Аннотация
Считается, что бесколлекторный двигатель постоянного тока (BLDC) отличается хорошими эксплуатационными характеристиками: не требует высоких затрат на техническое обслуживание, является достаточно универсальным, обладает приемлемым крутящим моментом и скоростью вращения, а также высокой надежностью. Как правило, самый простой BLDC-двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и трех обмоток статора. На каждом шаге управления две из трех обмоток участвуют в создании вращающего магнитного поля, в то время как в обесточенной обмотке наводится обратная электродвижущая сила (ЭДС) и возникает паразитный электрический ток, поступающий на вход контроллера. В данной работе предложена схема управления BLDC-двигателем в комбинированном режиме, в котором генерируемый ток запасается с помощью дополнительной коммутационной схемы для дальнейшего использования. Таким образом, BLDC-двигатель может приводить в движение нагрузку одновременно с выработкой электроэнергии. Предлагаемая коммутационная схема была разработана и смоделирована в ПО PSpice. Результаты моделирования показывают, что на накопительную емкость может быть подано до 75% от входного напряжения.
1. Введение
В нашем быстро меняющемся мире производство электроэнергии является крайне важным, ведь количество используемых нами электроприборов и потребляемого электричества сейчас выше, чем когда-либо. Для преобразования физической энергии в электрическую было изобретено несколько типов устройств. Основным устройством для преобразования механической энергии в электрическую, и последующего её накопления в аккумуляторных батареях, является генератор. Обратное преобразование электрической энергии в механическую осуществляется с помощью электродвигателя.
В данной статье предложен новый способ управления, позволяющий электродвигателю одновременно генерировать электрическую и механическую энергию. Здесь рассматривается бесколлекторный двигатель постоянного тока (BLDC). Поскольку BLDC-двигатель содержит вращающиеся постоянные магниты и неподвижный якорь, следовательно, подача тока на движущийся ротор больше не является проблемой. BLDC-двигатели обладают рядом преимуществ перед щеточными двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями, включая больший крутящий момент на единицу веса и более высокий КПД, имеют пониженный уровень шума, обладают повышенной надежностью и более длительным сроком службы (отсутствует износ щеток и коллектора), а также лишены такого недостатка, как искрение коллектора.
BLDC-двигателями можно управлять в 3 режимах: в режиме двигателя, в режиме генератора, и гибридном. Для управления устройством в режиме двигателя было предложено несколько методов. В [1] Ситай и соавторы выбрали в качестве схемы управления трехфазное двухполупериодное мостовое подключение звездой и проанализировали три схемы замкнутых систем управления с DSP. Ясухиро и др. [2] рассматривали небольшую систему BLDC-двигателя. Они предложили конструкцию, основанную на однонаправленных потоках тока. В [3, 4] для управления двигателем на базе DSP, используется трехфазный ШИМ контроллер. В работе было предложено управление BLDC-двигателем с помощью регулятора на базе нечеткой логики без датчиков. В [5] вместо дорогих датчиков Холла для определения точки пересечения нуля сигнала обратной ЭДС на невозбужденной фазе, используются два сопротивления. Система управления с нечеткой логикой реализована на микроконтроллере.
В [6, 7] было предложено несколько методов с использованием синхронного выпрямителя и преобразователя для управления устройством в режиме генератора. В [8] постоянный магнит в роторе BLDC-генератора заменен вспомогательной катушкой возбуждения.
Управление устройством в гибридном режиме является главной проблемой в этой области. Гибридный режим – это способ управления, позволяющий устройству работать попеременно двигателем и генератором. В [9] Ким и др. рассмотрели методы управления, которые минимизируют пульсации крутящего момента и максимизируют удельную мощность BLDC-двигателя/генератора постоянного тока в электромобилях и гибридных автомобилях. Кроме того, в [10] была предложена конструкция гибридной системы 20-ти кВт BLDC-двигателя на постоянных магнитах (PM). В статье описана PM BLDC-двигатель, подключенная к дизельному двигателю автомобиля объемом 1,9 л, вырабатывающая электроэнергию для зарядки высоковольтной системы накопления энергии и для приведения в действие асинхронного двигателя, присоединенного к задним колесам. Устройство также может использовать накопленную энергию для запуска двигателя или содействия основному двигателю при разгоне автомобиля. В [11] Афджей и Торкаман сравнили два новых типа конфигурации двигатель/генератор, вентильный реактивный электродвигатель (ВРД) и BLDC-двигатель без постоянных магнитов.
