Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

26 мая 2016

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами электродвигателей, которые, совершенствуясь, находят все более широкое применение в самом различном оборудовании. Компания предлагает решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Электродвигатели находят широчайшее применение в современном высокотехнологическом укладе жизни. Этот тип электромеханического привода по-прежнему является одним из наиболее распространенных и востребованных. Электродвигатели самого разного назначения являются одной из основных составляющих любого производства, повсеместно используются в офисной и домашней технике, в системах мониторинга и управления зданий и объектов. Очень широкое распространение электродвигатели нашли на современном транспорте. Еще более впечатляющее будущее уготовано электродвигателям в электромобилях и роботах.

С развитием технологий традиционные двигатели совершенствуются и находят все новые области применения. Современные высокоточные станки и робототехника немыслимы без электродвигателей с интеллектуальными системами управления. На земле, в воздухе и под водой электродвигатели остаются широко востребованным преобразователем электрической энергии в механическую.

Типы электродвигателей, способы управления и возникающие сложности

Впервые созданный в 1834 году русским ученым Якоби преобразователь электрической энергии во вращательное движение получил название электродвигатель. С тех пор он был серьезно усовершенствован – появилось множество новых вариантов, но использованные при его создании принципы электромагнетизма по-прежнему являются основой всех модификаций современных электродвигателей.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Проводник с проходящим по нему током (рисунок 1) создает вокруг себя магнитное поле, интенсивность (магнитная индукция) которого пропорциональна количеству витков, в случае использования катушки (N), и величине проходящего по ней тока (I), где, В – вектор магнитной индукции, К – магнитная постоянная, N – число витков, I – сила тока.

Рис. 1. Электромагнетизм в основе работы электродвигателя

Изменение направления тока влияет и на направление магнитного поля проводника.

При этом на помещенный во внешнее магнитное поле проводник с током действует сила Лоренца, вызывающая его вращательное перемещение. Направление вращения легко определяется с помощью известного правила правой руки для проводника с током в магнитном поле (рисунок 2). Сила (F), действующая на проводник в магнитном поле, равна произведению силы тока (I) в проводнике на вектор магнитной индукции поля (B) и длину проводника (L). F = LIB.

Рис. 2. Перемещение проводника с током в магнитном поле (Сила Лоренца)

Коллекторные двигатели

Коллекторные двигатели постоянного тока (Brushed DC или BDC, по терминологии TI) сегодня относятся к одним из наиболее распространенных механизмов электромагнитного вращения.

В магнитном поле собранного из постоянных магнитов статора вращается многосекционный ротор с катушками, которые попарно и попеременно подключаются через коммутируемые коллекторные ламели на оси ротора (рисунок 3). Выбор пары активируемых катушек выполняется на основании закона Лоренца в соответствии с правилом Буравчика. Источник тока всегда подключен к катушкам, силовые линии магнитного поля которых смещены на угол, близкий к 90°, относительно магнитного поля статора.

Рис. 3. Принцип действия коллекторного электродвигателя (BDC)

Электродвигатели подобного типа часто используют статор с постоянными магнитами. Они позволяют легко регулировать скорость вращения и отличаются невысокой стоимостью.

Также широко используется вариант 2-обмоточного электродвигателя подобного типа, но со статорной обмоткой вместо постоянного магнита.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Такие модели обладают большим пусковым моментом и могут работать не только на постоянном, но и на переменном токе. Электродвигатели подобного типа почти повсеместно используются в различной бытовой технике.

К недостаткам этой конструкции BDC стоит отнести износ щеточно-коллекторного узла в процессе эксплуатации. Кроме того, из-за искрообразования при коммутации отдельных обмоток ротора отмечается повышенный уровень электромагнитных помех, что не позволяет использовать такие двигатели во взрывоопасных средах.

Особенностью двигателей BDC также является повышенный нагрев ротора, охлаждение которого затруднено в силу конструктивных особенностей двигателя.

Достоинства коллекторных двигателей:

  • малая стоимость;
  • простая система управления;
  • 2-обмоточные коллекторные двигатели, обладающие высоким крутящим моментом и способные работать на постоянном и переменном токе.

Особенности эксплуатации коллекторных двигателей:

  • щетки требуют периодического обслуживания, понижают надежность двигателя;
  • в процессе коммутации возникают электрические искры и электромагнитные помехи;
  • затруднен отвод тепла от перегревающегося ротора.

Бесколлекторные двигатели

Несколько менее распространенными среди двигателей постоянного тока являются модели с бесщеточной конструкцией (BrushLess DC или BLDC), использующие ротор с постоянными магнитами, которые вращаются между электромагнитами статора (рисунок 4). Коммутация тока здесь выполняется электронным способом. Переключение обмоток электромагнитов статора заставляет магнитное поле ротора следовать за его полем.

Рис. 4. Принцип действия бесколлекторного электродвигателя (BLDC)

Текущее положение ротора обычно контролируется энкодерами или датчиком на основе эффекта Холла, либо применяется технология с измерением напряжения противо-ЭДС на обмотках без использования в этом случае отдельного датчика положения ротора (SensorLess).

Коммутация тока обмоток статора выполняется с помощью электронных ключей (вентилей).Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Именно поэтому бесколлекторные двигатели BLDC часто называют «вентильными». Очередность подключения пары обмоток двигателя происходит в зависимости от текущего положения ротора.

Принцип работы BLDC основан на том, что контроллер коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был сдвинут на угол, близкий к 90° или -90° относительно вектора магнитного поля ротора. Вращающееся при переключении магнитное поле заставляет перемещаться вслед за ним ротор с постоянными магнитами.

При использовании трехфазного сигнала управления подключенными к источнику тока всегда оказываются только две пары обмоток, а одна – отключена. В результате последовательно используется комбинация из шести состояний (рисунок 5).

Рис. 5. Чередование фаз при вращении BLDC

Электродвигатели без датчиков положения ротора отличаются повышенной технологичностью процесса изготовления и более низкой стоимостью. Подобная конструкция упрощает герметизацию внешних подключаемых выводов.

В качестве датчиков скорости и положения ротора в BLDC могут использоваться датчики Холла, которые отличаются небольшой стоимостью, но также и достаточно невысоким разрешением. Повышенное разрешение обеспечивают вращающиеся трансформаторы (резольверы). Они отличаются высокой стоимостью и требуют использования ЦАП, так как выходной сигнал у них синусоидальный. Высоким разрешением, но пониженной надежностью, обладают оптические датчики. На рисунке 6 представлены выходные сигналы датчиков разного типа при вращении ротора двигателя.

Рис. 6. Датчики положения ротора электродвигателей

Преимущества двигателей BLDC:

  • высокая эффективность;
  • отсутствие щеток, обеспечивающее повышенную надежность, снижение затраты на обслуживание;
  • линейность тока/крутящего момента;
  • упрощенный отвод тепла.

Особенности применения двигателей BLDC:

  • более сложная система управления с обратной связью по положению ротора;
  • пульсации крутящего момента.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (ШД) получили достаточно широкое распространение в системах автоматики и управления. Они являются еще одним типом бесколлекторных двигателей постоянного тока. Конструктивно ШД состоят из статора, на котором размещены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнитных материалов. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют обеспечить больший крутящий момент и жесткую фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

В процессе вращения ротор ШД перемещается шагами под управлением подаваемых на обмотки статора импульсов питания. Шаговые двигатели удобны для использования в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме. Их диапазон перемещения задается определенной последовательностью электрических импульсов. Такие двигатели отличаются высокой точностью, не требуют датчиков и цепей обратной связи. Угол поворота ротора зависит от количества поданных импульсов управления. Точность позиционирования (величина шага) зависит от конструктивных особенностей двигателя, схемы подключения обмоток и последовательности подаваемых на них управляющих импульсов.

В зависимости от конфигурации схемы подключения обмоток шаговые двигатели делятся на биполярные и униполярные. Биполярный двигатель имеет в каждой из двух фаз единую обмотку для обоих полюсов статора, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Для управления таким ШД требуется мостовой драйвер или полумостовая схема с 2-полярным питанием. При биполярном управлении одновременно работают две обмотки и крутящий момент примерно на 40% больше. На рисунке 7 представлена последовательность сигналов управления при вращении биполярного ШД.

Рис. 7. Последовательность сигналов управления биполярным ШД

Униполярный двигатель использует в каждой фазе одну обмотку со средним выводом и позволяет использовать более простую схему управления с одним ключом на каждую из четырех полуобмоток.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Четырех обмоточные ШД могут использоваться как в биполярной, так и в униполярной конфигурации.

При протекании тока по одной из катушек ротор стремится изменить положение так, чтобы противоположные полюса ротора и статора установились друг против друга. Для непрерывного вращения ротора катушки попеременно переключают.

На практике используются разные способы подачи питания на четыре обмотки статора. Чаще всего применяют попарное подключение с полношаговым или полушаговым режимом работы. В полношаговом режиме ротор с двумя полюсами, вращающийся в переключаемом магнитном поле двух пар катушек, может занимать четыре положения (рисунок 8).

Рис. 8. Полношаговый режим управления ШД

Получить удвоенную точность позиционирования и восемь позиций позволяет полушаговый режим работы (рисунок 9). Для его реализации добавляется промежуточный шаг с одновременной запиткой всех четырех катушек.

Рис. 9. Полушаговый режим управления ШД

Значительно увеличить количество промежуточных положений и точность позиционирования позволяет режим микрошага. Идея микрошага заключается в подаче на обмотки шагового двигателя вместо импульсов управления непрерывного сигнала, напоминающего по форме ступенчатую синусоиду (рисунок 10). Полный шаг в этом случае делится на маленькие микрошаги, а вращение становится более плавным. Режим микрошага позволяет получить наиболее точное позиционирование. Кроме того, в этом режиме значительно снижается присущая шаговым двигателям вибрация корпуса.

Рис. 10. Управление ШД в режиме микрошага

Достоинства шаговых двигателей:

  • невысокая стоимость благодаря отсутствию схем контроля скорости вращения и позиционирования;
  • высокая точность позиционирования;
  • широкий диапазон скоростей вращения;
  • простой интерфейс управления с цифровыми контроллерами;
  • очень высокая надежность;
  • хороший удерживающий момент.

Особенности применения шаговых двигателей:

  • ШД присуще явление резонанса;
  • из-за отсутствия обратной связи возможна потеря контроля положения;
  • потребление энергии не уменьшается даже при работе без нагрузки;
  • затруднена работа на очень высоких скоростях;
  • невысокая удельная мощность;
  • достаточно сложная схема управления.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Традиционные решения для управления электродвигателями

Современная прецизионная система управления электродвигателем постоянного тока включает в себя микроконтроллер для обработки данных и блок управления питанием обмоток двигателя, часто называемый драйвером. В состав драйвера входит логическая схема для преобразования кодированных посылок в цифровые управляющие сигналы, из которых в блоке Gate Driver формируются аналоговые сигналы для управления силовыми ключами на основе полевых транзисторов (FET). FET могут входить в состав драйвера или размещаться в отдельном блоке. Кроме того, в состав драйвера входят схемы защиты силовых цепей и цепи обратной связи для контроля работы двигателя.

На рисунке 11 представлены варианты блок-схем для интегрированного и предварительного драйверов. Каждое из решений имеет свои преимущества и особенности. Предварительный драйвер (Pre-Driver) имеет значительно облеченный температурный режим, позволяет выбирать внешние силовые ключи в соответствии с мощностью подключаемого двигателя. Полнофункциональный интегрированный драйвер позволяет создавать более компактные системы управления, минимизирует внешние соединения, но значительно усложняет обеспечение необходимого температурного режима.

Рис. 11. Блок-схемы систем управления двигателем

Так, у интегрированного драйвера TI DRV8312 максимальная рабочая температура отдельных элементов на плате может достигать 193°С, а у предварительного драйвера DRV8301 этот показатель не превышает 37°С.

Рис. 12. Смена направления вращения коллекторного двигателя

Одной из наиболее распространенных схем для коммутации обмоток двигателей является мост типа “H”. Название схемы связано с конфигурацией подключения, которая похожа на букву “H”. Эта электронная схема позволяет легко изменять направление тока в нагрузке и, соответственно, направление вращения ротора. Напряжение, прикладываемое к обмоткам через транзисторы моста, может быть как постоянным, так и модулированным с помощью ШИМ.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем H-мост предназначен, в первую очередь, для смены полярности питания двигателя – реверса (рисунок 12), но также позволяет тормозить вращение, коротко замыкая выводы обмоток (рисунок 13).

Рис. 13. Режимы вращения, быстрого и медленного торможенияс

Важнейшей характеристикой силовых элементов моста, в качестве которых сегодня часто используют полевые транзисторы с изолированным затвором, является величина сопротивления открытого канала между истоком и стоком транзистора – RDSON. Значение RDSON во многом определяет тепловые характеристики блока и энергетические потери. С увеличением температуры RDSON также растет, а ток и напряжение на обмотках уменьшаются.

Использование управляющих сигналов с ШИМ позволяет уменьшить пульсации крутящего момента и обеспечить более плавное вращение ротора двигателя. В идеале частота ШИМ должна быть выше 20 кГц, чтобы избежать акустического шума. Но с увеличением частоты растут потери на транзисторах моста в процессе коммутации.

Из-за индуктивных свойств нагрузки в виде обмоток форма тока в ней не соответствует форме подаваемого напряжения ШИМ. После подачи импульса напряжения ток нарастает постепенно,а в паузах ток плавно затухает из-за возникновения в обмотках противо-ЭДС. Наклон кривой на графике тока, амплитуда и частота пульсаций влияют на рабочие характеристики двигателя (пульсации крутящего момента, шум, мощность и так далее).

