Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем - понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.

Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.
Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина
Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.
Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.
Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение
Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.
Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.
Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).

На осциллографе это выглядит так:

Конструктивные особенности
Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.
Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.
На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.
На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.
Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя
Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.
Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:
1. По датчикам Холла
2. По обратной ЭДС
Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.
Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла
Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.
Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.
Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС
Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:
1. Обмотка подключена к 0
2. Обмотка не подключена (свободная фаза)
3. Обмотка подключена к питающему напряжению
4. Обмотка не подключена (свободная фаза)
Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя
Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).

Схема со средней точкой

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.
бесколлекторный двигатель

Задача электрического двигателя создать вращение, что приводит в движение радиоуправляемые модели.Часто одни и те же радиоуправляемые модели - автомодели, авиамодели, судомодели - сильно отличаются друг от друга по цене - почти в 2 раза. Эти модели могут быть укомплектованы коллекторными и бесколлекторными двигателями и соответственными регуляторами. Нужно понять, какой двигатель выбрать.

Существует 2 основных типа электродвигателей, использующихся в радиоуправляемых моделях: коллекторные и бесколлекторные.

(brushed, щеточные) дешеле, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость и такие моторы менее надежны.

Определяющей особенностей коллекторных двигателей является наличие щеточно-коллекторного узла, который обеспечивает движение радиоуправляемой модели. Главным внешним отличием коллекторного двигателя от бесколлекторного является наличие у него двух проводов вместо трех. Коллекторный двигатель состоит из подвижной части - ротор и неподвижной - статор (корпус). Коллектор - набор контактов, расположены на роторе и щётки - скользящие контакты, расположены вне ротора и прижаты к коллектору. Ротор с обмотками вращается внутри статора. Щётки используются, чтобы передавать электрическую энергию на катушки вращающихся обмоток ротора. Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости.

Коллекторные двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях, работают от постоянного тока. К примеру, подав на два провода двигателя соответствующее напряжение от источника постоянного тока, например, обычной батарейки или аккумулятора, приводим вал двигателя в движение. Схема регулятора для коллекторного двигателя простая, что так же уменьшает стоимость такой комплектации. Ротор двигателя разгоняет магнитное поле, создаваемое на обмотках. Величина этого поля зависит от напряжения приложенного к обмоткам, чем большее магнитное поле будет создано, тем быстрее будет крутиться ротор. На двигателе обычно указывается число оборотов обмотки двигателя, чем меньше число, тем выше скорость вращения вала двигателя.
Среди преимуществ коллекторных двигателей радиоуправляемых моделей можно выделить: малые размеры, вес, а также относительно низкая стоимость. Поэтому такой тип двигателя наиболее часто применяется в бюджетных комплектациях моделей или в моделях начального уровня. Если говорить о надежности коллекторного двигателя, то он сильно уступает бесколлекторному. При всей их простоте, у них один огромный недостаток - ограниченный ресурс. Наличие щеточно-коллекторного узла подразумевает механическую систему подвижных контактов, то есть механическая работа щеточек и коллектора может привести к искрению при перегреве и быстрый износ при неблагоприятных условиях эксплуатации (влага, грязь, пыль). В процессе работы коллекторных двигателей происходит постепенный износ графитовых щеток и металла коллектора, по которым щетки скользят и рано или поздно они выходят из строя. Перед началом эксплуатации модели, двигатель желательно обкатать при пониженной нагрузке для того, чтобы щетки правильно притерлись к коллектору. При агрессивной (может быть 2 заезда) или длительной эксплуатации модели замена коллекторного моторчика – это частое и обыденное явление.

Бесколлекторные двигатели (brushless, бесщёточные) – дороже, но способны развить большую скорость, а также более износостойкие. Модель, оборудованная современной бесколлекторной системой, ездит и быстрее, и дольше.

Высокая эффективность (коэффициент полезного действия) и износостойкость достигается благодаря отсутствию щеточно-коллекторного узла. Бесколлекторные моторы являются более мощными, чем коллекторные моторы того же размера. Главным внешним отличием бесколлекторного мотора от коллекторного является наличие у него трёх проводов вместо двух. У бесколлекторного двигателя подвижной частью является как раз статор (корпус) с постоянными магнитами, а неподвижной частью - ротор с трехфазной обмоткой. Переключение обмоток происходит за счет относительно сложной электронной схемы - регулятора.

Бесколлекторный двигатель приводится во вращение трёхфазным переменным током, поэтому для их работы необходим специальный контроллер скорости (регулятор), преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный. Как бесколлекторный двигатель, так и регулятор для бесколлекторного двигателя имеет более сложную конструкцию, в силу чего, стоимость возрастает.

Двигатели, используемые в моделях, имеют закрытый корпус, что делает их устойчивыми к влаге, пыли, грязи. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Изнашиваться могут только подшипники. Единственная возможность разбить мотор - в столкновении. Еще можно сжечь контроллер - как и любой регулятор, но при наличии в контроллере защиты по току он тоже прослужит долго.

Значения характеристик двигателя для радиоуправляемых моделей

Помимо деления на коллекторные и бесколлекторные, двигатели делятся по следующим значимым характеристикам: мощности, КV, напряжению, максимальному току.

