Оценка положения ротора BLDC на низкой скорости. Bldc двигатель устройство


Как работают BLDC моторы ― Golden Motor Украина

Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Описание 

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор бесколлекторного электродвигателя

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов - см. пример конструкции.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле.

Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличия микроконтроллера требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.

Принцип работы ВД

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Градусы при расчете - электрические. Они меньше геометрических градусов в число пар полюсов ротора. Например, в ВД с ротором имеющим 3 пары полюсов оптимальный угол между векторами будет 90°/3 = 30°

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

- Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования

- Широкий диапазон изменения частоты вращения

- Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина

- Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде

- Большая перегрузочная способность по моменту

- Высокие энергетические показатели (КПД более 90 % и cosφ более 0,95)

- Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

- Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками

Недостатки:

- Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора

Из-за неразвитости электроники по-прежнему во многих случаях рациональным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.

Пример: 8-разрядные RISC-микроконтроллеры AVR в устройствах управления 3-фазными бесколлекторными электродвигателями постоянного тока

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели постоянного тока обеспечивают превосходные характеристики, как при управлении с датчиками положения, так и без них.

Управление с датчиками используется, если момент сопротивления неизвестен или варьируется, а также, если необходимо достичь большого пускового момента.

www.goldenmotor.ua

Оценка положения ротора BLDC на низкой скорости / Блог им. amaora / Сообщество EasyElectronics.ru

Расскажу немного о методах используемых в PMC при работе на низкой скорости. Речь пойдет о векторном бездатчиковом управлении синхронными двигателями с постоянными магнитами. Как известно, при вращении ротора двигателя в обмотках статора возникает ЭДС, что позволяет оценить положение. Либо непосредственно измеряя ЭДС на отключенной фазе, как это делают в 6-ти шаговом управлении, либо косвенно с помощью наблюдателя состояния по измерениям тока, что подходит для векторного управления. Чем больше скорость, тем лучше видно вектор ЭДС на фоне шумов и неопределенностей. При неподвижном роторе этот метод очевидно бесполезен. В этом случае PMC может задействовать наблюдатель положения основанный на других особенностях мотора. О методе инжекции высокой частоты (HFI) далее. Нам потребуется трехфазный инвертор и датчики фазного тока. Все то же, что необходимо для векторного управления. Большего не требуется.

Ток можно измерять и другими способами, по земле например, или одним шунтом со сложной схемой сэмплирования в нужные моменты. Я не буду подробно останавливаться на таких схемах. В любом случае должен получится вектор тока в системе координат статора.

Мост управляется одни таймером, для каждой фазы задается заполнение. Симметричная схема, таймер считает вверх, затем вниз. То есть, в начальный момент открыты все нижние ключи. Фаза с наибольшим заполнением раньше всех переключается на верхний ключ и соответственно позже всех возвращается на нижний. В середине когда все нижние ключи открыты происходит сэмплирование сигналов с датчиков тока. Этот момент считается началом нового такта работы. Абстрактно можем считать, что имеем три источника напряжения.

Все дела в векторном управлении делаются в подвижной ортогональной системе координат связанной с ротором. Ось D (direct) направлена по направлению потока ротора, ось Q (quadrature) ей ортогональна и направлена так, чтобы при положительном вращении знак ЭДС был положительным.

Промежуточная система координат XY (обычно обозначают альфа-бетта но у меня вот так) неподвижная и связана со статором. А на самом деле у нас три фазы и поэтому будем работать еще и с третьей системой координат ABC которая неподвижная и связана со статором но имеет три оси. Формулы перехода между разными системами координат достаточно просты [1], главное ничего не перепутать. Измерения тока преобразуются ABC->XY->DQ а выходной управляющий сигнал на мост DQ->XY->ABC.

Основная составляющая векторного управления это регуляторы тока в DQ осях. Для перехода из или в DQ необходимо знать положение ротора, но у нас есть только оценка, поэтому DQ может совпадает с положением ротора неточно. Задача в том, чтобы непрерывно оценивать положение и обеспечивать правильное преобразование для работы регуляторов тока.

