Motor BLDC

Motor electric cu supapă (VD)  - un fel de motor electric de curent continuu , în care ansamblul perie-colector (BKU) este înlocuit cu un comutator cu semiconductor , controlat de un senzor de poziție a rotorului.

Caracteristicile mecanice și de control ale unui motor fără perii sunt liniare și identice cu caracteristicile mecanice și de control ale unui motor electric de curent continuu. La fel ca motoarele de curent continuu, motoarele fără perii funcționează pe curent continuu. VD poate fi considerat un motor de curent continuu, în care ansamblul perii-colector este înlocuit cu electronică , care este subliniată de cuvântul „supapă”, adică „controlat de întrerupătoare de putere ” ( supape ). Curenții de fază ai unui motor fără perii au o formă sinusoidală . De regulă, un invertor de tensiune autonom cu modulație de lățime a impulsurilor (PWM) este utilizat ca amplificator de putere .

Motorul supapei trebuie să se distingă de motorul fără perii de curent continuu (BDC), care are o distribuție trapezoidală a câmpului magnetic în spațiu și se caracterizează printr -o formă dreptunghiulară a tensiunilor de fază. Structura BLDT este mai simplă decât structura VD (nu există un convertor de coordonate; în loc de PWM, se folosește comutarea la 120 sau 180 de grade, a cărei implementare este mai simplă decât PWM).

În literatura în limba rusă, motorul se numește motor cu supapă dacă EMF din spate al mașinii sincrone controlate este sinusoidală și un motor DC fără perii dacă EMF din spate este trapezoidal.

În literatura în limba engleză, astfel de motoare nu sunt de obicei considerate separat de acţionarea electrică şi sunt denumite sub abrevierile PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) sau BLDC (Brushless Direct Current Motor). Este de remarcat faptul că abrevierea PMSM în literatura engleză este mai des folosită pentru a se referi la mașinile sincrone în sine cu magneți permanenți și cu o formă sinusoidală de fază inversă-EMF, în timp ce abrevierea BLDC este similară cu abrevierea rusă BDPT și se referă la motoare cu formă trapezoidală de back-EMF (dacă nu este specificată altă formă).

În general, un motor fără perii nu este o mașină electrică în sensul tradițional, deoarece problemele sale afectează o serie de probleme legate de teoria acționărilor electrice și a sistemelor de control automat : organizarea structurală, utilizarea senzorilor și a componentelor electronice, precum și software.

Motoarele BLDC, care combină fiabilitatea mașinilor de curent alternativ cu controlabilitatea bună a mașinilor de curent continuu, sunt o alternativă la motoarele de curent continuu, care se caracterizează printr-o serie de deficiențe asociate cu panoul de control , cum ar fi scântei, zgomot, uzură perii, armătură slabă. disiparea căldurii etc. Absența panoului de control permite utilizarea VD în acele aplicații în care utilizarea DPT este dificilă sau imposibilă.

Descrierea și principiul de funcționare [1]

Motorul este format dintr-un magnet permanent - un rotor care se rotește în câmpul magnetic al bobinelor statorului , prin care trece un curent, comutat de chei (supape) controlate de un microcontroler . Microcontrolerul comută bobinele în așa fel încât interacțiunea câmpului lor cu câmpul rotorului creează un cuplu în orice poziție.

Intrările convertizorului de coordonate (PC) primesc tensiune de curent continuu, a cărei acțiune este similară cu tensiunea armăturii motorului de curent continuu și similară cu tensiunea de excitare a motorului de curent continuu (analogia este valabilă atunci când se consideră excitația independentă). circuitul motorului de curent continuu).

Semnalele sunt proiecții ale vectorului tensiune de control pe axele sistemului de coordonate rotativ asociat cu rotorul HP (mai precis, cu vectorul flux rotor). Convertorul de coordonate convertește proiecțiile în proiecții ale unui sistem de coordonate fix asociat cu statorul.

De regulă, [2] este stabilită în sistemele de control ale acționării electrice , în timp ce ecuațiile de transformare a coordonatelor iau forma [3] :

Pentru a măsura valoarea instantanee a unghiului , pe arborele HP este instalat un senzor de poziție a rotorului (RPS).

De fapt, în acest caz, este atribuirea valorii amplitudinii tensiunilor de fază. Iar PC-ul, efectuând modularea poziției semnalului , generează semnale armonice pe care amplificatorul de putere (PA) le transformă în tensiuni de fază.Un motor sincron ca parte a unui motor cu supapă este adesea numit convertor electromecanic sincron (SEMC).

