Načela motorjev brez krtače (BLDC) in pravilen način za njihovo uporabo

Najosnovnejši motor je 'DC motor (motor s čopičem) '. Z namestitvijo tuljave v magnetno polje in skozi njega prehodi tekoči tok, tuljavo bodo na eni strani odvrnili magnetni drogovi in jih hkrati pritegnili na drugo stran in se bodo pod tem dejanjem še naprej vrteli. Med vrtenjem se tok, ki teče skozi tuljavo, obrne, zaradi česar se nenehno vrti. Obstaja del motorja, imenovan 'commutator ', ki ga poganjajo 'čopiči ', ki so nameščeni nad 'krmilnim prestav ' in se neprekinjeno premikajo, ko se vrti. S spreminjanjem položaja ščetk lahko spremenite smer toka. Komutator in ščetke so nepogrešljive strukture za vrtenje DC motorja.

Slika 1: Shematski diagram delovanja DC motorja (brušeni motor).

Komutator preklopi pretok toka v tuljavi in obrne smer drogov, tako da se vedno vrtijo v desno. Krtače napajajo moči komutatorja, ki se vrti z gredjo.

Motorji aktivni na številnih področjih

Imamo kategorizirane motorje glede na vrsto napajanja in načelo vrtenja (slika 2). Oglejmo si na kratko značilnosti in uporabo vsake vrste motorja.

Slika 2: Glavne vrste motorjev

DC mototorji (krtačeni motorji), ki so preprosti in enostavni za nadzor, se pogosto uporabljajo za aplikacije, kot sta odpiranje in zapiranje optičnih diskovnih pladnjev v domačih aparatih. Uporabljajo se tudi v avtomobilih za aplikacije, kot so odpiranje in zapiranje električnih ogledal in nadzor smeri. Čeprav je poceni in ga je mogoče uporabiti na številnih področjih, ima svoje pomanjkljivosti. Ker komutator pride v stik s ščetkami, ima kratko življenjsko dobo in krtače je treba občasno ali pod garancijo zamenjati.

Stepper motor se bo vrtel s številom električnih impulzov, poslanih nanj. Količina gibanja je odvisna od števila poslanih električnih impulzov, zaradi česar je primeren za prilagoditev položaja.

Doma se pogosto uporablja za 'papirnato hranjenje faksov in tiskalnikov ' itd. Ker so koraki hranjenja faksa odvisni od specifikacij (graviranje, finost), odmik motorja, ki se vrti s številom električnih impulzov, je zelo enostaven za uporabo. Težavo je enostavno rešiti, da se stroj začasno ustavi, ko se signal ustavi. Sinhroni motorji, katerih število rotacij se razlikuje glede na frekvenco napajanja, se uporabljajo v aplikacijah, kot so 'vrtljive tabele za mikrovalovne pečice.

Na kompletu motorja ima reduktor prestave za pridobitev števila vrtenj, primernih za ogrevanje hrane. Na indukcijske motorje vpliva tudi frekvenca napajanja, vendar frekvenca in število revolucij ne sovpadata. V preteklosti so bili ti izmenični motorji uporabljeni v ventilatorjih ali pralnih strojih.

Kot lahko vidite, je na več poljih aktiven široko paleto motorjev. Kakšne so značilnosti motorjev BLDC (brezkrtačni motorji ), zaradi katerih so tako vsestranski?

Kako se vrti motor BLDC?

'Bl ' v BLDC Motors pomeni 'Brutless ', kar pomeni, da 'čopiče ' v motorjih DC (motorjev čopiča) niso več prisotne. Vloga čopičev v DC motorjih (Motors Brush) je, da se tuljave v rotorju poganjajo skozi komutator. Kako torej motor BLDC brez ščetk energizira tuljave v rotorju? Izkazalo se je, da BLDC Motors uporabljajo trajne magnete za rotor in v rotorju ni tuljave. Ker v rotorju ni tuljav, ni potrebe po komutatorjih in ščetkah za napajanje motorja. Namesto tega se tuljava uporablja kot stator (slika 3).

Magnetno polje, ki ga ustvarijo fiksni trajni magneti v DC motorju (motor s čopičem), se ne premika in se vrti z nadzorom magnetnega polja, ki ga ustvari tuljava (rotor) v njem. Število rotacij se spremeni s spreminjanjem napetosti. Rotor motorja BLDC je trajni magnet, rotor pa se zasuka s spreminjanjem smeri magnetnega polja, ki ga ustvarijo tuljave okoli njega. Vrtenje rotorja se nadzoruje z nadzorom smeri in velikosti toka, ki teče skozi tuljave.

Slika 3: Shematski diagram delovanja motorja BLDC.

   

Prednosti motorjev BLDC

BLDC Motors imajo na statorju tri tuljave, vsaka z dvema žicama, skupaj šest svinčenih žic v motorju. V resnici so običajno potrebne le tri žice, ker so notranje ožičene, vendar je še vedno eno več kot prej opisani DC motor (brušeni motor). Ne bo se premaknil zgolj s povezovanjem pozitivnih in negativnih terminalov baterije. O tem, kako teči a Motor BLDC bo razložen v drugem obroku te serije. Tokrat se bomo osredotočili na prednosti motorjev BLDC.

Prva značilnost motorja BLDC je 'visoka učinkovitost '. Možno je nadzorovati rotacijsko silo (navor), da ohranimo največjo vrednost ves čas, medtem ko z DC mototorji (mototorji čopiča) lahko največji navor vzdržujemo le en trenutek med vrtenjem, največje vrednosti pa ni mogoče ohraniti ves čas. Če želi DC motor (motor s čopičem) dobiti toliko navora kot motor BLDC, lahko le poveča svoj magnet. Zato lahko celo majhen motor BLDC ustvari veliko moči.

Druga funkcija je 'dobra nadzorovalnost ', ki je povezana s prvim. Motorji BLDC lahko dobijo navor, število vrtljajev itd., Točno tako, kot želite, in BLDC Motors lahko natančno vrnejo ciljno število revolucij, navora itd. Natančna kontrola zavira nastajanje toplote in porabo energije motorja. V primeru pogona akumulatorja je možno podaljšati čas pogona s skrbnim nadzorom. Poleg tega je značilna tudi trajnost in nizka električna hrup. Zgornji dve točki sta prednosti, ki jih prinaša brezkrtalna.

Po drugi strani pa so DC mototorji (brušeni motorji) zaradi stika med ščetkami in komutatorjem v daljšem časovnem obdobju podvrženi obrabi in raztrganju. Kontaktni del ustvarja tudi iskre. Še posebej, ko se vrzel komutatorja dotakne čopiča, bo velika iskra in hrup. Če ne želite, da se hrup ustvari med uporabo, bo upoštevan motor BLDC.

Na teh območjih se uporabljajo motorji BLDC

Kje se BLDC motorji z visoko učinkovitostjo, vsestranskim ravnanjem in dolgim življenjem običajno uporabljajo? Pogosto se uporabljajo v izdelkih, ki lahko izkoristijo svojo visoko učinkovitost in dolgo življenjsko dobo in se nenehno uporabljajo. Na primer, domači aparati. Ljudje že dolgo uporabljajo pralne stroje in klimatske naprave. V zadnjem času so bili za električne ventilatorje sprejeti motorji BLDC in so uspeli dramatično zmanjšati porabo energije.

Zaradi visoke učinkovitosti se je poraba energije zmanjšala. BLDC motorji se uporabljajo tudi pri vakuumskih čistilih. V enem primeru je bilo s spremembo kontrolnega sistema uresničeno veliko povečanje števila revolucij. Ta primer prikazuje dobro obvladljivost motorjev BLDC.

Motorji BLDC se uporabljajo tudi v vrtljivem delu trdih diskov, ki so pomembni mediji za shranjevanje. Ker gre za motor, ki mora dolgo teči, je pomembna trajnost. Seveda ima tudi namen izjemno zatiranje porabe energije. Visoka učinkovitost je povezana tudi z majhno porabo električne energije.

Obstaja še veliko uporab za motorje BLDC

Pričakuje se, da bodo motorje BLDC uporabljene v širšem razponu polj, uporabljeni pa bodo v širokem razponu majhnih robotov, zlasti 'servisnih robotov', ki zagotavljajo storitve na območjih, ki niso proizvodnja. 'Pozicioniranje je pomembno za robote, zato ne bi smeli uporabljati odskočnih motorjev, ki delujejo s številom električnih impulzov? ' Lahko bi tako mislili. Vendar pa so glede na nadzor sile mototorji BLDC primernejši. Poleg tega, če se uporabljajo stepper motorje, je treba strukturo, kot je robotsko zapestje, dobaviti z veliko količino toka, da se lahko pritrdi v določenem položaju. Z Motorji BLDC , v povezavi z zunanjo silo lahko dovajamo le zahtevano moč, s čimer se omeji poraba energije.