Теперь посмотрим за что можно зацепится чтобы определить положение ротора когда он неподвижен. Магнитный поток ротора проходит через магнитопровод статора создавая разное потокосцепление с обмотками разных фаз. В зависимости от положения ротора поток может совпадать с направлением фазы больше или меньше. От этого зависит смещение на кривой связывающей потокосцепление и ток статора. Другими словами, магнитопровод статора входит в насыщение в определенном направлении в большей степени чем в другом. Если произвести измерение индуктивности по разным направлениям, то можно выяснить, что наименьшая индуктивность указывает на вектор потока ротора. Вот так может выглядеть ток статора при подаче на него вращающегося вектора напряжения. Частота должна быть достаточно высокой, чтобы преимущественную роль играла индуктивность а не резистивное сопротивление.

Это записано с реального мотора, частота 3.75кГц, полученные значения индуктивностей 9 и 12 мкГ. След от тока образует эллипс вытянутый по направлению наименьшей индуктивности. Это направление совпадает с направлением потока ротора. Таким образом можно определять положение ротора. Сам угол или вектор направления вытаскивается с помощью нахождения тензора индуктивности (по аналогии с тензором инерции в механике) и дальнейшим анализом его собственных векторов. Это всего лишь симметричная матрица размерности 2x2, полученная путем дискретного преобразования Фурье над сигналами тока и напряжения и дальнейшим переходом к импедансу а именно мнимой части которая обусловлена индуктивностью.

Но все это было бы слишком громоздко делать для оценки положения ротора на каждом такте работы. К тому же подмешивать вращающийся вектор значит создавать пульсацию момента и вибрацию двигателя. На самом деле я так не делаю. А этот метод с нахождением тензора индуктивности используется только для однократной оценки индуктивности. Однако такое представление с тензором полезно для понимания следующего метода. Запишем упрощенное уравнение зависимости тока и напряжения принимая во внимание только индуктивную часть сопротивления.

Здесь, ток i и напряжения u в XY системе координат, матрица L диагональная содержащая индуктивности по DQ осям (тензор индуктивности), матрица A делает преобразование XY->DQ. Очевидно произведение трех матриц в правой части даст тензор в системе координат XY элементы которого зависят от положения ротора.

Дальше будем использовать пульсирующий вектор а не вращающийся, это гораздо лучше т.к. не создает пульсации вращающего момента и вибрации если направить вектор по прямой D оси, ток по которой не создает момента. Посмотрим, что будет с таким вектором если его пропустить через уравнения. Это достаточно легко представить, направим вектор тока по оси X, и масштабируем его разными коэффициентами из матрицы L в осях DQ. Если оси DQ и XY совпадают то направление вектора напряжения совпадает с током. Но если немного повернуть DQ то масштабирование будет изменять направление вектора, появится составляющая по оси Y.

Вместо XY здесь может быть любая другая система координат. Можем принять за нее оценку DQ которая имеется на данный момент. Подаем сигнал по прямой D оси, и смотрим на отклик по квадратурной Q оси. Если наша оценка DQ осей верна то отклика не будет, иначе знак и величина пульсации указывают в какую сторону и на сколько ошибаемся. Чтобы отделить полезный сигнал используется фильтр пропускающий только высокую частоту. Далее мгновенные значения тока умножаются на опорный гармонический сигнал, чтобы распознать знак и еще больше отфильтровать лишнее.

Здесь HPF означает High Pass Filter. Величина r используется для коррекции положения осей DQ и оценки скорости. Для оценки скорости используется phase locked loop, достаточно простой наблюдатель.

Тот же опорный сигнал сдвинутый на 90 градусов подмешивается на выход регуляторов тока, чтобы вызвать колебания.

Такая схема достаточно хорошо работает на реальных двигателях. При низкой индуктивности и небольшом их различии по осям может потребоваться предельно высокая частота для надежной оценки. Мы приняли частоту в 12 раз ниже частоты ШИМ как предельно высокую.