De regulă, partea electronică a HP comută fazele statorice ale mașinii sincrone, astfel încât vectorul fluxului magnetic al statorului să fie ortogonal cu vectorul fluxului magnetic al rotorului (așa-numitul control vectorial ). Dacă se respectă ortogonalitatea debitelor statorului și rotorului, cuplul maxim al HP este menținut în condițiile unei modificări a vitezei de rotație, ceea ce previne căderea rotorului din sincronism și asigură funcționarea mașinii sincrone cu cea mai mare. eficienta posibila pentru aceasta . Pentru a determina poziția curentă a fluxului rotorului, se pot utiliza senzori de curent în locul senzorului de poziție a rotorului (măsurarea poziției indirecte).

Partea electronică a unui VD modern conține un microcontroler și o punte de tranzistori , iar principiul modulației pe lățime a impulsurilor (PWM) este utilizat pentru a forma curenți de fază . Microcontrolerul monitorizează conformitatea cu legile de control specificate și, de asemenea, efectuează diagnosticarea sistemului și protecția software-ului acestuia împotriva situațiilor de urgență.

Uneori nu există senzor de poziție a rotorului, iar poziția este estimată de sistemul de control din măsurători ale senzorilor de curent cu ajutorul observatorilor (așa-numitul control „fără senzor” al HP). În astfel de cazuri, datorită îndepărtării unui senzor de poziție scump și adesea greoi, prețul și greutatea și dimensiunile unui motor electric cu HP sunt reduse, dar controlul devine mai complicat, iar precizia determinării poziției și vitezei scade.

În aplicațiile de putere medie până la mare, filtrele electrice pot fi adăugate la sistem pentru a atenua efectele negative ale PWM: supratensiuni în înfășurare, curenți de rulment și eficiență redusă. Cu toate acestea, acest lucru este valabil pentru toate tipurile de motoare.

Avantaje și dezavantaje

Motoarele cu supape sunt proiectate pentru a combina cele mai bune calități ale motoarelor cu curent alternativ și ale motoarelor cu curent continuu. Aceasta le determină demnitatea.

Avantaje:

• Gamă largă de viteze
• Necontact și absența nodurilor care necesită întreținere frecventă (colector)
• Poate fi folosit în medii explozive și agresive
• Capacitate mare de cuplu
• Performanță energetică ridicată ( eficiență peste 90%)
• Durată lungă de viață și fiabilitate ridicată datorită absenței contactelor electrice glisante .

Motoarele cu supape sunt, de asemenea, caracterizate de unele dezavantaje, dintre care principalul este costul ridicat. Cu toate acestea, vorbind despre costuri ridicate, ar trebui să se țină seama și de faptul că motoarele fără perii sunt utilizate de obicei în sisteme scumpe cu cerințe crescute de precizie și fiabilitate.

Defecte:

• Costul ridicat al motorului, datorită utilizării frecvente a magneților permanenți scumpi în proiectarea rotorului. Cu toate acestea, costul unei acționări electrice cu HP este comparabil cu costul unei acționări similare bazate pe un DCT cu excitație independentă (caracteristicile de control ale unui astfel de motor și HP sunt comparabile). În general, un rotor cu excitație electromagnetică poate fi folosit și într-un motor fără perii, dar acest lucru este asociat cu un set de inconveniente practice. În unele cazuri, este de preferat să folosiți un motor asincron cu un convertor de frecvență .
• Structura și controlul motorului relativ complexe.

Constructii

Din punct de vedere structural, acţionarea supapelor moderne constau dintr-o parte electromecanică (maşină sincronă şi senzor de poziţie a rotorului) şi o parte de control (microcontroller şi punte de putere).

Când ne referim la proiectarea VD-ului, este util să ținem cont de un element neconstructiv al sistemului, programul de control (logica).

Mașina sincronă utilizată în VD constă dintr-un stator laminat (asamblat din foi separate izolate electric din oțel electric - pentru a reduce curenții turbionari ), în care este amplasată o înfășurare multifazată (de obicei, cu două sau trifazate), și un rotor (de obicei pe magneți permanenți).

Senzorii Hall sunt utilizați ca senzori de poziție a rotorului în BDPT , iar transformatoarele rotative și senzorii de acumulare sunt utilizați în VD . În așa-zisa. În sistemele „fără senzor”, informațiile de poziție sunt determinate de sistemul de control din valorile instantanee ale curenților de fază.

Informațiile despre poziția rotorului sunt procesate de microprocesor, care, conform programului de control, generează semnale PWM de control. Semnalele PWM de joasă tensiune de la microcontroler sunt apoi convertite de un amplificator de putere (de obicei o punte de tranzistor) în tensiuni de putere aplicate motorului.

Combinația dintre senzorul de poziție a rotorului și ansamblul electronic din HP și BDPT poate fi comparată cu un anumit grad de fiabilitate cu unitatea de colectare a perii a DT. Cu toate acestea, rețineți că motoarele sunt rareori utilizate în afara unității. Astfel, echipamentul electronic este caracteristic VD aproape în aceeași măsură ca și pentru DPT.

