Електродвигун постійного струму безщітковий своїми руками. Трифазний безколекторний двигун

@@ Конструктивні особливості CD-ROM двигунів дуже різні. Тому в цій статті даються загальні рекомендації щодо переробки таких двигунів з мінімальними витратамиу 3 фазні авіамодельні двигуни.

@@ Вимоги до CD-ROM двигунів (дані наведені для двигунів, які реально перероблялися):

• Число зубців (полюсів) ротора має дорівнювати 9
• Кількість магнітів, що встановлюються заново - 12
• Діаметр ротора: 28.5 мм
• Висота ротора: 7.8 мм
• Діаметр осі: 3 мм
• Довжина осі: 6.8 мм
• Діаметр статора: 24 мм
• Висота статора: 5.2 мм
• Вага переробленого двигуна – 21 г
• Тип намотування - дельта
• Намотування дротом діаметром - 0,4-0,5 (бажано ПЕТВ)
• Кількість витків – 17-20 на зуб

@@ Клеї, що використовуються: «111», фіксатори різьблення (продаються в автомагазинах).
@@Епоксидна смола, що використовується: будь-яка не російська і не 5-хвилинка.

Підготовчі роботи

@@ На внутрішній стороні ротора приклеєне намагнічене пластмасове кільце. Обережно видаліть його. Це можна зробити так: зігнутий і нагрітий цвях вводиться в пластмасу. Даємо йому охолонути, і обережно витягуємо пластмасове кільце

Статор від'єднуємо від пластини, на якій він кріпиться (варіантів кріплення дуже багато і тому я не наводжу технологію - у кожному конкретному випадку вирішуйте самі як це зробити). Від'єднання статора, акуратно видаляємо з нього намотування, Намагаємося не пошкодити заводське лакування.

Перемотування

@@ Перемотування статора ведуть мідним дротом, діаметром 0.4mm - 0.5mm. На кожен полюс мотаємо від 17 до 20 витків.

@@ Чим менше витків, тим більше обертів, більша кількість витків дозволяє отримати більш високий момент, що обертається. Ізоляція дроту повинна залишитися непошкодженою – це критично, інакше ваш двигун не працюватиме.

@@ Ви можете вибрати між типом намотки "дельти" та "зірка". З намотуванням «зірка» двигун матиме більш високий крутний момент, менше обертів на хвилину і буде «є» менше. і буде грітися більше. Намотка «зірка» «важча» для роботи контролера.

Перевірка якості

@@ Перевірка якості намотування проводиться мультиметром. Провід НЕ ПОВИНЕН бути зламаний або з пошкодженою ізоляцією. Опір обмоток має бути приблизно однаковим. Проводи обмотки не повинні бути закорочені між собою або на статор (у разі пошкодження ізоляції). Якщо ви не впевнені, що немає пошкоджень або «коротуха» - знімайте промотаний провід і мотайте ще раз. З'єднайте, закріпіть та пропаяйте висновки обмоток. Опір обмоток ~ 0,1-0,14 ом на фазу.

Встановлення нових магнітів у ротор

@@ ДУЖЕ ВАЖЛИВО - магніти повинні бути встановлені з дотриманням полярності - N-S-N-S ..., інакше ваш двигун не буде працювати. Гарний спосібперевіряти полярність полягає в тому, щоб розмістити 12 магнітів на столі в один ряд, в такому порядку приклеювати магніти в склянку ротора. Для приклеювання використовуйте високоякісний клей (не використовуйте епоксидну смолу 5 хвилин).

@@ Досягніть рівномірного розміщення магнітів у склянці ротора. Як це можна зробити: встановлюючи магніти в склянку, прокладайте їх тонкими шматочками паперу однакової товщини, якщо один із зазорів вийшов більше, то збільште товщину паперу. Відстань між магнітами має бути однаковою. Не шкодуйте часу, щоб зробити цю роботу. Після встановлення магнітів та їх приклеювання заповніть проміжки між ними епоксидною смолою. Будьте обережні, не перелийте смоли.

Випробування

@@ Тертя між ротором і магнітами не повинно бути. Якщо рух при провертанні без значного зусилля і поштовхів, можете пробувати запускати зібраний двигун.

@@ ВИ МОЖЕТЕ змінити напрямок обертання, змінюючи 2 з цих 3 контактів між двигуном і контролером.

@@ Готові мотори.

Двигуни використовуються у багатьох галузях техніки. Для того щоб відбувалося обертання ротора двигуна необхідна наявність магнітного поля, що обертається. У звичайних двигунах постійного струму це обертання здійснюється механічним способом за допомогою щіток, що ковзають колектором. При цьому виникає іскріння, а, крім того, через тертя та знос щіток для таких двигунів необхідне постійне технічне обслуговування.

Завдяки розвитку техніки стало можливим генерувати магнітне поле, що обертається, електронним способом, що було втілено в безколекторних двигунах постійного струму (БДПТ).

Пристрій та принцип дії

Основними елементами БДПТ є:

• ротор, на якому укріплені постійні магніти;
• статор, На якому встановлені обмотки;
• електронний контролер.

