2. minder bochten van wikkeling, hoge KV -waarde, maximale uitgangsstroom, klein koppel;
Koppel en snelheid	Koppel (moment, koppel): het rijkoppel dat wordt gegenereerd door de rotor in de motor kan worden gebruikt om de mechanische belasting aan te sturen; Snelheid: motorsnelheid per minuut;
Maximale stroom	De maximale stroom die veilig kan weerstaan en veilig kunnen werken
Trogstructuur	Aantal kernpalen (aantal slots N): het aantal slots van de statorsstaalplaat van de stator; Aantal magnetische stalen polen (poolnummer P): het aantal magnetische staal op de rotor;
Statorinductie	De inductantie aan beide uiteinden van de statorwikkeling van een motor in rust
Statorweerstand	DC -weerstand van elke fase wikkeling van de motor bij 20 ℃
DC -weerstand van elke fase wikkeling van de motor bij 20 ℃	Onder gespecificeerde omstandigheden, wanneer de motorwikkeling open is, is de waarde van lineaire geïnduceerde elektromotorische kracht gegenereerd in de ankerwikkeling per snelheidsnelheid

BLDC -motorbesturing

BLDC motorbesturingsalgoritmen

Borstelloze motoren zijn van het zelf-communicerende type (zelfsturingomschakeling) en zijn daarom complexer om te regelen.

BLDC -motorbesturing vereist kennis van de rotorpositie en het mechanisme waardoor de motor rectificeringssturing ondergaat. Voor de snelheidsregeling met gesloten lus zijn er twee extra vereisten, dat wil zeggen metingen voor rotorsnelheid/ of motorstroom en PWM-signalen om het motorsnelheidvermogen te regelen.

BLDC-motoren kunnen PWM-signalen opzij hebben uitgelijnd of in het midden uitgelijnd, afhankelijk van de toepassingsvereisten. De meeste toepassingen vereisen alleen de werking van de snelheidsverandering en zullen 6 afzonderlijke zij -uitgelijnde PWM -signalen gebruiken.

Dit biedt de hoogste resolutie. Als de applicatie serverpositionering, energierem of stroomomkering vereist, worden de aanvullende in het midden uitgelijnde PWM-signalen aanbevolen. Om de rotorpositie te detecteren, gebruiken BLDC -motoren Hall -effectsensoren om absolute positie -detectie te bieden. Dit resulteert in het gebruik van meer draden en hogere kosten. Sensorloze BLDC -regeling elimineert de behoefte aan Hall -sensoren en gebruikt in plaats daarvan de tegen elektromotorische kracht van de motor (elektromotorische kracht) om de rotorpositie te voorspellen. Sensorloze regeling is van cruciaal belang voor goedkope variabele snelheidstoepassingen zoals fans en pompen. Sensorloze regeling is ook vereist voor koelkast- en airconditioningscompressoren wanneer BLDC -motoren worden gebruikt.

Insertie en suppletie van niet-geladen tijd

De meeste BLDC-motoren vereisen geen complementaire PWM, no-load time-insertie of time-loadcompensatie. De enige BLDC -toepassingen die mogelijk vereisen dat deze functies hoogwaardige BLDC -servo -motoren, sinusgolf opgewonden BLDC -motoren, borstelloze AC- of PC -synchrone motoren zijn.

Controle -algoritmen

Veel verschillende besturingsalgoritmen worden gebruikt om controle te geven over BLDC -motoren. Typisch worden vermogenstransistoren gebruikt als lineaire regulatoren om de motorspanning te regelen. Deze aanpak is niet praktisch bij het besturen van high -power motoren. High-Power-motoren moeten PWM-gecontroleerd zijn en vereisen een microcontroller om start- en bedieningsfuncties te bieden.

Het besturingsalgoritme moet de volgende drie functies bieden:

Een PWM -spanning voor het regelen van de motorsnelheid

Een mechanisme voor het corrigeren en commuteren van de motor

Methoden voor het voorspellen van rotorpositie met behulp van omgekeerde elektromotorische kracht of Hall -sensoren

Pulsbreedtemodulatie wordt alleen gebruikt om een variabele spanning toe te passen op de motorwikkelingen. De effectieve spanning is evenredig met de PWM -dienstcyclus. Wanneer de juiste gelijkrichter-commutatie wordt verkregen, zijn de koppel-snelheidskenmerken van een BLDC dezelfde als die van de volgende DC-motoren. Variabele spanning kan worden gebruikt om de snelheid en het variabele koppel van de motor te regelen.