Stator

Statorul are un design tradițional. Este alcătuit dintr-o carcasă, un miez din oțel electric și o înfășurare de cupru așezată în caneluri de-a lungul perimetrului miezului. Înfășurarea este împărțită în faze, care sunt așezate în caneluri astfel încât să fie deplasate spațial una față de cealaltă printr-un unghi determinat de numărul de faze. Se știe că două faze sunt suficiente pentru rotirea uniformă a arborelui motorului unei mașini de curent alternativ. De obicei, mașinile sincrone utilizate în HP sunt trifazate, dar se găsesc și HP-uri cu înfășurări cu patru și șase faze.

Rotor

În funcție de locația rotorului, motoarele fără perii sunt împărțite în intra-rotor (ing. inrunner) și rotor extern (ing. outrunner).

Rotorul este realizat folosind magneți permanenți și are de obicei două până la șaisprezece perechi de poli cu poli nord și sud alternați.

Pentru fabricarea rotorului, au fost utilizați anterior magneți de ferită , ceea ce a fost determinat de prevalența și ieftinitatea lor. Cu toate acestea, astfel de magneți sunt caracterizați printr-un nivel scăzut de inducție magnetică. Magneții din aliaj de pământ rare sunt utilizați în prezent pe scară largă , deoarece permit niveluri mai mari de inducție magnetică și o reducere a dimensiunii rotorului.

Senzor de poziție a rotorului

Senzorul de poziție a rotorului (RPS) oferă feedback cu privire la poziția rotorului. Funcționarea sa se poate baza pe diferite principii - fotoelectric , inductiv, transformator , pe efectul Hall și așa mai departe. Cei mai populari sunt senzorii Hall și senzorii fotoelectrici, care au o inerție redusă și asigură mici întârzieri în canalul de feedback al poziției rotorului.

De obicei, un senzor fotoelectric conține trei fotodetectoare fixe, între care se află o mască rotativă cu riscuri, fixată rigid pe arborele rotorului HP. Astfel, DPR oferă informații despre poziția actuală a rotorului HP pentru sistemul de control.

Sistem de control

Sistemul de control conține un microcontroler care controlează invertorul de putere conform unui program dat. Tranzistoarele MOSFET (VD de putere mică și medie) sau IGBT (VD de putere medie și mare) sunt de obicei utilizate ca întrerupătoare de putere cu invertor , mai rar - tiristoare .

Pe baza informațiilor primite de la DPR, microcontrolerul generează semnale PWM, care sunt amplificate de invertor și alimentate la înfășurarea mașinii sincrone.

Aplicație

Datorită fiabilității lor ridicate și controlabilității bune , motoarele fără perii sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, de la ventilatoare de computer și unități CD/DVD până la roboți și rachete spațiale.

VD-urile sunt utilizate pe scară largă în industrie, în special în sistemele de control al vitezei cu o gamă mare și o rată mare de porniri, opriri și marșarier; tehnologia aviației, inginerie auto, echipamente biomedicale, aparate de uz casnic etc. De asemenea, acest tip de motor este utilizat pe scară largă în acționările de putere pentru modele, precum și pe diferite vehicule aeriene fără pilot , de exemplu quadrocoptere .

Vezi și

• motor DC
• Motor cu comutator universal
• Motor cu reluctanta supapei
• motor pas cu pas
• motor mendocino

Link -uri

• Motoare DC fără perii. Ce este?
• Despre un motor fără perii și despre utilizarea unui motor pas cu pas ca motor fără perii.
• AVR440: Controlul motorului DC fără perii cu 2 faze fără senzori. // gaw.ru

Literatură

• Gerasimov V. G., Kuznetsov E. V., Nikolaeva O. V. Inginerie electrică și electronică. Carte. 2. Dispozitive electromagnetice și mașini electrice. — M .: Energoatomizdat, 1997. — 288 p. — ISBN 5-283-05005-X .

Note

1. ↑ Bortsov Yu. A., Sokolovsky G. G. Capitolul 8. Controlul adaptiv-modal în servosisteme cu motoare de cuplu fără contact // Acționare electrică automată cu conexiuni elastice. - Ed. a II-a, revizuită. și suplimentar .. - Sankt Petersburg. : Energoatomizdat, 1992. - 288 p. — ISBN 5-283-04544-7 .
2. ↑ Sokolovsky G.G. Acționări electrice de curent alternativ cu reglare a frecvenței. - M . : „Academie”, 2006. - 272 p. — ISBN 5-7695-2306-9 .
3. ↑ Mikerov A.G. Motoare controlate fără perii de putere redusă: Manual .. - Sankt Petersburg. : SPbGETU, 1997. - 64 p.