За конструкцією такий двигун може бути двох типів:

з внутрішнім розташуванням ротора (inrunner)

із зовнішнім розташуванням ротора (outrunner)

У першому випадку ротор обертається всередині статора, а в другому – ротор обертається довкола статора.

Двигун типу inrunnerвикористовується у тому випадку, коли необхідно отримати великі оберти обертання. Цей двигун має простішу стандартну конструкцію, яка дозволяє використовувати нерухомий статор для кріплення двигуна.

Двигун типу outrunnerпідходить для отримання великого моменту за низьких оборотів. У цьому випадку кріплення двигуна провадиться з використанням нерухомої осі.

Двигун типу inrunner— великі оберти, низький момент, що крутить. Двигун типу outrunner— маленькі оберти, високий момент, що крутить.

Число полюсів у БДПТ може бути різним. За кількістю полюсів можна судити про деякі характеристики двигуна. Наприклад, двигун з ротором, що має 2 полюси, має більше оборотів і малий момент. Двигуни зі збільшеною кількістю полюсів мають більший момент, але менше оборотів. Зміною числа полюсів ротора можна змінювати кількість обертів двигуна. Таким чином, змінюючи конструкцію двигуна, виробник може підібрати необхідні параметри двигуна по моменту та числу оборотів.

Управління БДПТ

Регулятор обертів, зовнішній вигляд

Для керування безколекторним двигуном використовується спеціальний контролер - регулятор швидкості обертання валу двигунапостійного струму. Його завданням є генерація та подача у потрібний момент на потрібну обмотку необхідної напруги. У контролері для приладів з живленням від мережі 220 В найчастіше використовується інверторна схема, в якій відбувається перетворення струму з частотою 50 Гц спочатку постійний струм, а потім сигнали з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Для подачі напруги живлення на обмотки статора використовуються потужні електронні ключі на біполярних транзисторах або інших силових елементах.

Регулювання потужності та числа оборотів двигуна здійснюється зміною шпаруватості імпульсів, а, отже, і чинним значенням напруги, що подається на обмотки статора двигуна.

Принципова схема регулятора обертів. К1-К6 - ключі D1-D3 - датчики положення ротора (датчики Холла)

Важливим питанням є своєчасне підключення електронних ключів до кожної обмотки. Для забезпечення цього контролер повинен визначати положення ротора та його швидкість. Для отримання такої інформації можуть бути використані оптичні або магнітні датчики (наприклад, датчики Холла), і навіть зворотні магнітні поля.

Більш поширене використання датчиків Холла, які реагують на наявність магнітного поля. Датчики розміщуються на статорі таким чином, щоб на них діяло магнітне поле ротора. У деяких випадках датчики встановлюють у пристроях, що дозволяють змінювати положення датчиків і, відповідно, регулювати кут випередження (timing).

Регулятори обертів ротора дуже чутливі до сили струму, що проходить через нього. Якщо ви підберете акумуляторну батарею з більшою силою струму, що видається, то регулятор згорить! Правильно підбирайте поєднання характеристик!

Гідності й недоліки

Порівняно зі звичайними двигунами БДПТ мають такі переваги:

• великий ккд;
• висока швидкодія;
• можливість зміни частоти обертання;
• відсутність іскристих щіток;
• малі шуми, Як у звуковому, так і високочастотному діапазонах;
• надійність;
• здатність протистояти навантаженням по моменту;
• відмінне співвідношення габаритів та потужності.

Безколекторний двигун відрізняється великим ККД. Він може сягати 93-95%.

Висока надійність механічної частини БД пояснюється тим, що в ньому використовуються шарикопідшипники та відсутні щітки. Розмагнічування постійних магнітів відбувається досить повільно, особливо якщо вони виконані з використанням рідкісноземельних елементів. При використанні в контролері захисту струму термін служби цього вузла досить високий. Фактично термін служби БДПТ може визначатися терміном служби шарикопідшипників.

Недоліками БДПТ є складність системи управління та висока вартість.

Застосування

Області застосування БДТП такі:

• створення моделей;
• медицина;
• автомобілебудування;
• нафтогазова промисловість;
• побутові прилади;
• військова техніка.

Використання БД для авіамоделейдає значну перевагу за потужністю та габаритами. Порівняння звичайного колекторного двигуна типу Speed-400 та БДТП того ж класу Astro Flight 020 показує, що двигун першого типу має ккд 40-60%. ККД другого двигуна в тих же умовах може досягати 95%. Таким чином, використання БД дозволяє збільшити майже вдвічі потужність силової частини моделі або час її польоту.

Завдяки малому шуму та відсутності нагрівання під час роботи БДПТ широко використовуються в медицині, особливо в стоматології.

У автомобілях такі двигуни використовуються в підйомники скла, електросклоочисники, омивачі фар та електрорегулятори підйому крісел.

Відсутність колектора та іскріння щітокдозволяє використовувати БД як елементи запірних пристроїв у нафтогазовій промисловості.

