Как работает бесщеточный (BLDC) двигатель постоянного тока


В этом уроке мы узнаем, что такое бесщеточный двигатель постоянного тока или BLDC (brushless DC) и как он работает. Мы также рассмотрим как работает электронный регулятор скорости ESC (Electronic Speed Controller), электронная схема, используемая для управления подобными бесщеточными двигателями.

Как работает бесщеточный (BLDC) двигатель постоянного тока

Также на нашем сайте вы можете прочитать основы подключения BLDC двигателя к плате Arduino.

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока?

Бесщеточный двигатель постоянного тока или BLDC — это электродвигатель, работающий от постоянного тока и генерирующий движение без каких-либо щеток, как в обычных двигателях постоянного тока.

Бесщеточные двигатели в настоящее время более популярны, чем обычные коллекторные двигатели постоянного тока, поскольку они имеют более высокий КПД, могут обеспечивать точный контроль крутящего момента и скорости вращения, а также обеспечивают высокую долговечность и низкий электрический шум благодаря отсутствию щеток.

Типы современных электродвигателей

Двигатели BLDC используются в устройствах, где требуется эффективность и долговечность, например, в стиральных машинах, кондиционерах и другой бытовой электронике. Также они используются в вращающихся жестких дисках, радиоуправляемых моделях, таких как радиоуправляемые самолеты, и так далее.

Как работает бесщеточный двигатель постоянного тока?

Бесщеточный двигатель (BLDC) состоит из двух основных частей: статора и ротора. На иллюстрации ротор представляет собой постоянный магнит с двумя полюсами, а статор состоит из катушек, расположенных, как показано на рисунке ниже.

Статор и ротор в BLDC двигателе

Мы все знаем, что если мы подадим ток через катушку, он создаст магнитное поле , а линии магнитного поля или полюса будут зависеть от направления тока.

Магнитное поле, возникающее при прохождении постоянного тока через катушку

Поэтому, если мы подадим соответствующий ток, катушка создаст магнитное поле, которое притянет постоянный магнит ротора. Теперь, если мы активируем каждую катушку одну за другой, ротор будет продолжать вращаться из-за силового взаимодействия между постоянным магнитом и электромагнитом.

Силы, возникающие в BLDC двигателе при взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов

Чтобы повысить эффективность двигателя, мы можем намотать две противоположные катушки как одну так, чтобы полюса были противоположны полюсам ротора, таким образом мы получим двойную силу притяжения.

Принцип повышения эффективности BLDC двигателя за счет противоположной намотки катушек

С помощью этой конфигурации мы можем создать шесть полюсов статора, используя всего три катушки. Мы можем еще больше повысить эффективность, подавая питание на две катушки одновременно. Таким образом, одна катушка будет притягивать, а другая отталкивать ротор.

Принцип работы BLDC двигателя

Чтобы ротор совершил полный цикл на 360 градусов, ему необходимо шесть шагов или интервалов.

Формы токов, подаваемые на BLDC двигатель для его вращения

Если мы посмотрим на форму сигнала тока, мы заметим, что в каждом интервале есть одна фаза с положительным током, одна фаза с отрицательным током, а третья фаза отключена. Это дает идею о том, что мы можем соединить свободные конечные точки каждой из трех фаз вместе и таким образом мы можем разделить ток между ними или использовать один ток для подачи питания на две фазы одновременно.

Вот пример. Если мы подтянем фазу A High или подключим ее к положительному постоянному напряжению с помощью какого-нибудь переключателя, например MOSFET, а с другой стороны подключим фазу B к земле, то ток потечет от VCC через фазу A, нейтральная точку и фазу B на землю. Итак, всего лишь одним потоком тока мы создали четыре разных полюса, которые заставляют ротор двигаться.

Создание четырех разных полюсов в BLDC двигателе при помощи одного потока тока

В этой конфигурации мы фактически имеем звездообразное соединение фаз двигателя, где нейтральная точка соединена внутри, а три других конца фаз выходят из двигателя, и поэтому из бесщеточного двигателя выходят три провода.

Соединения внутри BLDC двигателя

Итак, чтобы ротор совершил полный цикл, нам просто нужно активировать правильные два МОП-транзистора в каждом из 6 интервалов, и в этом, собственно, и заключается работа ESC.