De commutatie van de krachttransistor maakt het mogelijk om de juiste wikkeling in de stator het beste koppel te genereren, afhankelijk van de rotorpositie. In een BLDC -motor moet de MCU de positie van de rotor kennen en de commutatie op het juiste moment kunnen maken.

BLDC Motor Trapezoidal Commutation

Een van de eenvoudigste methoden voor DC Brushless Motors is om te gebruiken wat trapeziumvormige commutatie wordt genoemd.

Vereenvoudigd blokdiagram van een laddercontroller voor BLDC -motoren in dit schematische diagram

In dit schema wordt de stroom geregeld door een paar motorterminals tegelijk, terwijl de derde motorklem altijd elektronisch is losgekoppeld van de voeding.    

Drie Hall -apparaten ingebed in de grote motor worden gebruikt om digitale signalen te bieden die de rotorpositie meten in een sector van 60 graden en deze informatie verstrekken bij de motorcontroller. Omdat de stroomstroom gelijk is op twee wikkelingen tegelijk en nul op de derde, produceert deze methode een huidige ruimtevector met slechts een van de zes gemeenschappelijke richtingen. Naarmate de motor wordt gestuurd, wordt de stroom bij de motoraansluitingen elektrisch geschakeld (gecorrigeerde commutatie) eenmaal per 60 graden van rotatie, dus de huidige ruimtevector is altijd in de dichtstbijzijnde faseverschuiving van 90 graden van de

30 graden positie

Trapeziumvormige regeling: drive golfvorm en koppel bij gelijkrichter

De huidige golfvorm in elke wikkeling is daarom trapezidaal, beginnend bij nul en naar positieve stroom gaan dan nul dan negatieve stroom. Dit produceert een stroomruimtevector die een evenwichtige rotatie zal naderen terwijl deze in 6 verschillende richtingen omhoog gaat terwijl de rotor roteert.

In motorische toepassingen zoals airconditioners en koelkasten is het gebruik van Hall -sensoren niet constant. Omgekeerde potentiële sensoren geïnduceerd in niet -gekoppelde wikkelingen kunnen worden gebruikt om dezelfde resultaten te bereiken.

Dergelijke trapeziumvormige aandrijfsystemen zijn heel gebruikelijk vanwege de eenvoud van hun controlecircuits, maar ze lijden aan problemen met koppelrippels tijdens rectificatie.

Sinusoïdale gerectificeerde commutatie voor BLDC -motoren

Trapeziumvormige gelijkrichtingscommutatie is niet voldoende om evenwichtige en nauwkeurige BLDC -motorregeling te bieden. Dit komt vooral omdat het koppel dat in een driefasige is gegenereerd Borstelloze motor (met een sinusvormige golfteller elektromotorische kracht) wordt gedefinieerd door de volgende vergelijking:

Roterend as koppel = kt [irsin (o)+issin (o+120)+ITSIN (O+240)]

Waar: O is de elektrische hoek van de roterende as KT is de koppelconstante van de motor ir, is en deze voor de fasestroom als de fasestroom sinusoïdaal is: ir = i0sino; Is = i0sin (+120o); It = i0sin (+240o)

Wordt: roterende as koppel = 1,5i0 * kt (een constante onafhankelijk van de hoek van de roterende as)

De sinusvormige gelijkrichter pendelde borstelloze motorcontroller om drie motorwikkelingen aan te drijven met drie stromen die soepel sinusoïdaal variëren terwijl de motor roteert. De bijbehorende fasen van deze stromingen worden zodanig gekozen dat ze gladde ruimtevectoren van rotorstroom in richtingen zullen produceren die orthogonaal zijn voor de rotor met invariantie. Dit elimineert de koppelripple en stuurpulsen geassocieerd met noordelijke besturing.

Om een soepele sinusvormige modulatie van de motortroom te genereren terwijl de motor roteert, is een nauwkeurige meting van de rotorpositie vereist. Hall -apparaten bieden alleen een ruwe berekening van de rotorpositie, die voor dit doel niet voldoende is. Om deze reden is hoekfeedback van een encoder of soortgelijk apparaat vereist.