Як приклад використання БД у побутовій техніці можна відзначити пральну машину з прямим приводом барабана компанії LG. Ця компанія використовує БДТП типу Outrunner. На роторі двигуна є 12 магнітів, а на статорі – 36 котушок індуктивності, які намотані дротом діаметром 1 мм на сердечники з магнітопровідної сталі. Котушки з'єднані послідовно по 12 штук у фазі. Опір кожної фази дорівнює 12 Ом. Як датчик положення ротора використовується датчик Холла. Ротор двигуна кріпиться до бака пральної машини.

Повсюдно даний двигун використовується в жорстких дискахдля комп'ютерів, що робить їх компактними, у CD та DVD приводах та системах охолодження для мікро-електронотехнічних пристроїв і не тільки.

Поряд з БД малої та середньої потужності в промисловості з важкими умовами роботи, судновій та військовій промисловостях все більше використовуються великі БДПТ.

БД великої потужності розроблено для американських ВМС. Наприклад, компанія Powertec розробила БДТП потужністю 220 кВт зі швидкістю 2000 об/хв. Момент двигуна сягає 1080 Нм.

Крім зазначених областей, БД застосовуються у проектах верстатів, пресів, ліній для обробки пластмас, а також у вітроенергетиці та використанні енергії приливних хвиль.

Характеристики

Основні характеристики двигуна:

• номінальна потужність;
• максимальна потужність;
• максимальний струм;
• максимальна робоча напруга;
• максимальні обороти(або коефіцієнт Kv);
• опір обмоток;
• кут випередження;
• режим роботи;
• габаритно-масові характеристикидвигуна.

Основним показником двигуна є його номінальна потужність, тобто потужність, що виробляється двигуном протягом тривалого часу його роботи.

максимальна потужність- Це потужність, яку може віддати двигун протягом короткочасного відрізка часу, не руйнуючись. Наприклад, для вищезгаданого безколекторного двигуна Astro Flight 020 вона дорівнює 250 Вт.

Максимальний струм. Для Astro Flight 020 він дорівнює 25 А.

Максимальна робоча напруга– напруга, яка може витримати обмотки двигуна. Для Astro Flight 020 заданий діапазон робочої напруги від 6 до 12 Ст.

Максимальна кількість обертів двигуна. Іноді в паспорті вказується коефіцієнт Kv – кількість обертів двигуна однією вольт. Для Astro Flight 020 Kv = 2567 об/в. У цьому випадку максимальну кількість оборотів можна визначити множенням цього коефіцієнта на максимальну робочу напругу.

Зазвичай опір обмотокдля двигунів складає десяті або тисячні частки Ома. Для Astro Flight 020 R = 0,07 Ом. Цей опір впливає на ККД БДПТ.

Кут випередженняє випередження перемикання напруг на обмотках. Воно пов'язані з індуктивним характером опору обмоток.

Режим роботи може бути тривалим чи короткочасним. При довготривалому режимі двигун може працювати тривалий час. При цьому тепло, що виділяється ним, повністю розсіюється і він не перегрівається. У такому режимі працюють двигуни, наприклад, у вентиляторах, конвеєрах чи ескалаторах. Короткочасний режим використовується для таких пристроїв, як ліфт, електробритва. У цих випадках двигун працює короткий час, а потім довгий час остигає.

У паспорті на двигун наводяться його розміри та маса. Крім того, наприклад, для двигунів, призначених для авіамоделей, наводяться посадкові розміри та діаметр валу. Зокрема, для двигуна Astro Flight 020 наведено такі характеристики:

• довжина дорівнює 1,75”;
• діаметр дорівнює 0,98”;
• діаметр валу дорівнює 1/8”;
• вага дорівнює 2,5 унції.

Висновки:

1. У моделюванні, в різних технічних виробах, в промисловості та в оборонній техніці використовуються БДПТ, в яких магнітне поле, що обертається, формується електронною схемою.
2. За своєю конструкцією БДПТ можуть бути з внутрішнім (inrunner) та зовнішнім (outrunner) розташуванням ротора.
3. Порівняно з іншими двигунами БДПТ мають ряд переваг, основними з яких є відсутність щіток та іскріння, великий ккд та висока надійність.

Двигуном постійного струму називають електричний двигун, живлення якого забезпечує постійний струм. При необхідності одержати високомоментний двигун із порівняно невеликими оборотами. Конструктивно Inrunners простіше через те, що нерухомий статор може бути корпусом. До нього можуть бути змонтовані кріпильні пристрої. У разі Outrunners обертається вся зовнішня частина. Кріплення двигуна здійснюється за нерухому вісь або деталі статора. У разі мотор-колеса кріплення здійснюється за нерухому вісь статора, дроти заводяться до статора через порожнисту вісь яких менше 0,5 мм.

Двигуном змінного струму називають електричний двигун, живлення якого забезпечує змінний струм. Існують такі типи двигунів змінного струму:

Також існує УКД (універсальний колекторний двигун) з функцією режиму роботи як на змінному, так і постійному струмі.

