Выбор вентильного двигателя

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является интеграция в единый корпус с двигателем управляющей электроники.

Такое решение позволяет выбирать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы. Функциональную схему такого привода см. рис.

Рис.3.2. Векторный контроль тока вентильного двигателя.

Непосредственно векторныйконтроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования Парка-Кларка.

В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИ-регулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3.3. Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель (ВД) — это замкнутая электромеханическая система, состоящая из синхронной машины с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности [].

Механическая и регулировочная характеристики вентильного двигателя линейны и идентичны механической и регулировочной характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока.

ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой, что подчёркивается словом "вентильный", т.е. "управляемый силовыми ключами" (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений []. Структура БДПТ проще, чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).

В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо- ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесконтактным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.

В англоязычной литературе такие двигатели обычно рассматриваются в составе электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor).

Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).

Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления: структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.

Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока, которые характеризуются рядом изъянов, связанных со щёточно-коллекторным узлом (ЩКУ).

Это - искрение, помехи, создаваемые в питающих сетях переменного тока, износ щёток, плохой теплоотвод якоря, и проч.

Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех случаях, когда использование ДПТ затруднено или невозможно.

3.4.1 Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока.

Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC).

Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора.

БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла или фотодатчики. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора.

При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника.

Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже - четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели, имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов - см. пример конструкции.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера.

Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А и В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс).

Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы. Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096.

Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой, вращающейся синхронно с ротором. Двоичный код, получаемый с такого ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик предназначен для защиты обмоток от перегрева и представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличие микроконтроллера требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.

Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Градусы при расчете - электрические. Они меньше геометрических градусов в число пар полюсов ротора. Например, в ВД с ротором, имеющим 3 пары полюсов, оптимальный угол между векторами будет 90°/3 = 30°

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф₀ поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением: контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства ВД:

- Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования;

- Широкий диапазон изменения частоты вращения;

- Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина;

- Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;

- Большая перегрузочная способность по моменту;

- Высокие энергетические показатели (КПД > 90 % и cosφ>0,95);

- Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов;

- Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками.

Недостатки ВД:

- Относительно сложная система управления двигателем;

- Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели постоянного тока обеспечивают превосходные характеристики, как при управлении с датчиками положения, так и без них.

Управление с датчиками используется, если момент сопротивления неизвестен или варьируется, а также, если необходимо достичь большого пускового момента.

Управление без датчиков, как правило, используется в вентиляторах, где позволяет избавиться от применения датчиков Холла и исключить проводные связи с ними.