Плата управления бесколлекторным двигателем своими руками

Открытый проект модуля управления электрическими моторами. Начало

Основное назначение модуля — управление синхронными бесколлекторными двигателями (BLDC, BLAC, PMSM . ) с трапецеидальной или синусоидальной формой напряжения, с сенсорами скорости-положения или без сенсоров. Кроме этого модуль имеет небольшие габариты, достаточно широкий диапазон питающих напряжений, разнообразные каналы отладки, проводную и беспроводную связь.

Мощность управляемых модулем двигателей может быть в пределах нескольких сотен ватт и напряжение до 30В. Это двигатели различных механизмов и устройств, таких как: 3D-принтеры, автоматические двери, автоматические роллеты, автономные насосы, вентиляторы, замки, электроинструмент, стабилизаторы положения, моторы и сервомеханизмы RC моделей, роботов и проч.

Но этим применение модуля не ограничивается. Его можно использовать с незначительными дополнениями для управления соленоидами, шаговыми двигателями, для управления освещением, в качестве мощного зарядного устройства, как регулятор напряжения, как мощный источник аудио сигналов, как высокоамперный ключ с измерителем тока, да и просто как отладочную платформу.
Словом, такой модуль в хозяйстве инженера может быть очень полезным.

Все эти свойства модуля получаются благодаря классической 3-х фазной полумостовой схеме с датчиками тока и напряжения и производительному микроконтроллеру.

Для ускорения процесса разработки схемы силовой части был взят за основу один из типовых проектов, предлагаемых фирмой TI.

Я остановился на проекте платы TIDA-00901.

Плата обладает хорошими характеристиками: ток до 20 A, мощность двигателя до 200 Вт, номинальное напряжение 12 В. Предназначена для эксплуатации в автомобиле.

В качестве драйвера силовых ключей используется микросхема DRV8305. Некоторые поиски привели к выводу, что это одна из лучших микросхем драйверов для таких приложений.

Плата имеет специфическую круглую форму, в качестве управляющего элемента применен контроллер C2000 LaunchPad. К сожалению программное обеспечение предоставляется не полностью открытым в части библиотек управления моторами. C2000 LaunchPad выполнен на базе DSP процессора семейства F2802x Piccolo. Это семейство процессоров специализировано для разработки несложных преобразователей энергии, и не отличается большой универсальностью и объемом ресурсов.

Архитектура модуля.

В данном проекте решено было выполнить модуль в виде составной конструкции из 2-х плат. Основная плата содержит силовой драйвер, подсистему питания и некоторые периферийные функции. На основную плату устанавливается плата процессора. В качестве процессорной выбрана
плата проекта K66BLEZ1 (ещё статьи по этому проекту — 1, 2, 3, 4 ) с микроконтроллером семейства Kinetis фирмы NXP на базе ядра ARM Cortex-M4. (180 МГц, 2 МБ Flash память, 256 КБ ОЗУ + micro SD карта, часы реального времени с автономным питанием, USB device/host high speed, отдельный чип Bluetooth LE 4/ZigBee )

Модуль питается в диапазоне напряжений от 8.5 до 30 В. Несколько датчиков температуры — в микроконтроллере, вблизи силовых ключей и один внешний предохраняют модуль и мотор от опасных перегревов. Вся элементная база подобрана для работы при температуре до -40 град. С.

Силовые ключи управления мотором рассчитаны на ток в импульсе до 200 А. Измерение тока производится резистивными шунтами с сопротивлением 0.001 Ом. Благодаря встроенным в микросхему драйвера DRV8305 регулируемым усилителям, модуль способен измерять токи от 300 А и до 0.1 А.

Шина CAN дает возможность объединять множество подобных модулей в общую синхронизированную сеть.

Микросхема MPU-9250 полезна в случае если требуется управление ориентацией модуля в пространстве и инерциальная навигация, а также для мониторинга вибраций и ударов.

Встроенный в модуль DС-DC преобразователь с выходным напряжением 5В рассчитан на ток до 3.5 А. Сам модуль потребляет от этого преобразователя не более 150 мА, остальной запас тока может быть отдан на внешнюю нагрузку с разъема X4. Разъем X4 удобно использовать для подключения элементов освещения и индикации, таких как светодиодные RGB ленты на основе чипов WS2812B и аналогичных. Процессором аппаратно поддерживается формирование на цифровых выходах протокола кодирования бит в формате WS2812B, а также PPM, PCM, PWM кодирование. Аналогично без труда с минимальной загрузкой процессора модуль может принимать PPM и PCM сигналы.