Отметим, что в обычных гибридных системах устройство поочередно переключается между режимами двигателя и генератора. В данной статье предлагается новый метод управления, который позволяет накапливать энергию во время работы двигателя. Статья структурирована следующим образом: работа системы управления BLDC-двигателем в комбинированном режиме обсуждается в разделе 2; имитационная модель и результат моделирования приведены в разделах 3 и 4, соответственно. Выводы приведены в разделе 5.
2. Управление BLDC-двигателем в комбинированном режиме
В данном разделе описаны вопросы комбинированного режима управления BLDC-двигателем. В предлагаемом режиме генерация и накопление электроэнергии в батареях происходит одновременно с его работой.
Обычно трехфазный BLDC-двигатель имеет три обмотки статора, однако их количество может быть увеличено для уменьшения пульсации крутящего момента. На рисунке 1 приведена электрическая схема статора, состоящего из трех обмоток A, B и C. Ротор BLDC-двигателя содержит четное количество постоянных магнитов. Число магнитных полюсов в роторе также влияет на размер шага и пульсацию крутящего момента двигателя. Чем больше количество полюсов, тем меньше шаг двигателя и пульсация крутящего момента. BLDC-двигателя с одной парой полюсов показан на рис. 1.
Если на обмотки двигателя правильно подано питание, возникает магнитное поле, и ротор приводится в движение. Наиболее простым методом коммутационного управления, используемым для BLDC-двигателей, является схема включения-выключения: через обмотку либо проходит ток, либо нет. В 3-фазном BLDC-двигателе питание подается одновременно только на две обмотки, а третья обмотка остается обесточенной.
В предложенном комбинированном режиме управления устройством неактивная обмотка используется для генерации электроэнергии во время работы двигателя.
Рис. 1. Упрощенные схемы BLDC -двигателей [13]
Рис. 2. Временная диаграмма работы BLDC-двигателя
Для создания вращающего магнитного поля, толкающего ротор, производится одновременная подача энергии на 2 фазы BLDC-двигателя. Статическое выравнивание, показанное на рис. 2, может быть задано за счет прохождения электрического тока от клеммы A к клемме B (путь тока отмечен на схеме рис.1 цифрой 1). Ротор можно заставить повернуться по часовой стрелке на 60 градусов от положения A-B, обеспечив протекание тока от клеммы C к B (этот путь тока отмечен на схеме цифрой 2). Если непрерывно приводить двигатель в действие таким образом, то он может совершить полный оборот на 360° при достижении конечного шага №6. Как видно из временной диаграммы, приведенной на рис. 2, электрическая энергия может быть получена на выходе, когда постоянное магнитное поле ротора движется сквозь обесточенную обмотку. При этом каждая обмотка может генерировать электроэнергию дважды за один оборот.
Рис. 3. Структурная схема аппаратной части системы
На рис. 3 показана структурная схема предлагаемой системы управления BLDC-двигателем в комбинированном режиме. Здесь в качестве входных данных для микроконтроллера PIC16F877 служат команда скорости и сигнал от датчиков Холла. Микроконтроллер осуществляет вычисление управляющей переменной с помощью определенного алгоритма, и преобразует её в PWM (ШИМ) сигнал. PWM1 – это сигнал управления драйвером MOSFET, используемым для вращения двигателя, в то время как PWM2 используется для управления транзисторами MOSFET системы сбора электрической энергии с обесточенной обмотки. На рис. 4 приведена подробная электрическая принципиальная схема ключей MOSFET, соответствующая блок-схеме, представленной на рис. 3. В процессе работы 8 MOSFET-транзисторов будут задействованы для управления двумя активными обмотками, создающими вращающее магнитное поле (режим двигателя), в то время как два других MOSFET-транзистора обеспечат возможность запасания энергии, полученной от неактивной обмотки, системой (режим генератора).
Рис. 4. Схема драйвера комбинированного режима
Для управления ключами MOSFET рассмотрена схема двигателя, приведенная на рис. 1 и временная диаграмма, показанная на рис. 2. В таблице 1 по шагам расписано управляющее воздействие, подаваемое на MOSFET-транзисторы в соответствии с сигналом, поступающим с датчиков Холла.
Таблица 1. Временная диаграмма для комбинированного режима управления, состоящая из 6 шагов
3. Моделирование системы
На рис. 5 приведена предлагаемая нами схема управления, смоделированная в ПО PSpice – программе, предназначенной для симуляции аналоговой и цифровой логики. В качестве модели обмотки статора трехфазного BLDC-двигателя на симуляции был использован трансформатор. Моделируемая схема управляется в соответствии с 6 ступенчатой временной диаграммой, приведенной на рис. 2.
Рис. 5. Схема предлагаемой системы комбинированного режима управления BLDC-двигателем, смоделированная в PSpice.