Uporablja se lahko tudi pri prevozu. Preprosti DC motorji se že dolgo uporabljajo v električnih avtomobilih ali vozičkih za golf za starejše, vendar so bili sprejeti motorje BLDC z visoko učinkovitostjo z dobro nadzorovalnostjo. Motorji BLDC se uporabljajo tudi v dronih. Zlasti v UAV z več osi regali, saj nadzoruje odnos letenja s spreminjanjem števila vrtenja propelerjev, motorjev BLDC, ki lahko natančno nadzirajo rotacije, so ugodni.

Kaj pa? Motorji BLDC so mototorji visoko kakovosti z visoko učinkovitostjo, dober nadzor in dolgo življenjsko dobo. Vendar pa je za maksimiranje moči motorjev BLDC potrebno pravilno nadzorovati. Kako naj to stori?

Ne more se vrteti samo s povezavo

Notranji rotorski motor BLDC je tipična vrsta motorja BLDC, njegova zunanjost in notranjost pa sta prikazana spodaj (slika 1). Motor DC s čopičem (v nadaljevanju DC motor) ima tuljavo na rotorju in trajni magnet na zunanji strani, medtem ko ima motor BLDC trajni magnet na rotorju in tuljavo na zunanji strani, motor BLCD pa ima trajni magnet brez tuljave na rotorju, zato ni treba, da bi se morali ročiti. To omogoča uresničitev 'brez krtača ' brez ščetk za energijo.

Po drugi strani pa nadzor v primerjavi z DC motorji postane težji. Ne gre samo za povezovanje kablov motorja z napajanjem. Tudi število kablov je drugačno. Ni isto kot 'povezovanje pozitivnih (+) in negativnih (-) terminalov z napajanjem '.

Slika 1: Zunanjost in notranjost motorja BLDC

Slika 2-A: Načelo vrtenja motorja BLDC

Ena tuljava je nameščena v motorju BLDC v intervalih 120 stopinj, skupaj s tremi tuljavami za nadzor toka v energijski fazi ali tuljavi

Kot je prikazano na sliki 2-A, BLDC Motors uporabljajo tri tuljave. Te tri tuljave se uporabljajo za ustvarjanje magnetnega toka, ko je energijo in se imenujejo U, V in W. Poskusite z energijo to tuljavo. Trenutna pot na tuljavi U (v nadaljevanju, imenovana 'tuljava '), je zapisana kot faza U, V je zapisana kot faza V, W pa je zabeležena kot faza W. Oglejte si fazo U. Oglejmo si fazo U. Ko se elektrika nanaša na fazo U, se na smeri krasije ustvari magnetni tok, kot je prikazano na sliki 2-B. Vendar v resnici faze U, V in W niso enake fazi U.

Vendar pa so v resnici kabli U, V in W med seboj povezani, zato ni mogoče napajati samo faze U. Tu bo z energijo iz faze U v fazo W ustvaril magnetni tok v U in W, kot je prikazano na sliki 2-C. Dva magnetna toka U in W se sintetizirata v večji magnetni tok, prikazan na sliki 2-D. Trajni magnet se bo zasukal tako, da je ta sintetiziran magnetni tok v isti smeri kot n pol polja osrednjega stalnega magneta (rotor).

Slika 2-B: Načelo vrtenja motorja BLDC

Tok se napaja od U-faze v W-fazo. Prvič, če se osredotočimo samo na del tuljave, ugotovimo, da nastane magnetni tok kot v puščicah

Slika 2-D: Načelo vrtenja motorja BLDC, ki prehaja elektriko iz faze U do faze W

Če se spremeni smer sintetiziranega magnetnega toka, se spremeni tudi trajni magnet. V povezavi s položajem trajnega magneta preklopite fazo, ki je energijo v U-fazi, V-fazi in W-fazi, da spremenite smer sintetiziranega magnetnega toka. Če se ta operacija izvaja neprekinjeno, se bo sintetiziran magnetni tok vrtel in s tem ustvaril magnetno polje in vrtel rotor.

Fig. 3 prikazuje razmerje med energično fazo in sintetičnim magnetnim tokom. V tem primeru se s spreminjanjem načina energije iz 1-6 v zaporedju sintetični magnetni tok vrti v smeri urinega kazalca. S spreminjanjem smeri sintetiziranega magnetnega toka in nadzorovanjem hitrosti lahko nadzorujemo hitrost vrtenja rotorja. Način nadzora motorja s preklopom med temi šestimi načini energije se imenuje '120-stopinjski nadzor energije '.

Slika 3: Stalni magneti rotorja se bodo vrteli, kot da bi jih potegnili s sintetičnim magnetnim tokom, gred motorja pa se bo vrtela kot rezultat

Gladko vrtenje z uporabo sinusnega krmiljenja

Nato se smer sintetiziranega magnetnega toka zasuka pod 120-stopinjskim energijskim nadzorom, obstaja le šest različnih smeri. Na primer, če spremenite 'Energizirani način 1 ' na sliki 3 v 'Energizirani način 2 ', se bo smer sintetičnega magnetnega toka spremenila za 60 stopinj. Rotor se bo nato vrtel, kot da ga privlači. Nato se s spreminjanjem iz 'Energiziranega načina 2 ' v 'Energizirani način 3 ' smer sintetičnega magnetnega toka ponovno spremeni za 60 stopinj. Rotor bo spet pritegnil to spremembo. Ta pojav se bo ponovil. Gibanje bo postalo trdo. Včasih bo tudi to dejanje povzročil hrup.

Prav 'sinus valovanje ' odpravlja pomanjkljivosti 120-stopinjskega energijskega nadzora in doseže gladko vrtenje. V 120-stopinjskem nadzoru moči je sintetiziran magnetni tok pritrjen v šestih smereh. Nadzorovano je tako, da se nenehno spreminja. Na primer na sliki 2-C so tokovi, ki jih ustvarjata U in W, enake velikosti. Če pa je U-faza, V-faza in W-fazo mogoče bolje nadzorovati, lahko tuljave ustvarite za ustvarjanje magnetnega toka različnih velikosti, smer sintetiziranega magnetnega toka pa je mogoče natančno nadzorovati. S prilagoditvijo trenutne velikosti vsake U-faze, V-faze in W-faze se hkrati ustvari sintetiziran magnetni tok. Z nadzorom neprekinjene generiranja tega toka se motor gladko vrti.

Slika 4: Sinusni krmiljenje sinusnega krmiljenja

Tok na 3 fazah je mogoče nadzorovati, da ustvarite sintetični magnetni tok za gladko vrtenje. Sintetični magnetni tok se lahko ustvari v smeri, ki je ni mogoče ustvariti z 120-stopinjskim energijskim nadzorom

Z uporabo pretvornika za nadzor motorja

Kaj pa tokovi v vsaki fazi u, v in w? Da bi lažje razumeli, pomislite na 120-stopinjski energijski nadzor in si oglejte. Poglejte znova na sliki 3. V energičnem načinu 1 tok tok od u do w; V Energiziranem načinu 2 se tok tok od U do V. Kot lahko vidite, se spreminja tudi kombinacija tuljav, v katerih se spreminja tokovi tokov, se spremeni tudi smer puščic sintetičnega toka.

Nato si oglejte način energije 4. V tem načinu tok tok od W do u, v nasprotni smeri načina energije 1. DC Motors , preklop trenutne smeri, kot je ta, izvede kombinacija komutatorja in ščetk. Vendar BLDC motorji ne uporabljajo takšne metode stika. Za spreminjanje smeri toka se uporablja vezje pretvornika. Inverter vezja se običajno uporabljajo za nadzor motorjev BLDC.

Pretvornik vezje prilagodi trenutno vrednost s spreminjanjem uporabljene napetosti v vsaki fazi. Za nastavitev napetosti se običajno uporablja PWM (pulzWidthmodulacija = modulacija širine impulza ).PWM je metoda za spremembo napetosti s prilagajanjem dolžine časa impulza vklopa/izklopa in pomembna je sprememba razmerja (delovni cikel) med časom in časom izklopa. Če je razmerje na On visok, lahko dosežemo enak učinek kot povečanje napetosti. Če se razmerje na On zmanjša, dobimo enak učinek kot zmanjšanje napetosti (slika 5).

Za uresničitev PWM so zdaj na voljo mikroračunalniki, opremljeni z namensko strojno opremo. Za izvajanje nadzora sinusa je potrebno za nadzor napetosti 3 faz, tako da je programska oprema nekoliko bolj zapletena kot 120 -stopinjski energijski nadzor, kjer sta napajana le 2 fazi. Inverter je vezje, ki je potrebno za pogon motorja BLDC. Pretvorniki se uporabljajo tudi v izmeničnih motorjih, vendar je mogoče domnevati, da se skoraj vsi motorji BLDC uporabljajo v domačih aparatih 'Inverter '.