Расчет максимальной частоты переключения и обоснование выбора силовых транзисторов

Перепроверим таблицу сравнения транзисторов, предлагаемую в документе от TI. Все параметры заново выписаны из даташитов.

Здесь у меня, как и у специалистов TI выбор пал на CSD1854Q5B. По величине максимального тока это лучший выбор. А частота переключения в 122 КГц далеко уходит за разумный предел достижимый при управлении от семейства Kinetis.

Расчет максимальной пульсации тока и обоснование выбора фильтрующих конденсаторов

Пульсации тока непосредственно влияют на нагрев и срок службы конденсаторов в особенности электролитических. Поэтому необходимо подбирать конденсаторы по типу и номиналу, учитывая расчетный срок службы и максимальные токи.

Пользуясь этой формулой следует проверять способен ли модуль управлять данным мотором без превышения максимальных токов конденсаторов.

Как подсчитали специалисты TI при указанных на схеме конденсаторах модуль на частоте ШИМ 40 КГц может долгое время питать застопоренный мотор с током через обмотки более 80 А.

Источник

МОДУЛЬ ДРАЙВЕРА МОТОРА BLDC

Эта статья предоставит важную теорию и полезные схемы драйверов двигателей жестких дисков, которые можно заставить крутиться с разной скоростью и разных направлениях, а уж где это использовать — решайте сами. Прежде всего обратите внимание, что обычный двигатель шпинделя жесткого диска (HDD) на самом деле является бездатчиковым трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока BLDC.

Как следует из названия, в бесщеточном (бесколлекторном) двигателе щетки не используются. Бесщеточный двигатель преодолевает потребность в механическом коммутаторе, меняя настройку на обратную, то есть катушки становятся статором, а постоянные магниты становятся частью ротора. Вращение двигателя достигается за счет изменения направления магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками. Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, ему не нужен ток, что устраняет необходимость в щетках и коммутаторе. Чтобы контролировать вращение можно регулировать величину и направление тока в этих неподвижных катушках извне.

Типичный бесколлекторный двигатель постоянного тока с тремя катушками на статоре будет иметь шесть проводов, но в большинстве конструкций три провода будут подключены внутри, а остальные три выходят наружу. Также обратите внимание, что трехфазный бесщеточный двигатель требует трех датчиков Холла для определения положения ротора. В зависимости от физического положения этих датчиков, существует два типа выходных сигналов — фазовый сдвиг 60 ° и фазовый сдвиг 120 °. Комбинируя сигналы трех датчиков Холла, можно определить точную последовательность электронной коммутации. Но в бессенсорном бесщеточном моторе сигналы обратной электродвижущей силы (BEMF) контролируются драйвером для коммутации сигнала вместо положения, определяемого датчиками Холла. Вот поперечное сечение трехфазного бесщеточного двигателя на изображении ниже.

Это 4-х проводный двигатель BLDC от жесткого диска. HDD BLDC имеет четыре соединительных провода вместо трех упомянутых проводов ABC (часто обозначаемых как UVW). И 4-х контактный двигатель BLDC — это обычный трехфазный двигатель BLDC с выведенным центральным отводом. Если у двигателя есть фазы сопротивлением по 1 Ом каждая, то он должен давать 1 Ом от центрального ответвления до каждой фазы, 2 Ом между фазами. Хотя некоторые драйверы двигателей BLDC используют центральный отвод для измерения BEMF для коммутации.

Существует два типа мотора BLDC. Первый имеет встроенные датчики Холла для определения положения ротора, а второй — бессенсорный — не имеет датчика. Коммутация бессенсорного типа обычно основана на BEMF, генерируемой в обмотках статора.

Как запустить двигатель HDD 4-х проводной

Так как можно управлять двигателем HDD BLDC? Чтобы вращать его, нужно контролировать направление и синхронизацию тока в катушках статора, но этот метод управления более сложен. В продаже доступен широкий спектр бессенсорных микросхем драйверов двигателей BLDC, например DRV10866, цена модуля вполне доступная в интернет-магазинах. Двигатель работает с ним довольно хорошо — правда крутящий момент невысокий, что не удивительно, учитывая вход от источника питания 5 В.

