Bezkomutátorový motor | Robotika Rozum
První elektromotory, pocházející z počátku devatenáctého století, používaly mechanicky spojené prvky k produkci jednosměrného točivého momentu.
Jak technologický pokrok nabíral na síle, konstruktéři se zbavili zbytečných mechanických dílů a nahradili je polovodičovými součástkami, aby vyrobili účinnější technologii – bezkomutátorové střídavé motory a bezkomutátorové stejnosměrné motory.
Jaké jsou výhody těchto změn?
Porovnání kartáčovaného motoru a bezrámového bezkomutátorového momentového motoru
Abychom pochopili hlavní rozdíl mezi těmito dvěma technologiemi, je nutné znát vlastnosti jejich konstrukce a provozu.
Mechanicky komutovaný motor se skládá z rotující kotvy s drátěným vinutím a stacionárního prstence s elektromagnety nebo permanentními magnety. Kromě toho zařízení obsahuje komutátor – válec namontovaný na hřídeli připojené k vinutí kotvy – a několik kartáčů, obvykle vyrobených z netuhých vodičů (například z grafitu).
Při přivedení napětí na kotvu se vytvoří magnetické pole, které způsobí rotaci rotoru. Otáčení pokračuje jedním směrem po dobu půl celé otáčky (půl otáčky), dokud se neobrátí póly proudu. V tomto okamžiku, kdy je moment síly nulový, se aktivují kartáče a v interakci s komutátorem mění směr proudu. Tímto způsobem rotační pohyb pokračuje bez přerušení a umožňuje motoru produkovat nepřetržitý krouticí moment bez změny směru.
Bezkomutátorový momentový motor je shodný s dříve popsaným typem v tom smyslu, že oba typy motorů mají pohyblivé a stacionární součásti, a to rotor a stator. Bezkomutátorové bezrámové motory, věrné svému názvu, však nemají kartáče pro spínání proudu. Místo toho je tento typ motoru vybaven polovodičovými tranzistory.
Protože se již pro spínání nepoužívají mechanicky vázané prvky, je proud přiváděn přímo do cívek statoru, kde tak vzniká elektromagnetické pole. V důsledku interakce pole s magnety rotoru dochází k rotačnímu pohybu. Jakmile je dosaženo nastavené hodnoty o půl otáčky, tranzistory obrátí (nebo přeruší) proud a vytvářejí točivý moment ve stejném směru.
Jaké jsou výhody této technologie?
Hlavní zlepšení dosažená nahrazením mechanického spínání polovodičovou elektronikou souvisí s následujícími vlastnostmi:
- velikost
- Производительность
- Přijatelný rozsah rychlostí
- zabezpečení
- Dlouhá životnost a nižší provozní náklady
- Žádné rušení způsobené elektromagnetickou indukcí a snížená hlučnost během provozu
- Široká škála možností použití a regulace
Níže uvedená data shrnují rozdíly mezi těmito dvěma technologiemi na základě výše uvedených specifikací:
Aplikace komutačních kartáčů
- Větší velikost zařízení je dána mechanickým provedením kontaktů, které zvyšuje nejen velikost, ale i hmotnost.
- Kluzné kontaktní tření má za následek výrazné snížení celkového výkonu.
- Díky kartáčovanému mechanickému provedení je omezen maximální přípustný počet otáček za minutu.
- Kluzné kontakty způsobují jiskry; Takový mechanismus je absolutně bezpečný pouze pro použití v zaručeně nevýbušném a nehořlavém prostředí.
- Grafitové kolektorové prvky se rychle opotřebovávají a kontaminují vnitřní povrchy motoru prachem.
- V kontaktu s blokem kolektoru vydávají posuvné kontakty poměrně hlasitý zvuk a generují významný elektronický šum.
- Nejlepší výsledky vykazuje při provozu v nízkých otáčkách, když motor zrychluje, točivý moment klesá.
- Jednoduché ovládání pohybu.
Bezkartáčové spínání
- Vyvážená hmotnost a rozměry díky absenci rozdělovací jednotky.
- Výrazně vyšší poměr výkonu k hmotnosti a točivého momentu k hmotnosti.
- Minimální setrvačnost rotoru umožňuje pohyb při vyšších rychlostech.
- Díky nahrazení mechanického spínání elektrickými tranzistory není pracovní proces doprovázen tvorbou jisker. Bezpečné použití i ve výbušném prostředí.
