JEDNOFAZOWY SILNIK BLDC 300VDC

Transkrypt

1 POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 95 Electrical Engineering 2018 DOI /j Łukasz CIEPLIŃSKI * JEDNOFAZOWY SILNIK BLDC 300VDC Niniejszy artykuł poświęcony jest tematyce silników BLDC. W pierwszym rozdziale zaprezentowano metody sterowania silników trójfazowych BLDC oraz procedury wykrycia położenia wału silnika. W dalszej części autor przedstawił realizację fizycznego modelu oraz zaimplementowane algorytmy sterowania poszczególnymi modułami energoelektronicznymi systemu. Opisano również sposoby eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych 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 stosowania 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 indukcyjnych [1, 2]. Wyeliminowanie szczotek pozwoliło uzyskać większą trwałość i niezawodność silnika oraz poprawiło to również sprawność energetyczną. Lepsze chłodzenie cewek ze względu na konstrukcję budowy umożliwia budowanie silników BLDC o mniejszych gabarytach, ale takiej samej mocy w porównaniu do silników indukcyjnych. * Politechnika Poznańska

2 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

3 Jednofazowy silnik BLDC 300VDC 29 okres przewodzenia zarówno rolę klucza komutacyjnego, jak i sterującego napięciem wyjściowym. Rys. 3. Sterowanie C60Q+ oraz C60Q [7] 2.4. Sterowanie bipolarne Sterowanie bipolarne jest najprostszą metodą sterowania, ponieważ wszystkie 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 położenia wału silnika. Zmiana stanu czujnika Halla wyznacza bezpośrednio typ

4 30 Łukasz Ciepliński komutacji oraz położenie wirnika. Metoda umożliwia pracę silnika z bardzo niskimi obrotami oraz natychmiastowe wystartowanie z pełnym momentem. Zastosowanie czujnika Halla posiada również wady [6]. Na rysunku 5 przedsta- wiono zasadę działania czujnika Halla. Rys. 5. Zasada działania czujnika Halla [3] 3.2. Back-EMF Położenie wału określa się na podstawie wyindukowanej siły elektromoto- gdy silnik rycznej na uzwojeniuu silnika podczas jego pracy [8]. W momencie jest zatrzymany, nie można pozyskać informacji o położeniu wirnika względem stojana silnika, a to może spowodować rozruch silnika w przeciwną stronę. Wy- wału. Na rysunku 6 przedstawionoo zjawisko Back-EMF. korzystanie tej metody zmusza do pozycjonowania wirnika przy zatrzymywaniu Rys. 6. Wyindukowane Back-EMF na cewce silnika BLDC

5 Jednofazowy silnik BLDC 300VDC BEZINDUKCYJNA PRZETWORNICA DC/DC BUCK Ze względu na pełne otwarcie zastosowanych tranzystorów 2N60 przy napię- ciu 10V jest konieczność zasilenia układów sterujących napięciem 12V. Ze względu na małe zapotrzebowaniee energii na układy sterujące zastosowano bez- indukcyjną przetwornicę DC/DC. Do prawidłowego działania takiej przetworni- Zasada cy wymagane jest zasilenie jej z wyprostowanego napięcia sieciowego. działania polega na przewodzeniu tranzystora, gdy napięcie wejściowe jest mniejsze od wartości 12V. Natomiast, gdy napięcie wejściowe jest większe od 12V tranzystor pozostaje zatkany, a energia do odbiornika jest dostarczana z kondensatora. Schemat ideowy przetwornicy został zaprezentowany na rysunnależy za- ku 7. W celu eliminacji zakłóceń generowanych przez przetwornicę, stosować dodatkowy rezystor w obwodzie bramki tranzystora, jednakże takie działanie wpłynie na opóźnienie wyłączenia tranzystora, a to skutkuje wzrostem napięcia na wyjściu w stosunku do napięcia zadanego. Rys. 7. Część silnoprądowa i sterująca bezindukcyjnej przetwornicy DC/DC [4] 5. STEROWANIE MOSTKIEM H METODĄ BOOTSTRAP Do sterowania kluczy w mostku H wykorzystano metodę Bootstrap. Źródło klucza dolnego jest bezpośrednio dołączone do masy, co powoduje łatwość jego sterowania. Natomiast klucz górny wymaga zastosowania a odpowiedniego ukła- pomię- du sterującego, który polega na przyłączeniu dodatkowego o kondensatora dzy źródło tranzystoraa a zasilanie sterownika tego klucza. Tak przeniesiony po- cza- ziom napięcia pozwala na wysterowanie klucza z pewnym ograniczeniem sowym, które jest zależne od pojemności użytego kondensatora. A zależność jest następująca, że im większa użyta pojemność tym dłużej tranzystor może zostać wysterowany w przewodzeniu bez ponownego załączania. Na wejścia sterujące HIN oraz LIN są podawane bezpośrednio z mikrokontrolera zadane stany kluczy

