Principer för Brushless DC (BLDC) -motorer och rätt sätt att använda dem

Den mest grundläggande motorn är 'DC Motor (borstmotor) '. Genom att placera en spole i ett magnetfält och passera en strömmande ström genom den, kommer spolen att avvisas av magnetpolerna på ena sidan och lockas av den andra sidan samtidigt och kommer att fortsätta rotera under denna åtgärd. Under rotationen vänds strömmen genom spolen, vilket får den att rotera kontinuerligt. Det finns en del av motorn som kallas 'Commutator ' som drivs av 'borstar ', som är placerade ovanför 'styrväxeln ' och rör sig kontinuerligt när den roterar. Genom att ändra borstens läge kan strömriktningen ändras. Kommutatorn och borstarna är oundgängliga strukturer för rotation av en likströmsmotor.

Bild 1: Schematiskt diagram över driften av en likströmsmotor (borstad motor).

Kommutatorn växlar strömflödet i spolen och vänder polernas riktning så att de alltid roterar åt höger. Borstarna levererar kraft till kommutatorn som roterar med axeln.

Motorer som är aktiva inom många områden

Vi har kategoriserat motorer efter typ av kraftförsörjning och rotationsprincip (Fig. 2). Låt oss ta en kort titt på egenskaperna och användningen av varje typ av motor.

Bild 2: Huvudtyper av motorer

DC -motorer (borstade motorer), som är enkla och enkla att kontrollera, används ofta för applikationer som öppning och stängning av optiska diskbrickor i hushållsapparater. De används också i bilar för applikationer som öppning och stängning av elektriska speglar och riktningskontroll. Även om det är billigt och kan användas inom många områden, har den sina nackdelar. Eftersom kommutatorn kommer i kontakt med borstarna har den en kort livslängd och borstarna måste bytas ut regelbundet eller under garanti.

En stegmotor roterar med antalet elektriska pulser som skickas till den. Mängden rörelse beror på antalet elektriska impulser som skickas till den, vilket gör den lämplig för positionsjustering.

Det används ofta hemma för 'pappersmatning av faxmaskiner och skrivare ', etc. Eftersom matningsstegen för en faxmaskin beror på specifikationerna (gravering, finhet), är en stegmotor som roterar med antalet elektriska impulser mycket lätt att använda. Det är lätt att lösa problemet som maskinen stannar tillfälligt när signalen stannar. Synkrona motorer, vars antal rotationer varierar med frekvensen för strömförsörjningen, används i applikationer såsom 'roterande tabeller för mikrovågsugnar.

Motoruppsättningen har en växelreducerande för att erhålla antalet rotationer som är lämpliga för värme. Induktionsmotorer påverkas också av frekvensen för strömförsörjningen, men frekvensen och antalet varv sammanfaller inte. Tidigare användes dessa AC -motorer i fläktar eller tvättmaskiner.

Som ni ser är ett brett utbud av motorer aktiva inom flera fält. Vilka är egenskaperna hos BLDC -motorer (Borstlösa motorer ) som gör dem så mångsidiga?

Hur roterar en BLDC -motor?

'Bl ' i BLDC -motorer betyder 'Brushless ', vilket innebär att 'Borstar ' i DC -motorer (borstmotorer) inte längre finns. Borstens roll i DC -motorer (borstmotorer) är att aktivera spolarna i rotorn genom kommutatorn. Så hur aktiverar en BLDC -motor utan borstar spolarna i rotorn? Det visar sig att BLDC -motorer använder permanentmagneter för rotorn, och det finns ingen spole i rotorn. Eftersom det inte finns några spolar i rotorn, finns det inget behov av kommutatorer och borstar för att aktivera motorn. Istället används spolen som stator (figur 3).

Magnetfältet som skapas av de fasta permanentmagneterna i en likströmsmotor (borstmotor) rör sig inte och roterar genom att styra magnetfältet som skapas av spolen (rotorn) inuti den. Antalet rotationer ändras genom att ändra spänningen. Rotorn för en BLDC -motor är en permanent magnet, och rotorn roteras genom att ändra riktningen för magnetfältet som skapas av spolarna runt den. Rotorns rotation styrs genom att styra riktningen och storleken på strömmen som strömmar genom spolarna.

Bild 3: Schematiskt diagram över BLDC -motorisk drift.

   

Fördelar med BLDC -motorer

BLDC -motorer har tre spolar på statorn, var och en med två ledningar, för totalt sex ledtrådar i motorn. I verkligheten behövs bara tre ledningar vanligtvis eftersom de är internt kopplade, men det är fortfarande en mer än den tidigare beskrivna likströmsmotorn (borstad motor). Det rör sig inte rent genom att ansluta de positiva och negativa batteritminalerna. När det gäller hur man kör en BLDC Motor kommer att förklaras i den andra delen av denna serie. Den här gången kommer vi att fokusera på fördelarna med BLDC -motorer.

Den första egenskapen hos en BLDC -motor är 'hög effektivitet '. Det är möjligt att styra rotationskraften (vridmomentet) för att upprätthålla det maximala värdet hela tiden, medan med DC -motorer (borstmotorer) kan det maximala vridmomentet endast upprätthållas ett enda ögonblick under rotation, och det maximala värdet kan inte upprätthållas hela tiden. Om en likströmsmotor (borstmotor) vill få lika mycket vridmoment som en BLDC -motor kan den bara öka magneten. Det är därför till och med en liten BLDC -motor kan producera mycket kraft.

Den andra funktionen är 'bra kontrollerbarhet ', som är relaterad till den första. BLDC -motorer kan få vridmomentet, antalet varv, etc., precis som du vill att de ska vara, och BLDC -motorer kan mata tillbaka målantalet revolutioner, vridmoment etc. exakt. Exakt kontroll undertrycker värmeproduktionen och kraftförbrukningen för motorn. När det gäller batteridrivning är det möjligt att förlänga körtiden genom noggrann kontroll. Utöver detta kännetecknas det av hållbarhet och lågt elektriskt brus. Ovanstående två punkter är fördelarna med borstlösa.

Å andra sidan utsätts DC -motorer (borstade motorer) för slitage på grund av kontakten mellan borstarna och kommutatorn under en lång tid. Kontaktdelen genererar också gnistor. Särskilt när kommutatorns klyftor berör borsten kommer det att bli en enorm gnista och brus. Om du inte vill att brus ska genereras under användning kommer en BLDC -motor att övervägas.

BLDC -motorer används i dessa områden

Var används BLDC -motorer med hög effektivitet, mångsidig hantering och lång livslängd? De används ofta i produkter som kan använda deras höga effektivitet och långa livslängd och används kontinuerligt. Till exempel hushållsapparater. Människor har använt tvättmaskiner och luftkonditioneringsapparater länge. Nyligen har BLDC Motors antagits för elektriska fläktar och har lyckats dramatiskt minska kraftförbrukningen.

Det är på grund av den höga effektiviteten som kraftförbrukningen har minskat. BLDC -motorer används också i vakuumrengöringsmedel. I ett fall, genom att ändra kontrollsystemet, realiserades en stor ökning av antalet revolutioner. Detta exempel visar BLDC -motorernas goda styrbarhet.

BLDC -motorer används också i den roterande delen av hårddiskar, som är viktiga lagringsmedier. Eftersom det är en motor som måste köras länge är hållbarhet viktig. Naturligtvis har det också syftet att extremt undertrycka kraftförbrukningen. Den höga effektiviteten här är också relaterad till den låga elförbrukningen.

Det finns många fler användningsområden för BLDC -motorer

BLDC -motorer förväntas användas i ett bredare område av fält, och de kommer att användas i ett brett utbud av små robotar, särskilt 'Servicerobotar ' som tillhandahåller tjänster inom andra områden än tillverkning. 'Positionering är viktig för robotar, så bör vi inte använda stegmotorer som körs med antalet elektriska pulser? ' Man kanske tror det. När det gäller kraftkontroll är BLDC -motorer emellertid mer lämpliga. Dessutom, om stegmotorer används, måste en struktur som robotens handled levereras med en stor mängd ström för att fixas i en viss position. Med BLDC -motorer , endast den erforderliga kraften kan levereras i samband med en extern kraft, vilket bromsar kraftförbrukningen.

