Бесколлекторный двигатель (BLDC): устройство и управление

Устройство

Статор — пакет стальных пластин с обмотками в пазах. Трёхфазные двигатели самые распространённые; обмотки обычно соединены звездой. По форме противо-ЭДС AN885 различает трапецеидальные и синусоидальные двигатели: у вторых момент ровнее, но обмотки сложнее и меди уходит больше. По напряжению: двигатели на 48 В и ниже стоят в автомобилях, роботах и малых манипуляторах, на 100 В и выше — в бытовой технике и промышленности.

Ротор — постоянные магниты, от двух до восьми пар полюсов. Ферритовые магниты дешевле, редкоземельные (NdFeB, SmCo) дают больший поток в том же объёме и больший момент при том же размере двигателя.

Датчики Холла чаще всего стоят на статоре со стороны, противоположной валу. Когда мимо датчика проходит северный или южный полюс, он выдаёт единицу или ноль; по сочетанию трёх сигналов контроллер знает, какие обмотки включать. Датчики сдвинуты на 60° или на 120° — от этого зависят коды, и последовательность коммутации задаёт производитель двигателя. Как работает сам датчик — в статье о датчиках Холла и в словаре: эффект Холла.

Шестиступенчатая коммутация

Момент наибольший, когда поля статора и ротора расположены под 90° друг к другу, и падает, когда они сходятся. Поэтому поле статора нужно сдвигать вслед за ротором: каждые 60 электрических градусов один из датчиков меняет состояние, и контроллер переключает ключи. Шесть шагов составляют электрический цикл — отсюда шестиступенчатая (six-step, трапецеидальная) коммутация.

Для обратного направления AN885 даёт таблицу 4, а AN857 строит её проще: меняет местами верхние и нижние ключи в таблице прямого хода. У датчиков со сдвигом 120° коды другие — например, 101, 001, 011, 010, 110, 100 из рис. 2 AN857. В тексте AN857 говорит о сдвиге «на 60 электрических градусов» — видимо, имея в виду шаг между переключениями, — но сам набор кодов без 000 и 111 соответствует расстановке через 120° (наше толкование). В этом наборе не встречаются коды 000 и 111, а у датчиков через 60° по таблице 3 не встречаются 010 и 101. Появление «невозможного» кода означает обрыв провода датчика или помеху — контроллеру лучше закрыть все ключи.

Электрические и механические градусы. Один электрический цикл совпадает с полным оборотом только у ротора с одной парой полюсов. Число электрических циклов за оборот равно числу пар полюсов (AN885): у ротора с четырьмя парами за оборот проходит 4 цикла и 24 коммутации.

Контроллер: трёхфазный мост

Силовая часть — три полумоста, по одному на фазу. Каждый полумост подключает свой вывод двигателя к плюсу, к минусу или оставляет его свободным. В схеме AN885 ключи — MOSFET, IGBT или биполярные транзисторы в зависимости от напряжения и тока. Затвору N-канального ключа верхнего плеча нужно напряжение выше шины питания, поэтому для него ставят драйвер верхнего и нижнего ключа, например IR2110.

Скорость регулируют ШИМ: если просто включать ключи по таблице, двигатель разгонится до номинальной скорости при напряжении шины, равном номинальному. Чтобы снизить скорость, ключи открывают импульсами с частотой намного выше частоты коммутации — AN885 советует не меньше чем в 10 раз выше наибольшей частоты двигателя, а пример AN857 работает на 10 кГц. Простой вариант из AN885: верхний ключ шага открыт весь шаг, а нижний модулируется ШИМ. Тот же приём позволяет питать двигатель от шины с напряжением выше номинального, ограничив коэффициент заполнения.

Сквозной ток. Верхний и нижний ключ одной фазы нельзя открывать одновременно. В шестиступенчатой коммутации между ними всегда есть шаг, когда фаза свободна, поэтому специальной паузы (мёртвого времени) сама таблица не требует (AN857). Но если ШИМ подаётся на ключи одного полумоста поочерёдно, пауза обязательна. AN857 также ставит подтягивающие резисторы на входы драйверов, чтобы после сброса микроконтроллера, пока его выводы — входы, все ключи были закрыты. Подробнее о мостах и драйверах — в статье о драйверах H-моста.

