JEDNOFAZOWY SILNIK BLDC 300VDC

P O Z NA N UN I V E R S ITY O F TE C H N O LO GY A C A D E M IC J O U R N AL S

No 95 Electrical Engineering 2018

DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0003

__________________________________________

* Politechnika Poznańska

Łukasz CIEPLIŃSKI

^*

JEDNOFAZOWY SILNIK BLDC 300VDC

Niniejszy artykuł poświęcony jest tematyce silników BLDC. W pierwszym rozdzia- le zaprezentowano metody sterowania silników trójfazowych BLDC oraz procedury wykrycia położenia wału silnika. W dalszej części autor przedstawił realizację fizycz- nego modelu oraz zaimplementowane algorytmy sterowania poszczególnymi modułami energoelektronicznymi systemu. Opisano również sposoby eliminacji zakłóceń elektro- magnetycznych generowanych przez silnik BLDC. W celu umożliwienia weryfikacji poprawności i efektywności działania silnika BLDC zamieszczone zostaną ponadto wyniki badań fizycznego modelu dla wybranych punktów pracy układu.

SŁOWA KLUCZOWE: silnik BLDC, EMC, bezindukcyjna przetwornica DC/DC, mostek tranzystorowy typu H.

1. WPROWADZENIE

1.1. Charakterystyka silnika BLDC

Silnik bezszczotkowy prądu stałego (BLDC, ang. BrushLess Direct-Current motor) jest silnikiem elektrycznym w którym wyeliminowano konieczność sto- sowania szczotek poprzez zastosowanie magnesów w wirniku, a rolę statora pełnią nieruchome cewki, które są komutowane elektronicznie, w zależności od obecnej pozycji wału. Silniki BLDC znajdują coraz szersze zastosowanie w każdej dziedzinie, ze względu na liczne zalety względem silników indukcyj- nych [1, 2]. Wyeliminowanie szczotek pozwoliło uzyskać większą trwałość i niezawodność silnika oraz poprawiło to również sprawność energetyczną. Lep- sze chłodzenie cewek ze względu na konstrukcję budowy umożliwia budowanie silników BLDC o mniejszych gabarytach, ale takiej samej mocy w porównaniu do silników indukcyjnych.

28 Łukasz Ciepliński

2. STEROWANIE SILNIKIEM BLDC 2.1. Część silnoprądowa zasilająca silnik BLDC

Ze względu na dużą popularność silników BLDC w wersji trójfazowej, omówione zostaną metody sterowania takiego silnika [7]. Sterowanie dla innej liczby faz jest analogiczne, a różnicą jest tylko ilość sekwencji na pełen obrót silnika BLDC. Na rysunku 1 pokazano część silnoprądową trójfazowego silnika BLDC.

Rys. 1. Mostek H zasilający silnik trójfazowy

2.2. Sterowanie C120Q+ oraz C120Q–

Na rysunku 2 przedstawiono sekwencje sterowań poszczególnymi kluczami mostka H, który zasila trójfazowy silnik BLDC. W tych metodach jedna z grup zaworów pełni funkcję komutatorową a druga sterującą.

Rys. 2. Sterowanie C120Q+ oraz C120Q– [7]

2.3. Sterowanie C60Q+ oraz C60Q–

Zaletą metod C60Q+ oraz C60Q- jest równomierne obciążenie wszystkich tranzystorów w mostku H, ze względu na fakt, że każdy tranzystor pełni przez

Jednofazowy silnik BLDC 300VDC 29

okres przewodzenia zarówno rolę klucza komutacyjnego, jak i sterującego na- pięciem wyjściowym.

Rys. 3. Sterowanie C60Q+ oraz C60Q– [7]

2.4. Sterowanie bipolarne

Sterowanie bipolarne jest najprostszą metodą sterowania, ponieważ wszyst- kie klucze w tym samym czasie pełnią rolę sterującą a zaletą sterowania jest stała częstotliwość przełączeń kluczy. Do wad sterowania bipolarnego można zaliczyć zwiększone straty na tranzystorach oraz oddawanie energii do źródła przez uzwojenie silnika w momencie nie przewodzenia żadnego z tranzystorów.