Det kan också användas vid transport. Enkla DC-motorer har länge använts i elbilar eller golfvagnar för äldre, men nyligen har högeffektiv BLDC-motorer med god kontrollerbarhet antagits. BLDC -motorer används också i drönare. Speciellt i UAV: er med multi-axelställningar, eftersom det styr flyginställningen genom att ändra antalet rotationer av propellerna, är BLDC-motorer som exakt kan kontrollera rotationerna fördelaktiga.

Vad sägs om det? BLDC -motorer är motorer av hög kvalitet med hög effektivitet, god kontroll och lång livslängd. Att maximera kraften hos BLDC -motorer kräver emellertid korrekt kontroll. Hur ska det göras?

Kan inte rotera med anslutning ensam

Den inre rotortypen BLDC -motor är en typisk typ av BLDC -motor, och dess yttre och interiör visas nedan (fig. 1). En borst DC -motor (nedan kallad en likströmsmotor) har en spole på rotorn och en permanent magnet på utsidan, medan en bldc -motor har en permanent magnet på rotorn och en spole på utsidan, och en BLCD -motor har en permanent magnet utan en spole på rotorn, så det är ingen behov att aktivera rotorn. Detta gör det möjligt att förverkliga en 'borstlös typ ' utan borstar för energi.

Å andra sidan, jämfört med DC -motorer, blir kontrollen svårare. Det handlar inte bara om att ansluta motorns kablar till strömförsörjningen. Även antalet kablar är annorlunda. Det är inte detsamma som 'Anslutning av de positiva (+) och negativa (-) terminalerna till strömförsörjningen '.

Bild 1: Exteriör och inre av BLDC -motor

Bild 2-A: BLDC Motor Rotation Principle

En spole placeras i BLDC -motorn med 120 graders intervall, totalt tre spolar, för att styra strömmen i den energiska fasen eller spolen

Som visas i figur 2-A använder BLDC-motorer tre spolar. Dessa tre spolar används för att generera magnetflöde när de är aktiverade och kallas U, V och W. Försök aktivera denna spole. Den nuvarande vägen på spolen U (nedan kallad 'spole ') registreras som fas U, V registreras som fas V, och W registreras som fas W. Därefter, titta på fas U. Låt oss titta på fas U. När elektricitet appliceras på U-fasen, magnetflödet genereras i riktningen för pilen som visas i figur 2-B. I verkligheten är dock U-, V- och W -faserna inte desamma som U -fasen.

Men i verkligheten är kablarna för U, V och W alla anslutna till varandra, så det är inte möjligt att bara aktivera U -fasen. Här kommer energi från U-fasen till W-fasen att generera magnetflöde i U och W såsom visas i fig. 2-C. De två magnetiska flödena av U och W syntetiseras i det större magnetiska flödet som visas i fig. 2-D. Den permanenta magneten kommer att roteras så att detta syntetiserade magnetflöde är i samma riktning som N -polen för den centrala permanentmagneten (rotor).

Bild 2-B: Rotationsprincipen för BLDC Motor

Flödet aktiveras från U-fasen till W-fasen. Först, genom att endast fokusera på U -delen av spolen, har det visat sig att ett magnetflöde genereras som i pilarna

Figur 2-D: Rotationsprincipen för en BLDC-motor som passerar elektricitet från fas U till fas W kan betraktas som att generera två magnetiska flöden syntetiserade

Om riktningen för det syntetiserade magnetiska flödet ändras ändras också den permanenta magneten. I samband med positionen för den permanenta magneten, växlar fasen aktiverad i U-fasen, V-fasen och W-fasen för att ändra riktningen för det syntetiserade magnetflödet. Om denna operation utförs kontinuerligt kommer det syntetiserade magnetiska flödet att rotera, vilket genererar ett magnetfält och roterar rotorn.

FIKON. 3 visar förhållandet mellan den energiska fasen och det syntetiska magnetiska flödet. I detta exempel, genom att ändra det energigivande läget från 1-6 i följd, kommer det syntetiska magnetiska flödet att rotera medurs. Genom att ändra riktningen för det syntetiserade magnetiska flödet och styra hastigheten kan rotorns rotationshastighet styras. Metoden för att styra motorn genom att växla mellan dessa sex aktiveringslägen kallas '120-graders energikontroll '.

Bild 3: Rotorns permanenta magneter kommer att rotera som om de drogs av ett syntetiskt magnetflöde, och motorns axel kommer att rotera som ett resultat

Slät rotation med sinusvågkontroll

Därefter, även om riktningen för det syntetiserade magnetiska flödet roteras under 120-graders energikontroll, finns det bara sex olika riktningar. Om du till exempel ändrar 'Energized Mode 1 ' i fig. 3 till 'Energized Mode 2 ' kommer riktningen för det syntetiska magnetiska flödet att förändras med 60 grader. Rotorn roterar sedan som om den lockas. Därefter, genom att byta från 'Energized Mode 2 ' till 'Energized Mode 3 ', kommer riktningen för det syntetiska magnetiska flödet att förändras igen med 60 grader. Rotorn kommer återigen att lockas till denna förändring. Detta fenomen kommer att upprepas. Rörelsen kommer att bli styv. Ibland kommer denna åtgärd också att göra ljud.

Det är 'sinusvågkontroll ' som eliminerar bristerna i den 120-graders energikontrollen och uppnår smidig rotation. I 120-graders kraftkontroll är det syntetiserade magnetiska flödet fixerat i sex riktningar. Det styrs så att det varierar kontinuerligt. I exemplet i fig. 2-C är flödena som genereras av U och W av samma storlek. Men om U-fasen, V-fasen och W-fasen kan kontrolleras bättre, kan spolarna var och en göras för att generera magnetflöde av olika storlekar, och riktningen för det syntetiserade magnetiska flödet kan kontrolleras exakt. Genom att justera den nuvarande storleken på var och en av U-fasen, V-fasen och W-fasen genereras ett syntetiserat magnetflöde samtidigt. Genom att kontrollera den kontinuerliga generationen av detta flöde roterar motorn smidigt.

Bild 4: Sinusvågskontroll Sinusvågskontroll

Ström i 3 faser kan kontrolleras för att generera syntetiskt magnetiskt flöde för jämn rotation. Syntetiskt magnetiskt flöde kan genereras i en riktning som inte kan genereras genom 120-graders energikontroll

Använda en inverterare för att styra en motor

Vad sägs om strömmarna på varje fas av U, V och W? För att göra det lättare att förstå, tänk tillbaka på den 120-graders energikontrollen och ta en titt. Titta igen på Fig. 3. I energiskt läge 1 flyter ström från U till W; I energiskt läge 2 flyter strömmen från U till V. Som ni ser, närhelst kombinationen av spolar där strömflöden förändras förändras också riktningen för de syntetiska flödespilarna.

Därefter flyter du på energiläge 4. I detta läge flyter ström från W till U, i motsatt riktning av aktiveringsläget 1. DC -motorer , växling av strömriktning som denna görs av en kombination av kommutator och borstar. BLDC -motorer använder emellertid inte en sådan metod för kontakttyp. En inverterkrets används för att ändra strömriktningen. Inverterare kretsar används vanligtvis för att styra BLDC -motorer.

Omformarkretsen justerar det aktuella värdet genom att ändra den applicerade spänningen i varje fas. För spänningsjustering används PWM (PulseWidthModulation = Pulsbreddmodulering) vanligtvis. PWM är en metod för att ändra spänningen genom att justera tiden för pulsen på/av, och vad som är viktigt är förändringen av förhållandet (tullcykel) mellan tiden och ledtiden. Om ON -förhållandet är högt kan samma effekt som att öka spänningen erhållas. Om ON -förhållandet minskar erhålls samma effekt som spänningsreduktion (fig. 5).