Vereenvoudigd blokdiagram van een BLDC -motor sinusgolfcontroller

Aangezien de wikkelstromen moeten worden gecombineerd om een gladde constante ruimtevector voor rotorstroom te produceren en omdat elk van de statorwikkelingen onder een hoek van 120 graden uit elkaar wordt geplaatst, moeten de stromen in elke draadbank sinusoïdaal zijn en een faseverschuiving van 120 graden hebben. De positie -informatie van de encoder wordt gebruikt om twee sinusgolven te synthetiseren met een faseverschuiving van 120 graden tussen de twee. Deze signalen worden vervolgens vermenigvuldigd met het koppelopdracht zodat de amplitude van de sinusgolf evenredig is met het vereiste koppel. Als gevolg hiervan zijn de twee sinusvormige stroomopdrachten correct gefaseerd, waardoor een roterende statorstroomruimte in de orthogonale richting wordt geproduceerd.

De sinusvormige stroomopdracht geeft een paar PI -controllers uit die de stroom in de twee geschikte motorwikkelingen moduleren. De stroom in de derde rotorwikkeling is de negatieve som van de gecontroleerde wikkelstromen en kan daarom niet afzonderlijk worden geregeld. De uitgang van elke PI -controller wordt verzonden naar een PWM -modulator en vervolgens naar de uitgangsbrug en de twee motorterminals. De spanning die wordt toegepast op de derde motorische terminal is afgeleid van de negatieve som van de signalen die worden toegepast op de eerste twee wikkelingen, passend gebruikt voor drie sinusvormige spanningen op respectievelijk 120 graden uit elkaar.

Dientengevolge volgt de werkelijke uitgangsstroomgolfvorm nauwkeurig het sinusvormige stroomopdrachtsignaal en de resulterende stroomruimtevector draait soepel om kwantitatief gestabiliseerd te worden en in de gewenste richting te worden georiënteerd.

Het sinusvormige gelijkrichterstuurresultaat van gestabiliseerde controle kan niet worden bereikt door trapeziumvormige gelijkrichtersstuur in het algemeen. Vanwege de hoge efficiëntie bij lage motorsnelheden zal het echter worden gescheiden bij hoge motorsnelheden. Dit komt door het feit dat naarmate de snelheid toeneemt, de huidige retourcontrollers een sinusvormig signaal van toenemende frequentie moeten volgen. Tegelijkertijd moeten ze de tegenste elektromotorische kracht van de motor overwinnen die toeneemt in amplitude en frequentie naarmate de snelheid toeneemt.

Aangezien PI-controllers eindige versterking en frequentierespons hebben, zullen tijdinvariante verstoringen naar de huidige controlelus faselag veroorzaken en fouten krijgen in de motortroom die toenemen met hogere snelheden. Dit verstoort de richting van de huidige ruimtevector ten opzichte van de rotor, waardoor een verplaatsing uit de kwadratuurrichting wordt veroorzaakt.

Wanneer dit gebeurt, kan minder koppel worden geproduceerd door een bepaalde hoeveelheid stroom, dus meer stroom is vereist om het koppel te behouden. Efficiëntie neemt af.

Deze daling zal doorgaan naarmate de snelheid toeneemt. Op een gegeven moment overschrijdt de faseverplaatsing van de stroom 90 graden. Wanneer dit gebeurt, wordt het koppel tot nul gereduceerd. Door de combinatie van sinusoïdaal resulteert de snelheid op dit punt hierboven in een negatief koppel en kan daarom niet worden gerealiseerd.

AC Motorbesturingsalgoritmen

Scalaire besturing

Scalaire regeling (of V/Hz -besturing) is een eenvoudige methode om de snelheid van een opdrachtmotor te regelen

Het stabiele model van de commandomotor wordt voornamelijk gebruikt om de technologie te verkrijgen, dus tijdelijke prestaties zijn niet mogelijk. Het systeem heeft geen huidige lus. Om de motor te regelen, varieert de driefasige voeding alleen in amplitude en frequentie.

Vectorcontrole of magnetische veldoriëntatieregeling

Het koppel in een motor varieert als een functie van de stator- en rotormagetische velden en pieken wanneer de twee velden orthogonaal voor elkaar zijn. Bij scalar gebaseerde controle varieert de hoek tussen de twee magnetische velden aanzienlijk.