Пусковой ток. Неподвижный двигатель не вырабатывает противо-ЭДС, и ток ограничивают только малые сопротивление и индуктивность обмоток. AN857 предупреждает о двух последствиях пуска без ограничения: избыточный момент (срыв зубьев шестерён, проскальзывание муфт) и избыточный ток (пробой ключей). Поэтому разгон начинают с малого коэффициента заполнения или с ограничением тока. Это тот же ток останова, что и у коллекторного двигателя.

Код: таблица коммутации

Контроллер читает три датчика как трёхбитный код и берёт из таблицы, какие ключи открыть. Набросок для датчиков через 60° по таблице 3 AN885:

#include <stdint.h>

// Board-specific, implemented elsewhere.
void bridge_all_off(void);           // all six switches off
void bridge_apply(uint8_t drive);    // switch on the Qn set in the drive word

// Drive word bits: bit n set = switch Qn on (AN885, figure 9).
// Q1/Q0 drive phase A high/low, Q3/Q2 phase B, Q5/Q4 phase C.
// Index: Hall code (A << 2) | (B << 1) | C, clockwise rotation (AN885, table 3).
static const uint8_t cw_drive[8] = {
    [0x1] = (1u << 1) | (1u << 4), // step 1: A to DC+, C to DC-
    [0x0] = (1u << 1) | (1u << 2), // step 2: A to DC+, B to DC-
    [0x4] = (1u << 5) | (1u << 2), // step 3: C to DC+, B to DC-
    [0x6] = (1u << 5) | (1u << 0), // step 4: C to DC+, A to DC-
    [0x7] = (1u << 3) | (1u << 0), // step 5: B to DC+, A to DC-
    [0x3] = (1u << 3) | (1u << 4), // step 6: B to DC+, C to DC-
    // 0x2 and 0x5 never occur with sensors 60 degrees apart: left 0 = all off
};

// Called on every Hall edge (pin-change interrupt or timer capture).
void on_hall_edge(uint8_t hall_code)
{
    uint8_t drive = cw_drive[hall_code & 0x7];
    if (drive == 0) {
        bridge_all_off(); // broken sensor wire or noise: stop driving
        return;
    }
    // High switch on for the whole step, low switch modulated by PWM (AN885).
    bridge_apply(drive);
}

Функции bridge_all_off() и bridge_apply() зависят от микроконтроллера: у таймеров для управления двигателями (например, TIM1 у STM32) есть комплементарные выходы с паузой и аварийный вход, которые сами закрывают ключи по сигналу защиты.

Датчики Холла: подключение и скорость

По AN885 датчикам нужно питание от 4 до 24 В и ток 5–15 мА, а выход у них обычно с открытым коллектором — на стороне контроллера нужны подтягивающие резисторы. Точные значения берут из документации на двигатель. Подтяжку удобно делать к питанию микроконтроллера: выход с открытым коллектором только замыкает линию на землю, и уровень единицы задаёт резистор.

Те же датчики дают и скорость: таймер измеряет время между переходами. Каждый переход — это 60 электрических градусов, так что при интервале t и p парах полюсов

Пример (наш расчёт): при p = 4 и интервале 1 мс скорость 60/(6 · 4 · 0,001) = 2500 об/мин. Для точного позиционирования этого мало — AN885 предлагает оптический энкодер с сотнями и тысячами импульсов на оборот.

Бездатчиковое управление по противо-ЭДС

Вращающийся ротор наводит в каждой обмотке противо-ЭДС, пропорциональную скорости (AN885, уравнение 1). На каждом шаге одна фаза свободна, и по её напряжению можно найти положение ротора. Датчики, их провода и магниты тогда не нужны. AN1160 называет вентиляторы и насосы примерами задач, которым не нужны позиционирование и замкнутый контур на малых скоростях, — для них такой способ подходит.

Переход через ноль. Противо-ЭДС свободной фазы колеблется вокруг половины напряжения шины. По AN1160 момент, когда она пересекает этот уровень, наступает через 30 электрических градусов после предыдущей коммутации — значит, следующую нужно сделать ещё через 30°. Интервал между переходами даёт и скорость. Сравнивают двумя способами:

• с половиной напряжения шины — компаратором или АЦП, достаточно одного канала;
• с виртуальной нейтралью — средней точкой трёх резисторов, подключённых к фазам, или средним значением трёх фаз, вычисленным программой.