Slika 5: Razmerje med izhodno in izhodno napetostjo PWM

V določenem času spremenite čas, da spremenite vrednost RMS napetosti.

Dlje kot je čas, bližje vrednosti RMS je napetosti, ko se uporabi 100 -odstotna napetost (pravočasno).

Motorji BLDC z uporabo senzorjev položaja Zgoraj je pregled nadzora motorjev BLDC, ki spreminjajo smer sintetiziranega magnetnega toka, ki ga ustvarijo tuljave, zaradi česar se trajni magneti rotorja ustrezno spremenijo.

Pravzaprav v zgornjem opisu ni omenjena še ena točka. To je prisotnost senzorjev v motorjih BLDC. Motorji BLDC se nadzirajo v povezavi s položajem (kot) rotorja (trajni magnet). Zato je potreben senzor za pridobitev položaja rotorja. Če ni senzorja, ki bi vedel smer stalnega magneta, se lahko rotor obrne v nepričakovano smer. To ni tako, ko obstaja senzor za zagotavljanje informacij.

Tabela 1 prikazuje glavne vrste senzorjev za odkrivanje položaja v motorjih BLDC. Odvisno od nadzora so potrebni različni senzorji. Za 120-stopinjski nadzor energije je senzor Hall Effect, ki lahko vnese signal na vsakih 60 stopinj, opremljen, da se določi, katero fazo je treba napajati. Po drugi strani pa so za 'vektorsko krmiljenje ' (opisano v naslednjem razdelku), ki natančno nadzoruje sintetiziran magnetni tok, so senzorji z visokim natančnostm, kot so vogalni senzorji ali fotoelektrični dajalniki, učinkovitejši.

Uporaba teh senzorjev omogoča zaznavanje položaja, vendar obstajajo nekatere pomanjkljivosti. Senzorji so manj odporni na prah in vzdrževanje je bistvenega pomena. Zmanjša se tudi temperaturni razpon, nad katerim se lahko uporabijo. Uporaba senzorjev ali dodajanje ožičenja v ta namen povzroči naraščanje stroškov, senzorji z visoko natančnostjo pa so sami po sebi dragi. To je privedlo do uvedbe metode 'brez senzorjev '. Ne uporablja senzorja za odkrivanje položaja, s čimer nadzoruje stroške in odpravlja potrebo po vzdrževanju, povezanem s senzorjem. Vendar pa za ponazoritev načela domnevamo, da so bile informacije pridobljene iz senzorja položaja.

Vrsta senzorja	Glavne aplikacije	Značilnosti
Hall Effect Sensor	120 -stopinjski energijski nadzor	Pridobi signal na vsakih 60 stopinj. Nižja cena. Ne toplotno odporno.
Optični dajalnik	Nadzor sinusa, vektorski nadzor	Obstajata dve vrsti: inkrementalna vrsta (razdalja, prevožena od prvotnega položaja), in absolutni tip (znan je kot trenutnega položaja). Ločljivost je velika, odpornost na prah pa je šibka.
Senzor kota	Nadzor sinusa, vektorski nadzor	Visoka ločljivost. Se lahko uporablja tudi v robustnih in ostrih okoljih.

Tabela 1: Vrste in značilnosti senzorjev, specializiranih za odkrivanje položaja

Visoko učinkovitost ves čas vzdržuje vektorski nadzor

Nadzor sinusa nemoteno spreminja smer sintetiziranega magnetnega toka z energijo 3 faze, tako da se bo rotor gladko vrtel. 120-stopinjska kontrolna energija stikala 2 U-faze, V-faze in W-faze za vrtenje motorja, medtem ko sinusoidni nadzor zahteva natančen nadzor tokov v 3 fazah. Poleg tega je kontrolna vrednost AC vrednost, ki se ves čas spreminja, kar otežuje nadzor.

Tukaj prihaja vektorska kontrola. Vektorski nadzor poenostavlja nadzor z izračunom AC vrednosti treh faz kot DC vrednosti obeh faz s koordinatno transformacijo. Vendar pa vektorski krmilni izračuni zahtevajo informacije o položaju rotorja pri visoki ločljivosti. Obstajata dve metodi za odkrivanje položaja, in sicer metoda z uporabo senzorjev položaja, kot so fotoelektrični dajalniki ali vogalni senzorji, in metoda brez senzorjev, ki ekstrapolira trenutne vrednosti vsake faze. Ta koordinatna transformacija omogoča neposreden nadzor trenutne vrednosti, povezane z navorom (rotacijska sila), s čimer uresniči učinkovit nadzor brez presežka toka.

Vendar vektorski nadzor zahteva koordinatno transformacijo z uporabo trigonometričnih funkcij ali kompleksne obdelave izračuna. Zato se v večini primerov mikroračunalniki z visoko računsko močjo uporabljajo kot kontrolni mikroračunalniki, kot so mikroračunalniki, opremljeni s FPU -ji (enote s plavajočimi točkami).

Motor brez krtačenja (BLDC: BrutlessDirectCurrentMotor), znan tudi kot elektronsko komandiran motor (ECM ali EC motor) ali sinhroni DC motor, je vrsta sinhronega motorja, ki uporablja napajanje z neposrednim tokom (DC).

Brezkrtačni DC motor (BLDC: brezkrtačni neposredni tok motorja) je v bistvu trajni sinhroni motor z magnetom s povratnimi informacijami, ki uporabljajo vhod DC napajanja in pretvornik za pretvorbo v trifazni napajalnik AC. A Motor brez krtače (BLDC: brezkrtačni motor z neposrednim tokam) je samo-obvladan tip (samosvojna preklop) in je zato bolj zapleten za nadzor.

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

BLDC Motor (BrutlessDirectCurrentMoTOR) krmiljenje zahteva poznavanje položaja rotorja in mehanizma, s katerim se motor odpravlja in usmerja. Za nadzor hitrosti zaprte zanke obstajata dve dodatni zahtevi, merjenje hitrosti rotorja/ ali motorja in signala PWM za nadzor moči motorja.

BLDC Motors (BrutHlessDirectCurrentMotor) lahko uporabljajo bodisi stranske ali poravnane PWM signale, odvisno od zahtev glede uporabe. Večina aplikacij, ki zahtevajo samo delovanje hitrosti, bo uporabila šest ločenih stranskih poravnanih PWM signalov. To zagotavlja najvišjo ločljivost. Če aplikacija zahteva pozicioniranje strežnika, zaviranje energije ali preobrat moči, se priporočajo dodatni signali PWM, poravnani s centrom.

Za zaznavanje položaja rotorja BLDC Motors (BrutlessDirectCurrentMotor) uporabljajo senzorje učinka Hall Effect, da zagotavljajo absolutno zaznavanje položaja. Posledica tega je uporaba več žic in višjih stroškov. Nadzor BLDC brez senzorjev odpravlja potrebo po senzorjih dvorane in namesto tega za napovedovanje položaja rotorja uporablja motorjevo protiutežno elektromocijsko silo (elektromotivna sila). Nadzor brez senzorjev je ključnega pomena za nizkocenovne hitrosti spremenljive hitrosti, kot so ventilatorji in črpalke. Krmiljenje brez senzorja je potreben tudi za kompresorje hladilnika in klimatske naprave, kadar se uporabljajo motorji BLDC (brez krtačenja neposrednega toka).

Obstajajo vse vrste motorjev, motor BLDC pa je danes najbolj idealen hitrostni motor. Združuje prednosti DC motorjev in izmeničnih motorjev, z dobro prilagoditvijo DC motorjev in prednosti izmeničnih motorjev, kot so preprosta struktura, brez komutacijske iskre, zanesljivo delovanje in enostavno vzdrževanje. Zato je zelo priljubljen na trgu in se pogosto uporablja v avtomobilih, domačih aparatih, industrijski opremi in drugih področjih.

DC brez krtačenja premaga inherentne napake krtače DC motorja in nadomešča mehanski komutator z elektronskim komutatorjem, zato ima brezkrtačni DC motor z zmogljivostjo DC z dobro hitrostjo, poleg tega pa ima prednosti AC motorja s preprostim strukturo, brez prevoza, zanesljivega delovanja in enostavnega vzdrževanja.

DC brez krtače (BrutHlessDirectCurrentMoTOR) je danes najbolj idealen motor za krmiljenje hitrosti. Združuje prednosti DC motorjev in izmeničnih motorjev, z dobro prilagoditvijo DC motorjev in prednosti izmeničnih motorjev, kot so preprosta struktura, brez komutacijske iskre, zanesljivo delovanje in enostavno vzdrževanje.