Ще один тип двигунів – це кроковий електродвигун із кінцевим числом положень ротора. Певне положення ротора фіксується за допомогою подачі живлення на необхідні відповідні обмотки. При знятті напруги живлення з однієї обмотки та її передачі на інші відбувається процес переходу до іншого положення.

Двигун змінного струму при живленні за допомогою промислової мережі зазвичай не дозволяє досягти частоти обертання більше трьох тисяч обертів за хвилину. Тому при необхідності отримати більш високі частоти використовується колекторний двигун, додатковими перевагами якого є легкість і компактність при збереженні необхідної потужності.

Іноді також застосовують спеціальний передавальний механізм під назвою мультиплікатор, який змінює кінематичні параметри пристрою до потрібних технічних показників. Колекторні вузли іноді займають до половини простору всього двигуна, тому електродвигуни змінного струму зменшують у розмірі і роблять легше у вазі через використання перетворювача частоти, а іноді завдяки наявності мережі з підвищеною частотою до 400 Гц.

Ресурс будь-якого асинхронного двигуна змінного струму помітно вищий за колекторний. Визначається він станом ізоляції обмоток та підшипників. Синхронний двигун при використанні інвертора і датчика положення ротора вважається електронним аналогом класичного колекторного двигуна, що підтримує роботу за допомогою постійного струму.

Безколекторний електродвигун постійного струму. Загальні відомості та пристрій приладу

Безколекторний електродвигун постійного струму також називають трифазним вентильним двигуном. Він є синхронним пристроєм, принцип роботи якого ґрунтується на самосинхронізованому частотному регулюванні, завдяки чому відбувається управління вектором (відштовхуючись від положення ротора) магнітного поля статора.

Контролери електродвигунів такого типу часто живляться завдяки постійній напрузі, через що і отримали свою назву. В англомовній технічній літературі вентильний електродвигун називають PMSM чи BLDC.

Безколекторний електродвигун був створений насамперед для оптимізації л спіднього електродвигуна постійного струмув цілому. До виконавчого механізму такого пристрою (особливо високооборотного мікроприводу з точним позиціонуванням) ставилися дуже високі вимоги.

Це, мабуть, і зумовило використання таких специфічних приладів постійного струму, трифазні безколекторні двигуни, також звані БДПТ. За своєю конструкцією вони практично ідентичні синхронним двигунам змінного струму, де обертання магнітного ротора відбувається у звичайному шихтованому статорі за наявності трифазних обмоток, а кількість обертів залежить напруги та навантажень статора. З певних координат ротора, відбувається перемикання різних обмоток статора.

Безколекторні двигуни постійного струму можуть існувати без окремих датчиків, однак, іноді вони присутні на роторі, наприклад, датчик Холла. Якщо пристрій працює без додаткового датчика, то обмотки статора виконують функцію фіксуючого елемента. Тоді струм виникає завдяки обертанню магніту, коли в обмотці статора наводить ротор ЕРС.

Якщо одна з обмоток буде вимкнена, то вимірюватиметься і надалі оброблятиметься той сигнал, який був наведений, однак такий принцип роботи неможливий без професора обробки сигналів. А ось для реверсу або гальмування такого електродвигуна бруківка схема не потрібна – достатньо буде подачі у зворотній послідовності керуючих імпульсів на обмотки статора.

У ВД (вентильному двигуні) індуктор як постійного магніту розташований на роторі, а якірна обмотка – на статорі. Виходячи із положення ротора, формується напруга живлення всіх обмотокелектродвигуна. При використанні в таких конструкціях колектора його функцію виконуватиме у вентильному двигуні напівпровідниковий комутатор.

Основна відмінність синхронного та вентильного двигунів полягає в самосинхронізації останнього за допомогою ДПР, що обумовлює пропорційну частоту обертання ротора та поля.

Найчастіше безколекторний електродвигун постійного струму знаходить застосування у таких сферах:

Статор

Цей пристрій має класичну конструкцію і нагадує такий самий прилад асинхронної машини. До складу входить сердечник із мідної обмотки(покладеної по периметру в пази), що визначає кількість фаз, та корпус. Зазвичай синусної та косинусної фаз достатньо для обертання та самозапуску, проте часто вентильний двигун створюють трифазним і навіть чотирифазним.

Електродвигуни із зворотною електрорушійною силою за типом укладання витків на статорній обмотці діляться на два типи:

• синусоїдальної форми;
• трапецеїдальної форми.

У відповідних видах двигуна електричний фазний струм змінюється також за способом живлення синусоїдально або трапецієдально.

Ротор

Зазвичай ротор виготовляють із постійних магнітів з кількістю пар полюсів від двох до восьми, які, своєю чергою, чергуються від північного до південного або навпаки.

Найпоширенішими і найдешевшими для виготовлення ротора вважаються феритові магніти, але їх недоліком є низький рівеньмагнітної індукціїТому на заміну такому матеріалу зараз приходять прилади, створені зі сплавів різних рідкісноземельних елементів, оскільки можуть надати високий рівень магнітної індукції, що, у свою чергу, дозволяє зменшити розмір ротора.