Rys. 4. Sterowanie bipolarne [7]

3. METODY WYKRYCIA POŁOŻENIA WAŁU SILNIKA 3.1. Czujnik Halla

Ze względu na elektroniczną komutację cewek, konieczne jest wykrycie po- łożenia wału silnika. Zmiana stanu czujnika Halla wyznacza bezpośrednio typ

30

komutacji niskimi o Zastosow wiono zas

Położe rycznej n jest zatrzy stojana sil korzystan wału. Na

i oraz położ obrotami ora anie czujnik sadę działani

enie wału ok a uzwojeniu ymany, nie m

lnika, a to m nie tej metody

rysunku 6 pr

Rys. 6.

Łu

żenie wirnik az natychmi ka Halla posi ia czujnika H

Rys. 5. Zasad

3.2

kreśla się na u silnika pod można pozys może spowod y zmusza do rzedstawiono

Wyindukowan

ukasz Ciepliń

ka. Metoda u astowe wys ada również Halla.

da działania czuj

2. Back-EM

a podstawie dczas jego p skać informa dować rozruc o pozycjonow

o zjawisko B

ne Back-EMF n ski

umożliwia p tartowanie z ż wady [6]. N

ujnika Halla [3]

MF

wyindukow racy [8]. W acji o położe ch silnika w p wania wirnik Back-EMF.

na cewce silnika

pracę silnika z pełnym m Na rysunku 5

anej siły ele momencie niu wirnika przeciwną st ka przy zatrzy

a BLDC

a z bardzo momentem.

5 przedsta-

ektromoto- gdy silnik względem tronę. Wy-

ymywaniu

4. B

Ze wzg ciu 10V względu n indukcyjn cy wymag działania mniejsze 12V tranz z kondens ku 7. W c stosować działanie napięcia n

Ry

5. ST

Do ste klucza do sterowani du sterują dzy źródł ziom nap sowym, k następując wysterow HIN oraz

BEZINDUK

ględu na pełn

jest koniecz na małe zapo ną przetworn

gane jest zas polega na od wartości zystor pozo satora. Schem celu eliminac

dodatkowy wpłynie na o na wyjściu w

ys. 7. Część siln

TEROWAN

erowania klu olnego jest be

ia. Natomias ącego, który o tranzystora ięcia pozwal które jest zale ca, że im wi wany w przew

LIN są poda

Jednofazow

KCYJNA P

ne otwarcie zność zasilen otrzebowanie nicę DC/DC.

silenie jej z przewodzen 12V. Natom staje zatkan mat ideowy cji zakłóceń

rezystor w opóźnienie w w stosunku do

noprądowa i ste

NIE MOST

uczy w mostk ezpośrednio

t klucz górn polega na pr a a zasilanie la na wyster eżne od pojem iększa użyta wodzeniu be

awane bezpo

wy silnik BLD

PRZETWO

zastosowany nia układów e energii na

Do prawidło wyprostowa niu tranzysto miast, gdy na ny, a energi

przetwornicy generowany obwodzie b wyłączenia tr o napięcia za

erująca bezindu

TKIEM H M

ku H wykor

dołączone d ny wymaga z rzyłączeniu d

sterownika rowanie kluc mności użyte

pojemność z ponowneg ośrednio z mi

DC 300VDC

ORNICA D

ych tranzysto w sterujących

układy steruj owego działa anego napięc

ora, gdy nap apięcie wejś a do odbior y został zapr ych przez prz bramki tranz

ranzystora, a adanego.

ukcyjnej przetw

METODĄ

rzystano met do masy, co p

zastosowania dodatkowego tego klucza.

cza z pewny ego kondens tym dłużej t go załączania ikrokontroler

DC/DC BUC

orów 2N60 p

h napięciem ujące zastoso ania takiej p cia siecioweg

pięcie wejśc ciowe jest w rnika jest d rezentowany zetwornicę, zystora, jedn a to skutkuje

ornicy DC/DC

BOOTSTR

todę Bootstra powoduje łat a odpowiedn o kondensato . Tak przenie ym ogranicze

satora. A zale tranzystor m a. Na wejścia

ra zadane sta

31

CK

przy napię- m 12V. Ze

wano bez- przetworni- go. Zasada

ciowe jest większe od ostarczana y na rysun-

należy za- akże takie wzrostem

[4]