Brezkrtačni neposredni tok motor (BrutHlessDirectCurrentMotor) Razvojna zgodovina

Brezkrtačni DC motorji so razviti na podlagi motorjev čopiča, njihova struktura pa je bolj zapletena kot mototorji s čopiči. DC brezkrtačni motor je sestavljen iz telesa motorja in gonilnika. Drugačen od krtačenega DC motor, brezkrtačni DC motor (brezkrtalnidirectCurrentMotor) ne uporablja mehanske naprave za krtačo, ampak sprejme kvadratni valovni samokontrolni stalni sinhroni motor in nadomesti komator iz ogljikovega čopiča s senzorjem dvorane in uporablja neoodimij-železno-boron kot trajno magnetno gradivo iz rotorja. (Treba je opozoriti, da so bili v času rojstva električnega motorja v prejšnjem stoletju praktični motorji, ki so nastali, brez krtače.)

1740 -ih: začetek izuma električnega motorja

Zgodnji modeli električnega motorja so se prvič pojavili v 1740 -ih z delom škotskega znanstvenika Andrewa Gordona. Drugi znanstveniki, kot sta Michael Faraday in Joseph Henry, so še naprej razvijali zgodnje motorje, eksperimentirali z elektromagnetnimi polji in odkrili, kako pretvoriti električno energijo v mehansko energijo.

1832: Izum prvega motorja DC Commutator DC

Prvi DC motor, ki bi lahko zagotovil dovolj moči za pogon strojev, je leta 1832 izumil britanski fizik William Sturgeon, vendar je bila njena uporaba močno omejena zaradi nizke moči, ki je bila še vedno tehnično napačna.

1834: zgrajen je prvi pravi elektromotor

Thomas Davenport iz Vermonta, ZDA, je po stopinjah Sturgena v zgodovini izumil prvi uradni električni motor z baterijo leta 1834. To je bil prvi električni motor z dovolj moči, da je opravljal svojo nalogo, njegov izum pa je bil uporabljen za napajanje majhnega tiskarskega tiska.in 1837, Thomas Davenport in njegovo ženo, Emily Davenport, je prejel prvi.

Homas in patentirani motor Emily Davenport

1886: izum praktičnega motorja DC    

Leta 1886 je bil uveden prvi praktični DC motor, ki bi lahko tekel s konstantno hitrostjo s spremenljivo težo. Frankjulian Sprague je bil njegov izumitelj.

Motor Frank Julian Sprague 'Utility '

Omeniti velja, da je bil komunalni motor brezkrtačna oblika asinhronega motorja iz AC veverice, ki ni samo odpravil iskre in izgube napetosti na navijalnih terminalih, temveč je tudi omogočil, da se moč dovaja s konstantno hitrostjo. Vendar je imel asinhroni motor veliko nepremostljivih napak, tako da je bil razvoj motorične tehnologije počasen.

1887: AC indukcijski motor patentiran

Leta 1887 je Nikola Tesla izumila indukcijski motor izmeničnega toka (AcinductionMotor), ki ga je uspešno patentiral leto kasneje. Ni bil primeren za uporabo v cestnih vozilih, vendar so ga pozneje prilagodili Westinghouse Engineers. Leta 1892 je bil zasnovan prvi praktični indukcijski motor, ki mu je sledil vrtljivi rotor, zaradi česar je motor primeren za avtomobilske aplikacije.

1891: razvoj trifaznega motorja

Leta 1891 je General Electric začel razvoj trifaznega indukcijskega motorja (Threefasemotor). Da bi uporabili zasnovo rotorja ran, sta GE in Westinghouse leta 1896 podpisala sporazum o navzkrižnem licenciranju.

1955: Začetek DC -jevega brezkrtalnega motorja

Leta 1955 so ZDA d. Harrison in drugi so se prvič nanesli s tranzistorsko komutacijsko linijo namesto s čopičem DC Motor Mechanic Brush Patent, ki uradno označuje rojstvo sodobnega brezkrtalnega DC motornega motorja (BrutHlessDirectCurrentMotor). Vendar takrat ni bilo naprave za zaznavanje položaja motorja motorja, motor ni imel možnosti za začetek.

1962: Prvi motor brez krtačenja (BLDC) je bil izumljen zahvaljujoč napredku trdne tehnologije v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Leta 1962 sta Tgwilson in Phtrickey izumila prvi motor BLDC, ki sta ga poimenovala 'Commutated Commutated DC Motor '. Ključni element Motor brez krtače je bil, da ni potreboval fizičnega komutatorja, zaradi česar je najbolj priljubljena izbira za računalniški disk, robote in letala.

Uporabili so dvoranske elemente za zaznavanje položaja rotorja in nadzorovanje fazne spremembe vijugastega toka, da so bili brezkrtačni DC motorji praktični, vendar so bili omejeni s tranzistorsko zmogljivostjo in relativno nizko motorično močjo.

70. let prejšnjega stoletja: Hiter razvoj brezkrtačnih DC motoričnih aplikacij

Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja, z nastankom novih polprevodniških naprav (kot so GTR, MOSFET, IGBT, IPM), hitri razvoj tehnologije računalniškega nadzora (mikrokontroler, DSP, novi kontrolni teorije), pa tudi visokozmogljive redke motorice (brutalsko-ironorovo), brutalnika, nedymorije, neodymoron, neodymo-iron-iron-ironor, neodymoron), nediodymoron), nediodymoron), nediodymoron), nediodymoron), ki so bili krtači, nediodimor-iron-iron-iron-iron-iroy-iroy-ironor) je bil hitro razvit. BrutHlessDirectCurrentMotor) se je hitro razvijal in zmogljivost se povečuje. Industrijski razvoj, ki temelji na tehnologiji, z uvedbo MAC Classic brez krtača DC in njegovega voznika leta 1978, pa tudi raziskave in razvoj kvadratnega vala Motor brez krtačenja in sinus brez krtače v 80. letih so motorji brez krtačkov resnično začeli vstopati v praktično fazo in se hitro razvijali.

Splošna struktura in načelo brez krtača DC

DC brez krtače (BrutHlessDirectCurrentMotor) je sestavljen iz sinhronega motorja in gonilnika, ki je tipičen mehatronski izdelek. Stator navijanje sinhronega motorja je večinoma narejeno v trifazno simetrično zvezdo, ki je zelo podobna trifaznemu asinhronemu motorja.

Struktura krmilnega sistema BLDCM vključuje tri glavne dele: karoserijo motorja, vozniško vezje in krmilno vezje. V delovnem procesu se kontrolni vezje zbira in obdeluje podatke o napetosti motorja, toka in rotorja, da ustvari ustrezne krmilne signale, pogonski vezje pa poganja telo motorja po prejemu krmilnih signalov.

DC brez krtače (BrutHlessDirectCurrentMotor) je predvsem sestavljen iz statorja z navijanjem tuljave, rotorja iz trajnega magnetnega materiala in senzorja položaja. Senzor položaja, kot je potrebno, lahko tudi ne konfiguriramo.

Stator

Struktura statorja motorja BLDC je podobna strukturi indukcijskega motorja. Sestavljen je iz zloženih jeklenih laminacij z osnimi utori za navijanje. Navitja v BLDC so nekoliko drugačna od tistih v običajnih indukcijskih motorjih.

Motorični stator BLDC

Običajno je večina motorjev BLDC sestavljena iz treh navitij statorja, povezanih v zvezdi ali 'y ' obliki (brez nevtralnega). Poleg tega so na podlagi medsebojnih povezav tuljave navitja statorja nadalje razdeljena na trapezoidne in sinusoidne motorje.

BLDC Motor Reverse Elektromotivna sila

V trapeznem motorju imata tako pogonski tok kot kontra elektromotivna sila trapezoidno obliko (sinusoidno v primeru sinusoidnega motorja). Običajno se mototorji, ocenjeni na 48 V (ali manj), uporabljajo v avtomobilski in robotiki (hibridni avtomobili in robot roke).

Rotor

Rotorski del motorja BLDC je sestavljen iz trajnih magnetov (običajno redko-zemeljskih zlitinskih magnetov, kot so neodimij (ND), samarijev kobalt (SMCO) in neodimijev železni boron (NDFEB).

Odvisno od uporabe se lahko število polov med dvema in osmima spreminja, pri čemer se izmenično postavi severni pol (n) in južni pol (s). Spodnji diagram prikazuje tri različne razporeditve magnetnih polov.

(a) Magnet je nameščen na obodu rotorja.

(b) Rotor, imenovan elektromagnetno vgrajen rotor, v katerem je v jedro rotorja vgrajen pravokoten trajni magnet.

