Оглавление
Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC — Brushless DC electric motor) часто используется в мотор-колесе электросамокатов и электровелосипедов. Его первые версии появились в 1960-х годах. Двигатели BLDC намного эффективнее и имеют гораздо больший крутящий момент.
Размещение постоянного магнита в роторе (внутренняя конфигурация) и управление окружающими катушками через транзисторы, позволило устранить самый важный недостаток щеточных (коллекторных) двигателей постоянного тока, которым являются сами щетки.
В альтернативной конфигурации (внешний ход) катушки якоря могут образовывать твердый сердечник, вокруг которого вращается ротор с постоянным магнитом, приводящий в движение вал двигателя. В обоих случаях катушки неподвижны.
Двигатели BLDC считаются двигателями с электронной коммутацией (ECM) в отличие от щеточных двигателей с механической коммутацией.
Общий принцип управления двигателем BLDC
Для двигателей BLDC требуются современные электронные контроллеры, которые могут определять положение ротора. Для этой цели можно использовать датчик Холла, реагирующий на положение каждой из катушек якоря при работающем двигателе. Скорость двигателя BLDC больше не может регулироваться напряжением, как в щеточных двигателях, а только путем изменения частоты переключения. Эти двигатели питаются от сигнала ШИМ, как показано на рисунке.
Двигатели BLDC делятся на 1-фазные, 2-фазные и 3-фазные, но принцип работы является общим для всех типов. Вместо механического коммутатора, изменяющего направление магнитного поля катушек ротора, используются транзисторы, которые непрерывно изменяют фазу напряжения подаваемого на катушку статора, что заставляет ротор непрерывно вращаться.
Однофазные бесколлекторные (бесщеточные) двигатели используются в устройствах с низким энергопотреблением, в то время как двухфазные чаще в устройствах средней мощности. Типичные области применения 3-фазных двигателей — устройства чтения компакт-дисков.
Управление однофазными двигателями BLDC
Однофазные двигатели BLDC имеют две параллельные обмотки якоря, управляемые напряжением ШИМ через мост H. Выходной сигнал одного датчика Холла постоянно меняет полярность тока, протекающего через обмотку якоря, таким образом поддерживая непрерывное вращение ротора. Однофазные двигатели BLDC очень просты в управлении. Для их работы достаточно одной интегральной микросхемы, например LB11970RV (однофазный двухполупериодный драйвер).
Принцип управления однофазным двигателем BLDC
Управление двухфазными двигателями BLDC
Двухфазные двигатели немного сложнее в управлении. Якорь состоит из 4 катушек, а магнитное поле создается 4 парами постоянных магнитов. Катушки якоря сгруппированы попарно, поэтому двухфазные двигатели имеют больший крутящий момент, чем однофазные.
Двухфазные двигатели обычно используются в некритических низкоуровневых устройствах, таких как большие вентиляторы, поэтому там не требуются сложные контроллеры. В результате двухфазные двигатели мощнее и дешевле. Драйверы, такие как например LB1668M, могут использоваться для их управления.
Управление 3-фазными двигателями BLDC
Трехфазные двигатели BLDC имеют 3 катушки якоря, соответствующие 6 состояниям коммутации. В каждую из катушек обычно помещают датчики Холла, которые реагируют на прохождения над ними постоянных магнитов, которые являются элементами ротора. Принцип использования сигналов от датчиков Холла показан на рисунке.
Конструкция двигателя BLDC с датчиками Холла
Тут тоже сигналы от датчиков Холла определяют моменты переключения. Эти сигналы через соответствующую систему подключения включают транзисторы, которые напрямую управляют катушками двигателя. Конечно, переключение в трехфазных двигателях происходит в 3 раза быстрее, чем в однофазных. Это приводит к снижению вибрации (дёргания) и более точному контролю скорости. Примером трехфазного драйвера двигателя BLDC с датчиками Холла является микросхема LB1976.
Принцип управления мотором BLDC с использованием датчиков Холла
Двигателями также можно управлять без датчиков Холла, используя сигнал BEMF (Back EMF) от каждой катушки. Этот сигнал получается путем сравнения напряжения, индуцированного в каждой из трех катушек, с центральным напряжением (точка COM). Результат такой связи усиливается и передается в систему определения положения ротора.
