Перейти к содержанию

Шестиступенчатая коммутация бесколлекторного двигателя (BLDC)

В коллекторном двигателе ток в обмотках переключают щётки. В бесколлекторном это делает электроника: она должна знать, где сейчас ротор, и вовремя подать ток в нужную пару обмоток. Простейший способ — шесть шагов по сигналам трёх датчиков Холла.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Шестиступенчатая коммутация (six-step, трапецеидальная коммутация) — способ управления бесколлекторным двигателем постоянного тока (BLDC), при котором ток в каждый момент подаётся в две из трёх обмоток, а набор обмоток меняется шесть раз за электрический период. Момент переключения определяют по положению ротора — чаще всего по трём датчикам на эффекте Холла.

Шесть шагов

По записке Microchip AN885 на каждом шаге одна обмотка подключена к плюсу питания, вторая к минусу, третья обесточена. Момент максимален, когда поле статора опережает поле ротора на 90°, и падает по мере того, как ротор догоняет поле. Поэтому поле статора надо переключать вслед за ротором.

ВеличинаЗначение
Датчиков Холла3, со сдвигом 60° или 120°
Смена кода датчиковкаждые 60 электрических градусов
Шагов на электрический цикл6
Электрических циклов на оборотчисло пар полюсов ротора
Частота ШИМне меньше 10 × максимальной частоты двигателя

Пример расчёта

Двигатель с четырьмя парами полюсов вращается со скоростью 3000 об/мин, то есть 50 об/с. Электрическая частота 50 · 4 = 200 Гц, шагов в секунду 200 · 6 = 1200, один шаг длится около 0,83 мс. По правилу AN885 частота ШИМ должна быть хотя бы в 10 раз выше частоты двигателя; на практике её выбирают с большим запасом.

Скорость и направление

Скорость регулируют ШИМ ключей на каждом шаге: среднее напряжение на обмотках меньше, и двигатель крутится медленнее, как коллекторный на той же механической характеристике. Направление меняют, проходя таблицу коммутации в обратном порядке. AN885 даёт две таблицы — для вращения по и против часовой стрелки — и предупреждает, что для конкретного двигателя последовательность берут у его производителя.

Без датчиков положение ротора находят по противо-ЭДС на обесточенной обмотке. Силовая часть — три полумоста, как в трёхфазном варианте H-моста; сами датчики Холла разобраны в статье «Датчики Холла и магнитного поля».

Частые вопросы

Чем датчики Холла со сдвигом 60° отличаются от 120°?

Это два варианта расстановки датчиков на статоре, и они дают разные кодовые последовательности. Microchip в AN885 подчёркивает, что таблицу коммутации надо брать у производителя двигателя: последовательность для датчиков 120° на двигателе с датчиками 60° работать не будет.

Можно ли управлять BLDC без датчиков Холла?

Да: в каждый момент одна из трёх обмоток обесточена, и на ней можно измерить противо-ЭДС, по которой определяют положение ротора. Неудобство в том, что на неподвижном роторе противо-ЭДС нет, поэтому разгон с места делают вслепую, по заданной последовательности.

Как скорость BLDC связана с частотой коммутации?

За один электрический цикл шесть шагов, а за один оборот — столько электрических циклов, сколько у ротора пар полюсов. Двигатель с четырьмя парами полюсов при 3000 об/мин делает 50 оборотов и 200 электрических циклов в секунду, то есть 1200 переключений в секунду.

Источники

  1. Microchip. AN885 Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, DS00885A (2003) — три обмотки, чаще звездой; трапецеидальная и синусоидальная противо-ЭДС; на каждом шаге одна обмотка подключена к плюсу, вторая к минусу, третья обесточена; момент максимален при угле 90° между полями; три датчика Холла со сдвигом 60° или 120°, последовательность задаёт производитель двигателя; каждые 60 электрических градусов меняется один датчик, шесть шагов на электрический цикл; число электрических циклов на оборот равно числу пар полюсов; ШИМ — не менее чем в 10 раз выше максимальной частоты двигателя; табл. 3 и 4 — последовательности для двух направлений
  2. Bodine Electric. Introduction to Motor Constants for Fractional Horsepower Gearmotors, tech note 07470050.B — для бесколлекторных двигателей действуют те же постоянные Kt и Ke и та же линейная механическая характеристика, что для коллекторных с постоянными магнитами

Нашли ошибку?

Смотрите также