(c) Magnet je vstavljen v jedro rotorja. 

BLDC Senzor položaja rotorja motorja (Hall Sensor)

Ker v motorjih BLDC ni ščetk, je komutacija elektronsko nadzorovana. Za vrtenje motorja je treba navitja statorja zaporedno napočiti in položaj rotorja (tj. Severni in južni pol rotorja) je treba poznati, da se natančno napolnijo določeni nabor statorskih navig.

Senzorji položaja z dvoranskimi senzorji (ki delujejo na načelu Hall Effect) se običajno uporabljajo za zaznavanje položaja rotorja in ga pretvorijo v električni signal. Večina motorjev BLDC uporablja tri dvoranske senzorje, ki so vgrajeni v stator, da zaznajo položaj rotorja.

Hall Senzors so vrsta senzorja, ki temelji na učinku Hall, ki ga je leta 1879 prvič odkrila ameriška fizikalna dvorana v kovinskih materialih, vendar ni bila uporabljena, ker je bil učinek dvorane v kovinskih materialih prešibak. Z razvojem polprevodniške tehnologije je začel uporabljati polprevodniške materiale za proizvodnjo sestavnih delov dvorane, ker je učinek dvorane pomemben in se uporablja in razvija. Hall Senzor je senzor, ki ustvari impulz izhodne napetosti, ko mimo izmeničnega magnetnega polja. Amplituda impulza je določena s trdnostjo polja magnetnega polja vzbujanja. Zato senzorji dvorane ne potrebujejo zunanjega napajanja.

Izhod senzorja dvorane bo visok ali nizek, odvisno od tega, ali je severni pol rotorja južni pol ali v bližini severnega pola. S kombiniranjem rezultatov treh senzorjev lahko določimo natančno zaporedje energije.

Unlike brushed DC motors, where the stator and rotor are completely reversed, the armature windings are set on the stator side and high-quality permanent magnet material is set on the rotor side, the motor body structure of the BLDCM consists of the stator armature windings, the permanent magnet rotor, and the position sensors, and the three-phase windings are arranged uniformly in the stator space of the motor, with a difference of 120° električnega kota med fazami. Ta struktura se razlikuje od čisto krtačenega DC motorja in je podobna konstrukciji statorja za navijanje izmeničnega motorja, vendar se pogonski vezje, ko deluje, na motor na motor dovaja.

BLDCM izbere trifazni, trifazni, zvezdniški, šest državni, dvojni prevodni način, v katerem se v istem času v pogonskem vezju napotita dva MOSFE, in v skladu s tem so dvofazna navitja statorja v telesu motorja v seriji. Vsaka elektronska fazna sprememba enkrat, stator magnetni dinamični potencial FA je postal 60 ° prostorski kot električni kot, korak magnetni dinamični potencial, interval 60 ° časovnega električnega kota, FA je naredil skok. Čeprav se rotor vrti neprekinjeno, vendar je način vrtenja magnetnega magnetnega momenta koraka, ki se razlikuje od pravega izmeničnega sinhronega motorja, ki vrti magnetni moment. GET je povprečni največji elektromagnetni navor T, močna vlečna stalna rotor magneta neprekinjene rotacije.

Delovno načelo DC brezkrtačni DC je podoben modelu DC Brush. Lorentzov zakon o silah navaja, da bo v magnetnem polju, dokler je sedanji prevodnik postavljen v magnetno polje, podvržen silam. Zaradi reakcijske sile bo magnet podvržen enakim in nasprotnim silam. Ko se skozi tuljavo prenaša tok, se ustvari magnetno polje, ki ga poganjajo magnetni polja statorja, pri čemer se homopolarnosti med seboj odbijajo in anizotropni polja. Če se smer toka v tuljavi neprestano spreminja, se bodo drogovi magnetnega polja, ki jih povzroča v rotorju, tudi neprekinjeno spreminjajo, nato pa se bo rotor ves čas vrtel pod delovanjem magnetnega polja.

V motorjih BLDC so trajni magneti (rotor) v gibanju, medtem ko je prevodnik, ki nosi tok (stator), fiksiran.

Diagram delovanja motorja BLDC

Ko stator tuljava prejme napajanje iz napajanja, postane elektromagnet in začne ustvarjati enakomerno magnetno polje v zračni reži. Stikalo ustvari izmenično napetostno valovno obliko s trapezoidno obliko, kljub dejstvu, da je napajanje DC. Rotor se še naprej vrti zaradi interakcijske sile med elektromagnetnim statorjem in trajnim magnetnim rotorjem.

S preklopom navitij na visoke in nizke signale so ustrezna navitja navdušena kot severni in južni polj. Trajni magnetni rotor z južnim in severnim polom je poravnan s statorskimi drogovi, zaradi česar se motor vrti.

Diagrami delovanja motorja BLDC za enopoldne in dvopoldne motorje BLDC

Brezkrtačni DC motorji so na voljo v treh konfiguracijah: enofazne, dvofazne in trifazne. Med njimi je najpogostejši trifazni BLDC.

(3) Načini vožnje motornih vozil brez krtačenja

Način vožnje DC brez krtačenja lahko razdelimo na različne metode vožnje v skladu z različnimi kategorijami:

V skladu s pogonskim valovnim oblikam: Square Wave Drive je ta metoda pogona primerna za uresničitev, enostavna za uresničitev motorja brez nadzora senzorja položaja.

Sinusoidni pogon: Ta metoda pogona lahko izboljša učinek motorja in naredi izhodni navor enoten, vendar je postopek realizacije razmeroma zapleten. Hkrati ima ta metoda SPWM in SVPWM (Space Vector PWM) na dva načina, SVPWM je boljši od SPW.

(4) Prednosti in slabosti motorja brez krtačenja

Prednosti:

▷   Visoka izhodna moč

▷ majhna velikost in teža 

▷ Dobra odvajanje toplote in visoka učinkovitost 

▷ Širok razpon obratovalnih hitrosti in nizkega električnega hrupa. 

▷ Visoka zanesljivost in nizke potrebe po vzdrževanju. 

▷ Visok dinamični odziv 

▷ nizke elektromagnetne motnje

Nezadostno:

▶ Elektronski krmilnik, potreben za nadzor tega motorja, je drag 

▶ je potrebno kompleksno pogonsko vezje 

▶ Potrebni so senzorji dodatnega položaja (FOC se ne uporablja)

5） Nanos brezkrtačnega DC motorja

Brezkrtačni DC motorji se pogosto uporabljajo v različnih potrebah po aplikacijah, kot je industrijski nadzor (brezkrtalni DC motorji igrajo pomembno vlogo v industrijski proizvodnji, kot so tekstil, metalurgija, tiskanje, avtomatizirane proizvodne linije, CNC obdelovalne stroje itd.), Avtomobilski (mototorji so v brisalcih, moči, moči, moči, moči in v življenju. Stroji, pogoni na trdi diski, disketni diski, filmske kamere itd., V svojem vretenskem in hčerinskem gibanju, ki ga vodijo, vsi imajo brezkrtačni DC motorji .) Poleg tega je zdravstvena oprema (uporaba brezkrtačnih DC motornih motorjev pogostejša, lahko uporabimo za vožnjo majhne krvne črpalke v umetnem srcu; v državi se kirurški aparat za visoke hitrosti za centrifuge za visoke hitrosti, termometrije in termometrije, ki jih je mogoče uporabljati, kot krtače. prijave.

Razlike med brezkrtalnimi DC motorji in brušenimi DC motorji

Kategorija projekta	DC brez krtačenja	Motor DC krtačo
Struktura	Trajni magnet kot rotor, električni pogon kot stator	Trajni magnet kot rotor, električni pogon kot stator
Navitja in povezave s tuljavo	Značilnosti motorja, dolga življenjska doba, brez motenj, brez vzdrževanja, nizka hrup, visoka cena.	Odvajanje toplote
Dobro	Revni	Komutacija
Elektronski preklopni komutator z elektronskimi vezji	Mehanski stik med krtačo in usmernik	Senzor položaja rotorja
Dvoranski elementi, optični dajalniki itd. Ali protizakonski generatorji	Samoocenjevanje s čopiči	Samoocenjevanje s čopiči
Preobrat	Spreminjanje preklopnega zaporedja elektronskega krmilnega prestanka	Sprememba polarnosti napetosti terminala
Primerjava prednosti in slabosti	Dobre mehanske in kontrolne značilnosti, dolga življenjska doba, brez motenj, nizek glas, vendar višji stroški.	Dobre mehanske značilnosti in nadzor, visok hrup, elektromagnetne motnje

Primerjava brezkrtačnih DC motorjev in brušenih DC motorjev

Global BLDC Motor Mainstream Proizvajalci (Top10)

Trenutno so najboljša podjetja v industriji BLDC ABB, AMTEK, NIDEC, Minebea Group, Textronic, United Motion Technologies, Baldor Electronics, Severnoameriški električni družbi, Schneider Electric in Regalbeloit Corporation.