Для ускоренного затухания в обмотках электродвигателей возбуждаемого эффектом противо-ЭДС тока используют диоды в обратном включении, шунтирующие переходы «сток-исток» транзисторов, либо закорачивают обмотки через переходы «сток-исток» двух транзисторов, одновременно включенных в разных плечах моста. На рисунке 13 представлены три состояния моста: рабочее, быстрого торможения (Fast Decay) и медленного торможения (Slow Decay).

А наиболее эффективным считается комбинированный режим (Mixed Decay), при котором в паузе между рабочими импульсами сначала работают диоды, шунтирующие сток-исток транзисторов, а затем включаются транзисторы в нижних плечах моста.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Решения для управления электродвигателями от TI

Среди полупроводниковых компонентов, выпускаемых компанией TI, представлен обширный ассортимент различных драйверов для управления электродвигателями постоянного тока. Все они требуют минимума внешних компонентов, позволяют создавать компактные решения для управления двигателями с рабочим напряжением до 60 В, отличаются повышенной надежностью, обеспечивают быстрое и простое проектирование систем привода электродвигателями.

Встроенные в драйверы интеллектуальные функции требуют минимальной поддержки внешнего управляющего микроконтроллера (MCU), обеспечивают расширенные коммутационные возможности для обмоток, поддерживают внешние датчики и цифровые контуры управления. Комплекс защитных функций включает ограничение напряжения питания, защиту от превышения тока и короткого замыкания, понижения напряжения и повышения рабочей температуры.

Весь модельный ряд драйверов TI разбит на три раздела: шаговые, коллекторные и бесколлекторные двигателей постоянного тока. В каждом из них на сайте компании действует удобная система подбора по целому ряду параметров. Есть отдельные драйверы, предназначенные для использования с двигателями разных типов.

Драйверы TI для шаговых двигателей

Большой раздел решений TI для управления двигателями включает драйверы для ШД (рисунок 14), которые выпускаются как со встроенными силовыми ключами на основе FET, так и в виде предварительных драйверов, предоставляющих пользователю подбор необходимых силовых ключей. Всего в модельном ряду компании более 35 драйверов для ШД.

Рис. 14. Драйверы TI для управления шаговыми двигателями

TI предлагает широкий выбор наиболее современных решений для управления перемещением и точным позиционированием с использованием микрошаговых схем управления, обеспечивающих электродвигателей плавным перемещением в широком диапазоне напряжения и тока.

Отдельные драйверы, используя один управляющий контроллер, позволяют управлять сразу двумя двигателями, имея для этого четыре встроенных моста на основе FET.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Есть драйверы с встроенными FET, например, DRV8834, которые можно подключить для управления к двум обмоткам шагового двигателя или использовать эти же выводы для управления двумя электродвигателями постоянного тока (рисунок 15).

Рис. 15. Блок-схема драйвера DRV8834

Для более плавного перемещения ротора в драйверах для ШД используется настраиваемый механизм сглаживания импульсов тока (режимы Slow, Fast, Mixed Decay). Система расчета микрошага может быть следующих типов:

  • встроенной в драйвер;
  • с использованием внешнего опорного сигнала.

Не требуют внешнего контроллера для микрошагового перемещения драйверы DRV881, DRV8818, DRV8821, DRV8824 и DRV8825. Здесь шаг перемещения и алгоритм коммутации обмоток рассчитываются схемой, встроенной в драйвер.

Более простые драйверы DRV8812, DRV8813, DRV8828, DRV8829, DRV8841, DRV8842 и DRV8843 обеспечивают микрошаговое вращение с использованием получаемого от внешнего контроллера опорного напряжения (Vref). Уровень дробления основного шага может достигать 1/128 или 1/256.

Для управления ШД с униполярным подключением обмоток TI предлагает драйверы DRV8803, DRV8804, DRV8805 и DRV8806.

Драйверы TI для BDC

Для управления – коллекторными электродвигателями постоянного тока – предназначено специальное семейство драйверов DRV8x, ряд представителей которого изображен на рисунке 16. Они обеспечивает полную защиту от превышения напряжения и тока, короткого замыкания и перегрева. Благодаря возможностям интерфейса управления эти драйверы обеспечивают простую и эффективную эксплуатацию двигателей. Пользователи могут с помощью одного чипа управлять одним или несколькими двигателями c рабочим напряжением 1,8…60 В.

Рис. 16. Драйверы TI для управления коллекторными двигателями

Драйверы семейства выпускаются как с интегрированными силовыми ключами, так и как предварительные драйверы. Они требуют минимум дополнительных компонентов, обеспечивают компактность решений, сокращают время разработки и позволяют быстрее выпустить новые продукты на рынок.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Спящий режим (Sleep) позволяет минимизировать потребление энергии в режиме простоя и обеспечивает ускоренную активизацию при запуске двигателя. Для управления скоростью вращения могут использоваться внешние сигналы ШИМ или сигналы PHASE/ENABLE для выбора направления вращения и включения ключей выходного моста.

Имеющий четыре выходных моста драйвер DRV8823 способен управлять двумя ШД или одним ШД и двумя BDC, или же четырьмя BDC, используя при этом управляющий интерфейс SPI.

На рисунке 17 представлена функциональная схема простого драйвера DRV8837 для управления одним коллекторным двигателем.

Рис. 17. Блок-схема драйвера DRV8837

Драйверы TI для BLDC

Драйверы TI для бесколлекторных двигателей, или BLDC, могут включать интегрированный силовой мост или использовать внешние силовые транзисторы. Схема формирования 3-фазных сигналов управления также может быть внешней или встроенной.

Семейство драйверов для управления бесколлекторными электродвигателями включает модели c разным принципом управления и с различным крутящим моментом. Эти драйверы, обеспечивающие разные уровни шума при управлении BDLС, идеально подойдут для использования в промышленном оборудовании, автомобильных системах и другой технике. Чтобы гарантировать надежную эксплуатацию электродвигателей, драйверы обеспечивают всеобъемлющий набор защит от превышения тока, напряжения и температуры. На рисунке 18 представлены лишь некоторые из 3-фазных драйверов для BLDC в обширном и постоянно пополняющемся модельном ряду компании TI.

Рис. 18. Драйверы TI для управления бесколлекторными двигателями

Для контроля текущего положения вращающегося ротора могут использоваться внешние датчики разных типов или схема управления с определением позиции ротора по величине противо-ЭДС (Back Electromotive Force, BEMF).

Управление может выполняться с помощью ШИМ, аналоговых сигналов или через стандартные цифровые интерфейсы. Наборы настраиваемых параметров для управления вращением могут храниться во внутренней энергонезависимой памяти.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

На рисунке 19 представлен работающий в широком диапазоне температур 40…125°C интеллектуальный драйвер для BLDC со встроенными силовыми ключами на полевых транзисторах, с сопротивлением открытого канала лишь 250 мОм. При диапазоне рабочих напряжений 8…28 В драйвер может обеспечивать номинальный ток 2 А и пиковый ток 3 А.

Рис. 19. Блок-схема драйвера DRV10983

Драйвер не требует внешнего датчика для контроля положения ротора, но может использовать внешний резистор для контроля потребляемой двигателем мощности. DRV10983 отличается незначительным энергопотреблением, составляющим всего 3 мА, в дежурном режиме. А в модели DRV10983Z этот показатель доведен до уровня 180 мкА.

Встроенный интерфейс I2C обеспечивает диагностику и настройку, доступ к регистрам управления работой логической схемы и хранящимся в памяти EEPROM рабочим профилям драйвера.

Расширенный комплект защитных функций обеспечивает остановку двигателя в случае превышения тока и понижения напряжения. Предусмотрено ограничение входного напряжения. Защита по превышению тока работает без использования внешнего резистора. Методы использования защиты настраиваются через специальные регистры.

Заключение

Электродвигатели находят все более широкое применение в самом различном оборудовании, совершенствуются и получают новые возможности во многом благодаря современным системам электропривода.

В ассортименте полупроводниковых компонентов производства компании Texas Instruments широко представлены микросхемы драйверов для управления всеми типами двигателей постоянного тока. На их основе компания предлагает масштабируемые в зависимости от требований по точности, мощности и функциональности решения для создания приводов, работающих в широком диапазоне токов и напряжений, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию коллекторных, бесколлекторных и шаговых двигателей с полным комплексом защит по току, напряжению и температуре.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

•••

Наши информационные каналы

Контроллер трехфазного бесколлекторного двигателя

Каковы должны быть минимальные ресурсы микроконтроллера, работающего в составе привода трехфазного BLDC-мотора? Для ответа на этот вопрос необходимо соотнести возможности чипсета с принципами управления указанного двигателя и предъявляемыми к устройству функциональными требованиями. Если мы рассматриваем рынок простых и дешевых схем управления скоростью в таких применениях, как вентиляторы и насосы, то проблема может быть существенно упрощена. Эти устройства работают при наличии или отсутствии датчиков (необходимых для определения положения ротора), что имеет ряд аргументов «за» и «против». Однако по количеству контактов I/O существенный выигрыш получается в случае, если сигнал положения ротора может быть снят с одного вывода. Кроме того, наличие многофункциональных выходов в пользовательском интерфейсе позволяет изменять их назначение. Благодаря этому, используя определенную технику минимизации, можно сократить количество задействованных контактов процессора и снизить таким образом требования к его ресурсам.

Система управления BLDC-мотором

На рис. 1 приведена блок-схема управления BLDC-мотором, содержащая датчик Холла для формирования обратной связи по положению ротора (как правило, используется три датчика), потенциометр задания скорости, кнопки включения и выключения системы, датчик перегрузки по току и трехфазный силовой каскад, соединенный с мотором.

Рис. 1. Блок-схема управления BLDC-мотором

Общее количество независимых подключений контроллера составляет 11 (пять входов и шесть выходов). Это число можно минимизировать в случае, если микроконтроллер поддерживает многофункциональность выводов и имеет развитую периферию.

Технология минимизации ресурсов

В случае, если используется стандартный шестиступенчатый алгоритм управления BLDC-мотором, в каждый момент времени только два транзистора инвертора (один в верхнем плече и один в нижнем) находятся во включенном состоянии.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Управление ключами трехфазного силового каскада не является комплиментарным, транзисторы открываются в т. н. «диагональном режиме». С точки зрения минимизации логики это является преимуществом, поскольку два из трех ключей верхнего уровня закрыты при нормальной работе привода. Сигнал управления третьим транзистором может быть извлечен из двух других с помощью нескольких резисторов и транзисторного инвертора, подключенного к третьему входу верхнего уровня моста (см. рис. 4 — принципиальная схема). Таким образом удается сократить количество использованных выводов контроллера с шести до пяти.

Существует несколько различных путей оптимизации количества системных входов, предназначенных для подключения датчиков Холла, потенциометра, сенсоров тока перегрузки и ключей «Пуск/ Стоп». Датчики Холла, как правило, встраиваются в BLDC-двигатель, поэтому целесообразно интегрировать в мотор и схему, формирующую цифровой интерфейс для их связи с микроконтроллером. Выход подобной схемы выполняется в виде откры- того коллектора с «подтягивающим» резистором. В этом случае требуется один датчик Холла и один цифровой вход микросхемы семейства PIC12F.

Для запуска мотора и задания скорости при включении системы один из входов верхнего плеча трехфазного инвертора может быть сконфигурирован как аналоговый вход. Для реализации данной задачи этот вывод подключается к резистивному делителю и потенциометру уставки, что позволяет задать и считать значение скорости перед пуском мотора.

Ключ «Пуск» кроме основной задачи может нести и дополнительную функцию снижения уставки скорости ниже минимального значения. В аналоговом режиме работы входа, несмотря на то, что один из транзисторов верхнего плеча открывается, это не приводит к появлению тока в двигателе, поскольку все ключи нижнего плеча закрыты. Далее, при пуске мотора, данный контакт конфигурируется как выход управления транзистором верхнего плеча, а резисторы делителя начинают выполнять функцию «подтягивающих» или заземляющих.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Функцию остановки запущенного двигателя удобно выполнять в комбинированном режиме «Пуск/Стоп» в ходе цикла коммутации. Таким образом, остановка мотора реализуется программно-аппаратным методом в процессе выбега. Когда ключ «Стоп» нажимается при вращении, все сигналы управления транзисторами верхнего уровня блокируются, программа анализирует состояние мотора и запускает режим торможения. В простейшем случае функция остановки может выполняться нормально-разомкнутым тумблером, подключенным параллельно описанной выше цепи защиты от токовой перегрузки.

В схеме защиты от перегрузки по току не задействован ни один из выводов I/O микроконтроллера, для этой цели используется цепь подключения питания микросхемы семейства PIC12, позволяющая включить схему в режим перезагрузки при возникновении аварии. Этот тип PIC-контроллера имеет встроенный параллельный стабилизатор, соединенный с источником питания через резистор, номинал которого выбирается в зависимости от условий работы. Таким образом, в случае перегрузки питание микросхемы может быть отключено схемой защиты по току, подключенной параллельно стабилизатору.

В результате проведенной оптимизации системе требуется один выделенный цифровой вход, а также один цифровой/аналоговый и четыре цифровых вывода, выполняющих функции выходов. Здесь не учтен тот факт, что для управления скоростью необходима широтно-импульсная модуляция напряжения, поступающего на BLDC-мотор. В нашем случае контрольные импульсы должны поступать на транзисторы нижнего уровня. В реальности, поскольку в системе используется режим шестиступенчатого управления, ШИМ-сигнал в любой момент времени подается только на один из трех нижних ключей инвертора.