För att realisera PWM finns nu mikrodatorer utrustade med dedikerad hårdvara. För att utföra sinusvågkontroll är det nödvändigt att styra spänningarna i 3 faser, så programvaran är något mer komplex än 120 graders energisk kontroll där endast två faser är energiska. Omformaren är en krets som är nödvändig för att driva en BLDC -motor. Inverterare används också i AC-motorer, men det kan antas att nästan alla BLDC-motorer används i det som kallas 'invertertyp ' Hemmapparater.

Bild 5: Förhållandet mellan PWM -utgång och utgångsspänning

Ändra i tid vid en viss tid för att ändra spänningsvärdet.

Ju längre i tid, desto närmare är RMS -värdet till spänningen när 100% spänning appliceras (i tid).

BLDC -motorer som använder positionssensorer Ovanstående är en översikt över kontrollen av BLDC -motorer, som ändrar riktningen för det syntetiserade magnetiska flödet som genereras av spolarna, vilket får rotorns permanentmagneter att förändras i enlighet därmed.

Det finns faktiskt en annan punkt som inte nämns i ovanstående beskrivning. Det vill säga närvaron av sensorer i BLDC -motorer. BLDC -motorer styrs i samband med rotorns läge (vinkel) (permanentmagnet). Därför är en sensor för att få rotorns position nödvändig. Om det inte finns någon sensor att veta riktningen för den permanenta magneten, kan rotorn vända i en oväntad riktning. Detta är inte fallet när det finns en sensor för att ge information.

Tabell 1 visar de viktigaste typerna av sensorer för positionsdetektering i BLDC -motorer. Beroende på kontrollmetoden behövs olika sensorer. För 120-graders energikontroll är en halleffektsensor som kan mata in en signal var 60 grader utrustad för att bestämma vilken fas som ska aktiveras. Å andra sidan, för 'vektorkontroll ' (beskrivs i nästa avsnitt), som exakt styr det syntetiserade magnetiska flödet, är högprecisionssensorer som hörnsensorer eller fotoelektriska kodare mer effektiva.

Användningen av dessa sensorer gör det möjligt att upptäcka position, men det finns vissa nackdelar. Sensorerna är mindre resistenta mot damm och underhåll är viktigt. Temperaturområdet som de kan användas reduceras också. Användningen av sensorer eller tillägg av ledningar för detta ändamål gör att kostnaderna stiger, och sensorer med hög precision är i sig dyra. Detta ledde till introduktionen av metoden 'sensorless '. Den använder inte en sensor för positionsdetektering, vilket kontrollerar kostnaderna och eliminerar behovet av sensorrelaterat underhåll. I syfte att illustrera principen antas emellertid att informationen har erhållits från positionssensorn.

Sensortyp	Huvudapplikationer	Egenskaper
Halleffektsensor	120 graders energikontroll	Förvärvar signal var 60 grader. Lägre pris. Inte värmebeständig.
Optisk kodare	Sinusvågstyrning, vektorkontroll	Det finns två typer: inkrementell typ (avståndet som reste från den ursprungliga positionen är känd) och absolut typ (vinkeln på den nuvarande positionen är känd). Upplösningen är hög, men dammmotstånd är svag.
Vinkelsensor	Sinusvågstyrning, vektorkontroll	Hög upplösning. Kan användas även i robusta och hårda miljöer.

Tabell 1: Typer och egenskaper hos sensorer specialiserade för positionsdetektering

Hög effektivitet upprätthålls hela tiden genom vektorkontroll

Sinusvågstyrning ändrar smidigt riktningen för det syntetiserade magnetiska flödet genom att aktivera 3 faser, så att rotorn roterar smidigt. 120-graders energikontrollomkopplare 2 i U-fasen, V-fasen och W-fasen för att rotera motorn, medan sinusformad kontroll kräver exakt kontroll av strömmarna i de tre faserna. Dessutom är kontrollvärdet ett växelströmsvärde som förändras hela tiden, vilket gör det svårare att kontrollera.

Det är här vektorkontrollen kommer in. Vektorkontroll förenklar kontrollen genom att beräkna AC -värdena för de tre faserna som DC -värdena för de två faserna genom koordinatomvandling. Beräkningar av vektorkontroll kräver emellertid rotorpositioninformation vid hög upplösning. Det finns två metoder för positionsdetektering, nämligen metoden med hjälp av positionssensorer såsom fotoelektriska kodare eller hörnsensorer, och den sensorlösa metoden som extrapolerar de aktuella värdena för varje fas. Denna koordinatomvandling möjliggör direkt kontroll av det aktuella värdet förknippat med vridmomentet (rotationskraften) och förverkligar därmed effektiv kontroll utan överskottsström.

Vektorkontroll kräver emellertid koordinatomvandling med användning av trigonometriska funktioner eller komplex beräkning. Därför används i de flesta fall mikrodatorer med hög beräkningskraft som kontrollmikrodatorer, såsom mikrodatorer utrustade med FPU: er (flytande punktenheter).

En borstlös DC -motor (BLDC: BrushlessDirectCurrentMotor), även känd som en elektroniskt pendlad motor (ECM eller EC -motor) eller synkron DC -motor, är en typ av synkronmotor som använder en likström (DC) kraftförsörjning.

En borstlös DC-motor (BLDC: Brushless likströmmotor) är i huvudsak en permanent magnet synkronmotor med positionsåterkoppling som använder en DC-kraftinmatning och en inverterare för att konvertera den till en trefasströmförsörjning. En Borstless Motor (BLDC: Brushless DirectCurrent Motor) är en självkommuterad typ (självriktning) och är därför mer komplex att kontrollera.

https://www.holymotor.com/brushless-motors.html

BLDC Motor (BrushlessDirectCurrentMotor) Kontroll kräver kunskap om rotorpositionen och mekanismen genom vilken motorn har rättats och styrs. För hastighetskontroll med sluten slinga finns det ytterligare två krav, en mätning av rotorhastigheten/ eller motorström och en PWM-signal för att kontrollera motorhastighetseffekten.

BLDC-motorer (BrushlessDirectCurrentMotor) kan använda antingen sidoinriktade eller mittjusterade PWM-signaler beroende på applikationskraven. De flesta applikationer som endast kräver hastighetsändringsoperation kommer att använda sex separata sidoinriktade PWM -signaler. Detta ger den högsta upplösningen. Om applikationen kräver serverpositionering, energibromsning eller kraftförändring rekommenderas de kompletterande centrumjusterade PWM-signalerna.

För att avkänna rotorposition använder BLDC -motorer (BrushlessDirectCurrentMotor) Hall Effect -sensorer för att ge absolut positionsavkänning. Detta resulterar i användning av fler ledningar och högre kostnad. Sensorlös BLDC -kontroll eliminerar behovet av hallensorer och använder istället motorns räknare elektromotivkraft (elektromotivkraft) för att förutsäga rotorposition. Sensorlös kontroll är avgörande för billiga applikationer med variabel hastighet som fläktar och pumpar. Sensorlös kontroll krävs också för kylskåp och luftkonditioneringskompressorer när BLDC -motorer (borstlösa likströmmotorer) används.

Det finns alla typer av motorer, och BLDC -motorn är den mest idealiska hastighetsmotorn som finns idag. Den kombinerar fördelarna med DC -motorer och växelströmsmotorer, med den goda justeringsprestanda för DC -motorer och fördelarna med AC -motorer som enkel struktur, ingen provision gnista, tillförlitlig drift och enkelt underhåll. Därför är det mycket populärt på marknaden och används allmänt i bilar, hushållsapparater, industriutrustning och andra områden.

Borstless DC -motor övervinner de inneboende defekterna av borst DC -motor och ersätter den mekaniska kommutatorn med elektronisk kommutator, så borstfri DC -motor har egenskaperna hos DC -motor med god hastighetsregleringsprestanda, och har också fördelarna med AC -motor med enkel struktur, inga kommutationsskal, tillförlitlig drift och enkel underhåll.