Выборку АЦП AN1160 делает в открытой части периода ШИМ: в моменты переключения ключей на фазе звон, который даёт ложные переходы.

Ограничения. На малой скорости противо-ЭДС слишком мала, чтобы её заметить. Поэтому двигатель запускают без обратной связи — просто переключают шаги с нарастающей частотой — и переходят на противо-ЭДС, когда она станет достаточной; минимальную скорость определяет постоянная противо-ЭДС двигателя (AN885). Резкий рост нагрузки может сорвать синхронизацию (AN1160). Где нужен момент с нуля и точная скорость — в сервоприводах, станках, тяговых двигателях, — ставят датчики Холла или энкодер.

KV, постоянная момента и пример расчёта

Модельные двигатели часто описывают KV — постоянной скорости в оборотах в минуту на вольт. AN857 записывает связи так: обороты = KV · напряжение, момент = KT · ток, а в единицах СИ (рад/с на вольт и Н·м на ампер) KV · KT = 1. Отсюда

Пример (наш расчёт): двигатель с KV = 1000 об/мин/В, четырьмя парами полюсов, питание 12 В.

Под нагрузкой скорость ниже: часть напряжения падает на обмотках. Так же, как у коллекторного двигателя, механическая характеристика BLDC линейна (AN885), и считать её можно калькулятором двигателя постоянного тока, подставив KV, сопротивление и ток холостого хода. Сопротивление берут между выводами (линейное): в шестиступенчатой коммутации ток идёт через две фазы звезды последовательно, так что это примерно 2 · R фазы. Связь постоянных объяснена в словаре: постоянные двигателя, механическая характеристика.

Характеристики из документации

AN885 приводит типичный набор параметров (табл. A-1) и график момента (рис. 6):

Кратковременно двигатель может дать больше номинального момента — при пуске и разгоне инерционной нагрузки, — но не больше пикового. Как по этим данным выбрать двигатель — в статье о выборе двигателя.

Регуляторы хода (ESC) и аккумуляторы

Регулятор хода (ESC, electronic speed controller) для моделей и дронов — это тот же трёхфазный мост с микроконтроллером. Если у двигателя только три фазных провода и нет датчиков, регулятор работает по противо-ЭДС со всеми ограничениями этого способа: на старте под нагрузкой двигатель может дёргаться, а очень медленное вращение недоступно. Для управления регулятор принимает импульсный сигнал или цифровой протокол — какой именно, указано в его описании.

Питают такие регуляторы обычно от литиевых аккумуляторов, которые отдают десятки ампер: например, элемент Molicel INR-18650-P28A рассчитан на разряд до 35 А при внутреннем сопротивлении не больше 20 мОм. Ток короткого замыкания ограничивают только сопротивления элемента, ключей и проводов (BQ297xx, разд. 9.2) — по закону Ома для одного такого элемента это порядка сотни ампер и больше.

О типах аккумуляторов, зарядке и защите — в разделе «Аккумуляторы и батарейки».

Сравнение с коллекторным двигателем

По таблице 1 AN885:

Как управлять коллекторным двигателем — в статье «Управление коллекторным двигателем».

Типичные ошибки

• Двигатель дёргается на месте или греется без вращения — перепутаны фазы или коды датчиков: последовательность задаёт производитель, и она разная для датчиков через 60° и 120°. Поменяйте местами две фазы или проверьте таблицу по документации.
• Датчики всё время читаются как единица — выходы с открытым коллектором без подтяжки или датчики без питания.
• Горят ключи при пуске — нет ограничения пускового тока. Сквозной ток через ключи одной фазы правильная таблица исключает: он возможен только при ошибке в таблице, неверной комплементарной ШИМ без паузы или сбое (например, помехе на входах драйвера).
• Бездатчиковый регулятор не трогается под нагрузкой — противо-ЭДС на малой скорости не видна; уменьшите нагрузку на старте или нужен двигатель с датчиками.