POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 95 Electrical Engineering 2018 DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0003 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
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 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
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
Jednofazowy silnik BLDC 300VDC 31 4. 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
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
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 1990. [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 2001. [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, 125-159. [8] Goryca Z., Pakosz A., Bezczujnikowe sterowanie bezszczotkowego silnika stałego, Przegląd Elektrotechniczny nr6, 2008, 172-174.
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: 30.01.2018, revised: 12.03.2018)