Brushless DC Motor (BrushlessDirectCurrentMotor) är den mest perfekta hastighetskontrollmotorn idag. Den kombinerar fördelarna med DC -motorer och växelströmsmotorer, med den goda justeringsprestanda för DC -motorer och fördelarna med AC -motorer, såsom enkel struktur, inga pendlingsskal, tillförlitlig drift och enkelt underhåll.

Brushless likströmmotor (BrushlessDirectCurrentMotor) Utvecklingshistoria

Borstlösa DC -motorer utvecklas på grundval av borstmotorer, och deras struktur är mer komplex än borstmotorer. Brushless DC -motor består av motorisk kropp och förare. Till skillnad från borstad likströmsmotor använder borstlös likströmsmotor (borstlösdirectcurrentmotor) inte mekanisk borstanordning, utan antar kvadratvågs självkontroll permanent magnet synkron motor och ersätter kolborstkommutator med hallsensor och använder neodymium-järnboron som permanent magnetmaterial av rotor. (Det bör noteras att vid elmotorns födelse under förra seklet var de praktiska motorerna som uppstod av den borstlösa formen.)

1740S: Början på uppfinningen av elmotorn

Tidiga modeller av elmotorn dök först upp på 1740 -talet genom arbetet med den skotska forskaren Andrew Gordon. Andra forskare, som Michael Faraday och Joseph Henry, fortsatte att utveckla tidiga motorer, experimentera med elektromagnetiska fält och upptäckte hur man omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi.

1832: Uppfinningen av den första kommutator DC -motorn

Den första DC -motorn som kunde ge tillräckligt med kraft för att driva maskiner uppfanns av den brittiska fysikern William Sturgeon 1832, men dess tillämpning var allvarligt begränsad på grund av dess låga effektutgång, som fortfarande var tekniskt bristfällig.

1834: Den första riktiga elmotorn är byggd

Efter Sturgeons fotspår gjorde Thomas Davenport i Vermont, USA, historia genom att uppfinna den första officiella batteridrivna elmotorn 1834. Det var den första elmotorn med tillräckligt med kraft för att utföra sin uppgift, och hans uppfinning användes för att driva en liten tryckpress. 1837, Thomas Davenport och hans fru, Emily Davenport, fick den första patenten.

Homas och Emily Davenports patenterade motor

1886: Uppfinningen av den praktiska DC -motorn    

År 1886 infördes den första praktiska DC -motorn som kunde köras med konstant hastighet med variabel vikt. Frankjulian Sprague var dess uppfinnare.

Frank Julian Sprague's 'Utility ' Motor

Det är värt att notera att verktygsmotorn var en borstlös form av AC-ekorre-asynkronmotor, som inte bara eliminerade gnistor och spänningsförluster vid de lindande terminalerna, utan också tillät kraften att levereras med konstant hastighet. Den asynkrona motorn hade emellertid många oöverstigliga defekter, så att utvecklingen av motorteknologi var långsam.

1887: AC induktionsmotorpatenterad

År 1887 uppfann Nikola Tesla AC -induktionsmotorn (acinduktionsmotor), som han framgångsrikt patenterade ett år senare. Det var inte lämpligt för användning i vägfordon, men anpassades senare av Westinghouse-ingenjörer. 1892 designades den första praktiska induktionsmotorn, följt av en roterande bar-sundrotor, vilket gjorde motorn lämplig för bilapplikationer.

1891: Utveckling av trefasmotorn

År 1891 började General Electric utvecklingen av trefasinduktionsmotorn (ThreePhasemotor). För att utnyttja sårrotordesignen undertecknade GE och Westinghouse ett tvärlicensavtal 1896.

1955: Början av DC Brushless Motor Era

1955, USA d. Harrison och andra ansökte om första gången med en transistorkommutationslinje istället för borst DC Motor Mechanical Brush Patent, officiellt markerade födelsen av den moderna borstlösa DC -motoren (BrushlessDirectCurrentMotor). Men vid den tiden fanns det ingen motorrotorpositiondetekteringsanordning, motorn hade inte förmågan att starta.

1962: Den första borstlösa DC (BLDC) -motorn uppfanns tack vare framstegen inom fast tillståndsteknologi i början av 1960-talet. 1962 uppfann TGWILSON och PHTRICKEY den första BLDC-motorn, som de kallade 'Solid-State pendlade DC Motor '. Det viktigaste elementet i Borstless motor var att den inte krävde en fysisk kommutator, vilket gjorde det till det mest populära valet för datordiskenheter, robotar och flygplan.

De använde hallelement för att upptäcka rotorpositionen och kontrollera fasförändringen av lindningsströmmen för att göra borstlösa DC -motorer praktiska, men begränsades av transistorkapacitet och relativt låg motorisk kraft.

1970 -talet för närvarande: Snabb utveckling av borstlösa DC -motoriska tillämpningar

Sedan 1970-talet, med uppkomsten av nya kraftförledarenheter (såsom GTR, MOSFET, IGBT, IPM), den snabba utvecklingen av datorkontrollteknik (Microcontroller, DSP, New Control Theories), liksom högpresterande sällsynta magnetmaterial (såsom samarium cobolt, dsp, nya kontrollteorier), liksom högpresterande sällsynta magnetmaterial (såsom samarium cobolt, snabbt utvecklad. BrushlessDirectCurrentMotor) har utvecklats snabbt och kapaciteten ökar. Teknikdriven industriell utveckling, med introduktionen av MAC Classic Brushless DC Motor och dess förare 1978, samt forskning och utveckling av kvadratvåg Brushless motor och sinusvågsborstfri DC-motor På 80-talet började borstlösa motorer verkligen komma in i det praktiska stadiet och få snabb utveckling.

Brushless DC Motor Övergripande struktur och princip

Brushless DC -motor (BrushlessDirectCurrentMotor) består av synkron motor och förare, som är en typisk mekatronisk produkt. Statorlindningen av synkronmotor är mestadels till trefas symmetrisk stjärnanslutning, som är mycket lik trefas asynkron motor.

Strukturen för BLDCM -kontrollsystemet innehåller tre huvuddelar: motorkropp, körkrets och kontrollkrets. I arbetsprocessen samlas in och bearbetas informationen för strömspänning, ström- och rotorposition av styrkretsen för att generera motsvarande styrsignaler, och drivkretsen driver motorkroppen efter att ha mottagit styrsignalerna.

Borstless DC -motor (borstlöst DirectCurrentMotor) består huvudsakligen av en stator med spollindningar, en rotor tillverkad av permanent magnetmaterial och en positionssensor. Positionsensorn kan också lämnas okonfigurerad.

Stator

Statorstrukturen för en BLDC -motor liknar den för en induktionsmotor. Den består av staplade stållamineringar med axiella spår för lindning. Lindningarna i BLDC skiljer sig något från de i konventionella induktionsmotorer.

BLDC Motor Stator

Vanligtvis består de flesta BLDC -motorer av tre statorlindningar anslutna i en stjärna eller 'y ' -form (ingen neutral). Dessutom, baserat på spole -sammankopplingar, är statorlindningarna ytterligare uppdelade i trapezoidala och sinusformade motorer.

Bldc Motor Reverse Electromotive Force

I en trapezoidal motor har både drivströmmen och räknaren elektromotivkraft en trapezoidform (sinusformad i fallet med en sinusformad motor). Vanligtvis används motorer som är klassade vid 48 V (eller mindre) i bil- och robotik (hybridbilar och robotarmar).

Rotor

Rotordelen av en BLDC-motor består av permanenta magneter (vanligtvis sällsynta jordlegeringsmagneter såsom neodym (ND), Samarium Cobalt (SMCO) och Neodymium Iron Boron (NDFEB).

Beroende på applikationen kan antalet poler variera mellan två och åtta, med nordpolen (n) och sydpolen placeras växelvis. Diagrammet nedan visar tre olika arrangemang av magnetiska poler.

(a) Magneten placeras på rotorns periferi.

(b) En rotor som kallas en elektromagnetiskt inbäddad rotor där en rektangulär permanentmagnet är inbäddad i rotorns kärna.

(c) Magneten sätts in i rotorns kärna. 

