التحكم في المحرك بدون فرش بناءً على إشارات emf العكسية - فهم العملية

عندما بدأت في تطوير وحدة تحكم لمحرك بدون فرش (عجلة محرك) ، كانت هناك العديد من الأسئلة حول كيفية مقارنة محرك حقيقي بدائرة مجردة من ثلاث لفات ومغناطيس ، والتي ، كقاعدة عامة ، يشرح الجميع مبدأ التحكم في المحركات الخالية من الفرشاة.

عندما نفذت التحكم بواسطة مستشعرات Hall ، ما زلت لم أفهم حقًا ما يحدث في المحرك وراء اللفات الثلاثة المجردة واثنين من الأقطاب: لماذا كانت 120 درجة ولماذا تكون خوارزمية التحكم هكذا.

كل شيء سقط في مكانه عندما بدأت أفهم فكرة التحكم بدون حساس لمحرك بدون فرش - فهم العملية التي تحدث في قطعة حديد حقيقية ساعدت على تطوير الأجهزة وفهم خوارزمية التحكم.

أدناه سأحاول رسم طريقي لفهم مبدأ التحكم في محرك DC بدون فرش.



لتشغيل محرك بدون فرش ، من الضروري أن يتم نقل المجال المغناطيسي الثابت للدوار بعيدًا عن المجال الكهرومغناطيسي الدوار للجزء الثابت ، كما هو الحال في DPT التقليدي.

يتم تدوير المجال المغناطيسي الثابت عن طريق تبديل اللفات باستخدام وحدة تحكم إلكترونية.
يشبه تصميم محرك بدون فرش تصميم محرك متزامن ، إذا قمت بتوصيل محرك بدون فرشاة بشبكة تيار متردد ثلاثية المراحل تفي بالمعايير الكهربائية للمحرك ، فسوف تعمل.

يسمح لك تخفيف معين لملفات محرك بدون فرش بالتحكم فيه من مصدر تيار مستمر. لفهم كيفية عمل جدول تبديل لمحرك بدون فرشاة ، تحتاج إلى التفكير في التحكم في آلة AC المتزامنة.

آلة متزامنة
يتم التحكم في الآلة المتزامنة عن طريق شبكة AC ثلاثية الطور. يحتوي المحرك على 3 لفات كهربائية تقابلها 120 درجة كهربائية.

بدء تشغيل محرك ثلاثي الطور في وضع المولد ، سيتم حث EMF بواسطة مجال مغناطيسي ثابت على كل من اللفات الحركية ، وسيتم توزيع اللفات الحركية بالتساوي ، وسيتم إحداث جهد جيبي في كل من المراحل وسيتم تعويض هذه الإشارات بمقدار 1/3 من الوقت (الشكل 1). يتغير شكل المجال الكهرومغناطيسي وفقًا لقانون الجيوب الأنفية ، وفترة الموجة الجيبية هي 2P (360) ، نظرًا لأننا نتعامل مع الكميات الكهربائية (EMF ، والجهد ، والتيار) ، فسندعو هذه الدرجات الكهربائية وسنقيس الفترة فيها.

عندما يتم تطبيق جهد ثلاثي الطور على المحرك في كل لحظة من الزمن ، سيكون لكل ملف قيمة تيار معينة.


                                                الشكل 1 الشكل 1. عرض إشارة لمصدر التيار المتردد ثلاث مراحل.

يشكل كل لف متجه مجال مغناطيسي يتناسب مع التيار المتعرج. بإضافة 3 ناقلات ، يمكنك الحصول على متجه المجال المغناطيسي الناتج. منذ بمرور الوقت ، يتغير التيار على اللفات الحركية وفقًا لقانون الجيب ، يتغير حجم ناقل المجال المغناطيسي لكل لف ، ويتغير المتجه الكلي الناتج من زاوية الدوران ، بينما يظل حجم هذا الناقل ثابتًا.

                                                       الشكل 2. الشكل الكهربائي واحد من محرك ثلاثي الطور.

يوضح الشكل 2 فترة كهربائية واحدة لمحرك ثلاثي الطور ؛ في هذه الفترة يشار إلى 3 لحظات اعتباطية ، من أجل البناء في كل من هذه اللحظات من ناقلات المجال المغناطيسي التي قمنا بتأجيلها هذه الفترة ، 360 درجة كهربائية ، على الدائرة. نضع 3 ملفات محرك متغيرة بمقدار 120 درجة كهربائية بالنسبة لبعضنا البعض (الشكل 3).