Vectorcontrole slaagt erin om opnieuw orthogonaliteit te creëren in AC -motoren. Om het koppel te regelen, genereert elk een stroom van de gegenereerde magnetische flux om de responsiviteit van een DC -machine te bereiken. Vectorregeling van een AC -geboden motor is vergelijkbaar met de regeling van een afzonderlijk geëxciteerde DC -motor.

In een DC -motor, de magnetische veldergie φf gegenereerd door de excitatiestroom als orthogonaal is voor de ankerflux φa gegenereerd door de ankerstroom IA. Deze magnetische velden zijn ontkoppeld en gestabiliseerd ten opzichte van elkaar. Dientengevolge, wanneer de ankerstroom wordt geregeld om het koppel te regelen, blijft de magnetische veldenergie onaangetast en wordt een snellere tijdelijke respons gerealiseerd.

Veldgerichte regeling (FOC) van een driefasige AC-motor bestaat uit het nabootsen van de werking van een DC-motor. Alle gecontroleerde variabelen worden wiskundig getransformeerd naar DC in plaats van AC. zijn doelonafhankelijke controlekoppel en flux.

Er zijn twee methoden voor veldoriëntatieregeling (FOC): Direct FOC: de richting van het rotormagnetische veld (rotorfluxangle) wordt direct berekend door een flux -waarnemer indirect foc: de richting van het rotor magnetische veld (rotorfluxangle) wordt indirect verkregen door schatting of meting van rotorsnelheid en slip (slip).

Vectorcontrole vereist kennis van de positie van de rotorflux en kan worden berekend door geavanceerde algoritmen met behulp van kennis van de terminale stromen en spanningen (met behulp van een dynamisch model van een AC -inductiemotor). Vanuit het oogpunt van implementatie is de noodzaak van computationele bronnen echter van cruciaal belang.

Verschillende benaderingen kunnen worden gebruikt om vectorbesturingsalgoritmen te implementeren. Feedforward -technieken, modelschatting en adaptieve besturingstechnieken kunnen allemaal worden gebruikt om de respons en stabiliteit te verbeteren.

Vectorcontrole van AC -motoren: een dieper begrip

De kern van een vectorbesturingsalgoritme zijn twee belangrijke conversies: de Clark -conversie, de parkconversie en hun omgekeerde. Het gebruik van Clark- en Park -overgangen maakt het mogelijk om de rotorstroom in het rotorgebied te besturen. Hierdoor kan een rotorbesturingssysteem de spanning bepalen die aan de rotor moet worden geleverd om het koppel onder dynamisch variërende belastingen te maximaliseren.

CLARK CONVERSIE: De wiskundige conversie van Clark wijzigt een driefasigysteem in een systeem met twee coördinaat:

Waar IA en IB componenten zijn van de orthogonale datum en IO is de onbelangrijke homoplanaire component

Driefasige rotorstroom versus roterend referentiesysteem

Parkconversie: de wiskundige conversie van het park zet het bidirectionele statische systeem om in een roterende systeemvector.

De tweefasige α, β-frame representatie wordt berekend door Clarke-conversie en vervolgens in de vectorrotatiemodule ingevoerd waar het de hoek θ roteert om te voldoen aan het D, Q-frame bevestigd aan de rotorenergie. Volgens de bovenstaande vergelijking wordt de conversie van hoek θ gerealiseerd.

Basisstructuur van magnetisch veldgeoriënteerde vectorregeling van AC -motor

De Clarke-transformatie maakt gebruik van driefasige stromingen IA, IB en IC, die zich in de fixed-coördinaatstatorfase bevinden, worden omgezet in ISD en ISQ, die elementen worden in de parktransformatie D, q. De Clarke -transformatie is gebaseerd op een model van de motorfluxen. De stromen ISD, ISQ en de momentane fluxhoek θ, die worden berekend uit het motorfluxmodel, worden gebruikt om het elektrische koppel van de AC -inductiemotor te berekenen.

Fundamentals van vectorcontrole van AC -motoren

Deze afgeleide waarden worden vergeleken met elkaar en de referentiewaarden en bijgewerkt door de PI -controller.

