Bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) stają się coraz bardziej popularne. Jest to między innymi związane z ich bardzo dobrymi parametrami pracy oraz wysoką trwałością. Silniki BLDC znajdują szereg zastosowań. Można do nich zaliczyć napędy robotów, napędy różnego rodzaju pojazdów i narzędzi.
Stojan przykładowego silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC)
Silniki BLDC – trochę teorii
Silnik BLDC (Brushless Direct-Current) jest bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. W odróżnieniu od silników komutatorowych (szczotkowych), uzwojenia znajdują się na stojanie, natomiast magnesy stałe umieszczone zostały w rotorze. Ponadto, silnik taki nie posiada komutatora mechanicznego, a jego rolę pełni elektroniczny sterownik, który zajmuje się przełączaniem poszczególnych faz silnika. Poniżej przedstawiono podstawowe wady i zalety silników bezszczotkowych prądu stałego.
Do zalet można zaliczyć:
- Większa trwałość silnika z powodu wyeliminowania komutatora mechanicznego, ograniczona głównie przez zużycie łożysk tocznych.
- Brak wyładowań łukowych, dzięki czemu silnik może być stosowany w łatwopalnych środowiskach. W silnikach szczotkowych występuje zjawisko “iskrzenia”.
- Umieszczenie uzwojeń w nieruchomym stojanie ułatwia wymianę ciepła silnika przez obudowę. Implikuje to wykorzystanie bardziej szczelnych obudów, ponieważ nie jest potrzebny tak duży przepływ powietrza jak w silnikach o odwrotnej budowie.
Z drugiej strony, wady silników BLDC są następujące:
- Bardziej skomplikowany układ sterujący niż w silnikach z mechanicznym komutatorem.
- Większy koszt silnika i układu sterującego.
Metody sterowania silników BLDC
Sterowanie silnikiem BLDC wymaga informacji zwrotnej o położeniu wirnika. Na tej podstawie załączane są kolejne uzwojenia w odpowiednim momencie. Informację o położeniu wirnika możemy uzyskać na wiele sposobów. Często stosowane są czujniki halla, czy enkodery. Jednak należy liczyć się ze zwiększeniem kosztów takich rozwiązań, a także problemami z montażem czujników w niektórych przypadkach. Istnieją również metody bezczujnikowe (sensorless) określania położenia wirnika. Ich główną zaletą jest oczywiście brak dodatkowych czujników. Jedna z takich metod, na której skupia się niniejsze opracowanie, wykorzystuje wsteczną SEM (back EMF) powstającą w niezasilanym aktualnie uzwojeniu. Warto dodatkowo wspomnieć, że przy takim sposobie sterowania, silnik należy podłączyć w gwiazdę, a zasilane każdorazowo są dwa z jego uzwojeń. Oczywiście mowa o silniku trójfazowym. Metoda ta ma jednak spore ograniczenia. Poniżej pewnej prędkości obrotowej nie indukuje się wymagana SEM w wolnym uzwojeniu, co uniemożliwia określenie momentu komutacji. Wykorzystuje się dlatego odpowiednie procedury startowe.
Sterowanie bezczujnikowe, wykorzystujące wsteczne SEM
Jak wspomniano już wcześniej, sterowanie silnikiem trójfazowym BLDC, podłączonym w gwiazdę polega na zasilaniu w odpowiedniej sekwencji kolejnych uzwojeń, przy czym, za każdym razem zasilane są dwa uzwojenia. Na rysunku nr \ref{klucze} pokazano uproszczony układ sterowania. Trzy pół mostki utworzone zostały z mosfetów. Kontroler sterujący w oparciu o pomiary zmian SEM na uzwojeniu, przez które w danej chwili nie przepływa prąd, oblicza moment komutacji i załącza odpowiednie tranzystory.
Uproszczony układ sterowania silnikiem BLDC z wykorzystaniem wstecznej SEM
Umieszczony w dalszej części rysunek przedstawia wyidealizowane przebiegi napięć na kolejnych fazach silnika. Poziomą linią przerywaną oznaczone zostało napięcie punktu neutralnego. Możemy zauważyć, że przebiegi są trapezoidalne. Jest to spowodowane powstawaniem wstecznej SEM (back-emf) w wolnym uzwojeniu. W rozpatrywanej metodzie sterowania kluczową sprawą jest znalezienie punktu przecięcia przebiegu napięcia w wolnym uzwojeniu z poziomem napięcia występującym w punkcie neutralnym. Na podstawie czasu, który upłynął od poprzedniej komutacji do momentu znalezienia punktu przecięcia, wyznacza się czas kolejnej komutacji.
Przebiegi napięć fazowych silnika BLDC. Indukowane SEM
Cykl komutacji składa się z sześciu kroków. Przykładowe stany kluczy w każdym kroku przedstawione zostały na poniższym rysunku. W celu zmiany kierunku obrotu wału silnika należy zmienić kolejność załączania dwóch wybranych faz silnika.
Sekwencja stanów kluczy wykorzystywana przy sterowaniu silnikiem BLDC
Źródła
- Arkadiusz Domoracki, Krzysztof Krykowski: Silniki BLDC – klasyczne metody sterowania. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005
- Napęd z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego (BLDC) [online]. http://www.ely.pg.gda.pl/kane/Dydaktyka/BLDC-instrukcja.pdf
- AVR444: Sensorless control of 3-phase BLDC motors based on tinyAVR and megaAVR devices [online]. http://www.atmel.com/Images/doc8012.pdf