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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Видео, демонстрирующее принцип работы BLDC двигателя

Как управляются контроллеры с переменным резистором и переключателем направления

Это очень распространенная схема управления, особенно в самодельных проектах и промышленном оборудовании (например, дровоколах, шлифовальных станках).

Общая схема управления

Вся система состоит из трех основных компонентов:

1. BLDC-двигатель (Бесщеточный двигатель постоянного тока).

2. Контроллер BLDC (также называется драйвером или инвертором). Это "мозг" системы, который преобразует постоянное напряжение в трехфазное переменное для двигателя.

3. Органы управления:

   • Переменный резистор (Потенциометр) - для регулировки скорости.

   • Переключатель направления (обычно трехпозиционный: Вперед-Стоп-Назад) - для задания направления вращения.

   • Опционально: кнопка "Пуск/Стоп".

Как это работает внутри контроллера

Контроллер BLDC — это не просто преобразователь напряжения. Он содержит микроконтроллер, который постоянно выполняет сложные алгоритмы. Вот как органы управления взаимодействуют с ним.

1. Управление скоростью с помощью переменного резистора

Переменный резистор (потенциометр) изменяет напряжение на специальном аналоговом входе контроллера (часто обозначается как SPD, SPEED, Vref или THR).

• Физический принцип: Вы поворачиваете ручку потенциометра, и его сопротивление меняется. Контроллер подает на него опорное напряжение (например, +5V), а сдвиг ручки изменяет выходное напряжение от 0V до +5V.

• Что "видит" контроллер: Контроллер постоянно считывает это напряжение с помощью своего АЦП (аналого-цифрового преобразователя).

  • 0 Вольт -> Команда "0% скорости" (стоять).

  • 2.5 Вольта -> Команда "50% от максимальной скорости".

  • 5 Вольт -> Команда "100% скорости".

• Что делает контроллер: Получив значение целевой скорости, контроллер с помощью ШИМ (Широтно-Импульсной Модуляции) начинает регулировать напряжение, подаваемое на обмотки двигателя. Чем выше заданное напряжение, тем шире ШИМ-импульсы и тем больше среднее напряжение на обмотках, что приводит к увеличению скорости вращения.

Важно: На самом деле контроллер регулирует не просто напряжение, а целую связку параметров — напряжение, частоту и фазу тока в обмотках, чтобы поддерживать оптимальный момент на всех скоростях. Но для пользователя это выглядит как плавная регулировка скорости ручкой.

2. Управление направлением с помощью переключателя

Переключатель направления работает с дискретными входами контроллера (обычно обозначаются FWD / REV или DIR).

• Физический принцип: Это обычный переключатель, который либо замыкает, либо размыкает контакты. В трехпозиционном переключателе:

  • Положение "Вперед" -> Замыкает цепь на вход FWD.

  • Положение "Стоп" -> Ничего не замкнуто (или замыкает отдельный вход STOP).

  • Положение "Назад" -> Замыкает цепь на вход REV.

• Что "видит" контроллер: Контроллер проверяет состояние этих цифровых входов. Логика может быть разной, но часто такова:

  • Если на FWD есть сигнал (логическая "1"), а на REV нет -> вращать вперед.

  • Если на REV есть сигнал, а на FWD нет -> вращать назад.

  • Если сигнала нет ни на одном из входов, или есть на обоих -> остановка (аварийный стоп).

• Что делает контроллер: Чтобы изменить направление вращения BLDC-двигателя, необходимо поменять порядок коммутации его обмоток (поменять фазы местами). Контроллер делает это программно, изменяя алгоритм работы ШИМ на силовых ключах (MOSFET/IGBT). Для пользователя смена направления происходит мгновенно по команде с переключателя.

Типовая схема подключения

Вот как это выглядит на практике (всегда сверяйтесь с инструкцией к вашему контроллеру!):

Важные нюансы и особенности

1. Тип потенциометра: Контроллеры рассчитаны на определенное сопротивление потенциометра (чаще всего 5 кОм, но бывает 10 кОм, 100 кОм). Использование неправильного номинала может привести к некорректной работе или повреждению.

2. Линейность: Для регулировки скорости нужен линейный потенциометр, а не логарифмический (обратнологарифмический).

3. Мощность потенциометра: Обычно ток через потенциометр очень мал, поэтому подходит маломощный (0.25-0.5 Вт).

4. Защита: Многие контроллеры имеют защиту от "дурака". Например, они игнорируют команду на смену направления, если двигатель вращается на высокой скорости, чтобы избежать резких бросков тока и поломок. Смена направления часто возможна только после полной остановки.

5. Дополнительные входы: Часто у контроллеров есть и другие входы, например, для аварийного останова (BRAKE), включения (ENABLE) или перевода в режим плавного пуска.

Резюме

• Переменный резистор — это "педаль газа" для контроллера. Он задает целевое значение скорости с помощью аналогового сигнала (напряжения).

• Переключатель направления — это "селектор передачи". Он задает логическую команду на вращение вперед или назад с помощью цифрового сигнала.

Контроллер BLDC, получая эти два сигнала, выполняет всю сложную работу по преобразованию постоянного тока в трехфазный, синхронизации и коммутации обмоток, чтобы двигатель вращался именно так, как вы хотите.

Источник статьи

3 245 просмотров