     الشكل 3. لحظة 1. ناقل المجال المغناطيسي لكل لف (يسار) وناقل المجال المغناطيسي الناتج (يمين).

يتم إنشاء ناقل المجال المغناطيسي على طول كل مرحلة ، يتم إنشاؤه بواسطة لف المحرك. يتم تحديد اتجاه المتجه من خلال اتجاه التيار المباشر في اللف ، إذا كان الجهد المطبق على اللف موجبًا ، فسيتم توجيه المتجه في الاتجاه المعاكس من اللف ، إذا كان سلبيًا ، ثم على طول اللف. يتناسب حجم المتجه مع حجم جهد الطور في لحظة معينة.
للحصول على متجه المجال المغناطيسي الناتج ، من الضروري إضافة بيانات المتجه وفقًا لقانون إضافة المتجهات.
وبالمثل ، فإن البناء للنقطتين الثانية والثالثة في الوقت المناسب.

      الشكل 4. اللحظة 2. ناقل المجال المغناطيسي لكل لف (يسار) وناقل المجال المغناطيسي الناتج (يمين).

لذلك ، بمرور الوقت ، يغير المتجه الناتج اتجاهه بسلاسة ، يوضح الشكل 5 المتجهات الناتجة ويظهر الدوران الكامل للمجال المغناطيسي الثابت في فترة كهربائية واحدة.

                                 الشكل 5. عرض المجال المغناطيسي الدوار المتولدة من اللفات على الجزء الثابت المحرك.

خلف هذا الناقل للمجال المغناطيسي الكهربائي ، يتم حمل المجال المغناطيسي لمغناطيس الدوار الدائم بعيدًا في كل لحظة من الزمن (الشكل 6).

                            الشكل 6. المغناطيس الدائم (الدوار) يتبع اتجاه المجال المغناطيسي المتولد عن الجزء الثابت.

هذه هي الطريقة التي تعمل بها آلة التيار المتزامن المتزامن.

وجود مصدر تيار مباشر ، من الضروري تكوين فترة كهربائية واحدة بشكل مستقل مع تغيير في الاتجاهات الحالية على اللفات الحركية الثلاثة. نظرًا لأن المحرك بدون فرش هو نفس المحرك المتزامن في وضع المولد ولديه معلمات متطابقة ، فمن الضروري المتابعة من الشكل 5 ، الذي يوضح المجال المغناطيسي الدوار المتولد.

جهد ثابت
يحتوي مصدر التيار المستمر على سلكين فقط "بالإضافة إلى الطاقة" و "طاقة ناقص" ، مما يعني أنه من الممكن توفير الجهد لاثنين فقط من اللفات الثلاثة. من الضروري تقريب الشكل 5 وإبراز جميع النقاط التي يمكن عندها استبدال مرحلتين من أصل ثلاث.

عدد التباديل من المجموعة 3 هو 6 ، وبالتالي ، هناك 6 خيارات لتوصيل اللفات.
سنقوم بتصوير خيارات التحويل الممكنة وتحديد تسلسل يتم فيه تدوير المتجه خطوة بخطوة إلى أن يصل إلى نهاية الفترة ويبدأ من جديد.

سيتم حساب الفترة الكهربائية من الناقل الأول.


      الشكل 7. عرض ستة ناقلات المجال المغناطيسي التي يمكن إنشاؤها من مصدر التيار المستمر عن طريق تبديل اثنين من اللفات الثلاثة.

يوضح الشكل 5 أنه عند التحكم في جهد جيبي ثلاثي المراحل ، هناك العديد من المتجهات التي تدور بسلاسة بمرور الوقت ، وعند التبديل مع التيار المباشر ، من الممكن الحصول على مجال دوار من 6 متجهات فقط ، أي أن التحول إلى الخطوة التالية يجب أن يحدث كل 60 درجة كهربائية.
تم تلخيص النتائج من الشكل 7 في الجدول 1.

 الجدول 1. التسلسل الناتج من لف المحركات التبديل.