- Absence opotřebitelných dílů eliminuje potřebu údržby a snižuje náklady.
- Zvýšená pevnost, životnost je omezena pouze životností ložisek.
- Tichý provoz a snížené elektromagnetické rušení.
- Komplexní řídicí logika, ale zároveň pokročilé možnosti regulace pohybu, jako je postupné provádění mikropříkazů, přísun přídržného momentu atd.
Na základě srovnávací analýzy má bezkomutátorový bezrámový motor řadu výhod, především z hlediska kompaktnosti a výkonu.
Na druhou stranu mechanicky komutované motory jsou levné a jednoduché, zatímco bezkomutátorové motory mají složitý ovládací mechanismus a při zvýšených teplotách je vysoké riziko demagnetizace.
Elektromotory stejnosměrného, střídavého a dalších konfigurací
Z hlediska konstrukčních vlastností lze bezkomutátorové motory rozdělit na motory s vnitřním a vnějším rotorem.
V pohonu motoru s vnitřním rotorem se rotorový prstenec vybavený magnety otáčí uvnitř obklopujícího statoru. U motorů s vnějším rotorem jsou cívky statoru upevněny ve své poloze v jádru sestavy, zatímco rotující rotor je umístěn vně.
Motory s vnitřním rotorem mají obvykle užší průměr než motory s vnějším rotorem, ale mají delší skříň. Z hlediska výkonu poskytuje motor s vnějším rotorem nižší otáčky na volt (Kv ve specifikaci). Protože hodnota kV je nepřímo úměrná velikosti točivého momentu, motory s vnějším rotorem generují větší točivý moment.
Motory s vnitřním rotorem mají lepší odvod tepla a zároveň vykazují vyšší výkon ve srovnání s motory s vnějším rotorem.
Podle klasifikace typu vinutí mohou být bezkomutátorové motory vybaveny trojúhelníkovými nebo hvězdicovými cívkami.
V konfiguraci trojúhelníku jsou fáze motoru spojeny dohromady a proud je přiváděn do kontaktních bodů. S vinutím Y (známým jako hvězdicové vinutí) se fáze protínají ve středu. V případě konfigurace trojúhelníku se s klesajícími otáčkami výstupní točivý moment snižuje, přičemž práh maximální rychlosti je vyšší než u konfigurace do hvězdy. Hvězdicová vinutí jsou z hlediska maximální rychlosti horší, ale zároveň poskytují značný točivý moment i v nízkých otáčkách.
Obecným závěrem je, že „hvězdové“ schéma je efektivnější.
Ve skupině bezkomutátorových bezrámových motorů s permanentními magnety lze rozlišit i synchronní stejnosměrné a střídavé motory.
Motory mají stejnou konstrukci: rotor s feritovými magnety nebo magnety ze vzácných zemin a stator bez sestavy kartáč-komutátor.
Stejnosměrné i střídavé bezkomutátorové motory jsou synchronní, což znamená, že se magnetická pole na statoru i rotoru otáčejí stejnou frekvencí a rychlostí. Avšak vinutí statoru jsou vyrobena podle různých obvodů, což s sebou nese různé charakteristiky zpětné elektromotorické síly (EMF).
Technické údaje:
Zpětná elektromotorická síla je jev spojený s elektromagnetickou indukcí, kdy vodičem prochází určité množství napětí, které působí proti změně směru připojeného proudu.
Magnety vzácných zemin jsou krystalizované slitiny obsahující prvky vzácných zemin. S vynikající magnetickou anizotropií mohou magnety vzácných zemin poskytovat dvojnásobnou přitažlivou sílu než jejich feritové protějšky, čímž vytvářejí silnější magnetické pole.
Statorové vinutí u stejnosměrných motorů je vyrobeno v lichoběžníkovém vzoru, který vytváří lichoběžníkový tvar vlny působící proti elektromotorické síle (EMF vlna). Použitím sinusového vzoru vinutí generují frekvenční měniče odpovídající sinusové EMF vlny, které minimalizují zvlnění točivého momentu, což má za následek hladké otáčení.
Mezi nevýhody tohoto schématu stojí za zmínku, že sinusové řízení je založeno na složitějších algoritmech než lichoběžníkové. Lichoběžníkové uspořádání je zároveň doprovázeno výrazným akustickým a elektrickým šumem.
motory řady FMI. Původní vývoj od Rozum Robotics:
- Bezkomutátorové spínání minimalizuje ztráty výkonu způsobené třením, poskytuje tichý provoz bez jisker při zachování lepší ovladatelnosti motoru.