Некоторые PIC-контроллеры обладают особой периферией, способной формировать программный «моторный» ШИМ-сигнал, в то время как другие могут вырабатывать ШИМ-напряжение только на одном из n выходов. В последнем случае полный сигнал управления формируется с помощью, например, периферии ECCP (Enhanced Capture/ Compare Peripheral).Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем В микросхеме PIC12F допускается комбинированное формирование ШИМ-сигнала посредством периферии ECCP или в режиме альтернативной конфигурации выводов (APCFG). Подобная возможность представляется очень удобной, поскольку импульсы могут вырабатываться через ECCP только по двум выводам, в то время как для работы схемы их требуется три, что доступно в режиме APCFG. На сегодняшний день в описанном режиме могут работать два контроллера семейства: PIC12F615 и PIC12HV615 (рис. 2).

Рис. 2. Аппаратная реализация схемы

Программа управления использует сигнал одного датчика Холла для синхронизации импульсов управления транзисторами инвертора, а также для определения моментов времени коммутации по так называемой технологии точного расчета траектории. Помимо всего прочего, это позволяет сформировать замкнутый контур управления скоростью при помощи простейшего ПИД-регулятора, на который поступает сигнал ошибки по скорости (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема управления скоростью мотора

Выход PI-контроллера загружается в регистр коэффициента заполнения импульсов CCPR1, занимая восемь старших разрядов. Выход подсистемы формирования ШИМ-сигнала коммутируется вместе с одним из трех транзисторов нижнего плеча инвертора, что позволяет осуществлять управление мотором и контроль скорости.

Три встроенных таймера PIC12 используются для измерения скорости двигателя по сигналу датчика Холла (TMR1), задания периода коммутации (TMR2) и генерации прерывания после окончания периода предварительного расчета (TMR0).

При включении питания считывается уставка скорости, после чего система может быть запущена с помощью ключа «Пуск». После подачи команды на запуск привода происходит оценка положения ротора и активируется программа формирования короткой разомкнутой петли регулирования. Она работает до тех пор, пока не будет продетектировано появление следующего сигнала датчика Холла. С этого момента времени коммутация инвертора синхронизируется с положением ротора. После успешной обработки двух сигналов датчика Холла программа переключается в режим работы с замкнутой обратной связью по скорости.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем При возникновении перегрузки по току активируется режим перезапуска питания POR (Power On Reset).

Аппаратная реализация системы управления включает трехфазный BLDC-мотор, низковольтный силовой модуль инвертора и контроллер PIC12F615, подключенный к модифицированной демо-плате Microchip. Было показано, что данная топология схемы позволяет использовать шесть I/O контактов микроконтроллера с многофункциональными выводами. Гибкая внутренняя периферия PIC12HV615 и встроенный параллельный регулятор дают возможность создать схему (рис. 4), выполняющую все необходимые для данного применения функции. Таким образом, создана основа для проектирования простых и дешевых систем управления скоростью в случаях, когда не требуется высокая точность работы привода.

Рис. 4. Принципиальная схема привода BLDC-мотора с контроллером PIC12HV615

Высокоэффективные драйверы для управления электродвигателями

Электродвигатели играют очень важную роль в промышленности. Они используются в вентиляторах, насосах и других электрических машинах в самых разных областях производства. Традиционный AC-двигатель переменного тока, появившийся более ста лет назад, является самыми простым типом электродвигателя, однако его недостатком является высокий уровень потерь. Кроме двигателей переменного тока, существуют и DC-двигатели постоянного тока, которые также широко используются в различных промышленных приложениях. Для управления скоростью вращения DC-двигателя обычно используют модуляцию напряжения питания. Такое управление позволяет сэкономить значительный объем энергии, поскольку двигатель потребляет ровно столько, сколько требуется в данный момент времени.

Особенности электроприводов

Электродвигатель по своей сути является преобразователем, который трансформирует электрическую энергию в механическую. При этом преобразование является двунаправленным, другими словами возможно преобразование механической энергии в электрическую. Машины, выполняющие преобразование механической энергии в электрическую, называют генераторами.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Концептуально, а зачастую и практически, генератор и электродвигатель – это одно и то же. Двигатель всегда состоит из двух частей: неподвижной (статор) и подвижной (ротор). Существуют различные типы двигателей, отличающиеся друг от друга способом генерации магнитного поля:

  • Двигатели постоянного тока (DC-двигатели): в них статическое поле создается магнитами или обмотками в статоре. DC-двигатели представлены в широком диапазоне напряжений, самые популярные из них 12 В и 24 В.
  • Двигатели переменного тока (AC-двигатели): в них динамическое поле формируется взаимодействием между полями, создаваемыми токами статора и ротора. Вращение ротора синхронизировано с частотой питающего тока (синхронный двигатель переменного тока).
  • Бесколлекторные двигатели: в них статическое поле создается вращающимися магнитами, которые закреплены на роторе.

В двигателях постоянного тока генерация магнитного поля осуществляется статором. В двигателях малой мощности магниты могут быть постоянными (например, ферритами). В двигателях средней и большой мощности поле генерируется дополнительными обмотками. Мощность подается на ротор с помощью коллекторно-щеточного узла, который состоит из коллектора (контакты, закрепленные на роторе) и щеток (подпружиненные контакты, расположенные на неподвижной части двигателя). Из-за механического воздействия щетки коллектор с течением времени изнашиваются. Тем не менее, современные коллекторы и щетки отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы. Скорость DC-двигатели регулируется за счет изменения постоянного напряжения, приложенного к обмотке якоря. В зависимости от мощности и особенностей конкретного приложения для изменения напряжения используют полумостовые и мостовые схемы, управляемые ШИМ-сигналом.

Двигатели постоянного тока также широко используются в сервоприводах, где важны скорость и точность. Для обеспечения требуемой точности и скорости обычно применяют микропроцессорное управление с обратной связью, при этом процессор должен получать точную информацию о положении ротора.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем В частности, для контроля положения ротора может использоваться датчик Холла MAX9921 от компании Maxim Integrated. Датчик Холла – это датчик, выходное напряжение которого изменяется в соответствии с изменением магнитного поля. Сам датчик состоит из герметичного чувствительного элемента со встроенным магнитом, который обнаруживает изменение потока магнитного поля при приближении и удалении объектов из ферромагнитных материалов.

Датчики Холла идеально работают в широком диапазоне частот от 0 Гц до нескольких кГц. Их часто используют в качестве датчиков приближения, датчиков положения, датчиков скорости и тока. В отличие от механических энкодеров, датчики Холла являются более долговечным решением, так как не имеют проблем, связанных с механическим износом.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока (BLDC-двигатель) представляет собой электродвигатель постоянного тока, состоящий из ротора с постоянными магнитами и статора, формирующего «скользящее» магнитное поле. Очевидно, что в такой системе, в отличие от щеточного двигателя, не требуются коллектор и щетки. С одной стороны это снижает потери на механическое трение и существенно уменьшает вероятность искрения, а с другой стороны значительное упрощает техническое обслуживание электродвигателя.

Схожую конструкцию имеют шаговые двигатели. В них, в отличие от BLDC-двигателей, питание циклически подается на различные электромагниты для вращения или достижения заданного положения вала. В бесколлекторным двигателе ротор не имеет обмоток и вместо них используются постоянные магниты, тогда как магнитное поле, создаваемое обмотками на статоре, является переменным.

При наличии постоянного напряжения питания, для обеспечения вращения магнитного поля, необходима специальная электронная схема, состоящая из блока силовых транзисторов, управляемых микроконтроллером. Транзисторы коммутируют ток, тем самым обеспечивая вращение магнитного поля.

Чтобы определить требуемую ориентацию магнитного поля, микроконтроллер должен знать положение ротора относительно статора.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Для этого обычно используют датчики Холла. КПД BLDC-двигателей в среднем выше, чем у асинхронных двигателей постоянного тока (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема управления бексоллекторным двигателем

BLDC-двигатели являются синхронными двигателями. Это означает, что магнитное поле, создаваемое ротором и статором, имеет одинаковую частоту. BLDC-двигатели подразделяются на три категории: однофазные, двухфазные и трехфазные. Количество фаз соответствует количеству обмоток на статоре.

Драйверы электродвигателей

Драйверы электродвигателей используются в широком спектре промышленных и бытовых приложений, в частности, в электронных приборах и различной компьютерной периферии. В каждом конкретном приложении к драйверам предъявляют различные требования. Это касается не только уровня мощности, но и многих других характеристик и функций, например, функции управления скоростью или усилием. Для работы с BLDC-двигателями и шаговыми двигателями можно использовать готовые драйверы, представленные на рынке.

BLDC-двигатели применяются в автоматизации и робототехнике. Их принцип действия основан на взаимодействии двух магнитных полей, которые притягиваясь и отталкиваясь, приводят к вращению двигателя. Шаговые двигатели широко используются в прецизионных приложениях и требуют подачи управляющих импульсов. Серводвигатель представляет собой электромеханическую систему, объединяющую механическую часть и электронику.

Микросхемы драйверов

Разработчики вынуждены постоянно повышать эффективность своих изделий, чтобы обеспечить им конкурентные преимущества на рынке. Роста эффективности можно достичь, например, за счет общего снижения энергопотребления и оптимизации системы отвода тепла. Основная функция системы управления заключается в своевременной и эффективной коммутации обмоток электродвигателя. Коммутации обмоток осуществляются в соответствии с алгоритмами, выполняемыми микроконтроллерами или процессорами. Эти алгоритмы, как правило, очень сложны, поскольку они должны эффективно работать при различных уровнях нагрузки двигателя.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Для упрощения структуры электропривода разработчикам предлагается использовать готовые интегральные решения, которые объединяют МОП-транзисторы и малопотребляющую систему управления со сверхнизким энергопотреблением и различными встроенными функциями, например, функцией контроля тока, защитой от перенапряжений, коротких замыканий и перегрева, а также с функциями диагностики неисправностей.

Драйвер моста MAX14871 предназначен для маломощных приложений с напряжениями питания от 4,5 В до 36 В. Этот драйвер отличается низким потреблением и минимальным числом внешних компонентов. Интегрированная схема управления током имеет три режима регулировки и требует всего нескольких внешних компонентов (рис. 2).

Рис. 2. Блок-схема и схема приложения для MAX14871

Учитывая ужесточение требований к энергосбережению и уменьшению уровня шума, BLDC-двигатели становятся все более востребованными в широком спектре приложений. Для повышения эффективности контроллеры Toshiba используют технологию InPAC (Intelligent Phase Control). Контроллеры с технологией InPAC измеряют разность фаз между током и напряжением и формируют сигнал обратной связи для системы управления электродвигателем для последующего выполнения автоматической регулировки фазы.

Интегральные драйверы Toshiba TC78B0 предназначены для управления скоростью вращения двигателя с помощью ШИМ-сигналов. Эти устройства имеют в своем составе трехфазный драйвер, генератор ШИМ-сигналов, схему защиты от перегрузки по току и схему защиты от перегрева.

Драйвер TC78B015FTG работает с диапазоном питающих напряжений от 6 до 22 В, а драйвер TC78B015AFTG работает с напряжениями питания от 6 до 30 В. Оба устройства обеспечивают выходные токи до 3 А и способны работать с датчиками Холла. Драйверы имеют различные защитные функции, в том числе отключение при перегреве, обнаружение перегрузки по току и обнаружение блокировки двигателя (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема TC78B015FTG

Компания ON Semiconductor предлагает свой драйвер трехфазных BLDC-двигателей STK984-090A.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Этот драйвер имеет в своем составе мощные МОП-транзисторы, токоизмерительный резистор и термистор. Кроме того, драйвер имеет ряд защитных функций, в том числе защиту от перегрева, от перегрузки по току, от перенапряжения и от просадок напряжения. При использовании STK984-090A драйвер может быть реализован в виде компактной печатной платы (рис. 4).

Рис. 4. Схема включения для STK984-090A

Texas Instruments предлагает использовать драйверы DRV832x, чтобы уменьшить размеры и вес электроприводов. В этих драйверах применяется интеллектуальная архитектура, которая исключает необходимость использования множества традиционных компонентов. Драйверы DRV832x позволяют управлять током в цепи затвора, а значит и обеспечивать компромиссное и оптимальное соотношение между скоростью, эффективностью и уровнем генерируемых помех. Существуют исполнения этих драйверов со встроенными линейными стабилизаторами и встроенными токовыми датчиками (усилителями тока). Каждая опция доступна в версиях с последовательным диагностическим интерфейсом (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Блок-схема DRV8320H

Рис. 6. Схема накачки для DRV832X

Заключение

BLDC-двигатели имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными коллекторными двигателями. Благодаря наличию мощных магнитов, мощность BLDC-двигателей оказывается сопоставимой с мощностью коллекторных двигателей, однако их габариты существенно меньше. Грамотное проектирование системы управления является залогом высокой эффективности электропривода. Четкое определение требований в каждом конкретном приложении также является фактором обеспечения высокой эффективности. Современные микроконтроллеры и интегральные драйверы позволяют достигать требуемого уровня эффективности и обеспечивать необходимый функционал систем управления. Управление двигателями играет важную роль в различных промышленных приложениях, например, в роботизированных системах, в станках с ЧПУ и в других прецизионных системах с двигателями.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Источник: https://ru.mouser.com

Управление бесколлекторным двигателем — схемотехника

Основная задача блока управления бесколлекторным двигателем — переключать обмотки статора в зависимости от положения ротора.