Uvod v brezkrtane DC motorje

Brezkrtačni DC motor (BLDC) je vrsta sinhronega motorja, v katerem imata magnetno polje, ki ga ustvarja stator, in magnetno polje, ki ga ustvarja rotor, enako frekvenco. Široko se uporablja zaradi svojih prednosti visoke izhodne moči, nizke električne hrupe, visoke zanesljivosti, visokega dinamičnega odziva, manj elektromagnetnih motenj in boljšega hitrosti.

Notranja struktura brez krtača DC

Struktura a Spodaj je prikazan DC brezkrtačni motor (kot primer reža, zunanji rotor, brez senzorskega motorja):

Motor brez krtačka je sestavljen iz sprednjega pokrova, srednjega pokrova, magneta, silicijeve jeklene pločevine, emajlirane žice, ležaja, vrteče se gred in hrbtnega pokrova. Med njimi je magnet, ležajna in vrteča se gred rotor motorja; Stator motorja je sestavljen iz silicijeve jeklene pločevine in emajlirane žice. Sprednji pokrov, srednji pokrov in zadnji pokrov vsebuje lupino motorja. Pomembne komponente so opisane v naslednji tabeli:

	Komponente	Opis
Rotor	Magnet	Pomemben sestavni del brezkrtačnega motorja. Z njim je povezana velika večina parametrov zmogljivosti motorja brez krtače;
	Os vrtenja	Neposredno poudarjen del rotorja;
	Ležaj	So garancija za gladko delovanje motorja; Trenutno večina brezkrtačnih motorjev uporablja globoke kroglične ležaje;
Rotor	Silicijeva jeklena pločevina	Silicijev jekleni list je pomemben del motorja brez krtače, glavna funkcija je zmanjšanje magnetnega upora in sodelovanje v operaciji magnetnega vezja;
	Emajlirana žica	Kot energijski prevodnik vijuganja tuljave; Skozi izmenično frekvenco in valovno obliko toka se okoli statorja oblikuje magnetno polje, da se rotor poganja za vrtenje;

Opis rotorja

Rotor a DC brezkrtačni DC (BLDC) je izdelan iz stalnih magnetov z več parimi polov, razporejenih izmenično v skladu z N- in S-Poli (ki vključuje parameter parov v parih).

Odsek magnetnega magneta rotorja

Opis statorja

Stator a DC brez krtačenja (BLDC) je sestavljen iz silicijeve jeklene pločevine (slika spodaj) z navitijskimi statorji, nameščenimi v režih, razrezanih aksialno vzdolž notranje osi (vpleteno je število parametrov jedra (število reže N)). Vsako navijanje statorja je sestavljeno iz številnih tuljav, povezanih med seboj. Običajno se navitja distribuirajo v treh povezanih zvezdah.

Triple-povezane zvezdne tuljave, glede na povezavo tuljav, lahko navitja statorjev razdelimo na trapezoidna in sinusoidna navitja. Razlika med obema je predvsem valovna oblika ustvarjene protiutežne elektromotivne sile. Kot že ime pove: Trapezoidno vijuganje statorja povzroči trapezoidno protiutež elektromotivno silo, sinusoidno vijuganje pa ustvari sinusoidno nasprotno elektromocijsko silo. To je prikazano na spodnji sliki:   

PS: Ko se motor dobavlja brez obremenitve, lahko valovno obliko merimo z osciloskopom.

02 Klasifikacija brezkrtačnih DC motorjev

Opis klasifikacije motorja brez krtača DC

DC brez krtačenja (BLDC) glede na porazdelitev rotorja lahko razdelimo na notranji rotorski motor, zunanji rotorski motor; Glede na pogonsko fazo lahko razdelimo na enofazni motor, dvofazni motorni, trifazni motor (najpogostejša uporaba); glede na to, ali je senzor razdeljen na senzorične motorje in ne-senzorične motorje in tako naprej; Obstaja veliko klasifikacij motorjev, vesoljskega razloga, da ne bi bili tukaj, da bi opisali brate, ki jih zanima njihovo lastno razumevanje.

Opis motorja notranjega in zunanjega rotorja

Motorje brez krtačenja lahko razdelimo na zunanje rotorske motorje in notranje rotorne motorje glede na strukturo vrstice rotorja in statorja (kot je prikazano spodaj).

Motor	Opisna
Zunanji rotorski motor	Notranje energično navijanje tuljave služi kot stator, stalni magneti pa so povezani s ohišjem kot rotor; V skupnem jeziku: rotor je zunaj in stator je v notranjosti;
Notranji rotorski motor	Notranji trajni magneti so povezani z gredjo kot rotor, energično navijanje tuljave in lupina kot stator. Običajno: rotor v notranjosti, stator zunaj;

Razlika med notranjim in zunanjim rotorjem

Poleg različnih zaporedja rotorja in statorja obstajajo tudi razlike med notranjimi in zunanjimi rotornimi motorji na naslednji način:

Značilnosti	Notranji rotorski motor	Zunanji rotorski motor
Gostota moči	Višje	Nižje
Hitrost	Višje	Nižje
Nižja stabilnost	Nižje	Višje
Stroški	Razmeroma višji relativno	Nižje
Odvajanje toplote	Povprečno	Še huje
Poljski pari	Manj	Več

03 DC brezkrtačni parametri motorja

Parametri motorja brez krtače

Parameter	Opis
Nazivna napetost	Za brezkrtalne motorje so primerni za zelo širok razpon delovnih napetosti, ta parameter pa je delovna napetost pod določenimi pogoji obremenitve.
KV vrednost	Fizični pomen: Hitrost na minuto pod 1V delovno napetostjo, to je: hitrost (brez obremenitve) = kV vrednost * Delovna napetost za motorje brez krtačkov s specifikacijami velikosti: 1. Število zavojev navitja je veliko, vrednost KV je nizka, največji izhodni tok je majhen, navor pa velik; 2. manj obratov vijugaste, visoka kV vrednost, največji izhodni tok, majhen navor;
Navor in hitrost	Navor (trenutek, navor): Navor vožnje, ki ga ustvari rotor v motorju, lahko uporabite za pogon mehanske obremenitve; Hitrost: hitrost motorja na minuto;
Največji tok	Največji tok, ki lahko varno vzdrži in deluje
Koristna struktura	Število jedrnih drogov (število reže N): število reže za jekleno pločevino statorja; Število magnetnih jeklenih drogov (številka droga P): število magnetnega jekla na rotorju;
Induktivnost statorja	Induktivnost na obeh koncih navitja statorja motorja v mirovanju
Stator odpornost	DC odpornost vsakega faznega navitja motorja pri 20 ℃
DC odpornost vsakega faznega navitja motorja pri 20 ℃	V določenih pogojih, ko je navijanje motorja odprto, vrednost linearne inducirane elektromomotivne sile, ustvarjene v navitju armature na hitrost na enoto

Krmiljenje motorja BLDC

BLDC algoritmi za krmiljenje motorja

Motorji brez krtačkov so samo-zagovarjanje (samo-usmerjenost) in so zato bolj zapleteni za nadzor.

Krmiljenje motorja BLDC zahteva poznavanje položaja rotorja in mehanizma, s katerim se motor podvrže resnemu krmiljenju. Za nadzor hitrosti zaprte zanke obstajata dve dodatni zahtevi, tj. Meritve za hitrost rotorja/ ali signale motorja in PWM signale za nadzor moči motorja.

Motorji BLDC imajo lahko signale PWM, poravnane s stranskimi ali poravnanimi, odvisno od zahtev glede uporabe. Večina aplikacij zahteva samo delovanje sprememb hitrosti in bo uporabila 6 ločenih stranskih poravnanih PWM signalov.

To zagotavlja najvišjo ločljivost. Če aplikacija zahteva pozicioniranje strežnika, zaviranje energije ali preobrat moči, se priporočajo dodatni signali PWM, poravnani s centrom. Za zaznavanje položaja rotorja BLDC Motors uporabljajo senzorje Hall Effect, da zagotavljajo absolutno zaznavanje položaja. To ima za posledico uporabo več žic in višjih stroškov. Nadzor BLDC brez senzorjev odpravlja potrebo po senzorjih dvorane in namesto tega za napovedovanje položaja rotorja uporablja motorjevo protiutežno elektromocijsko silo (elektromotivna sila). Nadzor brez senzorjev je ključnega pomena za nizkocenovne hitrosti spremenljive hitrosti, kot so ventilatorji in črpalke. Krmiljenje brez senzorja je potreben tudi za kompresorje hladilnika in klimatske naprave, kadar se uporabljajo motorje BLDC.

