Контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока: принцип работы, подходы к проектированию и примеры печатных плат

Первый бесщеточный двигатель постоянного тока (БДПТ) появился в 1962 году. Его создание стало возможным благодаря ранее изобретенному транзистору. Использование электроники вместо механической коммутации с угольными щетками стало в то время настоящим прорывом в электронной инженерии.

БДПТ нашли широкое применение в различных областях, включая жесткие диски компьютеров, электротранспорт и промышленных роботов. В некоторых отраслях они практически вытеснили щеточные (коллекторные) двигатели постоянного тока. Главные достоинства бесщеточных ДПТ – это высокая производительность и износостойкость. Тем не менее они вряд ли смогут полностью заменить щеточные ДПТ ввиду своей большей стоимости из-за сложности конструкции и системы управления.

Контроллер БДПТ может выполнять те же функции и использовать схожие принципы, что и контроллер щеточного двигателя постоянного тока. Однако они имеют концептуальные различия в устройстве и исполнении. Эта статья дает представление о характеристиках контроллеров БДПТ: как они работают, как проектируются и где находят лучшее применение.

Контроллер БДПТ управляет скоростью и крутящим моментом двигателя; он также может приводить его в действие, останавливать и заставлять вращаться в обратном направлении. Для того чтобы познакомиться с принципом работы контроллера, рассмотрим конструкцию бесщеточного двигателя. Вот его основные компоненты:

• Ротор или якорь, изготовленный из постоянных и, в большинстве случаев, неодимовых магнитов.
  
• Статор с обмоткой, который создает магнитное поле при подключении к источнику питания.
  
  

Вращение мотора обеспечивают магниты ротора и обмотка статора. Они притягиваются друг к другу за счет разноименных полюсов и отталкиваются друг от друга за счет одноименных. Похожий процесс происходит и в щеточных двигателях постоянного тока. Основное отличие заключается в способе переключения тока в обмотке статора.

В щеточных ДПТ этот процесс является механическим и представляет собой коммутатор с угольными щетками, работающими по принципу скользящего контакта. В бесщеточных ДПТ этот процесс осуществляется электронным методом с помощью транзисторных ключей (переключателей) и датчика положения ротора.

Контроллер определяет положение ротора либо с помощью датчиков (например, датчика эффекта Холла), либо вообще без использования датчиков на основе анализа обратной ЭДС.

Датчики определяют положение ротора и передают эти данные на контроллер. В свою очередь, контроллер при получении этих данных в нужный момент открывает транзисторы, которые подают ток на требуемую обмотку (катушку) статора.

В зависимости от расположения ротора бесщеточные двигатели постоянного тока могут быть двух типов:

• бесщеточный двигатель с внутренним ротором (ротор находится внутри двигателя, а статор на его внешней стороне);
  
• бесщеточный двигатель с внешним ротором (ротор находится на внешней стороне двигателя и постоянные магниты вращаются вокруг статора вместе с корпусом двигателя).
  
  

Из-за меньшего диаметра бесщеточные двигатели с внутренним ротором имеют более легковесную конструкцию и более высокую скорость вращения. Двигатели с внешним ротором, в свою очередь, имеют более высокий крутящий момент благодаря длинному плечу и большой электродвижущей силе, применимой к ротору.

Трехфазные БДПТ могут иметь два разных вида соединения обмоток:

• Y-образное соединение, или соединение "звездой" (обмотки соединяются друг с другом по центру в форме звезды);
  
• Дельта-соединение (Δ), или соединение в треугольник (обмотки последовательно соединяются, формируя треугольник).
  
  

Y-образное соединение отличается нейтральным заземленным проводом. Это защищает двигатель от перенапряжения и перегрузки. Дельта-соединение не имеет нейтральных проводов и больше подходит для двигателей со сбалансированной нагрузкой. Каждый из этих видов соединений может оказаться эффективным в зависимости от требований к устройству.

Контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока различаются методами, используемыми для отслеживания положения ротора. Его положение можно отслеживать бездатчиковым методом или с помощью датчиков положения.

Существует множество датчиков положения, среди них:

• датчики Холла;
  
• энкодеры;
  
• различные датчики магнитного сопротивления;
  
• резольвер или вращающийся трансформатор;
  
• оптические датчики.
  
  

Бездатчиковые контроллеры БДПТ отслеживают положение ротора с помощью измерения обратной электродвижущей силы (обратной ЭДС) - напряжения, которое возникает в свободной (отключенной от источника питания) обмотке статора при вращении якоря.