ДПР

Датчик положення ротора забезпечує зворотний зв'язок. За принципом роботи пристрій поділяється на такі підвиди:

• індуктивний;
• фотоелектричний;
• датчик з ефект Холла.

Останній тип набув найбільшої популярності завдяки своїм практично абсолютним безінерційним властивостямі здатності позбавлятися за становищем ротора запізнення в каналах зворотного зв'язку.

Система управління

Система управління складається з силових ключів, іноді також тиристорів або силових транзисторів, що включають ізольований затвор, що ведуть до збору інвертора струму або інвертора напруги. Процес управління цими ключами реалізується найчастіше шляхом використання мікроконтролера, що вимагає управління двигуном величезної кількості обчислювальних операцій.

Принцип роботи

Робота двигуна полягає в тому, що контролер комутує певну кількість статора обмоток таким чином, що вектор магнітних полів ротора і статора ортогональні. За допомогою ШІМ (широтно-імпульсної модуляції) контролер здійснює управління струмом, що протікає через двигун.і регулює момент, що впливає на ротор. Напрямок цього моменту визначає позначка кута між векторами. При розрахунках використовують електричні градуси.

Комутацію слід проводити таким чином, щоб Ф0 (потік збудження ротора) підтримувався відносно постійним потоку якоря. При взаємодії такого збудження і потоку якоря формується момент, що обертає М, що прагне розгорнути ротор і паралельно забезпечити збіг збудження і потоку якоря. Однак під час повороту ротора відбувається перемикання різних обмоток під впливом датчика положення ротора, в результаті чого потік якоря розгортається до наступного кроку.

У такій ситуації результуючий вектор зсувається і стає нерухомим по відношенню до потоку ротора, що, своєю чергою, створює необхідний момент на валу електродвигуна.

Управління двигуном

Контролер безколекторного електродвигуна постійного струму здійснює регулювання моменту, що діє на ротор, змінюючи величину широтно-імпульсної модуляції. Комутація при цьому контролюється та здійснюється за допомогою електроніки, На відміну від звичайного щіткового двигуна постійного струму. Також поширеними є системи управління, які для робочого процесу реалізують алгоритми широтно-імпульсної модуляції та широтно-імпульсного регулювання.

Двигуни на векторному управлінні забезпечують найширший із усіх відомих діапазонів для регулювання власної швидкості. Регулювання цієї швидкості, як і підтримка потокосцепления необхідному рівні, відбувається завдяки перетворювачу частоти.

Особливістю регулювання електроприводу, заснованого на векторному управлінні є наявність контрольованих координат. Вони знаходяться в нерухомій системі та перетворюються на обертову, виділяючи пропорційне контрольованим параметрам вектора постійне значення, завдяки чому формується вплив, що управляє, а потім зворотний перехід.

Незважаючи на всі переваги такої системи, вона супроводжується недоліком у вигляді складності управління пристроєм для регулювання швидкості в широкому діапазоні.

Переваги і недоліки

У наш час у багатьох галузях промисловості такий тип двигуна має величезний попит, адже безколекторний електродвигун постійного струму об'єднав у собі чи не всі самі кращі якостібезконтактних та інших типів двигунів.

Безперечними перевагами вентильного двигуна є:

Незважаючи на вагомі позитивні моменти, безколекторний електродвигун постійного струмутакож є кілька недоліків:

Виходячи з вищевикладеного та нерозвиненості сучасної електроніки в регіоні, багато хто все ще вважає за доцільне використання звичайного асинхронного двигуна з наявністю перетворювача частоти.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Такий тип двигуна має чудові характеристики, особливо при здійсненні управління за допомогою датчиків положення. Якщо момент опору варіюється або зовсім невідомий, а також за необхідності досягнення вищого пускового моментувикористовується керування з датчиком. Якщо датчик не використовується (як правило, у вентиляторах), управління дозволяє обійтися без проводового зв'язку.

Особливості керування трифазним безколекторним двигуном без датчика за положенням:

Особливості управління трифазним безколекторним двигуномз датчиком за положенням на прикладі датчика Холла:

Висновок

Безколекторний електродвигун постійного струму має безліч переваг і стане гідним вибором для використання як фахівцем, так і простим обивателем.

Опубликовано 11.04.2014

Схема регулятора

Схема умовно поділена на частини: ліва – мікроконтролер з логікою, права – силова частина. Силову частину можна модифікувати для роботи з двигунами іншої потужності або з іншою напругою живлення.

Контролер – ATMEGA168. Гурмани можуть сказати, що вистачило б і ATMEGA88, а AT90PWM3– це було б “вааще по феншу”. Перший регулятор я робив "по феншу". Якщо у Вас є можливість застосовувати AT90PWM3– це буде найкращий вибір. Але для моїх задумів зовсім не вистачало 8 кілобайт пам'яті. Тому я застосував мікроконтролер ATMEGA168.

Ця схема замислювалася як випробувальний стенд. На якому передбачалося створити універсальний регулятор для роботи з різними "калібрами" безколекторних двигунів: як з датчиками, так і без датчиків положення. У цій статті я опишу схему та принцип роботи прошивки регулятора для керування безколекторними двигунами з датчиками Холла та без датчиків.

живлення

Живлення схеми роздільне. Оскільки драйвери ключів вимагають живлення від 10 до 20В, використовується живлення 12В. Живлення мікроконтролера здійснюється через DC-DC перетворювач, зібраний на мікросхемі. Можете застосовувати лінійний стабілізатор із вихідною напругою 5В. Передбачається, що напруга VD може бути від 12В і вище та обмежується можливостями драйвера ключів та самими ключами.

ШИМ та сигнали для ключів

На виході OC0B(PD5)мікроконтролера U1генерується ШІМ сигнал. Він надходить на перемикачі JP2, JP3. Цими перемикачами можна вибрати варіант подачі ШІМ на ключі (на верхні, нижні або всі ключі). На схемі перемикач JP2встановлений у положення для подачі ШІМ сигналу на верхні ключі. Перемикач JP3на схемі встановлений положення для відключення подачі ШИМ сигналу на нижні ключі. Не важко здогадатися, що якщо відключити ШИМ на верхніх та нижніх ключах, ми отримаємо на виході перманентний "повний вперед", що може розірвати двигун або регулятор у мотлох. Тому, не забуваємо вмикати голову, перемикаючи їх. Якщо Вам не знадобляться такі експерименти – і Ви знаєте, на які ключі Ви подаватимете ШИМ, а на які ні, просто не робіть перемикачів. Після перемикачів ШІМ сигнал надходить на входи елементи логіки “&” ( U2, U3). На цю ж логіку надходять 6 сигналів із висновків мікроконтролера PB0..PB5, які керують сигналами для 6 ключів. Таким чином, логічні елементи ( U2, U3) накладають ШІМ сигнал на керуючі сигнали. Якщо Ви впевнені, що подаватимете ШИМ, скажімо, тільки на нижні ключі, тоді непотрібні елементи ( U2) можна виключити із схеми, а відповідні сигнали з мікроконтролера подавати на драйвери ключів. Тобто. на драйвери верхніх ключів сигнали підуть безпосередньо з мікроконтролера, а на нижні через логічні елементи.

Зворотній зв'язок (контроль напруги фаз двигуна)

Напруга фаз двигуна W,V,Uчерез резистивні дільники W - (R17, R25), V - (R18, R24), U - (R19, R23)надходять на входи контролера ADC0(PC0), ADC1(PC1), ADC2(PC2). Ці висновки використовують як входи компараторів. (У прикладі описаному в AVR444.pdfвід компанії Atmelзастосовують не компаратори, а вимір напруги з допомогою ADC (АЦП). Я відмовився від цього методу, оскільки час перетворення ADC не дозволяв керувати швидкісними двигунами. Резистивні дільники вибираються таким чином, щоб напруга, що подається на вхід мікроконтролера, не перевищувала допустиму. У разі, резисторами 10К і 5К ділиться на 3. Тобто. При живленні двигуна 12В. на мікроконтролер подаватиметься 12В * 5К / (10К + 5К) = 4В. Опорна напруга для компаратора (вхід AIN1) подається від половинної напруги живлення двигуна через дільник ( R5, R6, R7, R8). Зверніть увагу, резистори ( R5, R6) за номіналом такі ж, як і ( R17, R25), (R18, R24),(R19, ​​R23). Далі напруга зменшується вдвічі дільником R7, R8, після чого надходить на ногу AIN1внутрішнього компаратора мікроконтролера. Перемикач JP1дозволяє переключити опорну напругу на напругу "середньої точки", що формується резисторами ( R20, R21, R22). Це робилося для експериментів і не виправдало. Якщо немає потреби, JP1, R20, R21, R22можна виключити із схеми.

Датчики Холла

Оскільки регулятор універсальний, він повинен приймати сигнали від датчиків Холла, якщо використовується двигун з датчиками. Передбачається, що датчики Холла дискретні, тип SS41. Допускається застосування інших типів датчиків з дискретним виходом. Сигнали від трьох датчиків надходять через резистори R11, R12, R13на перемикачі JP4, JP5, JP6. Резистори R16, R15, R14виступають як підтягуючі резистори. C7, С8, С9- фільтруючі конденсатори. Перемикачами JP4, JP5, JP6вибирається тип зворотний зв'язок з двигуном. Крім зміни положення перемикачів у програмних налаштуваннях регулятора слід зазначити відповідний тип двигуна ( Sensorlessабо Sensored).

Вимірювання аналогових сигналів

На вхід ADC5(PC5)через дільник R5, R6подається напруга живлення двигуна. Ця напруга контролюється мікроконтролером.

На вхід ADC3(PC3)надходить аналоговий сигнал від датчика струму. Датчик струму ACS756SA. Це датчик струму з урахуванням ефекту Холла. Перевага цього датчика в тому, що він не використовує шунт, а значить, має внутрішній опір, близький до нуля, тому на ньому не відбувається тепловиділення. Крім того, вихід датчика аналоговий в межах 5В, тому без будь-яких перетворень подається на вхід мікроконтролера АЦП, що спрощує схему. Якщо потрібно датчик з великим діапазоном вимірювання струму, Ви просто замінюєте існуючий датчик новим, абсолютно не змінюючи схему.

Якщо Вам хочеться використати шунт із наступною схемою посилення, узгодження – будь ласка.

Сигнали, що задають

Сигнал, що задає обороти двигуна, з потенціометра RV1надходить на вхід ADC4(PC4). Зверніть увагу на резистор R9– він шунтує сигнал у разі обриву дроту до потенціометра.

Крім того, є вхід RCсигналу, який використовується в дистанційно керованих моделях. Вибір керуючого входу та його калібрування виконується у програмних налаштуваннях регулятора.

UART інтерфейс

Сигнали TX, RXвикористовуються для налаштування регулятора та видачі інформації про стан регулятора – обороти двигуна, струм, напруга живлення тощо. Для налаштування регулятора його можна підключити до USB порту комп'ютера за допомогою . Налаштування виконується через будь-яку програму терміналу. Наприклад: Hyperterminalабо Putty .

Інше

Також є контакти реверсу – виведення мікроконтролера PD3. Якщо замкнути ці контакти перед стартом двигуна, двигун обертатиметься у зворотному напрямку.

Світлодіод, що сигналізує про стан регулятора, підключений до виводу PD4.

Силова частина

Драйвера ключів використовувалися IR2101. Цей драйвер має одну перевагу – низька ціна. Для слаботочних систем підійде, для потужних ключів IR2101буде слабенький. Один драйвер управляє двома "N" канальними MOSFET транзисторами (верхнім та нижнім). Нам знадобиться три такі мікросхеми.

Ключі потрібно вибирати в залежності від максимального струму та напруги живлення двигуна (вибору ключів та драйверів буде присвячена окрема стаття). На схемі позначено IR540, насправді використовувалися K3069. K3069розраховані на напругу 60В та струм 75А. Це явний перебір, але мені вони дісталися задарма в велику кількість(бажаю і Вам такого щастя).

Конденсатор С19включається паралельно живильної батареї. Чим більша його ємність – тим краще. Цей конденсатор захищає батарею від кидків струму та ключі від значного просідання напруги. У разі відсутності цього конденсатора Вам забезпечені як мінімум проблеми з ключами. Якщо підключати батарею відразу до VD- Може проскакувати іскра. Резистор, що іскрогасить R32використовується в момент підключення до живильної батареї. Відразу підключаємо “ – ” батареї, потім подаємо “ + ” на контакт Antispark. Струм тече через резистор і плавно заряджає конденсатор С19. Через кілька секунд, підключаємо контакт батареї до VD. При живленні 12В можна Antispark не робити.

Можливості прошивки

• можливість керувати двигунами з датчиками та без;
• для бездатчикового двигуна три види старту: без визначення первісного становища; з визначенням первісного становища; комбінований;
• налаштування кута випередження фази бездатчикового двигуна з кроком 1 градус;
• можливість використовувати один з двох входів, що задають: 1-аналоговий, 2-RC;
• калібрування вхідних сигналів;
• реверс двигуна;
• налаштування регулятора порту UART та отримання даних від регулятора під час роботи (обороти, струм, напруга батареї);
• частота ШІМ 16, 32 КГц.
• налаштування рівня ШІМ сигналу для старту двигуна;
• контроль напруги акумуляторів. Два пороги: обмеження та відсікання. При зниженні напруги батареї до порога обмеження обертів двигуна знижуються. При зниженні нижче порога відсікання відбувається повна зупинка;
• контроль струму двигуна. Два пороги: обмеження та відсікання;
• налаштовуваний демпфер сигналу, що задає;
• налаштування Dead time для ключів

Робота регулятора

Увімкнення

Напруга живлення регулятора і роздільна двигуна, тому може виникнути питання: в якій послідовності подавати напругу. Я рекомендую подавати напругу на схему регулятора. А потім підключати напругу живлення двигуна. Хоча за іншої послідовності проблем не виникало. Відповідно, при одночасному поданні напруги також проблем не виникало.

Після включення двигун видає 1 короткий сигнал (якщо звук не вимкнено), вмикається і постійно світиться світлодіод. Регулятор готовий до роботи.

Для запуску двигуна слід збільшувати величину сигналу, що задає. У разі використання задає потенціометра, запуск двигуна почнеться при досягненні напруги, що задає рівня приблизно 0.14 В. При необхідності можна виконати калібрування вхідного сигналу, що дозволяє використовувати ранні діапазони керуючих напруг. За замовчуванням налаштовано демпфер сигналу, що задає. При різкому стрибку сигналу, що задає, обороти двигуна будуть рости плавно. Демпфер має несиметричну характеристику. Скидання обертів відбувається без затримки. При необхідності демпфер можна налаштувати або відключити.