قوة إضافية	ناقص القوة	لف غير متصل
دبليو	ش	خامسا
دبليو	خامسا	ش
ش	خامسا	دبليو
ش	دبليو	خامسا
خامسا	دبليو	ش
خامسا	ش	دبليو

يظهر نوع إشارة التحكم الناتجة وفقًا للجدول 1 في الشكل 8. حيث يتم التبديل -V إلى ناقص مصدر الطاقة (GND) ، و + V التبديل إلى مصدر طاقة زائد.


    الشكل 8. عرض إشارات التحكم من مصدر التيار المستمر لمحرك بدون فرش. الأصفر - المرحلة W ، الأزرق - U ، الأحمر - V.

ومع ذلك ، فإن الصورة الحقيقية من مراحل المحرك ستكون مشابهة للإشارة الجيبية من الشكل 1. تشكل الإشارة شكلًا شبه منحرف ، لأنه في اللحظات التي لا يكون فيها لف المحرك متصلاً ، تحفز مغناطيس الدوار الدائم EMF لها (الشكل 9).


                                    الشكل 9. نوع الإشارة من اللفات لمحرك فرش في وضع التشغيل.

على مرسمة الذبذبات ، يبدو كما يلي:


                                 الرقم 10 الشكل. نافذة عرض الذبذبات عند قياس مرحلة واحدة من المحرك.

ميزات التصميم
كما ذكرنا سابقًا ، تم تشكيل أكثر من 6 ملفات تبديل ، فترة كهربائية واحدة بزاوية 360 درجة.
من الضروري ربط هذه الفترة بالزاوية الحقيقية لدوران الدوار. ونادرا ما تستخدم المحركات التي تحتوي على زوج من الأقطاب وثابتة ثلاثية الأطراف ؛ فالمحركات لها أزواج N من الأعمدة.
يوضح الشكل 11 نماذج المحرك مع زوج واحد من الأعمدة وزوجين من الأقطاب.


                                       أ. ب.
                                      الرقم 11. نموذج المحرك مع أزواج القطب (أ) واثنين (ب).

يحتوي المحرك الذي يحتوي على زوجين من الأعمدة على 6 ملفات ، يتم إقران كل من الملفات ، ويتم تعويض كل مجموعة من 3 ملفات بـ 120 درجة كهربائية بين بعضها البعض. الشكل 12 ب. تأخرت فترة واحدة ل 6 لفات. ترتبط اللفات U1-U2 و V1-V2 و W1-W2 ببعضها البعض وفي التصميم تمثل أسلاك خرج ثلاثية الطور. من أجل بساطة الصورة ، لا يتم عرض أي اتصالات ، ولكن تذكر أن U1-U2 و V1-V2 و W1-W2 هي واحدة ومتشابهة.

يوضح الشكل 12 ، استنادًا إلى البيانات الواردة في الجدول 1 ، المتجهات لزوج واحد واثنين من الأعمدة.

                                       أ. ب.
                     الشكل 12. رسم تخطيطي لناقلات المجال المغناطيسي لمحرك مع أزواج قطب واحد (أ) واثنين (ب).

يوضح الشكل 13 المتجهات التي تم إنشاؤها بواسطة 6 عمليات تبديل للملفات الحركية مع زوج واحد من الأعمدة. يتكون الدوار من مغناطيس دائم ، في 6 خطوات ، سوف يدور الدوار 360 درجة ميكانيكية.
يوضح الشكل المواضع النهائية للدوار ، في الفترات الفاصلة بين موقعين متجاورين ، يدور الدوار من الحالة السابقة إلى الحالة التالية. عندما يصل الدوار إلى هذا الوضع النهائي ، يجب أن يحدث المفتاح التالي وسوف يميل الدوار إلى وضع مسبق الضبط الجديد بحيث يصبح متجه المجال المغناطيسي متحاذيًا مع ناقل المجال الكهرومغناطيسي الثابت.


        الشكل 13. الشكل النهائي للدوار مع ست سرعات للمحرك بدون فرشاة مع زوج واحد من الأعمدة.

في المحركات ذات أزواج N القطب ، من الضروري المرور بفترات N الكهربائية لثورة ميكانيكية كاملة.
سيحتوي المحرك الذي يحتوي على زوجين من الأعمدة على مغناطيسين مع القطبين S و N و 6 لفات (الشكل 14). يتم تعويض كل مجموعة من 3 ملفات من بعضها البعض بمقدار 120 درجة كهربائية.