В двигателе постоянного тока эту задачу выполняет коллектор — диск на роторе с контактными площадками, по которому скользят токопроводящие графитовые щетки и переключают обмотки.
В асинхронном двигателе знать положение ротора не нужно, но для регулировки скорости нужно менять частоту переключения обмоток (или работать от сети со стандартной частотой 50Гц)

 Я начинал изучение схемотехники драйвера бесколлекторного двигателя по апноте Atmel «AVR492: Управление бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с помощью AT90PWM3» Она есть на русском языке. Немного пояснений: «Для управления БКЭПТ используется силовой каскад, состоящих из 3 полумостов. Схема силового каскада показана на рисунке 4.»
Здесь силовой каскад — это 6 транзисторов, схематично показанных ключами CmdSW, полумост — пара транзисторов, соединенных последовательно между «+» и «-» питания, например CmdSW1, CmdSW2. A, B, C — выводы обмоток двигателя, соединение обмоток между собой как у асинхронных двигателей. Эта схема позволяет току протекать между фазами A, B, C в любом направлении. Например если замкнуть ключ CmdSW1 и CmdSW4, то ток потечет от вывода A к выводу B, а если замкнуть CmdSW3 и CmdSW2 — от вывода В к выводу A. А если замкнуть CmdSW1 и CmdSW2 — получится короткое замыкание с выгоранием транзисторов, так что управлять транзисторами нужно осторожно. Кстати для управления коллекторым двигателем с реверсом нужно 2 полумоста, без реверса — 1 транзистор.
  Для регулирования силы тока в фазе используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Например часть времени открывают ключи CmdSW1, CmdSW4 и ток начинает течь от «A» к «B», затем закрывают CmdSW1 и открывают CmdSW2 и за счет индуктивности обмоток ток продолжить течь по кольцу  A-B-CmdSW4-«земля»-CmdSW2.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Кстати в транзисторы встроены диоды, проводящие ток в обратном направлении. Так что если во второй фазе ШИМ разомкнуть все транзисторы, то в обмотке начнет расти напряжение и через эти диоды энергия из обмоток начнет возвращаться в сеть.
   Эта схема из 6 транзисторов называется трехфазным инвертором и применяется для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный для питания как бесколлекторных, так и асинхронных двигателей. Для бесколлекторных двигателей применяются низковольтные полевые транзисторы (MOSFET), для асинхронных двигателей — высоковольтные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). С помощью этой схемы можно осуществлять и рекуперацию. Её используют все и лучше не сделать.

  Как инвертор бывает оформлен в зависимости от мощности двигателя:

Для управления двигателями очень маленькой мощности используются специализированные микросхемы, в которой уже находятся 6 транзисторов и логика для управления ими. Это решение для двигателей дисководов и вентиляторов. Следующий шаг — микросхема,  управляющая транзисторами и транзисторы отдельно. И для высоких мощностей микросхема или контроллер управляет микросхемами драйверов транзисторов, а драйвера уже управляют самими транзисторами. Зачем такие сложности? Мощные транзисторы имеют управляющий вход с большей емкостью, слабая электроника не в состоянии обеспечить токи до нескольких ампер для быстрого их открытия. А у полуоткрытого транзистора большое сопротивление, он в этот момент греется или даже сгорает 🙂 Поэтому используют микросхемы-драйверы, внутри которых кстати тоже транзисторы, только менее мощные. Получается такой каскад из транзисторов.

Вот первый пример реализации инвертора — авиамодельный, самый дешевый. Фото с двух сторон.

 На одной стороне видно 6 транзисторов в корпусах SOIC. (3 N-канальных, 3 P-канальных), на другой стороне микроконтроллер ATMEGA8 и линейный стабилизатор для получения 5В питания. Ещё есть электролитический конденсатор и всякая мелочь — резисторы с конденсаторами.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем И всё. Дешево и сердито. Цена в рознице около 1000р. Микроконтроллер напрямую управляет затворами транзисторов. Греется такой контроллер довольно сильно, но так как он устанавливается на авиамодели, то хорошо обдувается. Разумеется есть более продвинутые модели, это просто пример упрощения и миниатюризации.

А вот фотография демо-платы от Atmel

 
Предполагается, что можно купить её и сразу начать программировать контроллер, пытаться крутить двигатель. Я решил не покупать, возможно зря. Во всяком случае к ней неплохо бы продавать сразу запасные транзисторы, я их сжег не один раз. И контроллер пару раз. Собственно 6 транзисторов справа, контроллер слева, драйвера транзисторов на другой стороне.

Схема моего драйвера с пояснениями
Я решил не делать простейший драйвер с тем, чтобы расширить возможности его применения, при необходимости несложно будет упростить. Схема разбита на 3 части. Она не такая наглядная, как в апноте Atmel, но постараюсь всё пояснить.

Первая часть — силовая

 
Силовые транзисторы VT1-VT6 управляются микросхемами-драйверами DA1-DA3. Транзисторы я выбрал IRLR3705 как одни из наиболее мощных в корпусе D-Pak на напряжение 55V с сопротивлением 8мОм. Я рассчитывал на напряжение работы 36В плюс запас. В принципе можно ставить транзисторы на радиаторы и использовать корпуса TO-220, но я решил не усложнять монтаж и паять транзисторы на плату. В таком случае для меньших мощностей можно ставить транзисторы в корпусе soic, а для больших — в D2-Pak.  Драйвера взял самые мощные из полумостовых от фирмы International Rectifier — irf2186s с током управления до 4A. Получился большой запас, но самые простые драйвера ir2101 из апнота атмел (ток 130/270мА) с мощными транзисторами справлялись плохо, разница в нагреве транзисторов была ощутима. Полумостовой драйвер управляет двумя транзисторами — верхним и нижним, для управления верхним транзистором нужно высокое напряжение, которое получается по бустрепной схеме питания с помощью диода и конденсатора (например C6, DD7), эта схема наиболее проста и принцип её можно легко найти в интернете.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Можно было взять одну микросхему full-brige для управления сразу шестью транзисторами, но у меня разводка с ней получалась хуже. Между затворами транзисторов и драйверами — резисторы с диодом. Они ограничивают ток затвора, причем ток зарядки почти в 2 раза больше. Тут следующая логика — чем больше ток, тем меньше греются транзисторы при переключении, но растут всплески напряжения. Поэтому номинал резисторов нужно уменьшать до какого-либо разумного предела. Причем транзистор открывается медленнее, чем закрывается, поэтому ток зарядки я сделал больше. Сигнальные выводы драйверов подтянуты к земле на всякий случай, чтоб не сработали когда нет сигналов управления. В целом здесь всё почти так же, как в апноте атмел. Датчики холла также подключил как в апноте, здесь ничего интересного. Питание, силовые Выводы транзисторов и выводы датчиков холла выведены на клеммник X1. Для защиты от короткого замыкания нужно контролировать ток. Для этого служат резисторы R19, R21 суммарным сопротивлением 0,005Ом (в апноте был резистор 0,1Ом), падение напряжение на них усиливается микросхемой LM358 и идет на компаратор и АЦП контроллера. Реализация у меня получилась не очень удачной, но в большинстве случаев защита срабатывает. Неплохо было бы ставить переменный резистор, чтобы пользователь мог задавать порого срабатывания защиты, но это как-нибудь потом ). Также в контроллер заведен сигнал V_IN_MEAS, пропорцональный входному напряжению. Сделано это, чтобы не давать работать драйверу при входном напряжении более 36В, но защиту я пока не включил.

Следующая часть схемы — питание логических элементов.

Из входного питания 24..36В нужно получить 12В для питания драйверов транзисторов и 5В для  остальной логики

Для получения 12В я использовал линейный стабилизатор MC78M12. Лишнее напряжение он просто рассеивает в виде тепла, но так как драйверы транзисторов поребляют не очень много нагрев приемлемый.
Для 5В питания линейный стабилизатор уже применить не получилось, потому что 5В ещё задумывалось использовать для питания внешнего экрана индикации и нагрев оказался слишком большим.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Поэтому применил понижающий преобразователь L5973AD. Он не очень дорогой, но в отличии от ещё более дешевых вариантов имеет защиту от короткого замыкания на выходе. Внешняя обвязка для него и разводка дорожек выполнена по соответствующей апноте.
Обе эти микросхемы имеют максимально допустимое напряжение 35В. Для гашения возможного излишнего напряжения предназначена конструкция из транзисторов VT7, VT8 и стабилитрона VD3.

Последняя часть схемы — микроконтроллер AT90PWM3B с обвязкой.

  • 6 выводов PSCOUT_XX используются для управления драйверами транзисторов.
  • 3 вывода HALL_X используются для отслеживания датчиков холла двигателя.
  • 3 вывода задействованы на микропереключатель SA1 — он служит для переключения интерфейсов  драйвера (RS485 либо переменный резистор с кнопками), выбора числа пар полюсов подключенного двигателя (2 либо 4) и для проведения калибровки двигателя (определение положения датчиков холла)
  • 3 вывода задействованы для управления микросхемой-драйвером RS485
  • 6 выводов задействованы под вариант традиционного управления драйвером — с кнопками и переменным резистором. 4 кнопки служат для включения/выключения (Enable), реверса(F/R), тормоза(Brake) и выбора режима поддержания скорости(Mode). Еще один вывод Speed(analog) для переменного резистора задания скорости и на последний выход Hall_out подаются импульсы при срабатывании датчиков холла. Эти выводы и выводы интерфейса RS485 выведены на клеммник X3.
  • 2 вывода задействованы для контроля сигнала токового шунта ERROR_ADC. Один для быстрого срабатывания защиты, другой для грубой оценки потребляемого тока.
  • 1 вывод для контроля входного напряжения V_IN_MEAS
  • 1 вывод для светодиода VD5, полезного для индикации различных событий.

Также на схеме есть разъем программирования контроллера X2

Представленная схемотехника конечно не соответствует первоначальной идее о максимально дешевом драйвере, но относительно легко может быть упрощена.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Можно убрать интерфейс RS485, поставить менее мощные транзисторы и драйверы управления ими.

Что такое бесколлекторный двигатель?

Типы моторов?

Двигатели/моторы в мультироторных аппаратах бывают двух типов:

  1. Коллекторные/Brushed (др. названия: DC)/Сoreless.
  2. Бесколлекторные/Brushless.

Их главное отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного — на статоре. Не вдаваясь в подробности скажем, что бесколлекторный двигатель предпочтительнее коллекторного поскольку наиболее удовлетворяет требованиям, ставящимся перед ним. Поэтому в этой статье речь пойдёт именно о таком типе моторов. Подробно о разнице между бесколлекторными и коллекторными двигателями можно прочесть в этой статье.

Несмотря на то, что применяться БК-моторы начали сравнительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако именно появление транзисторных ключей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Устройство БК — моторов

Конструкция бесколлекторного двигателя состоит из ротора на котором закреплены магниты и статора на котором располагаются обмотки. Как раз по взаиморасположению этих компонентов БК-двигатели делятся на inrunner и outrunner.

В мультироторных системах чаще применяется схема Outrunner, поскольку она позволяет получать наибольший крутящий момент.

Плюсы и минусы БК — двигателей

Плюсы:

  • Упрощённая конструкция мотора за счёт исключения из неё коллектора.
  • Более высокий КПД.
  • Хорошее охлаждение.
  • БК-двигатели могут работать в воде! Однако не стоит забывать, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина и он сломается через какое-то время. Для избежания подобных ситуаций рекомендуется обрабатывать двигатели водоотталкивающей смазкой.
  • Наименьшие радиопомехи.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Минусы:

Из минусов можно отметить только невозможность применения данных двигателей без ESC (регуляторы скорости вращения). Это несколько усложняет конструкцию и делает БК-двигатели дороже коллекторных. Однако если сложность конструкции является приоритетным параметром, то существуют БК-двигатели с встроенными регуляторами скорости.

Как выбрать двигатели для коптера?

При выборе бесколлекторных двигателей в первую очередь следует обратить внимание на следующие характеристики:

  • Максимальный ток — эта характеристика показывает какой максимальный ток может выдержать обмотка двигателя за небольшой промежуток времени. Если превысить это время, то неизбежен выход двигателя из строя. Так же этот параметр влияет на выбор ESC.
  • Максимальное напряжение — так же как и максимальный ток, показывает какое напряжение можно подать на обмотку в течение короткого промежутка времени.
  • KV — количество оборотов двигателя на один вольт. Поскольку этот показатель напрямую зависит от нагрузки на вал мотора, то его указывают для случая, когда нагрузки нет.
  • Сопротивление — от сопротивления зависит КПД двигателя. Поэтому чем сопротивление меньше — тем лучше.

Управление электродвигателем

Автор: admin


3
Июн

Решение «все-в-одном» от компании Infineon для разработки беспроводного электроинструмента

Набор включает в себя транзисторы на основе технологии OptiMOS™ с напряжением сток-исток 40/60 В, схему управления EiceDRIVER™ и микроконтроллер XMC1302 на базе ядра Cortex-M0TM.

Получите преимущества от использования инструментального набора для построения схемы управления электродвигателем мощностью 300 Вт посредством быстрого макетирования и тестирования, а также всесторонней технической поддержки. Завершенное системное решение для беспроводных электроинструментов позволяет разработать оптимизированную по размерам и стоимости схему с максимальной плотностью мощности и высокой энергоэффективностью.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Системное решение компании Infenion на основе собственных MOSFET-транзисторов, драйверов и микроконтроллера позволит разработчикам снизить до 30% стоимости конечного продукта.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Infineon

Автор: admin


3
Июн

Семейство микроконтроллеров Kinetis KV1x представляют первые приборы в серии устройств Kinetis V, созданных специально для схем управления электродвигателями.

Интеграция самого производительного в отрасли процессора ARM Cortex-M0+, улучшенные АЦП и система тактирования и синхронизации позволяют создавать на основе этих микроконтроллеров мощные конкурентоспособные решения для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока (BLDC) и синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов (PMSM).

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Freescale

Автор: admin


3
Апр

Новые микроконтроллеры обработки смешанных сигналов сертифицированы для автомобильных приложений в соответствии со стандартом AEC-Q100 Grade 0 и поддерживают рабочую температуру окружающей среды от -40°C до +150°C.