Как работает ESC (электронный регулятор скорости)

ESC или электронный регулятор скорости управляет движением или скоростью бесщеточного двигателя, активируя соответствующие МОП-транзисторы для создания вращающегося магнитного поля, заставляющего двигатель вращаться. Чем выше частота или чем быстрее ESC проходит 6 интервалов, тем выше будет скорость вращения двигателя.

Как работает ESC (электронный регулятор скорости)

Однако здесь возникает важный вопрос: как нам узнать, когда и какую фазу активировать. Ответ в том, что нам нужно знать положение ротора, и для определения положения ротора используются два распространенных метода.

Первый распространенный метод — использование датчиков Холла, встроенных в статор, расположенных под равным углом 120 или 60 градусов друг от друга.

Определение положения ротора BLDC двигателя с помощью датчиков Холла

Когда постоянные магниты ротора вращаются, датчики Холла распознают магнитное поле и генерируют логический «высокий» уровень для одного магнитного полюса или логический «низкий» для противоположного полюса. Согласно этой информации ESC знает, когда активировать следующую последовательность или интервал коммутации.

Второй распространенный метод, используемый для определения положения ротора, — это измерение обратной электродвижущей силы или обратной ЭДС. Обратная ЭДС возникает в результате прямо противоположного процесса создания магнитного поля, или когда движущееся или изменяющееся магнитное поле проходит через катушку, оно индуцирует ток в катушке.

Определение положения ротора BLDC двигателя с помощью обратной ЭДС

Таким образом, когда движущееся магнитное поле ротора проходит через свободную катушку или ту, которая неактивна, оно индуцирует ток в катушке, и в результате в этой катушке произойдет падение напряжения. ESC фиксирует эти падения напряжения по мере их возникновения и на основе них прогнозирует или рассчитывает, когда должен произойти следующий интервал.

Это основной принцип работы бесщеточных двигателей постоянного тока и ESC, и он останется тем же, даже если мы увеличим количество полюсов как ротора, так и статора. У нас по-прежнему будет трехфазный двигатель, только увеличится количество интервалов для совершения полного цикла.

Принцип работы трехфазного BLDC двигателя

Здесь мы также можем упомянуть, что двигатели BLDC могут быть как inrunner (с внутренним бегунком), так и outrunner (с внешним бегунком) типа. Бесщеточный двигатель с внутренним бегунком имеет постоянные магниты внутри электромагнитов, и наоборот, двигатель с внешним бегунком имеет постоянные магниты снаружи электромагнитов. Опять же, они используют один и тот же принцип работы, и каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны.

BLDC двигатели inrunner и outrunner типа

Демонстрация работы BLDC и ESC

Хорошо, теории достаточно, теперь давайте продемонстрируем и посмотрим в реальной жизни то, что мы объяснили выше. Для этого подключим три фазы бесщеточного двигателя к осциллографу. Я соединил 3 резистора в одной точке, чтобы создать виртуальную нейтральную точку, а с другой стороны подключил их к трем фазам двигателя BLDC.

Подключение BLDC двигателя к осциллографу

Первое, что мы можем здесь заметить, — это три синусоидальные волны. Эти синусоидальные волны на самом деле являются обратными ЭДС, генерируемыми в фазах, когда они неактивны.

Обратные ЭДС на экране осциллографа, возникающие при работе BLDC двигателя

Мы видим, что при изменении скорости вращения двигателя меняется частота синусоидальных волн, а также их амплитуда. Чем выше частота вращения, тем выше частота и амплитуда синусоидальных волн обратной ЭДС. Однако на самом деле двигателем управляют именно эти пики, которые являются активными фазами, генерирующими изменяющееся магнитное поле.

Активные фазы на экране осциллографа при работе BLDC двигателя

Мы можем заметить, что на каждом интервале есть две активные и одна неактивная фазы. Например, здесь у нас активны фазы А и В, а фаза С неактивна. Тогда у нас есть активные фазы A и C, а фаза B неактивна и так далее.

Также на нашем сайте вы можете прочитать статью про выбор лучшего бюджетного осциллографа для начинающих.

На следующем рисунке показано управление скоростью вращения BLDC двигателя с помощью платы Arduino.

Управление скоростью вращения BLDC двигателя с помощью платы Arduino

Видео, демонстрирующее принцип работы BLDC двигателя

Источник статьи

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
37 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *