XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальность. Сфера применения таких электродвигателей довольно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В).

Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей - это бесколлекторные двигатели.

На самом деле область применения бесколлекторных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности.

Целью данной работы является изучение работы бесколлекторного двигателя и разбивается на следующие задачи:

1. Изучение теоретических сведений о работе бесколлекторных двигателей.

2. Выбор недорогой доступной модели бесколлекторного двигателя.

3. Выбор схемы коммутатора и задающего генератора блока электронного управления.

4. Практическая реализация силового коммутатора.

5. Программирование Arduino.

Основные сведения и определения. Бесколлекторный двигатель - это разновидность электродвигателя переменного тока, у которого коллекторно-щеточный узел заменен бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора. Иногда можно встретить такую аббревиатуру: BLDС - это brushless DC motor.

Бесколлекторные моторы появились сравнительно недавно и были созданы с целью оптимизации электродвигателей постоянного тока. Бесколлекторные моторы питаются трехфазным переменным током. Они эффективно работают в более широком диапазоне оборотов и имеют более высокий КПД. При этом конструкция двигателя проще, в ней нет щеточного узла, который постоянно трется с ротором и создает искры. Поэтому они практически не изнашиваются.

По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Двигатели inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Двигатели outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Коммутация в бесколлекторном двигателе (БД) осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Одна из причин проявления интереса к БД - это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием.

Бесколлекторным двигателям постоянного тока, как и другим видам электромашин, присущи определенные достоинства и недостатки.

Преимущества у БДПТ заключаются в следующем:

- благодаря возбуждению мощными постоянными магнитами (неодимовыми, например) превосходят по моменту и мощности и имеют меньшие габариты, чем асинхронные двигатели. Чем пользуется большинство производителей электротранспорта - от самокатов до автомобилей;

- нет искрящего щеточно-коллекторного узла, который требует регулярного обслуживания;

- при использовании качественного контроллера в отличие от того же КД не выдают помехи в питающую сеть, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспорте с развитым электронным оборудованием в бортовой сети;

- КПД более 80, чаще и 90%;

- высокая скорость вращения, в отдельных случаях до 100000 об/мин.

Но есть и существенный минус: бесколлекторный двигатель без контроллера - просто кусок железа с медной обмоткой. Он никак не сможет работать. Контроллеры стоят недешево и чаще всего их приходится заказывать в интернет-магазинах.

Создание электронного блока управления бесколлекторным двигателем. В двигателе три обмотки, соединенные по принципу "звезда". Общая точка обмоток выводится на плюс. +5V для работы подходит отлично. Управляется двигатель ШИМ-сигналом, который должен подаваться на его обмотки со сдвигом фазы 120°. Однако, не получается подать нужную частоту на двигатель сразу, предварительно его нужно разогнать. Простейший способ подключить три обмотки через транзисторы, подавая ШИМ сигнал им на базу от микроконтроллера. Лучше брать полевые транзисторы, потому что ток через них, идёт приличный, и биполярные сильно греются.

Рис. 1. Принципиальная схема подключения

У двигателя 4 вывода. Вначале выясняем, какой из них общий. Для этого мультиметром измеряем сопротивление между всеми выводами. Сопротивление между концами обмоток в два раза больше, чем между концом одной обмотки и общей средней точкой. Условно 4 ома против 2. Какую обмотку куда подключать - не имеет значения, они всё равно идут друг за другом.

Запуск двигателя от CD ROM на Arduino осуществляем с использованием трех транзисторов и трех резисторов.

Это пожалуй самый бюджетный и самый простой способ запуска бесколлекторного BLDC двигателя от жесткого диска.

Мы использовали Arduino Uno, но подойдет и другая модель. 

Вот такая конструкция получилась:

Рис. 2. Собранная конструкция

Рис. 3. Подключение питание на 12 В

Базы транзисторов через резисторы номиналом 1кОм подключены к цифровым выходам Arduino D2, D3 и D4.

Arduino подключено к компьютеру USB шнуром. Питать схему можно прямо с соответствующих терминалов Arduino, там все подписано, +5V и Ground (-).

Транзисторы можно применить любой n-p-n с подходящими параметрами подобрав номинал резисторов.

Так же можно использовать схему с N канальными полевыми транзисторами. Тут уже можно будет применить внешний блок питания на 9-12 вольт. Транзисторы рекомендуется установить на теплоотвод, так как они будут греться.

Текстпрограммы:

int phase1 = 2;

int phase2 = 3;

int phase3 = 4;

int led = 12;

unsigned long stepLength = 40000;

int minStepLength = 1400;

int steps = 5;

void setup() {

pinMode(led, OUTPUT);

pinMode(phase1, OUTPUT);

pinMode(phase2, OUTPUT);

pinMode(phase3, OUTPUT);

digitalWrite(led, LOW);

}

void loop() {

switchStep(1);

switchStep(2);

switchStep(3);

if(stepLength > minStepLength)

{

stepLength = stepLength - steps;

} else {

// set the minimum pulse length

stepLength=minStepLength;

}

if (stepLength < 39950) {

digitalWrite(led, HIGH); // second gear

steps = 300;

}

if (stepLength < 20000) {

digitalWrite(led, LOW); // third gear

steps = 50;

}

if (stepLength < 3000) {

digitalWrite(led, HIGH); // fourth gear

steps = 2;

}

}

void switchStep(int stage)

{

switch(stage)

{

case 1:

digitalWrite(phase1, HIGH);

digitalWrite(phase2, LOW);

digitalWrite(phase3, LOW);

myDelay(stepLength);

break;

case 2:

digitalWrite(phase1, LOW);

digitalWrite(phase2, HIGH);

digitalWrite(phase3, LOW);

myDelay(stepLength);

break;

default:

digitalWrite(phase1, LOW);

digitalWrite(phase2, LOW);

digitalWrite(phase3, HIGH);

myDelay(stepLength);

break;

}

}

void myDelay(unsigned long p) {

if (p > 16380) {

delay (p/1000);

} else {

delayMicroseconds(p);

}

}

В результате имеем двигатель, который разгоняется за несколько секунд. Крутится он сравнительно быстро, так что рекомендуем при запуске надевать очки, особенно если на нём чего-то будет висеть в этот момент. Так же с помощью Arduino мы можем регулировать частоту вращения.

Заключение. В этой работе мы подробно изучили теоретическую часть о работе бесколлекторного двигателя и управление им через Arduino. На практике собрали модель из недорогостоящих компонентов, также проследили работу схемы коммутации. После того как мы реализовали всю полную модель, через программу Arduino специально подобрав скетч, полностью был реализован наш проект.

Рис. 4. Работа бесколлекторного двигателя

Список литературы:

1. Автоматизированные электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров и др. – М.: Энергия, 1972.

2. Лебедев Н.И., Гандшу В.М., Явдошак Я.И. Вентильные электрические машины. – СПб.: Наука, 1996. – 352с.

3. Зимин Е.Н., Кацевич В.Л., Козырев С.К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. – М.: Энергоиздат, 1981.

Код для цитирования: Скопировать