Хотите отказаться от коллекторных двигателей постоянного тока в пользу бесколлекторных? Вы хотите максимально использовать пространство печатной платы? Вы используете технологию управления ориентацией магнитного поля для построения эффективных схем управления PMSM двигателем с плавным пуском? Хотите воспользоваться готовым программным обеспечением и ускорить разработку конечного решения? Необходимо большей гибкости подключения к сетям LIN или CAN протоколов? И используете MATLAB при модельно-ориентированном проектировании?

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Freescale

Автор: admin


12
Мар

DRV8303 — это интегральная схема драйвера затворов силовых транзисторов для систем управления трехфазными электродвигателями, отличающаяся сверхнизким энергопотреблением, оснащенная двумя токовыми шунтирующими усилителями и поддерживающая широкий диапазон рабочих напряжений.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

DRV8303 оснащен тремя полумостовыми драйверами, каждый из которых способен управлять двумя N-канальными MOSFET-транзисторами (одним верхнего плеча и одним нижнего плеча). Устройство подерживает ток стока до 2.3 А, ток истока до 1.7 А и способно работать от однополярного источника питания в широком диапазоне напряжений от 6 В до 60В. Для питания прибор необходим однополярный источник с диапазоном напряжения от 6 В до 60 В. В DRV8303 используется схема управления затворами с компенсационной обратной связью и частичной подзарядкой, что позволяет задействовать 100% рабочий цикл. Помимо этого, для предотвращения сквозного тока через силовые транзисторы полумоста предусмотрен механизм автоматического контроля момента переключения каждого из них.

Читать далее »

Автор: admin


3
Апр

STK681-300 – это толстопленочная гибридная микросхема реверсивного драйвера коллекторного электродвигателя.

Устройство предназначено для управления коллекторным электродвигателем постоянного тока и обеспечивает четыре режима работы: вперед, назад, торможение и стоп. Допустимый рабочий выходной ток составляет 2.9 А, допустимый пиковый входной ток при торможении двигателя (режим «торможение») составляет 5 А. STK681-300 интегрирует резистор датчика тока электродвигателя, позволяя уменьшить размер готового решения и снизить его стоимость за счет уменьшения количества внешних компонентов. Кроме того, интегрированный датчик тока избавляет разработчика от необходимости рассчитывать мертвое время между моментами закрытия и открытия интегрированных силовых ключей верхнего и нижнего плеча при изменении направления вращения двигателя.

Читать далее »

Автор: admin


3
Апр

Микросхема LV8761V компании ON Semiconductor представляет собой полный Н–мостовой драйвер коллекторного электродвигателя постоянного тока, реализующий четыре режима работы: вперед, назад, стоп и режим ожидания.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Малое сопротивление интегрированных силовых ключей в открытом состоянии, нулевой ток покоя в режиме ожидания и высокая энергоэффективность делают данное устройство идеальным для применения в системах управления коллекторными двигателями постоянного тока в офисном оборудовании.

Читать далее »

Автор: admin


27
Фев

Микросхема LV8804FV компании ON Semiconductor предназначена для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока в вентиляторах персональных компьютеров, серверов и холодильников.

LV8804FV представляет собой бездатчиковый драйвер трехфазного электродвигателя, обеспечивающий малое энергопотребление и низкий уровень вибрации. Отсутствие необходимости применения датчика Холла позволяет уменьшить размер готового решения. Драйвер LV8804FV ориентирован на применение в приложениях, требующих высокой надежности при длительном сроке эксплуатации, таких как вентиляторы серверов и холодильников.

Читать далее »

Автор: admin


27
Фев

Гибридные микросхемы семейства STK672 компании ON Semiconductor представляют собой микрошаговые драйверы униполярного двухфазного шагового двигателя, оснащенные интегрированными силовыми ключами на MOSFET транзисторах.

Архитектура устройств базируется на униполярном ШИМ–контроллере со стабилизацией тока нагрузки и включает интегрированный контроллер микрошагов, обеспечивая широкий выбор режимов возбуждения: 2-фазный, 1-2-фазный, W1-2-фазный, 2W1-2-фазный и 4W1-2–фазный. Кроме того, устройства обеспечивают вращение ротора двигателя в прямом и обратном направлении с функцией деления шагов с разрешением до 1:16, позволяя регулировать скорость вращения простым изменением частоты тактового сигнала. Применение микросхем семейства STK672 позволяет разработчикам проектировать решения, обеспечивающие высокий крутящий момент двигателя, низкий уровень вибрации, быстрый отклик и высокий КПД приложения.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Читать далее »

Автор: admin


24
Янв

Пиковый ток до 5 А, деление шагов до 1:16

Компания Toshiba Electronics расширила свое семейство микрошаговых контроллеров шаговых двигателей новым устройством — TB6600HG, отличающимся пиковым выходным током до 5 А и возможностью выбора разрешения микрошагов.

Высокая степень интеграции функциональных узлов обеспечивает возможность сокращения количества компонентов при применении TB6600HG в оргтехнике, промышленных системах и других приложениях, требующих точности и повторяемости позиционирования ротора двигателя, а также длительной эксплуатации без технического обслуживания.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Toshiba

Автор: admin


24
Янв

Идеально подходит для применения в устройствах с питанием от аккумуляторной батареи

DRV8837 представляет собой высокоинтегрированный драйвер маломощного коллекторного электродвигателя, ориентированный на применение в камерах, потребительских товарах, игрушках и других устройствах с низковольтным питанием или с питанием от аккумуляторной батареи, осуществляющих управление механическим перемещением исполнительных элементов.

Драйвер оснащен одним H-мостовым выходным каскадом и предназначен для управления одним коллекторным электродвигателем постоянного тока или одной обмоткой шагового двигателя, а также другими устройствами, такими как соленоиды. Выходные каскады драйвера управления обмоткой двигателя построены на N-канальных силовых MOSFET транзисторах, сконфигурированных как полный Н–мост. Интегрированная схема подкачки заряда (charge pump) обеспечивает необходимое напряжение для управления затворами MOSFET транзисторов.

Читать далее »

Коллекторный двигатель переменного тока: схема подключения

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Схема подключения двигателя, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

  • электронная схема подает сигнал на затвор симистора,
  • затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя,
  • тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления,
  • в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках,
  • реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

  • компактные габариты,
  • увеличенный пусковой момент, «универсальность» работа на переменном и постоянном напряжении,
  • быстрота и независимость от частоты сети,
  • мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

  • снижение долговечности механизма,
  • искрение между и коллектором и щетками,
  • повышенный уровень шумов,
  • большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Все об управлении двигателями BLDC: бессенсорные контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока

Узнайте о контроллерах бессенсорных бесщеточных двигателей постоянного тока, некоторых примерах ИС и некоторых недостатках использования таких двигателей.

Краткий обзор щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока

(BLDC) стали чрезвычайно популярными по сравнению со своим предшественником, щеточными двигателями постоянного тока (см.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Рисунок ниже). Как следует из названия, «щеточные» двигатели постоянного тока используют щетки и коммутатор для управления движением ротора двигателя.

Рис. 1. В щеточных двигателях постоянного тока используются щетки и коммутатор. Изображение любезно предоставлено Университетом Клемсона.

Опять же, как следует из названия, в бесщеточных двигателях постоянного тока щетки не используются; движение двигателя контролируется с помощью тщательно разработанных сигналов привода. По сравнению с щеточными двигателями, бесщеточные двигатели обладают повышенной надежностью, более длительным сроком службы, меньшими размерами и меньшим весом. Двигатели BLDC стали более популярными в приложениях, где эффективность является критической проблемой, и, вообще говоря, двигатель BLDC считается высокопроизводительным двигателем, способным обеспечивать большое количество крутящего момента в широком диапазоне скоростей.

Некоторые двигатели BLDC используют датчики Холла для определения положения ротора двигателя относительно статора двигателя (см. Рисунок 2 ниже).

Рис. 2. Двигатель BLDC с датчиками Холла. Изображение любезно предоставлено Nidec.com.

Другие двигатели не имеют датчиков; их называют бессенсорными двигателями BLDC. Вместо использования датчиков Холла для определения положения и / или скорости ротора используется явление, называемое обратной ЭДС (см. Рисунок 3 ниже).

Рис. 3. Бездатчиковое управление двигателем BLDC с использованием обратной ЭДС. Изображение любезно предоставлено Microchip (стр. 4).

Бездатчиковое управление двигателем BLDC

Бессенсорное управление двигателем BLDC — иногда называемое бессенсорным трапециевидным управлением двигателями BLDC — использует обратную ЭДС (BEMF) для определения местоположения ротора двигателя (вращающейся части двигателя) по отношению к статору двигателя (неподвижная часть).

Напряжение, приложенное к обмотке двигателя, заставляет ротор двигателя вращаться.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Однако движение ротора через магнитное поле двигателя аналогично поведению генератора, и, следовательно, двигатель не только получает приложенное напряжение, но и генерирует собственное напряжение. Это напряжение называется противодвижущей силой или противо-ЭДС, и оно пропорционально скорости вращения двигателя. Обратную ЭДС можно использовать для определения скорости и положения ротора двигателя — датчики не требуются. Управление двигателем с помощью обратной ЭДС — задача непростая; Большинство бессенсорных двигателей BLDC управляются с помощью микроконтроллера, цифрового сигнального процессора или специальной микросхемы драйвера.На рисунке ниже показан типичный бессенсорный драйвер двигателя BLDC.

Рис. 4. Типичный бессенсорный моторный привод BLDC.

DRV10983 от Texas Instruments представляет собой трехфазный драйвер двигателя без датчиков со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, способными обеспечивать непрерывный ток возбуждения до 2 А. Он отличается высокой степенью интеграции и требует небольшого количества внешних компонентов.

Рис. 5. Драйвер бессенсорного управления двигателем BLDC DRV10983 компании TI.Изображение любезно предоставлено Texas Instruments (стр. 1).

Не все контроллеры двигателей BLDC без датчиков имеют встроенные полевые МОП-транзисторы. Рассмотрим, например, A4964 от Allegro. Эта часть требует использования внешних N-канальных силовых полевых МОП-транзисторов; он может работать вместе с микроконтроллером или как независимый однокристальный контроллер двигателя.

Рис. 6. Бессенсорный контроллер BLDC Allegro A4964 может работать либо с микроконтроллером, либо как независимый контроллер двигателя.Изображение взято из таблицы данных A4964.

Как упоминалось ранее, термин трапециевидный иногда используется при описании бессенсорных контроллеров двигателей BLDC. И при просмотре рисунка ниже легко понять, почему: формы напряжения для каждой из трех фаз двигателя имеют трапециевидную форму.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Рис. 7. Микрочип AN970, показывающий формы сигналов датчика Холла и соответствующие трапециевидные формы сигналов обратной ЭДС. Изображение любезно предоставлено Microchip (стр. 3).

Недостатки бессенсорных контроллеров двигателей BLDC

Когда ротор бессенсорного двигателя BLDC вращается, его бессенсорная схема может работать отлично. Однако это не тот случай, когда ротор двигателя неподвижен, и это приводит нас к одному серьезному недостатку использования бессенсорных двигателей BLDC. Когда ротор двигателя не вращается, обратная ЭДС не генерируется. Без обратной ЭДС цепи привода не хватает информации, необходимой для правильного управления двигателем.

Для этой проблемы Texas Instruments предлагает два решения, как указано в их техническом описании DRV10983 (стр. 17):

  1. Используйте функцию определения начального положения DRV10983 (IPD) для определения положения ротора «на основе детерминированного изменения индуктивности, которое часто присутствует в двигателях BLDC.«
  2. Или используйте технику выравнивания и перемещения. В этом методе напряжение прикладывается к одной из фаз, чтобы принудительно установить ротор в известное положение.

Другой недостаток использования бессенсорных двигателей BLDC связан с соотношением между обратной ЭДС и угловой скоростью. Более низкая скорость означает меньшую обратную ЭДС, и, следовательно, двигатели BLDC с эффектом Холла могут быть более эффективными, чем бессенсорные двигатели BLDC в низкоскоростных приложениях.

В заключение

Бесщеточные двигатели постоянного тока

обладают значительными преимуществами по сравнению со стандартными щеточными двигателями.Бесщеточные реализации постоянного тока могут быть бессенсорными или основанными на датчиках Холла, встроенных в двигатель (третий вариант — использование внешнего датчика углового положения). Бессенсорные системы снижают стоимость и требуют меньшего количества соединений между модулем драйвера и двигателем; они могут быть несколько сложными, но высокопроизводительные интегральные схемы помогают упростить задачу проектирования.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Хотя бессенсорные системы обычно предпочтительнее, использование датчиков Холла может быть лучшим выбором для низкоскоростных приложений.

Изображение предоставлено Mataresephotos [CC BY 3.0]

Цепь драйвера двигателя BLDC без датчиков

В этом посте мы исследуем, что такое двигатель BLDC, а затем узнаем о конструкции схемы драйвера двигателя BLDC без датчиков.

Вентиляторы для ЦП BLDC

Видел эти быстро вращающиеся вентиляторы в процессорах, стабилизаторах напряжения, DVD-плеерах и другом подобном оборудовании, которые работают с максимальной эффективностью, потребляют минимум места, тока и, тем не менее, способны выполнять важные операции, как предусмотрено для конкретное оборудование?

Да, это все современные версии вентиляторов BLDC или бесщеточных двигателей постоянного тока, которые намного превосходят старые традиционные щеточные двигатели.

Изображение предоставлено: https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_fan#/media/File:Geh%C3%A4usel%C3%BCfter.jpg

Однако для двигателя BLDC потребуется сложная схема драйвера, и да все эти вентиляторы ЦП содержат эти встроенные драйверные модули, хотя они кажутся легко управляемыми с помощью обычного постоянного тока, внутренне система уже оснащена интеллектуальной схемой.