Главные достоинства бесщеточных двигателей постоянного тока заключаются в особенностях их конструкции. Электронная коммутация позволяет переключать ток более оперативно. В результате они обладают более высоким моментом вращения, более эффективным контролем скорости в широких пределах и, как следствие, более высокой производительностью.

Использование не подверженных износу электронных компонентов вместо механических позволяет создать долгосрочное решение с низкими эксплуатационными расходами. Кроме того, отсутствие щеток позволяет минимизировать энергопотери и уменьшить электромагнитные помехи и шумы.

Благодаря этому БДПТ широко используются в устройствах и системах с большим сроком эксплуатации:

• промышленные решения;
  
• электромобили;
  
• беспилотные летательные аппараты;
  
• компьютерное оборудование;
  
• потребительская электроника;
  
• роботы.
  
  

Особенности конструкции БДПТ позволяют использовать их в высокопроизводительных устройствах небольших размеров. Это расширяет сферу применения двигателей этого вида.

Конечно, существуют недорогие маломощные системы, которым не требуется программируемый контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока с обратной связью. В этом случае может быть оправдано использование щеточного ДПТ с простым контроллером. Но если в вашем проекте эффективность и долговечность важнее простоты и экономичности, то бесщеточный двигатель может оказаться целесообразным вариантом.

Проектирование контроллера БДПТ требует экспертных знаний как в области проектирования электроники, так и в области разработки встраиваемого программного обеспечения. При правильной реализации контроллер может обеспечить бесперебойную работу двигателя и продлить срок его службы. В следующем разделе мы расскажем подробнее о том, как разработать контроллер БДПТ.

Обычно контроллер БДПТ имеет полумостовую схему управления. В отличие от полномостовой схемы, она имеет только два переключателя - один транзистор верхнего плеча и один транзистор нижнего плеча.

Большинство бесщеточных двигателей используют двух- или трехфазные системы питания. Поэтому в схеме контроллера они будут выглядеть как четыре или три полумоста (в зависимости от количества фаз) с парой транзисторов в каждом.

Устройство контроллера с датчиками Холла является более простым, однако требует точного позиционирования датчиков относительно ротора или внедрения их в конструкцию двигателя, что является проблематичным. Использование же только двигателей со встроенными датчиками Холла сужает область их применения.

Рассмотрим в деталях бездатчиковый контроллер 3-фазного БДПТ, чтобы увидеть основные принципы проектирования его схемы.

Статор трехфазного двигателя имеет количество обмоток кратное трём, а ротор - двум полюсам. Чаще всего встречается соотношение 6 к 4 или 6 к 8, хотя есть и другие, однако, с точки зрения управления они ничем не отличаются от простейшего случая, когда у нас статор имеет три обмотки, расположенные под углом 120° друг к другу, а ротор - одну пару полюсов. В этой ситуации говорят об электронном угле или электронных градусах, подчеркивая, что речь идет о системе управления, а не о фактическом физическом расположении в пространстве.

Контроллер определяет положение ротора по сигналу обратной ЭДС со свободной обмотки, наведенной вращением постоянного магнита ротора. Детектируя пересечение нуля обратной ЭДС, контроллер переключает силовые МОП-транзисторы, подавая ток в нужную обмотку. В мощном контроллере БДПТ вместо МОП-транзисторов могут быть использованы биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) и нитрид-галлиевые или карбид-кремниевые силовые ключи.

Управлять транзисторами могут как интегрированные, так и дискретные драйверы затворов силовых транзисторов. Драйверы в схеме контроллера бесщеточного двигателя действуют как посредники между переключателями и микроконтроллером (МК).

Проектируя контроллер БДПТ, можно использовать различные подходы к способу коммутации фаз, включая трапецеидальную и синусоидальную форму тока.

Алгоритм работы контроллера трехфазного двигателя постоянного тока с трапецеидальной формой включает шесть этапов, необходимых для завершения полного цикла коммутации - поочередной подачи напряжения на все пары обмоток так, как изображено на рисунке ниже. (см. рис). Включение и выключение транзисторов верхнего и нижнего плеча позволяет току последовательно проходить через обмотки статора в двух направлениях.

При трапецеидальной форме тока на две обмотки из трех подают напряжение одновременно.