        الشكل 14. الشكل النهائي للدوار أثناء تبديل ست سرعات لمحرك فرش مع زوجين من الأعمدة.

تحديد موضع الدوار لمحرك بدون فرشاة
كما ذكرنا سابقًا ، من أجل تشغيل المحرك ، من الضروري توصيل الجهد باللفات الساكنة الثابتة في الوقت المناسب. من الضروري تطبيق الجهد على اللفات الحركية اعتمادًا على موضع الدوار ، بحيث يكون المجال المغناطيسي للجزء الثابت متقدمًا دائمًا على المجال المغناطيسي للدوار. لتحديد موضع دوار المحرك وتبديل اللفات ، يتم استخدام وحدة تحكم إلكترونية.
يمكن تتبع موضع الدوار بعدة طرق:
      1. بواسطة مستشعرات Hall
      2. بواسطة عكس EMF
كقاعدة عامة ، يقوم المصنعون بتجهيز أجهزة استشعار Hall بالمحرك عند الإطلاق ، لذلك هذه هي طريقة التحكم الأكثر شيوعًا.
يسمح لك تبديل اللفات وفقًا لإشارات EMF الخلفية بالتخلي عن المستشعرات المدمجة في المحرك واستخدام تحليل الطور الحر للمحرك كجهاز استشعار ، والذي سيحدث بواسطة المجال المغناطيسي للعداد الكهرومغناطيسي.

إدارة محرك بدون فرشاة مع مستشعرات هول
للتبديل بين اللفات في الوقت المناسب ، من الضروري مراقبة موضع الدوار بالدرجات الكهربائية. لهذا ، يتم استخدام أجهزة استشعار هول.
نظرًا لوجود 6 حالات لمتجه المجال المغناطيسي ، هناك حاجة إلى 3 مستشعرات Hall ، والتي ستمثل مستشعرًا مطلقًا للموضع مع خرج بثلاث بتات. يتم تثبيت مستشعرات القاعة أيضًا كملفات ، تقابلها 120 درجة كهربائية. هذا يسمح باستخدام مغناطيس الدوار كعنصر مؤثر في المستشعر.


                                الشكل 15. الإشارات من أجهزة استشعار القاعة لثورة كهربائية واحدة للمحرك.

لتدوير المحرك ، من الضروري أن يكون المجال المغناطيسي الساكن متقدمًا على المجال المغناطيسي للدوار ، ويكون الموضع الذي يكون عند محاذاة ناقل المجال المغناطيسي الدوار مع ناقل المجال المغناطيسي الساكن نهائيًا لهذا التحويل ، في تلك اللحظة بالذات يجب أن يحدث التحول إلى التركيبة التالية ، لمنع الدوار من التعليق في ثابت الموقف.
دعونا نقارن الإشارات من مستشعرات Hall مع مجموعة المراحل التي يجب تبديلها (الجدول 2)

 الجدول 2. مقارنة الإشارات من مستشعرات Hall مع تبديل مراحل المحرك.

موضع المحرك	هو (1)	اتش في (2)	اتش دبليو (3)	ش	خامسا	دبليو
0	0	0	1	0	-	+
	1	0	1	+	-	0
	1	0	0	+	0	-
	1	1	0	0	+	-
	0	1	0	-	+	0
360 / شمال	0	1	1	-	0	+

مع الدوران المنتظم للمحرك ، يتم استقبال إشارة تم إزاحتها بمقدار 1/6 من الفترة ، 60 درجة كهربائية ، من أجهزة الاستشعار (الشكل 16).


                                                        الشكل 16. عرض إشارة من أجهزة استشعار القاعة.

تحكم EMF
هناك محركات بدون فرش بدون أجهزة استشعار الموضع. يتم تحديد موضع الدوار عن طريق تحليل إشارة EMF في المرحلة الحرة للمحرك. في كل لحظة من الزمن ، يتم توصيل "+" بإحدى المراحل بأخرى "-" لمزود الطاقة ، تظل إحدى المراحل مجانية. يدور ، المجال المغناطيسي للدوار يدفع EMF في لف الحرة. عندما يدور ، يتغير الجهد في المرحلة الحرة (الشكل 17).


                                                 الشكل 17. تغير الجهد في مرحلة المحرك.