Драйвер двигателя BLDC

Здесь мы узнаем об одной такой интеллектуальной схеме драйвера двигателя BLDC, использующей одну микросхему DRV10963 для управления любым небольшим двигателем BLDC с невероятной эффективностью, а позже в одной из следующих статей мы увидим, как эта микросхема Схема может быть модернизирована для управления даже мощными сильноточными BLDC, такими как те, которые используются в квадрокоптерах.

Но перед этим было бы интересно узнать немного о двигателях BLDC.

Разница между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока

Разница между щеточными и бесщеточными двигателями и степенью эффективности довольно очевидна.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Поскольку щеточные двигатели имеют намотанный якорь, движущийся между магнитами, необходимо использовать «щетки» (трущиеся контакты), чтобы клеммы подвижной катушки могли постоянно получать напряжение питания, не достигая самого источника питания, что в противном случае сделать работу невозможной и поставить под угрозу операции.

В бесщеточном двигателе катушка или обмотка никогда не движутся и являются постоянными, здесь ротор несет набор постоянных магнитов и вращается под влиянием магнитных потоков окружающей обмотки.

Так как магнит избавлен от всех проблем и может работать без использования терминалов для управления или получения энергии, он может работать без усилий, вращаясь с высокой скоростью и практически бесшумно.

Но здесь есть одна загвоздка. Чтобы электромагнит реагировал на потоки постоянного магнита, должен быть постоянный сдвиг магнитной фазы или полюсов, чтобы два аналога могли постоянно реагировать и проходить через противоположную силу, тем самым высвобождая требуемую крутящую силу на ротор и выполнить вращение с результирующим крутящим моментом.

В щеточном двигателе это становится проще из-за саморегулирующейся природы катушки якоря, которая может вращаться и создавать самоподдерживающуюся противодействующую магнитную силу и продолжать вращаться без необходимости каких-либо внешних импульсов или обработки.

Однако в BLDC это становится проблемой, поскольку магнитный ротор остается «невежественным» и требует рассчитанной магнитной команды от обмотки, чтобы вращаться осмысленным образом, а не случайным образом.

Именно поэтому все двигатели BLDC в обязательном порядке требуют схемы драйвера двигателя для управления тремя отдельными наборами обмоток внутри двигателя.

Таким образом, все BLDC являются по существу трехфазными двигателями и обязательно требуют трех фаз для создания крутящего момента на роторе.

Что делают бессенсорные драйверы BLDC

Схема драйвера BLDC без датчиков просто электризует 3 набора обмоток последовательным образом, так что магнитный ротор может выдерживать постоянную противодействующую силу, позволяя двигателю достигать устойчивого крутящего момента и вращательная сила.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Но это последовательное включение обмотки BLDC схемой не может быть просто случайным образом установлено, оно должно быть в тандеме или в ответ на вращательное положение магнита ротора, иначе реализация может пойти не так, и мы можем засвидетельствовать вал двигателя (ротор) беспорядочно вращается, то есть дергается между вращением по часовой стрелке и против часовой стрелки без ощутимого вращения.

Почему датчики используются в двигателях BLDC

Поэтому мы представляем датчики, расположенные внутри многих вариантов двигателей BLDC, эти датчики (обычно датчики эффекта Холла) «понимают» изменение положения магнитных полюсов магнита ротора, инструктируют подключенный процессор цепь для электрификации соответствующей обмотки и выполнения вращательного движения с оптимальным крутящим моментом.

Датчики на эффекте Холла эффективно используются в большинстве двигателей BLDC, которые относительно больше по размеру, но для двигателей меньшего размера, таких как вентиляторы ЦП, приводы ЦП, DVD-плееры, небольшие вытяжные вентиляторы, для двигателей, используемых в квадрокоптерах, датчики эффекта Холла могут становятся неподходящими, и поэтому применяется альтернативный подход без датчика.

Это включает использование собственного электричества обратной ЭДС обмотки, которое используется в качестве эталонного источника для обработки и электрификации соответствующих наборов обмоток и выполнения крутящего момента.

Моделирование движения ротора BLDC

В приведенном выше примерном моделировании мы можем визуализировать, как высвободившаяся обратная ЭДС берется за эталон и используется для создания импульсов последовательности для последующих наборов обмоток, создавая вращающий момент на центральном постоянном магните. ротор.Симуляция может не быть точной копией, тем не менее, она дает общее представление о принципе работы.

Интересно отметить, что импульс переключается, когда N / S магнита находится точно в центре сердечника обмотки, что позволяет обмотке подавать питание на N или S в зависимости от полярности импульса и создавать притягивающее и отталкивающая сила на магнитах N / S, тем самым создавая требуемый крутящий момент на максимально возможном уровне.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

А это, в свою очередь, становится возможным благодаря обратной ЭДС, высвобождаемой при переключении предыдущей обмотки.

Вышеупомянутое обсуждение поясняет работу двигателя BLDC без датчиков, теперь давайте узнаем, как указанная схема обрабатывает вышеупомянутое сложное выполнение трехфазного переключения

Драйвер BLDC DRV10963

После некоторого поиска в Google я обнаружил, что эта бессенсорная схема драйвера BLDC использует одна микросхема DRV10963, в которой задействовано незначительное количество деталей в конфигурации, но при этом она способна реализовать сложную обработку для намеченных действий.

DRV10963 — это современная микросхема, которая специально разработана для управления двигателями без датчика BLDC, просто ожидая обратной ЭДС от обмотки двигателя и передавая точную команду на обмотку и достигая оптимального крутящего момента на ротор.

Принципиальная схема

На изображении выше показана простая схема схемы, которая, по-видимому, не включает ничего, кроме самой ИС.

Различные распиновки распределяются для выполнения указанных функций, таких как ШИМ-управление скоростью двигателя, управление направлением и т. Д. Путем простой подачи в соответствующие распиновки указанных данных из внешнего источника.

На следующем изображении показан корпус микросхемы, который выглядит как 10-контактная микросхема DIL, различные функции ее вывода можно изучить на основе данных, представленных на диаграмме:

Ссылаясь на принципиальную схему предлагаемого Схема бессенсорного драйвера BLDC, представленная в предыдущей статье, а также на изображении микросхемы выше, детали распиновки можно понять следующим образом:

Подробная информация о выводе IC

FG = Это вывод индикатора скорости двигателя (выход), который установлен в режим открытого коллектора с внутренним БЮТ.

Открытый коллектор означает, что выход в этой распиновке будет производить отрицательные ШИМ через понижающую логику через открытый коллектор и землю, таким образом, чтобы получить действительное значение, пользователю потребуется подключить подтягивающий резистор через этот открытый коллектор и положительный источник питания.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем (5V) для выполнения индикации скорости на этой распиновке.

FGS = Это вход переключателя индикатора скорости, что означает, что здесь может быть введен высокий или низкий логический уровень для включения / выключения контакта индикатора FG.

Vcc = положительное напряжение питания ИС, позволяющее ей работать, не должно превышать 5 В.

W, U и V — 3-фазные выходы для двигателя BLDC, который должен работать через эту ИС. Это также действует как входы для измерения импульсов ЭДС двигателя для необходимого синхронного переключения катушек двигателя.

GND = Относится к отрицательной выводе питания IC по отношению к выводу Vdd.

FR = Помогает выбирать или управлять направлением двигателя и может быть динамически изменен в любое время после подачи питания на систему, просто введя внешний логический высокий или низкий логический уровень.

PWM = Означает вход управления ШИМ от внешнего генератора сигналов ШИМ.

Этот вход ШИМ может изменяться для реализации желаемого управления скоростью подключенного двигателя BLDC.

Пунктирное пространство в центре микросхемы указывает на тепловую прокладку, которая может быть зажата или прижата радиатором, чтобы отвести возможное тепловыделение на микросхеме при использовании с нагруженным двигателем BLDC.

Вышеупомянутое обсуждение описывает распиновку или детали подключения бессенсорной микросхемы драйвера двигателя BLDC DRV10963, теперь давайте подробно проанализируем внутреннюю конфигурацию и функционирование микросхемы с помощью следующих пунктов: представляет собой трехфазный привод с электродвигателем без датчиков со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами (трехфазный мост с H-мостом).Он разработан для повышения производительности, снижения уровня шума и минимального количества вторичного материала. Эксклюзивная бессенсорная схема синусоидального управления 180 ° с оконным стеклом обеспечивает бесшумную эффективность коммутации двигателя.

DRV10963 состоит из функции интеллектуального обнаружения замков, объединенной с дополнительными встроенными схемами безопасности для обеспечения надежной работы.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем DRV10963 можно найти в термоэффективной 10-контактной упаковке USON с непокрытым термоматом.

Как работает ИС

DRV10963 — это трехфазный мотор-привод без датчиков с полевыми МОП-транзисторами. Он создан специально для превосходных характеристик, снижения резонанса и минимального количества поверхностных деталей.

Принципиальная схема бессенсорного синусоидального управления 180 ° без окна обеспечивает бесшумную работу двигателя за счет поддержания номинальной электрически стимулированной пульсации крутящего момента. После инициализации устройство DRV10963 будет вращать двигатель в направлении, указанном через входной контакт FR.

Микросхема DRV10963 будет работать с трехфазным двигателем постоянного тока постоянного тока с использованием синусоидальной схемы управления.

Значение используемых синусоидальных фазных напряжений зависит от рабочего цикла вывода ШИМ.Пока двигатель движется, микросхема DRV10963 передает данные скорости на вывод FG.

Блок DRV10963 включает функцию интеллектуального распознавания блокировки. В случае, как в случае, когда двигатель останавливается из-за постороннего давления, программа обнаружит проблему блокировки и примет меры для защиты самостоятельно вместе с двигателем.

Конкретная процедура схемы определения блокировки подробно описана в разделе «Обнаружение блокировки». Кроме того, микросхема DRV10963 включает в себя несколько встроенных схем безопасности, например защиту от перегрузки по току, защиту от перенапряжения, защиту от пониженного напряжения и защиту от перегрева.

Пояснение к характеристикам

Вход и управление скоростью

DRV10963 имеет 3-фазные выходы PWM 25 kl-lz, которые могут иметь стандартный процент синусоидальных сигналов от фазы к фазе. В случае, если какой-либо цикл определен относительно земли, обнаруженная форма сигнала, вероятно, будет синусоидой с ШИМ-защитой в сочетании с гармониками 3-го порядка, как показано на рисунке 2.

Эта стратегия кодирования оптимизирует спецификации драйвера по той причине, что, вероятно, будет часто быть однофазным выходом, который может быть на одном уровне с нулем.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Итоговая амплитуда изменяется в соответствии с напряжением питания (VCC) и обязательным рабочим циклом ШИМ (PWM), как определено в уравнении 1 и выделено на рисунке 3. Оптимальная амплитуда реализуется, когда проинструктированный рабочий цикл ШИМ составляет 100 ПРОЦЕНТОВ.

Vphpk = PWMdc>

Скорость двигателя регулируется не напрямую с помощью команды PWM для регулирования амплитуды фазных напряжений, которые используются для двигателя.

Рабочий цикл входа ШИМ преобразован в 9-битную цифровую величину (от 0 до 511).

Разрешение регулирования составляет 1/512 == 0,2%. Анализатор рабочего цикла облегчает операцию обмена начальным порядком между входным рабочим циклом и 9-битным цифровым числом.

Это выделено на рисунке 4, на котором r = 80 мс.

Производительность обмена между заказанным рабочим циклом ШИМ и максимальной выходной амплитудой в устройстве DRV10963 является переменной.

Итоговая максимальная амплитуда обсуждается уравнением 1, когда команда ШИМ> минимального рабочего цикла.Самый низкий рабочий цикл часто устанавливается равным 13%, 10%, 5% или без ограничения настройкой OTP (MINOP_DC1: 0).

В таблице 1 показаны рекомендуемые конфигурации для минимального рабочего цикла.

Каждый раз, когда рабочий цикл, заданный ШИМ, меньше минимального рабочего цикла функционирования и превышает 1,5%, выход будет регулироваться при минимальном рабочем цикле. Каждый раз, когда рабочий цикл входа ниже 1,5%, устройство DRV10963, скорее всего, не запустит выход и перейдет в режим ожидания.

Это можно проиллюстрировать на Рисунке 6.

Конфигурации вращения

DRV10963 запустит двигатель с помощью метода, подробно описанного на Рисунке 7.

График инициализации двигателя состоит из конфигурируемых устройством альтернатив для открытого контура для замыкания. предел переключения петли (HOW.), время выравнивания (TAHQH) и скорость ускорения (RACE).

Для согласования ротора с логикой коммутации DRV10963 выполняет рабочий цикл x% на фазах V и W, одновременно управляя фазой U на GND.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Этот сценарий поддерживается в течение TAIign секунд. Значение x% определяется напряжением VCC (как показано в таблице 2), чтобы поддерживать достаточный крутящий момент при различных напряжениях питания.

По мере выполнения последовательности выравнивания двигатель принудительно ускоряется за счет подачи синусоидальных фазных напряжений с пиковыми уровнями, как показано в таблице 2, и повышения с помощью диапазона коммутации с увеличивающейся скоростью, представленной RACE, до тех пор, пока уровень коммутации не возрастет. в Hom., Гц.

Как только этот предел будет достигнут, DRV‘l0963 перейдет в режим замкнутого контура, в котором последовательность коммутации распознается встроенным алгоритмом управления, в то время как используемое напряжение определяется входом обязательного рабочего цикла ШИМ.

Предел переключения разомкнутого контура на замкнутый контур (Hom), время выравнивания (TAHQH) и скорость ускорения (RACE) настраиваются с помощью конфигураций OTP.