4. Результат моделирования
В этом разделе представлены некоторые результаты моделирования схемы комбинированного режима управления BLDC-двигателем/генератором для случая, когда BLDC-двигатель работает от постоянного входного напряжения 12В при 150 об/мин.
Рис. 6. 3-фазный выходной сигнал для комбинированного режима управления (моделирование)
На рисунке 6 приведены графики выходного напряжения, получаемого от каждой неактивной обмотки, во время работы BLDC-двигателя в комбинированном режиме. На рис. 7 и 8 приведены графики выходного напряжения, полученного на нагрузке 100 кОм и без нагрузки соответственно.
Здесь мы отметили, что выходные напряжения меняется в зависимости от величины нагрузки. Это должно наблюдаться и в реальном эксперименте с использованием зарядной цепи.
Рис. 7. Выходное напряжение при работе двигателя в комбинированном режиме на нагрузке 100 кОм
Рис. 8. Выходное электрическое напряжение при работе двигателя в комбинированном режиме на холостом ходу
5. Заключение
В статье предложен комбинированный режим управления BLDC-двигателем, в котором электроэнергия может быть получена во время работы двигателя. Для выработки электроэнергии, которая может быть подана обратно в систему или запасена в аккумуляторе для других целей, используется преимущества обесточенной обмотки BLDC-двигателя.
Было проведено моделирование в ПО PSpice. Результаты показывают, что, используя данный режим работы, мы можем получить выходные напряжения, составляющие около 75% от входного (9В от напряжения входа 12В), в отсутствие нагрузки. Реальная реализация предложенной системы будет дополнительно изучена.
Авторы статьи: И. Джанпана, Р. Чайсричароенб, П. Буньянанта
а Школа информационных технологий, Университет Маэ Фа Луанг, Чианграй, 57100 Таиланд
б Кафедра вычислительной техники, инженерный факультет Кампхаенг саен, Кампус Университета Касетсарт Кампхаенг саен, Накхонпатом, 73140 Таиланд
Список литературы
[1] Wang Xitai, Zhang Xuexiu, Li Lifeng, Liu Bingshan. Brushless DC Motor Speed Control System of the Walking Aids
Machine. IEEE/ICINIS; 2009, p. 589-592
[2] Komatsu Yasuhiro, Tur-Amgalan Amarsanaa, Yoshihiko Araki, Syed Abdul Kadir Zawawi, Takamura Keita. Design of the
Unidirectional Current Type Coreless DC Brushless Motor for Electrical Vehicle with Low Cost and High Efficiency.
IEEE/SPEEDAM; 2010, p. 1036-1039
[3] Sun Chunxiang, Mo Bo. Design of Control System of Brushless DC Motor Based on DSP. IEEE/ICICTA;2010, p. 11-14
[4] Chengang Zhao and Yaochun Wu . The Design of Brushless DC Motor Controller. IEEE; 2010, p. 729-731
[5] Jung-Sheng Wen, Chi-Hsu Wang, Ying-De Chang, Ching-Cheng Teng. Intelligent Control of High-Speed Sensorless
Brushless DC Motor for Intelligent Automobiles. IEEE/SMC; 2008, p. 3394-3398
[6] Orner c. Onar, Yusuf Gurkaynak, and Alireza Khaligh. A Brushless DC Generator & Synchronous Rectifier for Isolated
Telecommunication Stations. IEEE/INTLEC; 2009, p. 1-6
[7] G. Gatto – I. Marongiu – A. Perfetto (*) – A. Serpi . Brushless DC Generator controlled by Constrained Predictive
Algorithm. IEEE; 2010, p. 1224-1229
[8] H. Moradi, M. Seyed Yazdi and E. Afjei. Brushless dc Generator without Permanent Magnet. IEEE/SPEEDAM; 2010, p.
278-281
[9] Taehyung Kim, Hyung-Woo Lee, Leila Parsa, Member, and Mehrdad Ehsani4. Optimal Power and Torque Control of a
Brushless DC (BLDC) Motor/Generator Drive in Electric and Hybrid Electric Vehicles. IEEE; 2006, p. 1276-1281
[10] S. M. N. Hasan, I. Husain, R. J. Veillette and J. E. Carletta. A PM Brushless DC Starter/Generator System for a Series#Parallel 2×2 Hybrid Electric Vehicle. IEEE; 2007, p. 1686-1689
[11] E.Afjei, H.Torkaman . Comparison of Two Types of Hybrid Motor/Generator. IEEE/SPEEDAM; 2010, p. 982-986#
[12] http://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/electromagnetic-induction.html