BLDC Motor Rotor Position Sensor (Hall Sensor)

Eftersom det inte finns några borstar i BLDC -motorer kontrolleras pendlingen elektroniskt. För att rotera motorn måste statorlindningarna aktiveras i följd och rotorns läge (dvs. rotorns nord- och sydpoler) måste vara kända för att exakt aktivera en specifik uppsättning statorlindningar.

Positionsensorer som använder hallensorer (fungerar på Hall Effect -principen) används vanligtvis för att upptäcka rotorns position och omvandla den till en elektrisk signal. De flesta BLDC -motorer använder tre hallsensorer som är inbäddade i statorn för att upptäcka rotorns position.

Hallsensorer är en typ av sensor baserad på halleffekten, som först upptäcktes 1879 av den amerikanska fysikerhallen i metalliska material, men inte användes eftersom halleffekten i metallmaterial var för svag. Med utvecklingen av halvledarteknologi började använda halvledarmaterial för att producera hallkomponenter på grund av halleffekten är betydande och har tillämpats och utvecklats. En hallsensor är en sensor som genererar en utgångsspänningspuls när ett växlande magnetfält går förbi. Pulsamplituden bestäms av fältstyrkan för excitationsmagnetfältet. Därför kräver hallsensorer inte en extern strömförsörjning.

Utgången från hallsensorn kommer att vara hög eller låg beroende på om rotorns nordpol är sydpolen eller nära Nordpolen. Genom att kombinera resultaten från de tre sensorerna kan den exakta energisekvensen bestämmas.

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° of Elektrisk vinkel mellan faserna. Denna struktur skiljer sig från en rent borstad likströmsmotor och liknar statorens lindningsstruktur för en växelströmsmotor, men kvadratvågströmförsörjning levereras till motorn av drivkretsen när den fungerar.

BLDCM väljer ett fullbron, trefas, stjärnstyrda, sexstatliga, två-för-två-ledningsläge, där två MOSFET: er är energiska i drivkretsen samtidigt, och följaktligen tvåfasstatorlindningarna i motorens kropp är energiska i serie. Varje elektronisk fasförändring en gång, statorn magnetisk dynamisk potential FA fyllde 60 ° utrymme elektrisk vinkel, är en stegmagnetisk dynamisk potential, intervallet på 60 ° tid elektrisk vinkel, FA gjorde ett hopp. Although the rotor rotates continuously, but the stator magnetic momentum rotation mode is a stepping type, which is different from the real AC synchronous motor rotating magnetic momentum.BLDCM's Fa and rotor magnetic momentum Ff space angle is always in the range of 60 ° ~ 120 ° range of periodic changes, the average value of 90 °, which ensures that the stator and rotor magnetic momentum Fa, Ff interaction to get is the Genomsnittlig maximal elektromagnetisk vridmoment T, den starka drag permanentmagnetrotorens kontinuerliga rotation.

Arbetsprincipen för Borstlös likströmsmotor liknar den för borst DC -motor. Lorentzs Force Law säger att så länge en strömbärande ledare placeras i ett magnetfält kommer den att bli föremål för en kraft. På grund av reaktionskraften kommer magneten att utsättas för lika och motsatta krafter. När en ström passeras genom en spole genereras ett magnetfält, som drivs av statorns magnetpoler, med homopolariteter som avvisar varandra och anisotropa poler som lockar varandra. Om strömens riktning i spolen kontinuerligt ändras, kommer polerna på magnetfältet inducerat i rotorn också kontinuerligt att ändras, och då kommer rotorn att rotera hela tiden under magnetfältets verkning.

I BLDC-motorer är de permanenta magneterna (rotorn) i rörelse, medan den nuvarande bärande ledaren (statorn) är fixerad.

Bldc Motor Drift Diagram

När statorspolen får ström från strömförsörjningen blir den en elektromagnet och börjar generera ett enhetligt magnetfält i luftgapet. Strömbrytaren genererar en växelströmsvågform med en trapesformad form trots att strömförsörjningen är DC. Rotorn fortsätter att rotera på grund av interaktionskraften mellan den elektromagnetiska statorn och den permanenta magnetrotorn.

Genom att byta lindningar till höga och låga signaler är motsvarande lindningar upphetsade som nord- och sydpoler. Den permanenta magnetrotorn med södra och nordpoler är i linje med statorstatorerna, vilket får motorn att rotera.

BLDC Motor Operation Diagram för en-pol och två-polig BLDC-motorer

Borstlösa DC-motorer finns i tre konfigurationer: enfas, tvåfas och trefas. Bland dem är trefas BLDC den vanligaste.

(3) Borstlösa DC -motoriska körmetoder

Körmetoden för Borstlös likströmsmotor kan delas in i olika körmetoder enligt olika kategorier:

Enligt drivvågformen: Square Wave Drive är denna drivmetod bekvämt att inse, lätt att förverkliga motorn utan positionssensorstyrning.

Sinusoidal Drive: Denna drivmetod kan förbättra motorens köreffekt och göra utgångsmomentets enhetliga, men realiseringsprocessen är relativt komplicerad. Samtidigt har denna metod SPWM och SVPWM (Space Vector PWM) två sätt, SVPWM är bättre än SPW.

(4) Fördelar och nackdelar med borstlös DC -motor

Fördelar:

▷   Hög utgångseffekt

▷ Liten storlek och vikt 

▷ God värmeavledning och hög effektivitet 

▷ Brett utbud av driftshastigheter och lågt elektriskt brus. 

▷ Hög tillförlitlighet och låga underhållskrav. 

▷ Hög dynamiskt svar 

▷ Låg elektromagnetisk störning

Otillräcklig:

▶ Den elektroniska styrenheten som krävs för att styra denna motor är dyr 

▶ Komplexa drivkretsar krävs 

▶ Extra positionssensorer krävs (FOC används inte)

5） applicering av borstlös likströmsmotor

Brushless DC motors are widely used in various application needs, such as industrial control (Brushless DC motors play an important role in industrial production such as textile, metallurgy, printing, automated production lines, CNC machine tools, etc.) , Automotive (motors are found in wipers, power doors, automotive air conditioning, power windows and other parts of the car.) , Aviation, automation system (in life common printers, fax machines, copy machines, hard Diskenheter, disketter Borstlösa DC-motorer .) Dessutom kan sjukvårdsutrustning (användningen av borstlösa DC-motorer varit vanligare, användas för att driva en liten blodpump i det konstgjorda hjärtat; i landet används kirurgiska höghastighetsapparater för höghastighetscentrifuger, termiska avbildningar och termometri av den infraröda lasermodulatorn.

Skillnader mellan borstlösa DC -motorer och borstade DC -motorer

Projektkategori	Borstfri likströmsmotor	Borstbonder
Strukturera	Permanent magnet som rotor, elektrisk enhet som stator	Permanent magnet som rotor, elektrisk enhet som stator
Lindningar och spollänkar	Borstade motoriska egenskaper, lång livslängd, ingen störning, inget underhåll, lågt brus, högt pris.	Värmeavbrott
Bra	Dålig	Pendling
Elektronisk växlingskommutator med elektroniska kretsar	Mekanisk kontakt mellan borste och likriktare	Rotorpositionsensor
Hallelement, optiska kodare, etc. eller motpotentialgeneratorer	Självförökande av borstar	Självförökande av borstar
Omkastning	Ändra växlingssekvensen för den elektroniska styrväxeln	Byte av terminalspänningspolaritet
Jämförelse av fördelar och nackdelar	Bra mekaniska och kontrollegenskaper, lång livslängd, ingen störning, låg röst, men högre kostnad.	Bra mekaniska egenskaper och kontroll, högt brus, elektromagnetisk störning

Jämförelse av borstlösa DC -motorer och borstade DC -motorer

Global BLDC Motor Mainstream -tillverkare (TOP10)

För närvarande inkluderar de bästa företagen inom BLDC -industrin ABB, AMTEK, NIDEC, MINEBEA Group, Textronic, United Motion Technologies, Baldor Electronics, North American Electric Company, Schneider Electric och Regalbeloit Corporation.