Сигналы от трех катушек преобразуются в формы импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 120 °. Некоторые контроллеры используют простые компараторы для определения фазы каждой обмотки, другие требуют использования внешних микроконтроллеров. Трехфазный интегрированный бессенсорный контроллер LB11983 включает в себя датчик положения ротора со схемами запуска, синхронизации, переключения, тепловой защиты и контроля насыщения и не требует внешнего микроконтроллера.
Принцип управления двигателем BLDC с помощью сигнала BEMF
Драйверы двигателей BLDC, использующие сигналы BEMF, имеют проблему с определением положения ротора во время запуска, потому что эти сигналы еще не генерируются. В этом случае двигатель запускается с неизвестного положения, то есть неизвестно положение статора относительно ротора. Это положение необходимо быстро распознать во время работы, потому что включение неправильной фазы может изменить направление вращения двигателя и даже сделать невозможной работу.
Таблица с основными характеристиками бесколлекторных двигателей постоянного тока (BLDC):
| Параметр | Описание | Типичные значения/диапазон |
|---|---|---|
| Принцип работы | Двигатель с электронной коммутацией и магнитным ротором. | — |
| Количество фаз | Количество фаз обмоток статора. | 3-фазные (наиболее распространённые), 1-фазные, 2-фазные |
| Тип ротора | Конструкция ротора. | Внутренний (ротор внутри статора), внешний (ротор снаружи статора) |
| Напряжение питания | Диапазон напряжений, подаваемых на двигатель. | 3–60 В DC (бытовые); до 600 В DC (промышленные) |
| Номинальная мощность | Выходная мощность двигателя. | 1 Вт – несколько кВт |
| Частота вращения | Скорость вращения ротора. | 1 000 – 100 000 об/мин |
| Максимальный крутящий момент | Максимальный момент, развиваемый двигателем. | 0,01 – 100 Н·м |
| Эффективность | Отношение полезной работы к затраченной энергии. | 85–95% |
| Управление | Метод управления двигателем. | ШИМ, векторное управление (FOC), прямое управление моментом (DTC) |
| Датчики положения | Используемые датчики для определения положения ротора. | Холла, энкодеры, датчики ЭДС |
| Рабочий ток | Ток, необходимый для работы двигателя при номинальной нагрузке. | 1–50 А |
| Скорость отклика | Время реакции на изменение управляющего сигнала. | Высокая (мгновенное изменение момента) |
| Температурный диапазон | Рабочая температура двигателя. | -40 °C … +150 °C (зависит от модели) |
| Шум и вибрация | Уровень шума и вибрации при работе двигателя. | Низкий |
| Срок службы | Ожидаемое время эксплуатации. | >10 000 часов |
| Размеры | Габариты двигателя. | Компактные (несколько мм) до крупных (десятки см) |
| Применение | Основные области использования. | Бытовая техника, роботы, транспорт, промышленное оборудование |
Подведем итоги
Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) представляют собой высокоэффективные электрические машины с электронной коммутацией. Они обладают рядом преимуществ, включая высокую надежность, долговечность и низкий уровень шума за счет отсутствия щеток и коллектора. Управление BLDC двигателями осуществляется с использованием различных методов, таких как широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или векторное управление (FOC), что позволяет достичь высокой точности и плавности работы. Двигатели отличаются высокой эффективностью, достигающей 85–95%, и быстрым откликом на изменение управляющего сигнала.
Благодаря своей компактности и широкому диапазону мощностей и напряжений, BLDC двигатели находят применение в бытовой технике, робототехнике, электроавтомобилях, дронах и промышленном оборудовании.
Их конструкция включает в себя магнитный ротор и статор с обмотками, а для работы часто используются датчики положения ротора, такие как датчики Холла или энкодеры. Двигатели рассчитаны на длительный срок службы, свыше 10 000 часов, и способны работать в широком температурном диапазоне, что делает их универсальным решением для различных задач.