تنقسم الإشارة من لف المحرك إلى 4 نقاط:
   1. يتم توصيل اللف إلى 0
   2. اللف غير متصل (الطور الحر)
   3. اللف متصل بجهد الإمداد
   4. اللف غير متصل (طور حر)
مقارنة الإشارة من المراحل مع إشارة التحكم ، نرى أنه يمكن الكشف عن لحظة الانتقال إلى الحالة التالية عن طريق تقاطع نقطة المنتصف (نصف جهد الإمداد) مع المرحلة غير المتصلة حاليًا (الشكل 18).


                            الشكل 18. مقارنة إشارة التحكم مع إشارة على مراحل المحرك.

بعد اكتشاف التقاطع ، توقف مؤقتًا وقم بتمكين الحالة التالية. وفقًا لهذا الشكل ، تم تجميع خوارزمية لتبديل حالة اللفات (الجدول 3).

 الجدول 3. خوارزمية تبديل لف المحركات

الوضع الحالي	ش	خامسا	دبليو	الدولة التالية
1	-	في انتظار نقطة المنتصف للعبور من + إلى -	+	2
2	في انتظار نقطة المنتصف للعبور من - إلى +	-	+	3
3	+	-	في انتظار نقطة المنتصف للعبور من + إلى -	4
4	+	في انتظار نقطة المنتصف للعبور من - إلى +	-	5
5	في انتظار نقطة المنتصف للعبور من + إلى -	+	-	6
6	-	+	في انتظار نقطة المنتصف للعبور من - إلى +	1

من السهل الكشف عن تقاطع نقطة المنتصف باستخدام المقارنة ، يتم تطبيق جهد نقطة الوسط على إدخال واحد من المقارنة ، ويتم تطبيق جهد الطور الحالي على الثاني.


                                            الشكل 19. الكشف عن نقطة المنتصف من قبل المقارنة.

يتم تشغيل أداة المقارنة عندما يمر الجهد عبر نقطة المنتصف ويولد إشارة للمتحكم الدقيق.

معالجة الإشارة من مراحل المحرك
ومع ذلك ، فإن الإشارة من المراحل عند تنظيم سرعة PWM تختلف في المظهر ولها طبيعة نابضة (الشكل 21) ، في مثل هذه الإشارة ، من المستحيل اكتشاف التقاطع مع نقطة المنتصف.


                                        الشكل 20. عرض إشارة المرحلة عند ضبط سرعة PWM.

لذلك ، يجب تصفية هذه الإشارة بواسطة مرشح RC للحصول على مظروف ، وتقسيمها أيضًا وفقًا لمتطلبات المقارن. مع زيادة دورة العمل ، ستزداد سعة إشارة PWM (الشكل 22).


                                                   الشكل 21. رسم تخطيطي لمقسم الإشارة والفلتر من الطور الحركي.


                                            الشكل 22. مغلف الإشارة عند تغيير دورة العمل من PWM.

مخطط نقطة المنتصف


                                                      الشكل 23. عرض نقطة المنتصف الافتراضية. تم التقاط الصورة من avislab.com/

تتم إزالة الإشارات من المراحل من خلال مقاومات تحديد التيار وجمعها ، لذلك نحصل على الصورة التالية:


                                          الشكل 24. عرض شكل موجة الجهد لنقطة المنتصف الافتراضية.

بسبب PWM ، جهد نقطة الوسط ليس ثابتًا ، تحتاج الإشارة أيضًا إلى التصفية. سيكون جهد نقطة المنتصف بعد التنعيم كبيرًا جدًا (في منطقة جهد الإمداد للمحرك) ، يجب أن يتم تقسيمه بواسطة مقسم الجهد إلى نصف جهد الإمداد.



بعد مرور الإشارة من خلال المرشح ، يتم تخفيف التذبذبات ويتم الحصول على جهد متساوي نسبيًا يمكن من خلاله اكتشاف تقاطع emf الخلفي.


                                       الشكل 26. الجهد بعد مقسم وفلتر تمرير منخفض.

ستقوم نقطة المنتصف بتغيير قيمتها اعتمادًا على الجهد (دورة عمل PWM) ، بالإضافة إلى غلاف الإشارة.
                               

يتم تغذية الإشارات المستلمة من المقارنات إلى وحدة التحكم الدقيقة ، التي تعالجها وفقًا للخوارزمية أعلاه.
هذا كل شيء الآن.