Выбор порога передачи обслуживания (HOW,) обычно утверждается методом проб и ошибок.Задача состоит в том, чтобы предпочесть допуск переключения, который мог бы быть как можно меньшим и позволял двигателю легко и точно переключаться между ускорением разомкнутого контура и ускорением замкнутого контура.

Обычно двигатели с повышенной скоростью (максимальная скорость) требуют повышенного допуска переключения, поскольку двигатели с повышенной скоростью имеют пониженное Kt, следовательно, более доступный BEMF.

Таблица 3 демонстрирует конфигурируемые предпочтения для допуска передачи обслуживания.Доказано, что самая высокая скорость в электрических Гц может помочь в выборе желаемой скорости передачи обслуживания для конкретного представления.

Выбор времени выравнивания (TAHQH) и скорости ускорения (RACE) может зависеть даже от анализа методом проб и ошибок.

Двигатели с большей инерцией обычно требуют увеличенного времени наладки и более медленного увеличения скорости в отличие от двигателей с низкой инерцией, которые обычно требуют более короткого времени наладки вместе с более быстрым процентом ускорения.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Компромиссы программы должны быть реализованы, чтобы извлечь выгоду из стабильности запуска, в отличие от периода ротации.

TI рекомендует начинать с выбора менее интенсивных конфигураций (более медленный RACE и значительный Tmign), чтобы снизить время увеличения крутящего момента для поддержки максимальной скорости выполнения.

Как только будет подтверждено, что оборудование работает добросовестно, можно использовать дополнительные принудительные конфигурации (больший RACC и меньший TAHQH) для уменьшения момента включения и в то же время осторожного отслеживания скорости выполнения.

Таблица 4 показывает настраиваемые параметры для TA «g ,, и RACE.

Остальная часть пояснения относительно этой бессенсорной ИС BLDC представлена ​​в этом исходном техническом описании

Пожалуйста, не стесняйтесь комментировать, чтобы узнать больше о Обсуждаемые выше детали схемы бессенсорного двигателя BLDC

О Swag

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https: // www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими новаторскими идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

Как проверить и устранить неисправность бесщеточного двигателя

Если вы используете бесщеточные двигатели в своей отрасли, вы должны быть уверены, что они всегда находятся в идеальном рабочем состоянии. Хотя рекомендуется запланировать регулярное техническое обслуживание всей своей электроники, если вы сможете самостоятельно проверить свои бесщеточные двигатели, вы сможете сэкономить для своего бизнеса на некоторых расходах на обслуживание.

Если ваш бесщеточный двигатель не вращается, вам необходимо определить проблему. Вот несколько советов, если вы хотите проверить бесщеточный двигатель.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Как проверить бесщеточный двигатель на короткое замыкание

Бесщеточный двигатель работает с использованием электромагнитов, а не щеток для вращения двигателя. Магниты прикреплены к раструбу двигателя и при необходимости толкают и тянут двигатель.

Электромагниты также могут использоваться для выработки электроэнергии. Когда вы вращаете мотор вручную, он генерирует мощность.Многие современные генераторы используют этот же процесс для создания энергии. Если какие-либо два провода замкнуты вместе, вы почувствуете сопротивление, если попытаетесь раскрутить двигатель вручную. Если вы отсоедините все провода, двигатель не будет иметь проблем с вращением при ручном приводе.

Если вы отсоединили все провода, но двигатель все еще сопротивляется вращению, можно предположить, что у вас внутреннее короткое замыкание.

Как провести сухой тест бесщеточного двигателя

Если ваш мотор вращается, но недавно он перегрелся или получил повреждения, вы можете проверить его всухую, чтобы увидеть, есть ли с ним какие-либо проблемы.Вот шаги, которые вы можете предпринять, чтобы проверить свой бесщеточный двигатель всухую.

Шаг первый

Отсоедините двигатель от электронного регулятора скорости (ESC) и заведите его с помощью дрели с регулируемой частотой вращения, работающей от батареи, удерживая неподвижную часть и три проводника изолированными. Дайте ему поработать пару минут на полной скорости. Если двигатель издает странный шум или что-то внутри двигателя нагревается, у вас закорочена обмотка или ослабленный магнит ударяет по статору внутри двигателя.

Услуги по перемотке двигателей

Шаг второй

Пометьте три провода двигателя, продолжая изолировать их друг от друга, как 1, 2 и 3.Теперь подключите вольтметр к диапазону переменного тока и подключите два провода к клеммам 1 и 2. Снова намотайте дрель на полной скорости и запишите напряжение переменного тока. Повторите этот процесс с клеммами 2 и 3 и 1 и 3.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Если все три показания не примерно одинаковы, у вас проблема с проводами двигателя.

Шаг третий

Проверить на короткое замыкание статор и обмотки. Ищите любые соединения между обмотками и пластинами статора двигателя. Вам нужно будет найти неизолированный металл на статоре для одного соединения со счетчиком и на обмотках счетчика для другого.Если вы не можете найти его, создайте его, проткнув покрытие стальных пластин.

Если счетчик не показывает обрыв цепи, возможно, ваш двигатель поврежден.

Замена двигателя

Шаг четвертый

Если ваш двигатель прошел все эти тесты, все в порядке. Однако перед тем, как снова запустить его, вы можете проверить ток холостого хода двигателя и сравнить его со спецификациями, предоставленными производителем. Это позволит вам определить короткое замыкание в двигателе или короткое замыкание обмотки.

Если у вас закороченный виток, вы не можете использовать двигатель. Он будет генерировать очень высокие температуры, что приведет к отказу двигателя и, возможно, к повреждению вашего ESC.

Что делать после испытания бесщеточного двигателя

Естественно, если ваш бесщеточный двигатель прошел все тесты и, кажется, работает нормально, вы можете вернуть его в работу, хотя вам все равно следует следить за ним и проверять его в рамках регулярного планового технического обслуживания. Если бесщеточный двигатель не прошел ни одну из проверок, вам, вероятно, придется отремонтировать или заменить его.Первым делом вам следует обратиться в Global Electronic Services.

В Global Electronic Services мы обладаем высокой квалификацией во всех видах ремонта двигателей, включая бесщеточный ремонт, и если ваш двигатель можно отремонтировать, мы можем его отремонтировать. Мы заменим все изношенные детали или детали, которые могут изнашиваться, и вернем вам исправный двигатель, как правило, в течение пяти дней или меньше. После того, как вы вернете свой двигатель обратно, он будет защищен нашей 18-месячной гарантией в рабочем состоянии, поэтому вы можете с уверенностью вернуть его в работу.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить бесплатное ценовое предложение.

Запросить цену

Основы бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC Motors)

В этом руководстве мы узнаем о бесщеточных двигателях, также известных как бесщеточные двигатели постоянного тока или двигатели BLDC. Мы увидим, что такое двигатель BLDC, его принцип работы, как правильно управлять бесщеточным двигателем постоянного тока, а также несколько приложений.

Введение

Бесщеточные двигатели постоянного тока или двигатели BLDC стали значительным вкладом в современные приводные технологии.Их быстрое завоевание популярности привело к увеличению числа применений в областях бытовой техники, автомобильной промышленности, промышленной автоматизации, химической и медицинской промышленности, аэрокосмической промышленности и приборостроения.

Несмотря на то, что они долгое время использовались для приводов и выработки электроэнергии, субкиловаттный диапазон, в котором доминировали щеточные двигатели постоянного тока, всегда был серой зоной. Но современная силовая электроника и микропроцессорные технологии позволили маленьким бесщеточным двигателям постоянного тока процветать как с точки зрения цены, так и с точки зрения производительности.

Что такое двигатель BLDC?

Бесщеточный двигатель постоянного тока похож на щеточный двигатель постоянного тока, но, как следует из названия, в BLDC не используются щетки для коммутации, а они коммутируются электронно. В обычных щеточных двигателях постоянного тока щетки используются для передачи мощности на ротор, когда они вращаются в фиксированном магнитном поле.

Как упоминалось ранее, в двигателе BLDC используется электронная коммутация, что исключает механическое повреждение щеток.

Конструкция двигателя BLDC

Основное конструктивное различие между щеточными и бесщеточными двигателями заключается в замене механического коммутатора схемой электрического переключателя.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем Имея это в виду, двигатель BLDC представляет собой тип синхронного двигателя в том смысле, что магнитное поле, создаваемое статором и ротором, вращается с одинаковой частотой.

Бесщеточные двигатели

доступны в трех конфигурациях: однофазный, двухфазный и трехфазный. Из них наиболее распространенным является трехфазный BLDC.

На следующем изображении показано поперечное сечение двигателя BLDC.

Как вы можете видеть на изображении, двигатель BLDC состоит из двух основных частей: статора и ротора.

Статор

Структура статора двигателя BLDC аналогична конструкции асинхронного двигателя. Он состоит из уложенных друг на друга стальных пластин с продольными прорезями для намотки. Обмотка в BLDC немного отличается от обмотки традиционного асинхронного двигателя.

Как правило, большинство двигателей BLDC состоит из трех обмоток статора, соединенных звездой или «Y» (без нейтральной точки). Кроме того, на основе соединений катушек обмотки статора делятся на трапецеидальные и синусоидальные двигатели.

В трапецеидальном двигателе и ток возбуждения, и обратная ЭДС имеют форму трапеции (синусоидальная форма в случае синусоидальных двигателей). Обычно двигатели с номинальным напряжением 48 В (или меньше) используются в автомобилестроении и робототехнике (гибридные автомобили и роботизированные манипуляторы).

Ротор

Роторная часть двигателя BLDC состоит из постоянных магнитов (обычно магнитов из редкоземельных сплавов, таких как неодим (Nd), самарий-кобальт (SmCo) и сплава неодима, феррита и бора (NdFeB)).

В зависимости от области применения количество полюсов может варьироваться от двух до восьми с попеременным размещением северных (северных) и южных (южных) полюсов. На следующем изображении показаны три различных варианта расположения полюсов. В первом случае магниты размещены на внешней периферии ротора.

Вторая конфигурация называется ротором со встроенным магнитом, где прямоугольные постоянные магниты встроены в сердечник ротора.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем В третьем случае магниты вставляются в железный сердечник ротора.

Датчики положения (датчики Холла)

Поскольку в двигателе BLDC нет щеток, коммутация управляется электроникой. Чтобы вращать двигатель, обмотки статора должны быть запитаны в определенной последовательности, а положение ротора (то есть северный и южный полюса ротора) должно быть известно, чтобы точно запитать конкретный набор обмоток статора.

Датчик положения, который обычно представляет собой датчик Холла (работающий по принципу эффекта Холла), обычно используется для определения положения ротора и преобразования его в электрический сигнал.В большинстве двигателей BLDC используются три датчика Холла, которые встроены в статор для определения положения ротора.

Выходной сигнал датчика Холла будет ВЫСОКИМ или НИЗКИМ, в зависимости от того, проходит ли рядом с ним северный или южный полюс ротора. Объединив результаты трех датчиков, можно определить точную последовательность включения.

Узнайте, КАК ИСПОЛЬЗОВАТЬ ДАТЧИК ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЛ С ARDUINO?

Принцип работы

Рассмотрим следующую установку трех обмоток статора, обозначенных A, B и C.Для понимания заменим ротор на один магнит.

Мы знаем, что когда через катушку подается ток, создается магнитное поле, и ориентация силовых линий, то есть полюсов генерируемого магнита, будет зависеть от направления тока, протекающего через катушку.

Используя этот принцип, если мы подаем ток на катушку A, чтобы она генерировала магнитное поле и притягивала магнит ротора. Положение магнита ротора немного сместится по часовой стрелке и выровняется с A.

Если теперь пропустить ток через катушки B и C одну за другой (в указанном порядке), магнит ротора будет вращаться по часовой стрелке.

Для повышения эффективности мы можем намотать противоположные катушки, используя одну катушку, так что мы получим двойное притяжение. Еще больше увеличивая эффективность, мы можем возбуждать две катушки одновременно, так что одна катушка будет притягивать магнит, а другая — отталкивать.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем В это время третий будет бездействовать.

Для полного вращения магнита ротора на 360 0 применимы шесть возможных комбинаций катушек A, B и C, которые показаны на следующей временной диаграмме.

Основываясь на приведенной выше диаграмме, мы можем подтвердить, что в любое время одна фаза является положительной, одна фаза отрицательной, а третья фаза неактивна (или плавающая). Итак, на основе входов от датчиков Холла у нас есть два переключения фаз, как показано на приведенной выше диаграмме.

Приводные бесщеточные двигатели постоянного тока

Если статор и ротор являются неотъемлемыми частями двигателя BLDC, являющимися его неотъемлемой частью, то управляющая электроника также важна. Блок-схема типичной системы управления или привода бесщеточного двигателя постоянного тока показана на следующем рисунке.

Эта схема привода часто известна как система электронного регулятора скорости или просто ESC. Одна из распространенных схем называется полной мостовой схемой управления. Он состоит из микроконтроллера с выходами ШИМ, шести полевых МОП-транзисторов для трех фаз обмоток статора, обратной связи от датчиков Холла и некоторых компонентов, связанных с источником питания.

MCU можно запрограммировать на соответствующее переключение полевых МОП-транзисторов на основе данных от датчиков Холла.