Запуск

Запуск бездатчикового двигуна виконується із встановленим у налаштуваннях рівнем стартової напруги. У момент старту положення ручки газу ролі значення не має. При невдалій спробі старту повторюється спроба запуску, поки двигун не почне нормально обертатися. Якщо двигун не може запуститися протягом 2-3 секунд, спробу слід припинити, прибрати газ і перейти до налаштування регулятора.

При перекиданні двигуна або механічному заклинюванні ротора спрацьовує захист і регулятор намагається перезапустити двигун.

Запуск двигуна з датчиками Холла також виконується із застосуванням налаштувань для старту двигуна. Тобто. якщо для запуску двигуна з датчиками дати повний газ, то регулятор подасть напругу, вказану в налаштуваннях для старту. І тільки після того, як двигун почне обертатися, буде подано повну напругу. Це трохи нестандартно для двигуна з датчиками, оскільки такі двигуни в основному застосовуються як тягові, а в даному випадку досягти максимального моменту, що крутить, на старті, можливо, буде складно. Тим не менш, в даному регуляторі є така особливість, яка захищає двигун і регулятор від виходу з ладу при механічному заклинюванні двигуна.

Під час роботи регулятор видає дані про обороти двигуна, струм, напругу батарей через порт UART у форматі:

E:мінімальна напруга батареї: максимальна напруга батареї: максимальний струм: оберти двигуна (об/хв) A:поточна напруга батареї: поточний струм: поточні оберти двигуна (об/хв)

Дані видаються із періодичністю приблизно 1 секунда. Швидкість передачі порту 9600.

Налаштування регулятора

Для налаштування регулятора слід підключити його до комп'ютера за допомогою . Швидкість передачі порту 9600.

Перехід регулятора в режим налаштування відбувається при включенні регулятора, коли сигнал потенціометра більше нуля. Тобто. Для переведення регулятора в режим налаштування слід повернути ручку потенціометра, що задає, після чого включити регулятор. У терміналі з'явиться запрошення у вигляді символу “ > “. Після цього можна вводити команди.

Регулятор сприймає наступні команди (у різних версіях прошивки набір налаштувань та команд може відрізнятися):

h- Виведення списку команд;
? - Виведення налаштувань;
c– калібрування сигналу, що задає;
d– скидання настройок до заводських налаштувань.

команда “ ? ” виводить у термінал список усіх доступних налаштувань та їх значення. Наприклад:

Motor.type=0 motor.magnets=12 motor.angle=7 motor.start.type=0 motor.start.time=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 voltage.limit=128 voltage.cutoff =120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1

Змінити потрібне налаштуванняможна командою наступного формату:

<настройка>=<значение>

Наприклад:

pwm.start=15

Якщо команду було дано коректно, налаштування буде застосовано та збережено. Перевірити поточні налаштування після їх зміни можна командою “ ? “.

Вимірювання аналогових сигналів (напруга, струм) виконуються за допомогою АЦП мікроконтролера. АЦП працює у 8-ми бітному режимі. Точність виміру занижена навмисно для забезпечення прийнятної швидкості перетворення аналогового сигналу. Відповідно, все аналогові величини регулятор видає як 8-ми бітного числа, тобто. від 0 до 255.

Призначення налаштувань:

Список налаштувань, їх опис:

Параметр	Опис	Значення
motor.type	Тип двигуна	0-Sensorless; 1-Sensored
motor.magnets	Кількість магнітів в роторі двигуна. Використовується лише розрахунку оборотів двигуна.	0.255, шт.
motor.angle	Кут випередження фази. Використовується лише для Sensorless двигунів.	0..30, градусів
motor.start.type	Тип старту. Використовується лише для Sensorless двигунів.	0-без визначення положення ротора; 1-з визначенням положення ротора; 2-комбінований;
motor.start.time	Час старту.	0..255, мс
pwm	Частота PWM	16, 32, КГц
pwm.start	Значення PWM (%) для запуску двигуна.	0..50 %
pwm.min	Значення мінімального значення PWM (%), коли двигун обертається.	0..30 %
voltage.limit	Напруга батареї, при якій слід обмежувати потужність, що подається на двигун. Вказується у показаннях ADC.	0..255*
voltage.cutoff	Напруга батареї, при якій слід вимикати двигун. Вказується у показаннях ADC.	0..255*
current.limit	Струм, при якому слід обмежувати потужність, що подається на двигун. Вказується у показаннях ADC.	0..255**
current.cutoff	Струм, при якому слід вимикати двигун. Вказується у показаннях ADC.	0..255**
system.sound	Увімкнути/вимкнути звуковий сигнал, що видається двигуном	0-вимкнений; 1-включений;
system.input	Задає сигнал	0-потенціометр; 1-RC сигнал;
system.damper	Демпфування вхідного сигналу	0..255, умовні одиниці
system.deadtime	Значення Dead Time для ключів у мікросекундах	0..2, мкс

* – числове значення 8-ми бітного аналого цифрового перетворювача.
Розраховується за формулою: ADC = (U * R6 / (R5 + R6)) * 255/5
Де: U– напруга у Вольтах; R5, R6- Опір резисторів дільника в Омах.