Трапецеидальная коммутация проще, но может вызвать ощутимую вибрацию на низких скоростях.

Синусоидальный метод управления сложнее и требует интенсивного переключения силовых транзисторов с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Непрерывное изменение скважности ШИМ контроллером формирует синусоидальную форму тока. Это позволяет обеспечить очень низкие пульсации вращающего момента на валу, благодаря более плавному изменению тока между всеми фазами.

Применение синусоидальных форм сигнала тока может обеспечить безупречную работу двигателя. Однако, этот тип коммутации вызывает сложности при работе на высоких скоростях и более требователен к вычислительным ресурсам МК.

Разные сферы применения БДПТ и их контроллеров требуют соответствующих частот переключения ШИМ. Максимальный уровень частоты зависит от физических ограничений статора и величины паразитной емкости затвора силовых транзисторов. Однако стоит учитывать и технические характеристики самого контроллера.

Таким образом, даже если статор позволяет увеличить частоту ШИМ, этому могут препятствовать ограниченные возможности контроллера БДПТ.

Полумостовой контроллер БДПТ можно разработать в виде интегральной схемы (ИС) или в виде дискретных компонентов. Это одна из самых распространенных дилемм, с которой можно столкнуться на начальном этапе проектирования контроллера.

Дискретная схема может быть менее надежной, поскольку компоненты должны быть собраны и припаяны к плате отдельно. ИС контроллера имеет меньший размер, низкую стоимость производства и упрощает процесс проектирования. Однако интегральные схемы имеют ограничения по мощности. Кроме того, выход из строя одного компонента потребует замены всей ИС контроллера, а не только этого компонента.

Создавая схему контроллера БДПТ, вы можете столкнуться с некоторыми трудностями. В зависимости от функциональности двигателя и его применения нужно выбрать подходящее оборудование и реализовать необходимые алгоритмы.

Например, контроллеры БДПТ, используемые в силовой электронике, работают с высоким током и напряжением. Они требуют высокой частоты переключения. В этом случае имеет смысл использовать дискретные компоненты, включая внешние мощные транзисторы, такие как БТИЗ и нитрид-галлиевые или карбид-кремниевые транзисторы.

Точность позиционирования ротора - одна из самых сложных задач любого контроллера бесщеточного двигателя. Достичь этого можно с помощью датчиковых или бездатчиковых измерений.

Датчики положения предлагают относительно простой метод отслеживания, который можно реализовать без сложных алгоритмов управления. Однако их использование усложняет устройство и процесс обслуживания двигателя.

Бездатчиковый метод (измерение обратной ЭДС) позволяет снизить стоимость материалов и упростить конструкцию контроллера. Основная проблема здесь заключается в том, чтобы сначала заставить ротор двигаться, поскольку обратная ЭДС не появится, пока ротор находится в состоянии покоя. Таким образом, контроллер не получит необходимой информации.

Кроме того, обратная ЭДС прямопропорциональна скорости вращения ротора. Поэтому точность позиционирования будет снижаться, если двигатель работает на низкой скорости.

Чтобы правильно измерить обратную ЭДС, необходимо продумать схему контроллера БДПТ, а также его программное обеспечение. Вам необходимо установить преобразователи тока и напряжения, добавить фильтры помех и разработать алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Тем не менее многое зависит от конкретной реализации метода измерения. Для повышения точности можно комбинировать различные методы.

Например, можно использовать оптический датчик или энкодер вместе с датчиком эффекта Холла. Для определения положения ротора можно также измерить обратную ЭДС и дополнительно получить данные от датчика Холла или оптического датчика положения, установленного на двигателе.

Что касается разработки ПО для контроллеров БДПТ, основные проблемы здесь связаны с разработкой прошивки для микроконтроллера. В прошивке должны быть запрограммированы такие функции, как коммутация, определение положения ротора, генерация ШИМ-сигналов и др.

Некоторые производители микроконтроллеров предлагают средства разработки, которые могут помочь в написании специализированной прошивки для контроллера. Например, STMicroelectronics создали экосистему для STM32, применяемую в управлении двигателями, которая содержит аппаратные и программные средства разработки, библиотеки встраиваемого ПО и другие наборы инструментов, предназначенные для разработки контроллеров БДПТ.

В большинстве случаев МК контроллера двигателя с замкнутым контуром использует пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм или его модификации. Он необходим для управления скоростью, крутящим моментом и другими параметрами. Например, ПИД-алгоритм может обрабатывать текущую скорость, сравнивать это значение с заданной величиной и определять частоту выходных сигналов, которые должны подаваться на двигатель для стабилизации его скорости.