- Robustní a spolehlivá konstrukce dutého hřídele umožňuje snadnou integraci motoru i ve stísněných prostorách.
- Vinutí je vyrobeno v hvězdicové konfiguraci, což umožňuje udržet točivý moment i při nízkých otáčkách.
- Základní vnitřní konfigurace rotoru a magnety ze vzácných zemin umožňují ultra vysokou účinnost v kompaktní velikosti.
- Vztahuje se na synchronní podtyp střídavých motorů, které poskytují plynulé otáčení bez pulzace točivého momentu, hluku a elektromagnetického rušení.
- Aby se zabránilo demagnetizaci, jsou do cívek rotoru zabudovány prvky citlivé na teplotu, které monitorují přehřátí.
- S bezrámovým motorem FMI získáte vynikající poměr výkonu a hmotnosti, intenzivní točivý moment, zvýšený výkon a méně problémů s údržbou.
V tomto tutoriálu se dozvíme, co je to bezkartáčový stejnosměrný motor neboli BLDC a jak funguje. Také se podíváme na to, jak funguje elektronický regulátor otáček (ESC), což je elektronický obvod používaný k řízení těchto typů bezkartáčových motorů.
Na našich webových stránkách si také můžete přečíst základy připojení BLDC motoru k desce Arduino.
Co je to bezkartáčový stejnosměrný motor?
Bezkartáčový stejnosměrný motor neboli BLDC je elektromotor, který běží na stejnosměrný proud a generuje pohyb bez kartáčů jako běžné stejnosměrné motory.
Bezkartáčové motory jsou v současnosti populárnější než konvenční kartáčové stejnosměrné motory, protože mají vyšší účinnost, dokáží zajistit přesné řízení točivého momentu a otáček a díky absenci kartáčů poskytují vysokou odolnost a nízký elektrický šum.
BLDC motory se používají v zařízeních, která vyžadují účinnost a odolnost, jako jsou pračky, klimatizace a další domácí elektronika. Používají se také v rotačních pevných discích, rádiem ovládaných modelech, jako jsou rádiem ovládaná letadla atd.
Jak funguje bezkartáčový stejnosměrný motor?
Bezkartáčový stejnosměrný motor (BLDC) se skládá ze dvou hlavních částí: statoru a rotoru. Na obrázku je rotor permanentní magnet se dvěma póly a stator se skládá z cívek uspořádaných, jak je znázorněno na obrázku níže.
Všichni víme, že pokud propustíme proud cívkou, vytvoří se magnetické pole a siločáry magnetického pole neboli póly budou záviset na směru proudu.
Takže pokud aplikujeme vhodný proud, cívka vytvoří magnetické pole, které přitáhne permanentní magnet rotoru. Pokud nyní aktivujeme každou cívku jednu po druhé, rotor se bude dále otáčet v důsledku silové interakce mezi permanentním magnetem a elektromagnetem.
Pro zvýšení účinnosti motoru můžeme navinout dvě protilehlé cívky jako jednu tak, aby póly byly protilehlé k pólům rotoru, čímž získáme dvojnásobnou přitažlivou sílu.
S touto konfigurací můžeme vytvořit šest statorových pólů s použitím pouze tří cívek. Účinnost můžeme dále zvýšit současným napájením dvou cívek. Tímto způsobem bude jedna cívka rotor přitahovat a druhá odpuzovat.
Aby rotor dokončil celý 360stupňový cyklus, vyžaduje šest kroků nebo intervalů.
Pokud se podíváme na průběh proudu, všimneme si, že v každém intervalu je jedna fáze s kladným proudem, jedna fáze se záporným proudem a třetí fáze je odpojená. To vede k představě, že můžeme propojit volné konce každé ze tří fází dohromady a tímto způsobem rozdělit proud mezi ně nebo použít jeden proud k napájení dvou fází současně.
Zde je příklad. Pokud fázi A připojíme k vysokému napětí nebo ji připojíme ke kladnému stejnosměrnému napětí pomocí nějakého spínače, jako je MOSFET, a na druhé straně fázi B připojíme k zemi, pak proud poteče z VCC přes fázi A, neutrální bod a fázi B k zemi. Takže pouze jedním průtokem proudu vytvoříme čtyři různé póly, které rozpohybují rotor.