Vstavljanje in dopolnjevanje časa brez obremenitve

Večina motorjev BLDC ne potrebuje komplementarnega PWM, vstavljanja časa brez obremenitve ali nadomestila za čas brez obremenitve. Edine aplikacije BLDC, ki lahko zahtevajo te funkcije, so visoko zmogljive servo motorje BLDC, sine val vzbujajo motorje BLDC, brezkrtačni AC ali PC sinhroni mototorji.

Algoritmi za nadzor

Številni različni kontrolni algoritmi se uporabljajo za nadzor motorjev BLDC. Običajno se napajalni tranzistorji uporabljajo kot linearni regulatorji za nadzor napetosti motorja. Ta pristop ni praktičen pri vožnji motorjev z visoko močjo. Motorji z visoko močjo morajo biti nadzorovani PWM in potrebujejo mikrokontroler, da zagotavljajo začetne in nadzorne funkcije.

Nadzorni algoritem mora zagotoviti naslednje tri funkcije:

PWM napetost za nadzor hitrosti motorja

Mehanizem za odpravljanje in odpravljanje motorja

Metode za napovedovanje položaja rotorja z uporabo povratne elektromotivne sile ali dvoranskih senzorjev

Modulacija impulzne širine se uporablja samo za nanašanje spremenljive napetosti na navitja motorja. Učinkovita napetost je sorazmerna z delovnim ciklom PWM. Ko dobimo ustrezno usmerniško komutacijo, so značilnosti hitrosti navora BLDC enake kot v naslednjih DC motorjih. Spremenljiva napetost se lahko uporabi za nadzor hitrosti in spremenljivka navor motorja.

Komutacija moči tranzistorja omogoča ustrezni navijanju v statorju, da ustvari najboljši navor, odvisno od položaja rotorja. V motorju BLDC mora MCU poznati položaj rotorja in biti sposoben narediti komutacijo ob pravem času.

BLDC Motorna trapezna komutacija

Ena najpreprostejših metod za DC brezkrtačni motorji naj bi uporabili tako imenovano trapezoidno komutacijo.

Poenostavljen blok diagram krmilnika lestvice za motorje BLDC v tem shematičnem diagramu

V tej shemi tok nadzoruje par motoričnih terminalov naenkrat, tretji motorični terminal pa je vedno elektronsko odklopljen od napajanja.    

Tri naprave Hall, vgrajene v velik motor, se uporabljajo za zagotavljanje digitalnih signalov, ki merijo položaj rotorja v sektorju 60 stopinj in te podatke zagotavljajo na krmilniku motorja. Ker je trenutni pretok na dveh navitih naenkrat enak in nič na tretjem, ta metoda ustvari trenutni vesoljski vektor s samo eno od šestih smeri skupne. Ko je motor usmerjen, se tok na motornih sponkah električno preklopi (popravljena komutacija), ko je na 60 stopinj vrtenja, tako da je trenutni vesoljski vektor vedno pri najbližjem faznem premiku 90 stopinj

30 -stopinjski položaj

Trapezoidni nadzor: pogonski valovni obliki in navor pri usmernik

Trenutna valovna oblika v vsakem navijanju je torej trapezoidna, začenši z ničlo in gre na pozitiven tok, nato pa nič, nato pa negativni tok. To ustvari trenutni vesoljski vektor, ki se bo približal uravnoteženemu vrtenju, ko se bo, ko se vrti rotor, koraka v 6 različnih smereh.

Pri motornih aplikacijah, kot so klimatske naprave in hladilniki, uporaba senzorjev dvorane ni stalnica. Za doseganje enakih rezultatov se lahko uporabijo povratni potencialni senzorji, ki jih povzročajo nepovezane navijanja.

Takšni trapezoidni pogonski sistemi so zelo pogosti zaradi preprostosti svojih kontrolnih vezij, vendar trpijo zaradi težav z navorom med popravljanjem.

Sinusoidna popravljena komutacija za motorje BLDC

Trapezoidna komutacija usmernika ne zadostuje za uravnoteženo in natančno krmiljenje motorja BLDC. To je predvsem zato, ker navor, ustvarjen v trifazni Motor brez krtače (s sinusoidno valovno zaščitno elektromocijsko silo) je opredeljen z naslednjo enačbo:

Vrteči se navor gredi = kt [irsin (o)+issin (o+120)+ITIN (O+240)]

Kjer: o je električni kot vrteče se gred KT je konstanta navora motorja IR, je za fazni tok, če je fazni tok sinusoiden: ir = i0sino; IS = i0Sin (+120o); It = i0Sin (+240o)

bo dobil: Navor vrtenja gredi = 1,5i0 * kt (konstanta neodvisna od kota vrteče se gred)

Sinusoidni usmernik si je prizadeval za krmilnik brez krtačenja, da bi vozil tri motorične navitja s tremi tokovi, ki se gladko razlikujejo sinusno, ko se motor vrti. Pridružene faze teh tokov so izbrane tako, da bodo proizvajale gladke vesoljske vektorje toka rotorja v smeri pravokotne do rotorja z invariance. To odpravlja valovanje navora in krmiljenje impulzov, povezanih s severno krmiljenjem.

Za ustvarjanje gladke sinusoidne modulacije motorja, ko se motor vrti, je potrebna natančna meritev položaja rotorja. Hall naprave zagotavljajo le grob izračun položaja rotorja, kar v ta namen ne zadostuje. Zaradi tega so potrebne kotne povratne informacije iz dajalnika ali podobne naprave.

Poenostavljen blok diagram krmilnika motorja BLDC motorja

Ker je treba navijanje tokove kombinirati, da se proizvedejo gladek konstantni vektor prostora rotorja, in ker je vsak od navitij statorja nameščen pod kotom 120 stopinj narazen, morajo biti tokovi v vsaki žični banki sinusoidni in imajo fazni premik 120 stopinj. Podatki o položaju iz dajalnika se uporabljajo za sintezo dveh sinusnih valov s faznim premikom 120 stopinj med obema. Te signale se nato pomnožijo z ukazom navora, tako da je amplituda sinusnega vala sorazmerna z zahtevanim navorom. Kot rezultat, sta dva ukaza sinusoidnih tokov pravilno postopna, s čimer ustvarita vrtljivi vektor prostora statorja v ortogonalni smeri.

Sinusoidni tok ukazov signali oddajajo par PI krmilnikov, ki modulirajo tok v obeh ustreznih navitih motorja. Tok v tretjem navijanju rotorja je negativna vsota nadzorovanih navijalnih tokov in ga zato ni mogoče nadzorovati ločeno. Izhod vsakega krmilnika PI se pošlje v modulator PWM in nato na izhodni most in dva motorja. Napetost, uporabljena na tretjem motoričnem terminalu, izhaja iz negativne vsote signalov, uporabljenih na prvih dveh navilih, ki se ustrezno uporabljajo za tri sinusoidne napetosti, razmaknjene 120 stopinj narazen.

Kot rezultat, dejanski izhodni tok valovna oblika natančno sledi ukaznemu signalu sinusoidnega toka, dobljeni vektor toka se gladko vrti, da se kvantitativno stabilizira in usmeri v želeno smer.

Rezultat krmiljenja sinusoidnih usmernikov stabiliziranega nadzora ni mogoče doseči s trapezoidnim usmernikom na splošno. Vendar pa se bo zaradi visoke učinkovitosti pri nizkih hitrostih motorja ločil z visokimi hitrostmi motorja. To je posledica dejstva, da morajo trenutni krmilniki povratnega regulatorja slediti sinusoidnemu signalu naraščajoče frekvence. Hkrati morajo premagati protiutežno elektromotivno silo motorja, ki se poveča amplitudo in frekvenco, ko se hitrost povečuje.

Ker imajo PI krmilniki končni odziv na dobiček in frekvenco, bodo motnje časovne invariantne v trenutni kontrolni zanki povzročile fazno zaostajanje in povečale napake v motornem toku, ki se povečajo z večjo hitrostjo. To bo motilo smer trenutnega vesoljskega vektorja glede na rotor, kar bo povzročilo premik iz smeri kvadrature.

Ko se to zgodi, lahko manj navor ustvari določena količina toka, zato je za vzdrževanje navora potrebno več toka. Učinkovitost se zmanjšuje.

To zmanjšanje se bo nadaljevalo s povečanjem hitrosti. V nekem trenutku fazni premik toka presega 90 stopinj. Ko se to zgodi, se navor zmanjša na nič. S kombinacijo sinusoidne hitrosti na tej točki zgoraj povzroči negativen navor in ga zato ni mogoče uresničiti.