Introduktion till borstlösa DC -motorer

En borstlös likströmsmotor (BLDC) är en typ av synkronmotor där magnetfältet som genereras av statorn och magnetfältet som genereras av rotorn har samma frekvens. Det används allmänt på grund av dess fördelar med hög utgångseffekt, lågt elektriskt brus, hög tillförlitlighet, hög dynamisk respons, mindre elektromagnetisk störning och bättre hastighetståg.

Borstfri likströmsmotor inre struktur

Strukturen för en DC borstlös motor visas nedan (slitsad, extern rotor, sensorlös motor som exempel):

Den borstlösa motorn består av framkåpan, mittskyddet, magneten, kiselstålplåten, emaljerad tråd, lager, roterande axel och bakre lock. Bland dem utgör magneten, lager och roterande axel motorns rotor; Motorns stator består av kiselstålark och emaljerad tråd. Det främre locket, mittskyddet och baklocket innefattar motorens skal. Viktiga komponenter beskrivs i följande tabell:

	Komponenter	Beskrivning
Rotor	Magnet	En viktig komponent i en borstlös motor. De allra flesta av prestandaparametrarna för en borstlös motor är relaterade till den;
	Rotationsaxel	Den direkt stressade delen av rotorn;
	Lager	Är garantin för slät motorisk drift; För närvarande använder de flesta borstlösa motorer djupa spårkulslager;
Rotor	Kisel stålplåt	Silikonstålark är en viktig del av den slitsade borstlösa motorn, huvudfunktionen är att minska magnetmotståndet och delta i magnetkretsoperationen;
	Emaljtråd	Som den energiska ledaren för spollindningen; Genom den växlande frekvensen och vågformen av strömmen bildas ett magnetfält runt statorn för att få rotorn att rotera;

Rotorbeskrivning

Rotorn till en Borstless DC-motor (BLDC) är tillverkad av permanenta magneter med flera poler av poler arrangerade växelvis enligt N- och S-pol (involverar polparparametern).

Rotormagnet tvärsnitt

Statorbeskrivning

Statorn för en Borstless DC Motor (BLDC) består av ett kiselstålark (figur nedan) med statorlindningar placerade i spåren skurna axiellt längs den inre axeln (parameternumret för kärnpoler (antal slots N) är involverade). Varje statorlindning består av ett antal spolar anslutna till varandra. Vanligtvis distribueras lindningarna i ett tre-anslutet stjärnmönster.

Trippel-anslutna stjärn-lurvspolar, enligt hur spolarna är anslutna, kan statorlindningarna delas upp i trapezoidala och sinusformade lindningar. Skillnaden mellan de två är främst vågformen för den genererade motelektromotivkraften. Som namnet antyder: Trapezoidal statorlindning producerar en trapesformad elektromotivkraft, och sinusformad lindning producerar en sinusformad elektromotivkraft. Detta visas i figuren nedan:   

PS: När motorn levereras utan belastning kan vågformen mätas med oscilloskop.

02 Klassificering av borstlösa DC -motorer

Brushless DC Motor Classification Beskrivning

Borstless DC -motor (BLDC) enligt rotorfördelningen kan delas upp i den inre rotormotorn, extern rotormotor; Enligt drivfasen kan delas upp i enfasmotor, tvåfasmotor, trefasmotor (den vanligaste användningen); enligt huruvida sensorn är uppdelad i sensoriska motorer och icke-sensoriska motorer, och så vidare; Det finns många klassificeringar av motorer, rymdskälet, inte att vara här för att beskriva bröderna som är intresserade av sin egen förståelse.

Inre och yttre rotormotorbeskrivning

Borstlösa motorer kan delas upp i yttre rotormotorer och inre rotormotorer enligt radstrukturen för rotor och stator (som visas nedan).

Motor	Beskrivande
Yttre rotormotor	Den inre energiserade spollindningen fungerar som statorn, och de permanenta magneterna är kopplade till höljet som rotorn; I vanligt parlance: Rotorn är utanför och statorn är inne;
Inre rotormotor	De inre permanenta magneterna är kopplade till axeln som rotor, den energiska spollindningen och skalet som stator. Vanligtvis: rotor inuti, stator utanför;

Skillnaden mellan intern och extern rotormotor

Förutom de olika rotor- och statorns sekvensering finns det också skillnader mellan interna och externa rotormotorer enligt följande:

Egenskaper	Inre rotormotor	Yttre rotormotor
Kraftdensitet	Högre	Lägre
Hastighet	Högre	Lägre
Lägre stabilitet	Lägre	Högre
Kosta	Relativt högre relativt	Lägre
Värmeavbrott	Medelmåttig	Värre bättre
Polpar	Mindre	Mer

03 DC Brushless Motor Parametrar

Borstfria motorsametrar

Parameter	Beskrivning
Betygsspänning	För borstlösa motorer är de lämpliga för ett mycket brett utbud av driftspänningar, och denna parameter är driftspänningen under specifika belastningsförhållanden.
Kv -värde	Fysisk betydelse: Hastighet per minut under 1V arbetsspänning, det vill säga: hastighet (ingen belastning) = kV -värde * Arbetsspänning för borstlösa motorer med storleksspecifikationer: 1. Antalet lindningsvarv är stort, KV -värdet är lågt, den maximala utgångsströmmen är liten och vridmomentet är stort; 2. Färre vändningar av lindning, högt KV -värde, maximal utgångsström, litet vridmoment;
Vridmoment och hastighet	Vridmoment (moment, vridmoment): Det drivande vridmomentet som genereras av rotorn i motorn kan användas för att driva den mekaniska belastningen; Hastighet: Motorhastighet per minut;
Maximal ström	Den maximala strömmen som tål och arbeta säkert
Trågstruktur	Antal kärnstänger (antal spår n): Antalet spår av statorn kiselstålark; Antal magnetiska stålstänger (polantal P): Antalet magnetiskt stål på rotorn;
Statorinduktion	Induktansen i båda ändarna av statorn som lindas av en motor i vila
Statormotstånd	DC -motstånd för varje faslindning av motor vid 20 ℃
DC -motstånd för varje faslindning av motor vid 20 ℃	Under angivna förhållanden, när motorns lindning är öppen, inducerade värdet på linjär elektromotivkraft som genereras i ankarlindningen per enhetshastighet

BLDC Motor Control

BLDC Motor Control -algoritmer

Borstlösa motorer är av självkommande typ (självriktningskontakt) och är därför mer komplexa att kontrollera.

BLDC -motorstyrning kräver kunskap om rotorpositionen och mekanismen genom vilken motorn genomgår rättelsestyrning. För hastighetskontroll med sluten slinga finns det ytterligare två krav, dvs mätningar för rotorhastighet/ eller motorström och PWM-signaler för att kontrollera motorhastighetseffekten.

BLDC-motorer kan ha antingen sidoinriktade eller mittjusterade PWM-signaler beroende på applikationskraven. De flesta applikationer kräver endast hastighetsändringsdrift och kommer att använda 6 separata sidoinriktade PWM -signaler.

Detta ger den högsta upplösningen. Om applikationen kräver serverpositionering, energibromsning eller kraftförändring rekommenderas de kompletterande centrumjusterade PWM-signalerna. För att avkänna rotorpositionen använder BLDC Motors Hall Effect -sensorer för att ge absolut positionsavkänning. Detta resulterar i användning av fler ledningar och högre kostnader. Sensorlös BLDC -kontroll eliminerar behovet av hallensorer och använder istället motorns räknare elektromotivkraft (elektromotivkraft) för att förutsäga rotorposition. Sensorlös kontroll är avgörande för billiga applikationer med variabel hastighet som fläktar och pumpar. Sensorlös kontroll krävs också för kylskåp och luftkonditioneringskompressorer när BLDC -motorer används.

Insättning och tillskott av tid

De flesta BLDC-motorer kräver inte kompletterande PWM, insättning utan belastning eller tidskompensation utan belastning. De enda BLDC -applikationerna som kan kräva dessa funktioner är High Performance BLDC Servo Motors, Sine Wave Excited BLDC Motors, Brushless AC eller PC Synchronous Motors.