RAP

ap. Źródło twość jego niego ukła-

ora pomię- esiony po- eniem cza- eżność jest

oże zostać a sterujące any kluczy

32

w mostku lera. Stero pujących wyniósł 1

Zasilen powanie z przełączeń dv/dt na u pięcia na Przebiegi ku 10. Je BLDC po

Rys. 9

u H. Jako cza owanie poszc po sobie in µs, co jest w

Rys. 8

nie silnika B zakłóceń wid ń poszczegó uzwojeniach ależy zastoso

po zredukow dnakże zwię owoduje zwię

9. Szyna 5VDC

Łu

as martwy, m czególnymi k nstrukcjach. C wystarczającym

8. Struktura wew

6. ELIMIN

BLDC napię docznych na ólnych kluczy h silnika BLD

ować rezysto waniu poziom ększanie cza ększenie stra

C z widocznymi

ukasz Ciepliń

można przyją kluczami jest Czas trwania

m czasem na

wnętrzna układu

NACJA ZA

ęciem na poz

linii zasilają y. Jest to zw DC. W celu or w obwod mu zakłóceń asu narastani at w przełącz

zakłóceniami o ski

ąć czas jedne t realizowane a taktu w re a całkowite w

u scalonego L6

AKŁÓCEŃ

ziomie 300V ącej 5V na ry wiązane z duż u zwiększenia dzie bramki ń zostały zapr a napięcia n zających tran

oraz dv/dt na za

ego taktu mik e w programi ealizowanym wyłączenie tra

388 [5]

VDC powodu ysunku 9 w żą wartością a czasu nara każdego tr rezentowane na uzwojenia zystorach.

aciskach cewki

krokontro- ie w nastę- m projekcie

anzystora.

uje wystę- momencie ą różniczki astania na- ranzystora.

e na rysun- ach silnika

silnika

Rys. 10. S

W art BLDC or nej części rowania p wiono me

[1] Dote rendo [2] Dudzi

i ich s niki Ś [3] dokum [4] dokum [5] dokum [6] Hetm

ści na (2003 [7] Domo

szyty [8] Goryc

stałeg

Szyna 5VDC z w

tykule zapre raz metody w

i silnoprądow poszczególny etody elimina

Y., Kinoshita on Press, Oxfo ikowski I., P sterowanie –st Śląskiej, seria

mentacja techn mentacja techn mentacja techn ańczyk J., Do apędu z siln 3).

oracki A., Kry Problemowe ca Z., Pakosz go, Przegląd E

Jednofazow

wyeliminowany

7. PO

ezentowano wykrycia poł

wej silnika B ymi moduła acji zakłóceń

LI

a S.: Brushless ord 1990.

Pawlaczyk L.

tan aktualny i Elektryka z. 1 niczna układu niczna układu niczna układu omoracki A., W

ikiem BLDC ykowski K., S

- Maszyny El z A., Bezczujn Elektrotechnicz

wy silnik BLD

ymi zakłócenia

DSUMOW

ogólny pod łożenia wału BLDC oraz z

mi energoel ń elektromag

ITERATUR

s servomotors , Maszyny p i perspektywy 176, Gliwice 2 u scalonego TL u scalonego SR u scalonego L6 Wpływ wad c C, Postępy w Silniki BLDC lektryczne, (20 nikowe sterow zny nr6, 2008

DC 300VDC

ami oraz dv/dt n

WANIE

dział metod u. Przedstawi zaimplement lektronicznym gnetycznych w

RA

s -Fundamenta prądu stałego y rozwoju. Zes

2001 . LE 4905 L.

R086.

6388.

czujnika położ w elektrotechn C - klasyczne 005), nr 72, 12 wanie bezszcz 8, 172-174.

na zaciskach cew

sterowania iono model towane algo mi systemu.

w silnikach B

al and Applica o magnesac szyty Naukow

żenia wirnika nice stosowan metody stero 25-159.

zotkowego sil

33

wki silnika

silnikami opracowa- rytmy ste- Przedsta- BLDC.

ations. Cla- ch trwałych we Politech-

na własno- nej: PES-4, owania, Ze-

lnika prądu

34 Łukasz Ciepliński

SINGLE-PHASE BLDC 300VDC MOTOR

In the article the elaborated physical model of the single-phase BLDC 300VDC mo- tor was described. The power circuits, control algorithms and the principle of working BLDC motor were presented. Also the chosen research results were analyzed.

(Received: 30.01.2018, revised: 12.03.2018)