Остается еще несколько проблем. Оценка работает в замкнутом цикле когда начальное значение уже было определено достаточно точно. Но если начать делать оценку из произвольного положения, можно стабилизироваться на ложном решении повернутом относительно верного на 180 градусов. Да у полученной системы две точки равновесия, но правильное решение соответствует одной. Оказывается, отклик по прямой D оси имеет составляющую на удвоенной частоте, вызванную тем, что индуктивность меняется в течении пульсации, размах в положительную сторону отличается от размаха в отрицательную. Отличие может быть на очень незначительную неуловимую величину, зависит от амплитуды пульсирующего вектора. Но нам не нужно быстро определять в какое из устойчивых положений попали, допустимо сделать это с некоторой задержкой, ведь делается это один раз в начале. Поэтому можем позволить себе аккумулировать значения длительное время для фильтрации шума.

Таким образом для решения проблемы с двумя устойчивыми положениями анализируем ток не только по Q оси но и по D. Умножаем на опорный сигнал удвоенной частоты, анализируем среднее значение f за некоторый период. Если перешла некоторый порог, переворачиваем оценку положения на 180 градусов.

Следующая проблема в том, что вам нужно не только определять положение но и создавать момент, использовать двигатель по назначению. Подавая ток по Q оси мы изменяем индуктивность по этой оси. На самом деле все сложнее, нельзя считать, что магнитопровод можно так просто разделить на две оси. Насыщение по одной оси направлению оказывает эффект и на другую. Но все таки ток по Q оси, особенно большая величина, портит отклик, что приводит к смещению оценки или в плохом случае к ее неустойчивости. Единственный метод борьбы это ограничение величины тока в режиме HFI. Некоторые источники рекомендовали компенсировать смещение зная ток, но тесты показывают неэффективность такого решения.

Надо так же заместить, что отличие индуктивности по разным осям может быть вызвано не только насыщением железа в потоке ротора (как это бывает у модельных аутраннеров), но и явнополюсной конструкцией ротора. Возможно такие моторы показали бы лучшие результаты в режиме HFI.

[1] www.ti.com/lit/an/bpra048/bpra048.pdf [2] thescipub.com/PDF/ajeassp.2011.390.399.pdf

we.easyelectronics.ru

Усовершенствованное управление шаговыми электродвигателями сможет поставить их в один ряд с двигателями BLDC?

Миллионы мелких электрических устройств по всему миру, использующих для своей работы систему электропривода, в качестве приводного электродвигателя используют шаговые двигатели, или как их еще называют – вентильные электродвигатели. Шаговые двигатели не слишком затратные и не требуют в обязательном порядке использования микроконтроллера для реализации системы управления электрической машиной, довольно часто вполне можно обойтись специальным драйвером. К таким устройствам можно отнести офисные принтеры и сканеры, банкоматы, терминалы, швейные машинки и прочее электрооборудование. Также вентильные электродвигатели широко распространены в промышленности, особенно в устройствах с высокой точностью обработки, например, станки с ЧПУ.

В довольно большом количестве случаев шаговый электродвигатель является хорошим решением для системы электропривода, но не идеальным. Уровни акустических шумов в таких электрических машинах могут достигать довольно больших значений, что особенно ощутимо в промышленных устройствах, так как одновременно может работать большое количество машин. Кроме того, драйвер будет потреблять электроэнергию даже при скоростях вращения близких к нулю, что может сократить срок службы аккумуляторной батареи портативного устройства. Небольшая общая энергоэффективность вызывает нагрев элементов, что иногда может приводить к установке искусственного охлаждения (как правило, вентиляторов или радиаторов), что увеличивает габариты, стоимость и снижает надежность системы.

Альтернативные типы электрических машин, такие как бесщеточные электродвигатели постоянного тока (BLDC), вполне могут преодолеть недостатки шаговых машин. Они отличаются высокой эффективностью с оптимизированным управлением, а наряду с более плавным переключением шагов потребляют гораздо меньше энергии и выделяют значительно меньше тепла.