Tabel 1: Vergelijking van de in-line regeling van de motor en vectorregeling:

Controleparameter	V/Hz -besturing	Yari -controle	Sensorloze sagittale controle
Snelheid aanpassing	1%	0 001%	0 05%
Koppelaanpassing	Arm	+/- 2%	+/- 5%
Motormodel	Niet	Vraag	Een nauwkeurig model is vereist
MCU -verwerkingskracht	Laag	Hoog	Hoog +DSP

Een inherent voordeel van vectorgebaseerde motorbesturing is dat het mogelijk is om hetzelfde principe te gebruiken om het juiste wiskundige model te selecteren om verschillende soorten AC-, PM-AC- of BLDC-motoren afzonderlijk te regelen.

Vectorregeling van BLDC -motor

BLDC -motor is de hoofdkeuze voor veldgeoriënteerde vectorregeling. Borstelloze motoren met FOC kunnen een hogere efficiëntie bereiken, tot 95%, en zijn ook zeer efficiënt voor motoren bij hoge snelheden.

Stappermotorbesturing

Stappermotorbesturing neemt meestal bidirectionele aandrijfstroom aan en de motorstap wordt gerealiseerd door wikkeling in volgorde te schakelen. Meestal heeft dit soort stappenmotor 3 aandrijfsequenties:

1. 
   

   Enkele fase volledige stapaandrijving:

   
   

In deze modus wordt de wikkeling in de volgende volgorde aangedreven, AB/CD/BA/DC (BA betekent dat de wikkeling AB in de tegenovergestelde richting wordt aangedreven). Deze volgorde wordt de enkele full-stap modus of golfgestuurde modus genoemd. Op elk moment is er maar één extra kosten.

2. Dubbele fase volledige stapaandrijving:

In deze modus worden de twee fasen aan elkaar geladen, dus de rotor is altijd tussen de twee polen. Deze modus wordt de volledige stap van de biphase genoemd, deze modus is de normale aandrijfreeks van de bipolaire motor, kan het maximale koppel uitvoeren.

3. Halve stapmodus:

Deze modus zal eenfase-stap en tweefasige stap samenvoegen: eenfasenvermogen en vervolgens dubbele kracht toevoegen, en vervolgens eenfase vermogen ... daarom draait de motor in halve stappenverhogingen. Deze modus wordt halfstapsmodus genoemd en de effectieve staphoek van de motor per excitatie wordt met de helft verminderd en het uitgangskoppel is ook lager.

De bovenstaande drie modi kunnen worden gebruikt om in de tegenovergestelde richting te roteren (tegen de klok in), maar niet als de volgorde is omgekeerd.

Gewoonlijk heeft de stappenmotor meerdere polen om de staphoek te verminderen, maar het aantal wikkelingen en de aandrijfvolgorde zijn constant.

Algemeen DC Motor Control -algoritme

Algemene motorsnelheidsregeling, met name het gebruik van twee circuits van de motor: fasehoekregeling PWM -helikopter regeling

Fasehoekregeling

Fasehoekregeling is de eenvoudigste methode om de snelheid van algemene motoren te regelen. De snelheid wordt geregeld door de puntbooghoek van de triac te veranderen. Fasehoekregeling is een zeer economische oplossing, maar het is niet erg efficiënt en vatbaar voor elektromagnetische interferentie (EMI).

Fasehoekregeling van algemene motoren

Het hierboven getoonde diagram illustreert het mechanisme van fasehoekregeling en is een typische toepassing van triac snelheidsregeling. De fasebeweging van de triac gate-puls produceert een efficiënte spanning, waardoor verschillende motorsnelheden worden geproduceerd, en een nul-cross-detectiecircuit wordt gebruikt om een timingreferentie vast te stellen om de poortpuls uit te stellen.

PWM Chopper Control

PWM -besturingselement is een meer geavanceerde oplossing voor algemene motorsnelheidsregeling. In deze oplossing schakelt de Power MOFSet of IGBT de hoogfrequente gecorrigeerde AC-lijnspanning aan om een tijdsafhankelijke spanning voor de motor te genereren.

PWM Chopper Control voor General Motors

Het schakelfrequentiebereik is over het algemeen 10-20 kHz om ruis te elimineren. Deze methode voor motorbesturing voor algemene doeleinden zorgt voor een betere stroomcontrole en betere EMI -prestaties, en daarom hogere efficiëntie.