DRV10866 — довольно популярная микросхема драйвера трехфазного бесщеточного двигателя без датчиков, интегрированная с шестью МОП-транзисторами с пиковыми токами до 680 мА. Она также предлагает синхронное выпрямление с широтно-импульсной модуляцией (PWM) и бессенсорную запатентованную схему управления обратной ЭДС (BEMF). Но есть и другое решение — универсальная плата драйвера двигателя BLDC для жестких дисков. Плата может использоваться для управления как 3-проводными, так и 4-проводными трехфазными бесщеточными двигателями постоянного тока. Кроме того тут есть несколько полезных опций, таких как управление скоростью и направлением вращения двигателя.

Описание платы драйвера двигателя

Контроллер платы драйвера бесщеточного двигателя 5 В — 12 В постоянного тока для двигателя жесткого диска.

• Подходит для бесколлекторных моторов без датчика.
• Защита от обратного напряжения
• Защита от повышенного тока
• Напряжение привода: 5-12 В
• Рабочий ток: до 1,2 А
• Диапазон скорости: 0-100%
• Управление вращением: CW и CCW

Плата сконструирована так, что требуются проводные соединения только с двигателем и источником питания. Минимальное рекомендуемое Vin составляет 5 В, а максимальное — 12 В постоянного тока. Потенциометр встроенного регулятора меняет скорость двигателя. Кроме того, есть две перемычки для выбора 3-проводного / 4-проводного мотора и выбора прямого / обратного направления. Для нормальной работы все перемычки должны быть установлены. В общем вполне удобное решение для управления трехфазными бессенсорными бесщеточными двигателями.

Плата использует комбинацию стабилизатора напряжения с низким падением напряжения (LDO), микроконтроллера для генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией (PWM) для трехфазного бесщеточного двигателя BLDC. Основная часть — драйвер двигателя — это DRV11873, один трехфазный бессенсорный драйвер BLDC от Texas Instruments. Вот типичная схема включения DRV11873.

16-контактный микроконтроллер (U1) настроен для подачи сигнала ШИМ (чуть ниже 25 кГц) на DRV11873 (U2) с потенциометром (W1) для регулировки скорости мотора путем изменения рабочего цикла ШИМ. Выход сигнала ШИМ может быть отведен от точки пайки, как показано на следующем изображении. Встроенная перемычка P1 соединена с выводом FR DRV11873, так что по умолчанию вывод остается в низком состоянии для вращения вперед (при переставлении вывод поднимается по потенциалу, и двигатель вращается в обратном направлении).

Следующая перемычка P4, подключенная к контакту COM DRV11873, предназначена для выбора 3-проводного / 4-проводного привода. На плате припаяны три дополнительных резистора (R4-R5-R6) для создания виртуального центрального отвода / нейтральной точки (для получения последовательности коммутации) для реализации 3-проводного привода двигателя BLDC.

Если выбирать вариант «сделай сам», стоит отметить, что оба чипа TI (DRV10866 и DRV11873) не сложно собирать. Для упрощения в качестве генератора ШИМ было бы лучше взять таймер 555 как широтно-импульсный модулятор, способный выдавать выходной сигнал примерно 25 кГц с рабочим циклом, который может изменяться от 5% до 95%.

И вот еще одна плата, похожая на описанную, но с небольшими изменениями в компоновке деталей. Микросхема драйвера двигателя — DRV11873, микроконтроллер — STC15W404A, регулятор напряжения — HT7550-1.

В общем найти подходящий драйвер для двигателя жесткого диска или оптического привода вполне возможно, в продаже есть десятки вариантов модулей, просто нужно выбрать правильный.

Источник

Создание и тестирование бесколлекторного мотора

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.

На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

• ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
• напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
• температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;

Для сбора всех параметров с датчиков и передачи их на компьютер используется микроконтроллер серии AVR mega на плате Arduino nano. Общение микроконтроллера с компьютером осуществляется посредством COM порта. Для обработки показаний была написана специальная программа записывающая, усредняющая и демонстрирующая результаты измерений.

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

• потребляемый ток;
• потребляемое напряжение;
• потребляемая мощность;
• выходная мощность;
• обороты вала;
• момент на валу;
• КПД;
• мощность уходящая в тепло;
• температура внутри мотора.

Видео демонстрирующее работу стенда:

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Источник