Но если посмотреть с другой стороны, то такая система имеет большую стоимость. Отчасти это связано с тем, что контроль бесщеточных машин постоянного тока требует гораздо более сложных алгоритмов и обычным драйвером здесь не обойтись, необходим микроконтроллер. Более того, переход от шагового электродвигателя к бесщеточному BLDC требует значительного изменения конструкций механических подсистем (это вдобавок к существенному усложнению электронной системы управления). Эти требования помимо удорожания и усложнения проекта приводят еще и к более длительным временам испытания электромеханических систем, что не играет на руку разработчикам, так как рынок в настоящее время очень динамичен.

Новый подход

Конечно, идеальным решением в такой ситуации было бы сделать электропривод с шаговым электродвигателем, который мог работать так же эффективно, как и бесщеточная машина постоянного тока BLDC, с низким уровнем шумов и не требующим значительной модернизации механической части объекта или большого усложнения электронной системы управления.  Таким образом, разработчики смогли бы создать устройства нового поколения, которые были бы тише, надежнее, не требовали бы принудительного охлаждения. Улучшением контроллеров шаговых электрических машин вполне возможно добиться неплохих результатов в двух ключевых областях регулирования – улучшения качества тока возбуждения машины и улучшение методик и механизмов генерации импульсов управления машиной – вот что может достичь производительности, сравнимой с бесщеточными машинами BLDC.

Для решения данного вопроса ON Semiconductor разработал контроллер тока LC898240, который обеспечивает автоматическую оптимизацию настроек драйвера при изменении нагрузки двигателя. Это позволяет максимально приблизить характеристики шагового электродвигателя в системе электропривода к характеристикам BLDC машин, что сводит к минимуму уровень шумов и снижает потери энергии в электрической машине. Оценка нагрузки электродвигателя производится путем контроля ЭДС машины с помощью обратной связи (на рисунке выше приведена схема).

LC898240 подключается в качестве дополнительного устройства с обычным драйвером шагового двигателя для расширения функциональных возможностей последнего. В дополнение к функции повышения КПД электрической машины путем регулирования ее токов связанных с нагрузкой, он также способен генерировать импульсы управления машиной независимо, что позволяет разгрузить микропроцессор. Эта функция реализована на основе EEPROM и используется для хранения девяти различных профилей импульсов, которые выбираются пользователем для реализации различных алгоритмов управления.

Интегральная схема может интерпретировать входные сигналы от микропроцессора и поэтому работает как преобразователь интерфейса в электроприводе с микропроцессорным управлением. Ниже показано применение LC898240 EEPROM к шаговому электродвигателю:

Одна плата управления или несколько?

LC898240 может использоваться с существующими драйверами электродвигателей различных типов. Такая гибкость дает преимущества в применении данной интегральной микросхемы к электрическим машинам с разными номинальными токами. Функции данной платы управления были объединены и в LV8702V, который также способен управлять током электродвигателя используя обратную связь по ЭДС машины, как и LC898240. Схема ниже демонстрирует возможность работы шагового электродвигателя от одной платы управления:

Работа в режиме высокой эффективности LV8702V способна снизить потребляемую мощность на 80%, по сравнению с работой в обычном режиме:

Ниже представлен рисунок иллюстрирующий тепловые режимы работы электродвигателя и LV8702V с включенным и выключенным режимом повышенной эффективности. Высокоэффективный режим представляет собой улучшенное управление током машины, позволяющее снизить температуру драйвера и электрической машины до 46 0С и 28 0С.  Это также увеличивает надежность системы.

 Выводы

Шаговые электродвигатели являются неплохим решением для механизмов с большой чувствительностью к стоимости, таких как офисная техника и некоторые виды промышленного оборудования. Для удовлетворения потребностей рынка необходимо повышать производительность и удобство использования устройств, не забывая об экономической составляющей. Для шаговых электрических машин существует два ключевых аспекта в стратегии управления – повышение эффективности использования энергии путем снижения тепловых потерь, и снижение шумов и повышение плавности хода машины.

Это может быть достигнуто добавлением систем контроля тока и генерации импульсов на основе обратной связи, которые могут осуществляться дискретно или интегрироваться вместе со схемой драйвера. Это позволяет обеспечить гибкость микропроцессорного управления или исключить микропроцессор из управления данным механизмом без потери производительности, что положительно сказывается на размерах и стоимости.

elenergi.ru