Преимущества двигателей BLDC

Поскольку двигатели BLDC имеют электронную коммутацию, есть несколько преимуществ по сравнению с традиционными щеточными двигателями постоянного тока.Вот некоторые из них:

  • Без износа (из-за отсутствия щеток)
  • Высокая эффективность
  • Лучше скорость по сравнению с крутящим моментом
  • Долгая жизнь
  • Меньше шума или бесшумная работа
  • Обороты значительно выше

Применение бесщеточных двигателей постоянного тока

Некоторые области применения двигателей BLDC указаны ниже:

  • Односкоростные приложения
  • Приложения с регулируемой скоростью
  • Управление положением
  • Применение с низким уровнем шума
  • Высокоскоростные приложения

BLDC Управление двигателем с использованием Arduino

/ * Бессенсорное бесщеточное управление двигателем постоянного тока с Arduino UNO и IR2101 (Arduino DIY ESC).Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

* Скорость двигателя BLDC регулируется потенциометром, подключенным к A0.

* Это бесплатное программное обеспечение БЕЗ ГАРАНТИЙ.

* https://simple-circuit.com/

* /

#define PWM_MAX_DUTY 255

#define PWM_MIN_DUTY 50

#define PWM_MIN_DUTY 50;

#define PWM_START_tep3_date2 100_step_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_tep_date2 100000

void setup ()

{

DDRD | = 0xE0; // настраиваем контакты 5, 6 и 7 как выходы

PORTD = 0x00;

DDRB | = 0x0E; // настраиваем контакты 9, 10 и 11 как выходы

PORTB = 0x31;

// Настройка модуля Timer1: установите источник синхронизации на clkI / O / 1 (без предварительного масштабирования)

TCCR1A = 0;

TCCR1B = 0x01;

// Настройка модуля Timer2: установите источник синхронизации на clkI / O / 1 (без предварительного масштабирования)

TCCR2A = 0;

TCCR2B = 0x01;

// Конфигурация модуля АЦП

ADMUX = 0x60; // настраиваем модуль АЦП и выбираем канал 0

ADCSRA = 0x84; // включить модуль АЦП с коэффициентом деления 16 (частота АЦП = 1 МГц)

PCICR = EIMSK = 0; // отключить все внешние прерывания

pinMode (2, INPUT_PULLUP);

pinMode (3, INPUT_PULLUP);

pinMode (4, INPUT_PULLUP);

}

// прерывание смены вывода 2 (PCINT2) ISR

ISR (PCINT2_vect)

{

if ((PIND & PCMSK2)! = Pin_state)

return;

// BEMF debounce

for (byte i = 0; i <20; i ++)

{

if (bldc_step & 1) {

if (PIND & PCMSK2) i — = 1;

}

else {

if (! (PIND & PCMSK2)) i — = 1;

}

}

bldc_move ();

bldc_step ++;

bldc_step% = 6;

}

// Функция коммутации двигателя BLDC

void bldc_move ()

{

switch (bldc_step)

{

case 0:

AH_BL ();

BEMF_C_FALLING ();

перерыв;

case 1:

AH_CL ();

BEMF_B_RISING ();

перерыв;

case 2:

BH_CL ();

BEMF_A_FALLING ();

перерыв;

case 3:

BH_AL ();

BEMF_C_RISING ();

перерыв;

корпус 4:

CH_AL ();

BEMF_B_FALLING ();

перерыв;

корпус 5:

CH_BL ();

BEMF_A_RISING ();

}

}

void loop ()

{

SET_PWM_DUTY (PWM_START_DUTY); // настройка запуска ШИМ с рабочим циклом = PWM_START_DUTY

int i = 5000;

// запуск двигателя

while (i> 100)

{

delayMicroseconds (i);

bldc_move ();

bldc_step ++;

bldc_step% = 6;

i = i — 20;

}

motor_speed = PWM_START_DUTY;

PCICR = 4; // разрешить прерывание смены вывода для выводов PCINT23.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем .16 (Arduino от 0 до 7)

, а (1)

{

ADCSRA | = 1 << ADSC; // запускаем преобразование

while (ADCSRA & 0x40); // ждем завершения преобразования

motor_speed = ADCH; // чтение данных АЦП (только 8 бит)

if (motor_speed

motor_speed = PWM_MIN_DUTY;

SET_PWM_DUTY (скорость_двигателя);

}

}

void BEMF_A_RISING ()

{

PCMSK2 = 0x04; // разрешить прерывание от пина 2 (PCINT18) Arduino, остальные отключены

pin_state = 0x04;

}

void BEMF_A_FALLING ()

{

PCMSK2 = 0x04; // разрешить прерывание от пина 2 (PCINT18) Arduino, остальные отключены

pin_state = 0;

}

void BEMF_B_RISING ()

{

PCMSK2 = 0x08; // разрешить прерывание от вывода 3 (PCINT19) Arduino, остальные отключены

pin_state = 0x08;

}

void BEMF_B_FALLING ()

{

PCMSK2 = 0x08; // разрешить прерывание от вывода 3 (PCINT19) Arduino, остальные отключены

pin_state = 0;

}

void BEMF_C_RISING ()

{

PCMSK2 = 0x10; // разрешить прерывание от вывода 4 Arduino (PCINT20), остальные отключены

pin_state = 0x10;

}

void BEMF_C_FALLING ()

{

PCMSK2 = 0x10; // разрешить прерывание от вывода 4 Arduino (PCINT20), остальные отключены

pin_state = 0;

}

void AH_BL ()

{

PORTD & = ~ 0xA0;

PORTD | = 0x40;

TCCR1A = 0; // включаем вывод 11 (OC2A) ШИМ (вывод 9 и вывод 10 выключены)

TCCR2A = 0x81; //

}

void AH_CL ()

{

PORTD & = ~ 0xC0;

PORTD | = 0x20;

TCCR1A = 0; // включаем вывод 11 (OC2A) ШИМ (вывод 9 и вывод 10 выключены)

TCCR2A = 0x81; //

}

void BH_CL ()

{

PORTD & = ~ 0xC0;

PORTD | = 0x20;

TCCR2A = 0; // включаем вывод 10 (OC1B) ШИМ (вывод 9 и вывод 11 выключены)

TCCR1A = 0x21; //

}

void BH_AL ()

{

PORTD & = ~ 0x60;

PORTD | = 0x80;

TCCR2A = 0; // включаем вывод 10 (OC1B) ШИМ (вывод 9 и вывод 11 выключены)

TCCR1A = 0x21; //

}

void CH_AL ()

{

PORTD & = ~ 0x60;

PORTD | = 0x80;

TCCR2A = 0; // включаем вывод 9 (OC1A) ШИМ (вывод 10 и вывод 11 выключены)

TCCR1A = 0x81; //

}

void CH_BL ()

{

PORTD & = ~ 0xA0;

PORTD | = 0x40;

TCCR2A = 0; // включаем вывод 9 (OC1A) ШИМ (вывод 10 и вывод 11 выключены)

TCCR1A = 0x81; //

}

void SET_PWM_DUTY (байтовый режим)

{

OCR1A = duty; // установить рабочий цикл ШИМ вывода 9

OCR1B = duty; // установить рабочий цикл ШИМ вывода 10

OCR2A = duty; // установить рабочий цикл ШИМ вывода 11

}

Схема бесщеточного контроллера «Бесщеточные двигатели, 3-фазные инверторы, схема

Параметры и особенности контроллера

  1. Характеристики:
  • — Использует аналогичный чип без программного обеспечения внутри.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем
  • — Работайте только с сенсорными бесщеточными двигателями.
  • — Скорость регулируется потенциометром
  • — Регулируемое ускорение и замедление
  • — Контроль контура
  • — Фэкворд / Форвард
  • — Динамическое торможение
  • — Датчик перегрузки по току от внешнего шунтирующего резистора, пороговый уровень 100 мВ.
  • — Защита от перегрева.
  • — Защита от пониженного напряжения.
  • — Полностью доступный усилитель ошибок для сервоприводов с замкнутым контуром
  • — Регулируемая частота ШИМ
  • — 6.25 В Опорный способен подавать мощность Датчик Холла

Я использовал Eagle Cad для создания схемы и платы.

Новая версия схемы, простая для понимания:

Очень важно !!! без преобразователя DC-DC (выше для IR2103) контроллер не может работать.

Это еще одна версия с несколькими параллельными МОП-транзисторами и разными драйверами.

Я использовал только N-канальные МОП-транзисторы в сочетании с полумостовым драйвером МОП-транзистора IR2110.

Вам также понадобится обратный затвор для верхних приводов (4049)

Это новейшая версия с 4 параллельными МОП-транзисторами на каждый переключатель IR4110, но не имеет значения, какой МОП-транзистор вы используете в качестве выходного сигнала, и ток подходит для вас.

Контакт 3 JP8 идет к плате 2 (модуль управления) на контакте 1 JP20

Контакт 1 JP8 идет на плату 2 JP20 контакт 2

Контакт 3 JP9 идет к плате 2 на контакте 3 JP20

Вывод 1 JP9 переходит на плату 2 JP20 на вывод 4

Вывод 3 JP10 идет на плату 2 JP20 Вывод 5

Вывод 1 JP10 идет на плату 2 jp20 pin 6

Контакт 1 земля JP5, JP6.JP7 можно оставить в воздухе. потому что gnd является обычным явлением.

В верхней части расположен датчик тока Allegro ACS758 200A.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Также слева можно увидеть нижний модуль, рядом с ним драйвер + верхний модуль.

В правом верхнем углу командный модуль и в нижнем углу модуль преобразователя постоянного тока от ebay.

для питания модуля cmomand и платы драйвера.

Вы можете поставить любой канал N mosfets, который вам нужен.Лучше всего иметь как можно более низкое внутреннее сопротивление и более высокий ток.

Эта диаграмма была нарисована посетителем веб-сайта по имени «Билл Каталена» из моей спецификации.

Это 3-я плата с нижним МОП.

U, V, W должны быть подключены к U, V, W в верхней части МОП-транзисторов.

Вывод 1 JP1 идет на вывод 2 JP5 платы 1

Вывод 2 JP1 идет на вывод 2 JP6 платы 1

Вывод 3 JP1 идет на вывод 2 JP7 платы 1

Вывод заземления подключен от источника питания 48В

Этот инвертор модуля igbt для Toyota Prius был взят из лома, и я разобрал плату драйвера.Теперь я строю свою собственную водолазную доску.

Для того чтобы запустить двигатель таким образом, вам необходимо подключить источник постоянного тока с плавающей запятой к IR2110

Я тестировал некоторые из модулей IGBT 1200 В, 600 А FZ600R12KE3, и входная емкость составляла ~ 55 нФ. Время промывки, полученное с помощью avago IC ACPL-P343, составило 1,2 мкс при 12 кГц, что не очень хорошо, если вы хотите, чтобы потери переключения были низкими. лист данных: http://www.farnell.com/datasheets/1676975.pdf

В этом видео я использовал 12 МОП-транзисторов irf3205z и драйвер IR2110

.

А теперь самое важное: тестирование электрического картинга для измерения результатов

(PDF) Конструкция контроллера бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC)

Конструкция контроллера бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC)

Md.Рифат Хазари, Эффат Джахан

Кафедра электротехники и электроники

Американский международный университет в Бангладеш (AIUB)

Дакка, Бангладеш

Электронная почта: [email protected], [email protected]

Md. Ettaker Siraj, Md. Tauhedull Islam Khan, Ahmed

Mortuza Saleque

Департамент электротехники и электроники

Американский международный университет в Бангладеш (AIUB)

Дакка, Бангладеш

Эл. Почта: [email protected],

[email protected], [email protected]

Аннотация. Растущая потребность в высокой производительности предъявляет

новых требований к механизмам, связанным с электродвигателями.

Спрос на недорогие бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)

увеличился в промышленных приложениях. Простой алгоритм управления двигателем BLDC

для недорогих приводов двигателей с использованием микроконтроллеров общего назначения

был создан и

представлен в этой статье.Предлагаемый дизайн позволит пользователю

вращать двигатель по часовой стрелке или против часовой стрелки

направлении. В зависимости от положения ротора датчик даст

отклика цепи контроллера. Затем схема контроллера

зафиксирует направление тока, следующего к статору. Также реализована схема контроллера конструкции

. Общая конструкция

состоит из схемы микроконтроллера, логических вентилей, коммутирующих устройств

(MOSFET / BJT), двигателя BLDC, датчиков.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем

Ключевые слова: двигатель BLDC; Микроконтроллер; Датчик; BJT;

МОП-транзистор.

I. ВВЕДЕНИЕ

Использование постоянных магнитов в электрических машинах

вместо электромагнитного возбуждения дает множество преимуществ

, таких как отсутствие потерь возбуждения, упрощенная конструкция

, повышенная эффективность, быстрые динамические характеристики

и высокие крутящий момент или мощность на единицу объема. Возбуждение PM

в начале 19 века не было принято из-за низкого качества материалов PM

.В 1932 году изобретение

Alnico возродило использование систем возбуждения PM, однако

было ограничено малыми и маломощными коммутаторными машинами постоянного тока

[1].

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) — это синхронный электрический двигатель

, который питается от электричества постоянного тока (DC)

и который имеет в качестве системы коммутации с электронным управлением

вместо системы механической коммутации на основе

на основе кисти.В таких двигателях ток и крутящий момент, напряжение и

об / мин связаны линейно.

В двигателе BLDC электромагниты не двигаются, вместо этого вращаются постоянные магниты

, а якорь остается

статичным. Это решает проблему передачи тока

на движущийся якорь. Для этого узел щеточных систем

заменен электронным контроллером. Контроллер

выполняет то же распределение мощности, что и щеточный двигатель постоянного тока

, но использует твердотельную статическую схему, а не

, а не систему коммутатор / щетку.

II. ОБЫЧНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ BLDC

Конструкция современного бесщеточного двигателя постоянного тока

очень похожа на двигатель переменного тока, известный как синхронный двигатель с постоянным магнитом

. На рисунке 1 показана структура типичного трехфазного бесщеточного двигателя постоянного тока

.Схема для бесколлекторного двигателя: Драйверы от TI: Управляй любым электродвигателем