V této konfiguraci máme ve skutečnosti hvězdicové zapojení fází motoru, kde je neutrální bod připojen interně a ostatní tři konce fází vycházejí z motoru, a proto z bezkartáčového motoru vycházejí tři vodiče.
Takže, aby rotor dokončil celý cyklus, stačí aktivovat dva správné MOSFETy v každém ze 6 intervalů, a to je v podstatě to, co ESC dělá.
Jak funguje ESC (elektronický regulátor otáček)?
ESC neboli elektronický regulátor otáček řídí pohyb nebo rychlost bezkartáčového motoru aktivací příslušných MOSFETů, které vytvářejí rotující magnetické pole, jež způsobuje otáčení motoru. Čím vyšší je frekvence nebo čím rychleji ESC provede 6 cyklů, tím rychleji se motor bude otáčet.
To však vyvolává důležitou otázku: jak poznáme, kdy a kterou fázi aktivovat? Odpověď zní, že potřebujeme znát polohu rotoru a existují dvě běžné metody, které se používají k určení polohy rotoru.
První běžnou metodou je použití Hallových senzorů zabudovaných do statoru, umístěných ve stejných úhlech 120 nebo 60 stupňů od sebe navzájem.
Když se permanentní magnety rotoru otáčejí, Hallovy senzory detekují magnetické pole a generují logickou úroveň „vysoké“ pro jeden magnetický pól nebo logickou úroveň „nízké“ pro opačný pól. Na základě těchto informací ESC ví, kdy aktivovat další komutační sekvenci nebo interval.
Druhou běžnou metodou používanou k určení polohy rotoru je měření zpětné elektromotorické síly neboli zpětného EMF. Zpětné EMF vzniká přesně opačným procesem než vytváření magnetického pole, neboli když pohyblivé nebo měnící se magnetické pole prochází cívkou, indukuje v cívce proud.
Takže když pohyblivé magnetické pole rotoru prochází volnou nebo neaktivní cívkou, indukuje v cívce proud a v důsledku toho dojde k poklesu napětí v této cívce. ESC detekuje tyto poklesy napětí v okamžiku jejich vzniku a na jejich základě předpovídá nebo vypočítává, kdy by měl nastat další interval.
Toto je základní princip fungování bezkartáčových stejnosměrných motorů a regulátorů otáček (ESC) a zůstává stejný, i když zvýšíme počet pólů na rotoru i statoru. Stále budeme mít třífázový motor, ale počet intervalů potřebných k dokončení celého cyklu se zvýší.
Zde můžeme také zmínit, že BLDC motory mohou být typu inrunner i outrunner. Bezkartáčový motor inrunner má permanentní magnety uvnitř elektromagnetů a naopak, motor outrunner má permanentní magnety vně elektromagnetů. Opět používají stejný pracovní princip a každý má své silné a slabé stránky.
Ukázka provozu BLDC a ESC
Dobře, dost teorie, teď si pojďme ukázat a podívat se v praxi, co jsme si výše vysvětlili. Za tímto účelem připojíme k osciloskopu tři fáze bezkartáčového motoru. Já jsem v jednom bodě připojil 3 rezistory, abych vytvořil virtuální neutrální bod, a na druhé straně jsem je připojil ke třem fázím BLDC motoru.
První věc, které si zde můžeme všimnout, jsou tři sinusové vlny. Tyto sinusové vlny jsou ve skutečnosti zpětným elektromotorickým polem generovaným ve fázích, kdy jsou neaktivní.
Vidíme, že když se mění otáčky motoru, mění se frekvence sinusových vln i jejich amplituda. Čím vyšší jsou otáčky, tím vyšší je frekvence a amplituda sinusových vln zpětného elektromotorického pole. Ve skutečnosti jsou to však právě tyto vrcholy, které řídí motor, což jsou aktivní fáze, jež generují měnící se magnetické pole.
Vidíme, že v každém intervalu jsou dvě aktivní a jedna neaktivní fáze. Například zde máme aktivní fáze A a B a neaktivní fázi C. Pak máme aktivní fáze A a C a neaktivní fázi B atd.
Na našich webových stránkách si také můžete přečíst článek o výběru nejlepšího levného osciloskopu pro začátečníky.
Následující obrázek ukazuje řízení otáček BLDC motoru pomocí desky Arduino.