Kontrollalgoritmer

Många olika kontrollalgoritmer används för att ge kontroll över BLDC -motorer. Vanligtvis används krafttransistorer som linjära regulatorer för att styra motorspänningen. Detta tillvägagångssätt är inte praktiskt när man driver motorer med hög kraft. Högeffektmotorer måste kontrolleras PWM och kräva att en mikrokontroller tillhandahåller start- och kontrollfunktioner.

Kontrollalgoritmen måste tillhandahålla följande tre funktioner:

En PWM -spänning för att styra motorhastigheten

En mekanism för att korrigera och pendla motorn

Metoder för att förutsäga rotorposition med omvänd elektromotivkraft eller hallsensorer

Pulsbreddmodulering används endast för att applicera en variabel spänning på motorlindningarna. Den effektiva spänningen är proportionell mot PWM -arbetscykeln. När korrekt likriktare-pendling erhålls är vridmomenthastighetsegenskaperna för en BLDC desamma som följande DC-motorer. Variabel spänning kan användas för att styra motorns hastighet och variabla vridmoment.

Pendlingen av krafttransistorn gör det möjligt för lämplig lindning i statorn att generera det bästa vridmomentet beroende på rotorpositionen. I en BLDC -motor måste MCU känna till rotorns position och kunna göra pendlingen vid rätt tidpunkt.

BLDC Motor Trapezoidal Pending

En av de enklaste metoderna för DC borstlösa motorer är att använda det som kallas trapezoidal pendling.

Förenklat blockschema över en stege -styrenhet för BLDC -motorer i detta schematiska diagram

I detta schema styrs strömmen av ett par motorterminaler åt gången, medan den tredje motorterminalen alltid är elektroniskt kopplad från strömförsörjningen.    

Tre hallanordningar inbäddade i den stora motorn används för att tillhandahålla digitala signaler som mäter rotorpositionen i en 60 graders sektor och tillhandahåller denna information hos motorstyrenheten. Eftersom strömflödet är lika på två lindningar åt gången och noll på den tredje, producerar denna metod en aktuell rymdvektor med endast en av sex riktningar gemensamt. När motorn styrs växlas strömmen vid motorterminalerna elektriskt (rektifierad pendling) en gång per 60 rotationsgrader, så den nuvarande rymdvektorn är alltid vid närmaste 90 graders fasförskjutning för

30 graders position

Trapezoidal Control: Drive WaveForm and Moment at Rectifier

Den nuvarande vågformen i varje lindning är därför trapezoidal, börjar vid noll och går till positiv ström sedan noll sedan negativ ström. Detta producerar en aktuell rymdvektor som kommer att närma sig balanserad rotation när den stiger upp i 6 olika riktningar när rotorn roterar.

I motoriska applikationer som luftkonditioneringsapparater och kylskåp är användningen av hallsensorer inte en konstant. Omvända potentiella sensorer inducerade i olänkade lindningar kan användas för att uppnå samma resultat.

Sådana trapezoidala drivsystem är mycket vanliga på grund av enkelheten i deras kontrollkretsar, men de lider av momentkippelproblem under rättelse.

Sinusformad rektifierad pendling för BLDC -motorer

Trapezoidal likriktare -pendling räcker inte för att ge balanserad och exakt BLDC -motorisk kontroll. Detta beror främst på att vridmomentet genereras i en trefas Borstlös motor (med en sinusformad vågräknare elektromotivkraft) definieras av följande ekvation:

Roterande axelmoment = kt [irsin (o)+issin (o+120)+dessin (o+240)]

Var: O är den elektriska vinkeln för den roterande axeln KT är vridmomentkonstanten för motoren IR, är och det för fasströmmen om fasströmmen är sinusformad: IR = i0Sino; Är = i0sin (+120o); It = i0sin (+240o)

kommer att få: roterande axelmoment = 1,5i0 * kt (en konstant oberoende av vinkeln på den roterande axeln)

Den sinusformade likriktaren pendlade borstlösa motorstyrare strävar efter att driva tre motoriska lindningar med tre strömmar som smidigt varierar sinusformigt när motorn roterar. De tillhörande faserna för dessa strömmar väljs så att de kommer att producera smidiga rymdvektorer av rotorström i riktningar som är ortogonala till rotorn med invarians. Detta eliminerar vridmomentets krusning och styrpulser förknippade med nordlig styrning.

För att generera en jämn sinusformad modulering av motorströmmen när motoren roterar krävs en exakt mätning av rotorpositionen. Hall -enheter ger endast en grov beräkning av rotorpositionen, vilket inte är tillräckligt för detta ändamål. Av denna anledning krävs vinkelåterkoppling från en kodare eller liknande enhet.

Förenklad blockdiagram över en BLDC Motor Sine Wave Controller

Eftersom de lindande strömmarna måste kombineras för att producera en jämn konstant rotorströmvektor och eftersom var och en av statorlindningarna är placerade i en vinkel på 120 grader från varandra, måste strömmarna i varje trådbank vara sinusformade och ha en fasförskjutning på 120 grader. Positioninformationen från kodaren används för att syntetisera två sinusvågor med en fasförskjutning på 120 grader mellan de två. Dessa signaler multipliceras sedan med momentkommandot så att amplituden på sinusvågen är proportionell mot det nödvändiga vridmomentet. Som ett resultat är de två sinusformade strömkommandona korrekt fasade, vilket producerar en roterande statorströmvektor i ortogonal riktning.

Sinusoidal Current Command -signaler matar ut ett par PI -styrenheter som modulerar strömmen i de två lämpliga motoriska lindningarna. Strömmen i den tredje rotorlindningen är den negativa summan av de kontrollerade lindningsströmmarna och kan därför inte styras separat. Utgången från varje PI -styrenhet skickas till en PWM -modulator och sedan till utgångsbron och de två motorterminalerna. Spänningen som appliceras på den tredje motorterminalen härstammar från den negativa summan av signalerna som appliceras på de två första lindningarna, lämpligt som användes för tre sinusformade spänningar med fördel av 120 grader från varandra.

Som ett resultat spårar den faktiska utgångsströmvågformen noggrant den sinusformade strömkommandosignalen, och den resulterande strömutrymmet vektor roterar smidigt för att kvantitativt stabiliseras och orienteras i önskad riktning.

Det sinusformade likriktningsstyrningsresultatet av stabiliserad kontroll kan inte uppnås genom trapezoidal likriktningsstyrning i allmänhet. På grund av sin höga effektivitet vid låga motorhastigheter kommer den emellertid att separeras med höga motorhastigheter. Detta beror på att när hastigheten ökar måste de nuvarande returkontrollerna spåra en sinusformad signal med ökande frekvens. Samtidigt måste de övervinna motmotorns elektromotoriska kraft som ökar i amplitud och frekvens när hastigheten ökar.

Eftersom PI-styrenheter har begränsad förstärkning och frekvensrespons kommer tidsinvarieringsstörningar i den strömkontrollslingan att orsaka fasfördröjning och förstärkningsfel i motorströmmen som ökar med högre hastigheter. Detta kommer att störa riktningen för den nuvarande rymdvektorn med avseende på rotorn, vilket orsakar en förskjutning från kvadraturriktningen.

När detta inträffar kan mindre vridmoment produceras av en viss ström, så mer ström krävs för att upprätthålla vridmomentet. Effektiviteten minskar.

Denna minskning kommer att fortsätta när hastigheten ökar. Vid någon tidpunkt överstiger fasförskjutningen av strömmen 90 grader. När detta inträffar reduceras vridmomentet till noll. Genom kombinationen av sinusformad resulterar hastigheten vid denna punkt ovan i ett negativt vridmoment och kan därför inte realiseras.

AC Motor Control -algoritmer

Skalkontroll

Scalar Control (eller V/Hz Control) är en enkel metod för att styra hastigheten på en kommandomotor

Kommandotmotorns stabilitetsmodell används huvudsakligen för att få tekniken, så övergående prestanda är inte möjlig. Systemet har inte en aktuell slinga. För att styra motorn varierar trefasens strömförsörjning endast i amplitud och frekvens.