По размерам . Для коллекторного двигателя - эта характеристика называется класс, где цифрой, к примеру, 280, 300,400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, обозначается длина корпуса двигателя. Существует набор классов.
Пример: класс двигателя определяется его длиной - если мы говорим о двигателе 400-го класса, то речь идет о моторе с длиной корпуса 400мм. У Бесколлектоных двигателей важной характеристикой яляется его размер - длина и ширина. Различия в размерах дает представление о мощности бесколлекторного электромотора. Чем больше размер - тем выше мощность.
Пример: Двигатель 4274 означает:
диаметр - 42 мм,
длина - 74 мм.
Например, двигатель с такими размерами один из самых мощных, он подойдет на автомодель масштаба 1:8.

Мощность двигателя (power, watt) - определяет работу, которую двигатель может выполнить в единицу времени. Самая важная характеристика мотора. Зная мощность, можно определить максимальную нагрузку которую может выдержать двигатель по формуле.
Мощность (Ватт) = Напряжение питания (Вольт) * Сила тока (Ампер).
Зная мощность можно подобрать аккумулятор и регулятор по максимальной силе тока, получаемой из формулы.

Обороты , об/В (KV, RPM) - обороты на вольт.
Важный параметр указывает скорость вращения вала двигателя. Обороты в минуту определяются количеством вращений в минуту, проще говоря как быстро вращается мотор. Скорость вращения ротора, измеряется в KV. Так принято обозначать коэффициент отношения частоты вращения оборотов мотора (об/мин) к напряжению питания мотора (В). Грубо говоря kV показывает насколько быстро будут вращаться разные моторы при одинаковом напряжении.
Максимальные обороты = KV * Напряжение питания двигателя.
Например: мотор мощностью 980 KV, на который подаются 11.1V от батарейки будет вращаться при 980 x 11.1 = 10878 оборотах в минуту без нагрузки.
Показания тока могут представлять максимальный непрерывный ток и предельные значения тока, который может подаваться на двигатель. Выбирая аккумулятор и регулятор, выбирайте те, на которых указаны значения максимального непрерывного тока равного и больше, чем значения тока на моторе.
Для разных моделей, разных используемых шестеренок и пропеллеров требуемый kV мотора подбирается и вычисляется индивидуально. По этому параметру можно подобрать применение мотора, аккумулятор и пропеллер. Так моторы с KV больше 2000, как правило, применяют на вертолетах либо на скоростных моделях. Мотор с высоким KV можно использовать с батарей из меньшего количества банок и он более эффективен с пропеллером с меньшим шагом. Моторы этого класса чаще используют на летающих крыльях. Моторы с меньшим KV позволяют ставить аккумуляторы с большим количеством банок, таким образом несколько набирая вес, но увеличивая продолжительность полета - не за счет емкости, а за счет снижения максимальных токов при той же работе выполняемой мотором. Чем выше KV моторов, тем компактнее должны быть винты. Винты небольшого размера обеспечивают более высокую скорость, но снижают эффективность. Конфигурацию с винтами большого размера и, соответственно, моторы с более низким значением KV проще заставить стабильно летать, она расходует меньше энергии, позволяет поднять большую массу.
KV - значимая характеристика для бесколлекторных моторов. У коллекторных моторов обычно на KV не смотрят. Если моделист принял решение заменить коллекторный мотор, то обычно меняет на точно такой же.

Напряжение питания, В (cell count, volts)
Напряжение, к которому приспособлен двигатель. Определяет количество банок аккумулятора, которое можно использовать с мотоустановкой. При превышении резко уменьшается время жизни мотора.
Например, имеются моторы с рабочим напряжением 4,8 вольта, 6 вольт, и 7,2 вольта. Эти цифры указывают, с каким количеством банок в батарее предназначен работать этот двигатель. Напряжение на одной банке NiMH (никель-металгидридном) аккумулятора составляет 1,2 вольта - мотор с рабочим напряжением 4,8 вольт предназначен для работы от 4-х баночного аккумулятора. Эти цифры ориентировочные, моторы способны работать и при повышенных напряжениях.
Напряжение и KV связаны.

Максимальная эффективность , % (max efficiency)
КПД - то количество энергии, которое мотор переводит непосредственно в полезную работу. Чем выше - тем лучше.

По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Эта характеристика говорит о конструктивной особенности мотора.
Двигатели Inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Большенству радиоуправляемых моделей - машин и лодок требуются бесколлекторный мотор Inrunner.
Двигатели Outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами, т. е. в аутраннерах вращается внешняя часть мотора. Аутранеры выбирают для авиамоделей, т. к. они в силу своей конструкции лучше охлаждаются и у них больше вариаций, как их можно прикрепить. Моторы Outrunner имеют меньшие значения в Киловольтах, что означает, что они движутся с меньшей скоростью, но с большим крутящим (вращающим) моментом. Обычно мощность Аутранеров не определяют по внешним габаритам. Аутраннеры благодаря своей конструкции позволяют использовать большее число магнитных полюсов.

Количество полюсов магнитов , используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным.
По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Моторы с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения, но зато больший крутящий момент.

Также бесколлекторные двигатели бывают сенсорные и бессенсорные.
Сенсорные лучше, так как сенсор обеспечивает более плавную работу двигателя, быстрый и плавный старт, более рациональное использование энергии.