Algoritmi za nadzor motorja AC

Skalarni nadzor

Scalar Control (ali V/Hz Control) je preprost način nadzora hitrosti ukaznega motorja

Model stacionarnega stanja ukaznega motorja se uporablja predvsem za pridobivanje tehnologije, zato prehodna zmogljivost ni mogoča. Sistem nima trenutne zanke. Za nadzor motorja se trifazni napajanje spreminja le po amplitudi in frekvenci.

Krmiljenje vektorja ali magnetno usmerjenost

Navor v motorju se razlikuje kot funkcija magnetnih polj in vrhov rotorja, ko sta obe polji pravokotni drug na drugega. Pri skalalnem nadzoru se kot med obema magnetnima poljima močno razlikuje.

Vektorski nadzor uspe ponovno ustvariti pravokotnost v AC Motors. Za nadzor navora vsak ustvari tok iz ustvarjenega magnetnega toka, da doseže odzivnost enosmernega stroja. Vektorski nadzor motorja z ukazom AC je podoben nadzoru ločeno vzbujenega DC motorja.

V DC motorju je energija magnetnega polja φf, ki jo ustvari vzbujevalni tok, če je pravokoten v armaturnem toku φa, ki ga ustvari armaturni tok IA. Ta magnetna polja se ločijo in stabilizirajo glede na drug drugega. Kot rezultat, ko armaturni tok nadzoruje za nadzor navora, energija magnetnega polja ostane ne vpliva in uresničen hitrejši prehodni odziv.

Terensko usmerjeno krmiljenje (FOC) trifaznega izmeničnega motorja je sestavljeno iz posnemanja delovanja DC motorja. Vse nadzorovane spremenljivke se matematično spremenijo v DC namesto AC. Njen ciljni neodvisni kontrolni navor in tok.

Obstajata dve metodi krmiljenja polja (FOC): Direct FOC: Smer magnetnega polja rotorja (rotorfluxangle) se izračuna neposredno s pretokom Opazovalca FOC: Smer magnetnega polja rotorja (rotorfluklen) dobimo posredno z oceno ali merjenje hitrosti rotorja in zdrs (zdrs (zdrs).

Vektorski nadzor zahteva znanje o položaju rotorja toka in ga je mogoče izračunati z naprednimi algoritmi z uporabo poznavanja končnih tokov in napetosti (z dinamičnim modelom izmeničnega indukcijskega motorja). Z izvedbenega vidika pa je potreba po računskih virih ključna.

Za izvajanje algoritmov vektorskega nadzora se lahko uporabijo različni pristopi. Tehnike napajanja, ocene modela in prilagodljive kontrolne tehnike se lahko uporabijo za izboljšanje odziva in stabilnosti.

Vektorski nadzor izmeničnih motorjev: globlje razumevanje

V središču algoritma vektorskega nadzora sta dve pomembni pretvorbi: pretvorba Clark, pretvorba parka in njihova obratna. Uporaba prehodov Clark in Park omogoča nadzor nad tokom rotorja v območje rotorja. To omogoča, da sistem za krmiljenje rotorja določi napetost, ki jo je treba dostaviti rotorju, da se maksimira navor pod dinamično spreminjajočimi se obremenitvami.

Pretvorba Clark: Matematična pretvorba Clark spreminja trifazni sistem v dvokoordinatni sistem:

Kjer sta IA in IB sestavni deli ortogonalnega datuma in je IO nepomembna homoplanarna komponenta

Trifazni tok rotorja v primerjavi z vrtečim se referenčnim sistemom

Pretvorba parka: Matematična pretvorba v parku pretvori dvosmerni statični sistem v vektor vrtljivega sistema.

Dvofazni predstavitev α, β okvirja se izračuna s pretvorbo Clarke in nato napaja v vektorski rotacijski modul, kjer vrti kot θ, da ustreza D, Q okvirju, pritrjenem na energijo rotorja. Po zgornji enačbi se realizira pretvorba kota θ.

Osnovna struktura magnetnega polja, usmerjenega v vektorsko krmiljenje izmeničnega motorja

Clarke transformacija uporablja trifazne tokove IA, IB in IC, ki so v fazi statorja s fiksnim koordinatom, ki se spremenijo v ISD in ISQ, ki postanejo elementi v parku Transformaciji d, q. Clarke transformacija temelji na modelu motornih tokov. Tokovi ISD, ISQ in trenutni kot pretoka θ, ki se izračunajo iz modela motorja, se uporabljajo za izračun električnega navora izmeničnega indukcijskega motorja.

Osnove vektorskega nadzora nad AC mototorji

Te izpeljane vrednosti primerjamo med seboj in referenčne vrednosti in jih posodablja krmilnik PI.

Tabela 1: Primerjava motorja In-Line Control in vektorskega nadzora:

Kontrolni parameter	V/Hz nadzor	Yari nadzor	Sagittalni nadzor brez senzorjev
Nastavitev hitrosti	1%	0 001%	0 05%
Prilagoditev navora	Revni	+/- 2%	+/- 5%
Model motorja	Ne	Povpraševanje	Potreben je natančen model
MCU procesna moč	Nizka	Visok	Visok +DSP

Prednost motorja na osnovi vektorja je, da je mogoče uporabiti isto načelo za izbiro ustreznega matematičnega modela za ločeno nadzor različnih vrst motorjev AC, PM-AC ali BLDC.

Vektorski nadzor motorja BLDC

Motor BLDC je glavna izbira za terensko usmerjeno vektorsko krmiljenje. Brezkrtačni motorji z FOC lahko dosežejo večjo učinkovitost, do 95%, prav tako pa so zelo učinkoviti za motorje pri visokih hitrostih.

Krmiljenje koraka motorja

Krmiljenje motorja STEPPER običajno sprejme dvosmerni pogonski tok, njegov motorični korak pa se realizira s preklopom navitja v zaporedju. Običajno ima ta vrsto koračnega motorja 3 pogonske sekvence:

1. 
   

   Enofazni vožnji s polnim korakom:

   
   

V tem načinu se navijanje poganja v naslednjem vrstnem redu, AB/CD/BA/DC (BA pomeni, da je navijanje AB poganjano v nasprotni smeri). To zaporedje se imenuje enofazni način v celotnem koraku ali način valov. Kadar koli je naenkrat le še en doplačilo.

2. Dvojni vožnji z dvojno fazo:

V tem načinu se obe fazi napolnita skupaj, tako da je rotor vedno med obema poljama. Ta način se imenuje bifazni celoten korak, ta način je normalno pogonsko zaporedje bipolarnega motorja, lahko oddaja največji navor.

3. Način pol koraka:

Ta način bo enofazni korak in dvofazni korak skupaj: enofazna moč, nato pa dvakrat dodajta moč in nato enofazno moč ... zato motor deluje v korakih v pol koraka. Ta način se imenuje polstopenjski način, učinkovit kota koraka motorja na vzbujanje pa se zmanjša za polovico, izhodni navor pa je tudi nižji.

Zgornji trije načini lahko uporabite za vrtenje v nasprotni smeri (v nasprotni smeri urinega kazalca), vendar ne, če je vrstni red obrnjen.

Običajno ima stepper motor več polov, da se zmanjša kot koraka, vendar sta število navitij in pogonsko zaporedje konstantno.

Splošni algoritem nadzora motorja DC

Splošni nadzor hitrosti motorja, zlasti uporaba dveh vezij motorja: krmiljenje faznega kota PWM Chopper

Nadzor faznega kota

Nadzor faznega kota je najpreprostejša metoda za nadzor hitrosti General Motors. Hitrost nadzoruje s spreminjanjem točkovnega loka TRIAC. Nadzor faznega kota je zelo ekonomična rešitev, vendar ni zelo učinkovita in nagnjena k elektromagnetnim motnjam (EMI).

Nadzor faznega kota General Motors

Zgoraj prikazan diagram prikazuje mehanizem nadzora faznega kota in je tipična uporaba triakalnega nadzora hitrosti. Fazno gibanje impulza triaka proizvaja učinkovito napetost in tako proizvaja različne hitrosti motorja, za določitev časovnega reference za zamudo vrat impulza pa se uporablja različno motorično hitrost.

PWM Chopper Control

PWM Control je bolj napredna rešitev za splošno krmiljenje hitrosti motorja. V tej raztopini se napajalni mofset ali IGBT vklopi visokofrekvenčno odpravljeno napetost izmenične črte, da ustvari časovno spreminjajočo se napetost za motor.

PWM Chopper Control za General Motors

Preklopno frekvenčno območje je običajno 10-20kHz za odpravo hrupa. Ta splošna namenska metoda nadzora motorja omogoča boljši nadzor toka in boljše zmogljivosti EMI in s tem večjo učinkovitost.