Vektorkontroll eller magnetfältorienteringskontroll

Vridmomentet i en motor varierar som en funktion av statorn och rotormagnetfält och toppar när de två fälten är ortogonala för varandra. I skalbaserad kontroll varierar vinkeln mellan de två magnetfälten avsevärt.

Vektorkontroll lyckas skapa ortogonalitet igen i AC -motorer. För att styra vridmomentet genererar var och en en ström från det genererade magnetiska flödet för att uppnå en DC -maskinens lyhördhet. Vektorkontroll av en AC -kommanderad motor liknar kontrollen av en separat upphetsad DC -motor.

I en likströmsmotor, magnetfältenergin φf genererad av excitationsströmmen om är ortogonal till ankarflödet φA som genereras av ankarströmmen Ia. Dessa magnetfält frikopplas och stabiliseras med avseende på varandra. Som ett resultat, när armaturströmmen styrs för att styra vridmomentet, förblir magnetfälten energi opåverkad och ett snabbare övergående svar realiseras.

Fältorienterad kontroll (FOC) för en trefas AC-motor består av att efterlikna driften av en likströmsmotor. Alla kontrollerade variabler transformeras matematiskt till DC istället för AC. Dess måloberoende kontrollmoment och flöde.

Det finns två metoder för fältorienteringskontroll (FOC): direkt FOC: Rotormagnetfältets riktning (rotorfluxangel) beräknas direkt genom en flödesobservatör indirekt FOC: riktningen för rotormagnetfältet (rotorfluxangel) erhålls indirekt genom uppskattning eller mätning av rotorhastighet och glid (glid).

Vektorkontroll kräver kunskap om rotorflödets position och kan beräknas genom avancerade algoritmer med hjälp av kunskap om terminalströmmar och spänningar (med hjälp av en dynamisk modell av en AC -induktionsmotor). Ur implementeringssynpunkt är emellertid behovet av beräkningsresurser avgörande.

Olika metoder kan användas för att implementera vektorkontrollalgoritmer. Feedforward -tekniker, modellberäkning och adaptiva kontrolltekniker kan alla användas för att förbättra svar och stabilitet.

Vektorkontroll av AC -motorer: En djupare förståelse

I hjärtat av en vektorkontrollalgoritm finns två viktiga omvandlingar: Clark -omvandlingen, parkomvandlingen och deras omvända. Användningen av Clark- och parkövergångar möjliggör kontroll av rotorströmmen till rotorområdet. Detta gör att ett rotorstyrsystem kan bestämma den spänning som ska tillförs rotorn för att maximera vridmomentet under dynamiskt varierande belastningar.

Clark-omvandling: Clark Mathematical Conversion modifierar ett trefas-system till ett två-koordinat-system:

Där IA och IB är komponenter i det ortogonala datumet och IO är den obetydliga homoplanarkomponenten

Tre-fas rotorström kontra roterande referenssystem

Parkomvandling: Parkens matematiska omvandling omvandlar det dubbelriktade statiska systemet till en roterande systemvektor.

Tvåfas a, p-ramrepresentation beräknas genom Clarke-omvandling och matas sedan in i vektorrotationsmodulen där den roterar vinkeln θ för att överensstämma med D, Q-ramen fäst vid rotorenergin. Enligt ovanstående ekvation realiseras omvandlingen av vinkel θ.

Grundstruktur för magnetfältorienterad vektorkontroll av växelströmsmotor

Clarke-transformationen använder trefasströmmar IA, IB såväl som IC, som är i den fastkoordinatstatorfasen omvandlas till ISD och ISQ, som blir element i parkomvandlingen d, q. Clarke -omvandlingen är baserad på en modell av motorflödena. Strömmarna ISD, ISQ och den omedelbara flödesvinkeln θ, som beräknas från motorflödesmodellen, används för att beräkna det elektriska vridmomentet för AC -induktionsmotorn.

Grundläggande för vektorkontroll av AC -motorer

Dessa härledda värden jämförs med varandra och referensvärdena och uppdateras av PI -styrenheten.

Tabell 1: Jämförelse av motorisk kontroll och vektorkontroll:

Kontrollparameter	V/Hz -kontroll	Yari -kontroll	Sensorlös sagittal kontroll
Hastighetsjustering	1%	0 001%	0 05%
Vridmomentjustering	Dålig	+/- 2%	+/- 5%
Motormodell	Inte	Efterfrågan	En exakt modell krävs
MCU Processing Power	Låg	Hög	Hög +DSP

En inneboende fördel med vektorbaserad motorstyrning är att det är möjligt att använda samma princip för att välja lämplig matematisk modell för att separat kontrollera olika typer av AC, PM-AC eller BLDC Motors.

Vektorkontroll av BLDC -motor

BLDC -motor är det viktigaste valet för fältorienterad vektorstyrning. Borstlösa motorer med FOC kan uppnå högre effektivitet, upp till 95%, och är också mycket effektiva för motorer med höga hastigheter.

Stegmotor

Stegmotorns styrning antar vanligtvis dubbelriktad drivström, och dess motorsteg realiseras genom att växla lindning i sekvens. Vanligtvis har denna typ av stegmotor 3 drivsekvenser:

1. 
   

   Enfas Full Step Drive:

   
   

I detta läge drivs lindningen i följande ordning, AB/CD/BA/DC (BA betyder att lindningen AB drivs i motsatt riktning). Denna sekvens kallas enfasfas fullstegsläge eller vågdriven läge. När som helst är det bara en extra avgift.

2. Dual Fas Full Step Drive:

I detta läge laddas de två faserna ihop, så rotorn är alltid mellan de två polerna. Detta läge kallas Biphase Full Step, detta läge är den normala drivsekvensen för den bipolära motorn, kan mata ut det maximala vridmomentet.

3. Halvstegsläge:

Det här läget kommer att enfas-steg och tvåfassteg samman kraft: enfaseffekt, och sedan dubbel lägga till kraft, och sedan enfaseffekt ... Därför går motorn i halvstegs steg. Detta läge kallas halvstegsläge, och den effektiva stegvinkeln för motorn per excitation reduceras med hälften och utgångsmomentet är också lägre.

Ovanstående tre lägen kan användas för att rotera i motsatt riktning (moturs), men inte om ordningen är omvänd.

Vanligtvis har stegmotorn flera poler för att minska stegvinkeln, men antalet lindningar och drivsekvensen är konstant.

Allmän DC Motor Control Algoritm

Allmän motorhastighetskontroll, särskilt användningen av två kretsar av motorn: Fasvinkelkontroll PWM Chopperkontroll

Fasvinkelkontroll

Fasvinkelstyrning är den enklaste metoden för att kontrollera hastigheten på allmänna motorer. Hastigheten styrs genom att ändra punktbågens vinkel på triac. Faskontroll är en mycket ekonomisk lösning, men den är inte särskilt effektiv och benägen att elektromagnetisk störning (EMI).

Fasvinkelkontroll av allmänna motorer

Diagrammet som visas ovan illustrerar mekanismen för fasvinkelkontroll och är en typisk tillämpning av triac hastighetskontroll. Fasrörelsen för triac-grindpulsen producerar en effektiv spänning, vilket producerar olika motorhastigheter, och en nollkorsdetekteringskrets används för att upprätta en tidsreferens för att försena grindpulsen.

PWM Chopper Control

PWM -kontroll är en mer avancerad lösning för allmän motorhastighetskontroll. I denna lösning slår kraften MOFSET, eller IGBT, på den högfrekventa korrigerade AC-linjespänningen för att generera en tidsvarierande spänning för motorn.

PWM Chopperkontroll för allmänna motorer

Växlingsfrekvensområdet är i allmänhet 10-20 kHz för att eliminera brus. Denna Motor Control -metod för allmänt syfte möjliggör bättre nuvarande kontroll och bättre EMI -prestanda och därför högre effektivitet.