6 32 Łukasz Ciepliński w mostku H. Jako czas martwy, można przyjąć czas jednego taktu mikrokontro- w nastę- lera. Sterowanie poszczególnymi kluczami jest realizowanee w programie pujących po sobie instrukcjach. Czas trwaniaa taktu w realizowanym projekcie wyniósł 1µs, co jest wystarczającym czasem na całkowite wyłączenie tranzystora. Rys. 8. Struktura wewnętrzna układuu scalonego L6388 [5] 6. ELIMINACJA ZAKŁÓCEŃ Zasilenie silnika BLDC napięciem na poziomie 300VDC powoduje wystęmomencie powanie zakłóceń widocznych na linii zasilającej 5V na rysunku 9 w przełączeń poszczególnych kluczy. Jest to związane z dużą wartością różniczki dv/dt na uzwojeniach silnika BLDC. W celu zwiększenia czasu narastania na- Przebiegi po zredukowaniu poziomu zakłóceń zostały zaprezentowanee na rysun- pięcia należy zastosować rezystor w obwodzie bramki każdego tranzystora. ku 10. Jednakże zwiększanie czasu narastania napięcia na uzwojeniach silnika BLDC powoduje zwiększenie strat w przełączających tranzystorach. Rys. 9. Szyna 5VDC z widocznymi zakłóceniami oraz dv/dt na zaciskach cewki silnika

7 Jednofazowy silnik BLDC 300VDC 33 Rys. 10. Szyna 5VDC z wyeliminowanymi zakłóceniami oraz dv/dt na zaciskach cewki silnika 7. PODSUMOWANIE W artykule zaprezentowano ogólny podział metod sterowania silnikami BLDC oraz metody wykrycia położenia wału. Przedstawiono model opracowa- ste- nej części silnoprądowej silnika BLDC oraz zaimplement towane algorytmy rowania poszczególnymi modułami energoelektronicznymi systemu. Przedstawiono metody eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych w silnikach BLDC. LITERATURA [1] Dote Y., Kinoshita S.: Brushlesss servomotorss -Fundamental and Applications. Cla- trwałych rendon Press, Oxford [2] Dudzikowski I., Pawlaczyk L., Maszyny prądu stałego o magnesach i ich sterowanie stan aktualny i perspektywyy rozwoju. Zeszyty Naukowe Politechna własno- niki Śląskiej, seria Elektryka z. 176, Gliwice [3] dokumentacja techniczna układuu scalonego TLE 4905 L. [4] dokumentacja techniczna układuu scalonego SR086. [5] dokumentacja techniczna układuu scalonego L6388. [6] Hetmańczyk J., Domoracki A., Wpływ wad czujnika położenia wirnika ści napędu z silnikiem BLDC, Postępy w elektrotechnice stosowanej: PES-4, (2003). [7] Domoracki A., Krykowski K., Silniki BLDC - klasyczne metody sterowania, Ze- prądu szyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, (2005), nr 72, [8] Goryca Z., Pakosz A., Bezczujnikowe sterowanie bezszczotkowego silnika stałego, Przegląd Elektrotechniczny nr6, 2008,

8 34 Łukasz Ciepliński SINGLE-PHASE BLDC 300VDC MOTOR In the article the elaborated physical model of the single-phase BLDC 300VDC motor was described. The power circuits, control algorithms and the principle of working BLDC motor were presented. Also the chosen research results were analyzed. (Received: , revised: )