В одном из наших проектов мы создали схему контроллера бесщеточного двигателя постоянного тока для редукторного привода, изготовленного на заказ. Наши основные задачи включали регулирование скорости вращения с высокой точностью и определение положения ротора. Для долгосрочной эксплуатации было важно минимизировать пульсации вращающего момента, поэтому пришлось отказаться от использования простой системы управления с трапецеидальной формой сигнала и использовать синусоидальную. Для этого требуется использовать более производительный МК. Имея высокие требования к динамике системы и производительный МК, мы приняли решение использовать полеориентированное векторное управление с несколькими контурами подчинённых модифицированных ПИД регуляторов.

Первоначально предстояло реализовать классическую систему полеориентированного управления вращающим моментом (М) на валу двигателя.

Проблемой для понимания обычно являются множество преобразований из неподвижной системы координат (dq) во вращающуюся (⍺β), а оттуда уже в неподвижную трёхфазную систему координат (abc) и обратно. Управление моментом осуществляется в неподвижной системе координат. Это необходимо, так как ПИД-регулятор осуществляет управление по сигналу обратной связи, т.е. для изменяющегося во времени сигнала реакция будет происходить с некоторой задержкой. В данном случае сигнал представляет собой постоянно изменяющуюся во времени синусоиду, поэтому вместо постоянно изменяющегося во времени задания для регулятора нужно вращать систему координат с частотой синусоиды. Таким образом уменьшается запаздывание по фазе регулятора с помощью простого математического преобразования. Далее из вращающейся двухфазной системы вектор проецируется на три фазы двигателя. И уже в зависимости от проекции этого вектора на фазу определяется скважность генерируемого ШИМ сигнала для управления затворами силовых транзисторов.

Почему же вместо одного контура управления моментом в схеме мы видим два? Дело в том, что вращающий момент на валу зависит не только от величины (модуля), но и от угла проекции магнитного вектора относительно постоянного магнита, закрепленного на валу. Наибольший вращающий момент достигается когда к постоянному магниту сгенерированный магнитный поток прикладывается под углом 90 градусов, поэтому для упрощения управления вводят два контура: один поддерживает угол, другой управляет модулем магнитного вектора.

Несмотря на сложное описание, в практической части это реализуется просто с использованием отлаженных и оптимизированных библиотек, поставляемых производителями микроконтроллеров.

Сложностью является получение угла поворота вала двигателя без применения датчиков положения. Здесь применяется другой способ, в нашем распоряжении есть датчики тока. Мы можем построить математическую модель двигателя, достаточно точную, чтобы косвенно определить положение вала и использовать в дальнейшем. На вход математической модели двигателя подаются те же значения, что и на обмотки двигателя. В идеальном случае на выходе из математической модели мы получаем те же значения, что и на реальном двигателе. Однако в реальности мы не можем учесть влияние дополнительных нагрузок (подъем в горку и т.д.) и других факторов, поэтому через некоторое время значения на выходе математической модели и реального двигателя будут различаться и их будет невозможно использовать для управления. Чтобы этого избежать расчетные значения токов фаз сравнивают с измеренными значениями токов реального двигателя и корректируют в соответствии с этим значения математической модели. Математическая модель по которой происходят измерения параметров, необходимых для управления системой, называется наблюдателем (в литературе можно также встретить "оценщик", "вычислитель"). Недостатком этого метода является необходимость достаточно точного определения параметров конкретного двигателя и построения его математической модели.

Вернёмся к первоначальной задаче — управление скоростью. Для этого использовалась каскадное включение регуляторов, т.е. регулятор скорости выдавал задание для регулятора момента. Так как скорость нужно было поддерживать без ошибки регулирования, простого П-регулятора было недостаточно. Для этого обычно используют интегральную составляющую. Применение только интегрального регулятора приводило бы к колебаниям значения скорости, поэтому был использован ПИ-регулятор.

Реализация управления скоростью на практике стала сложной задачей. Сложность возникла из-за низкого разрешения периферийных устройств МК, а именно таймера, который генерировал сигналы ШИМ и возникающих из-за этого шумов в канале измерения тока. Для решения этой задачи мы разработали собственный ПИД-алгоритм, чтобы компенсировать ограниченный диапазон битов.