Sterowanie silnikami bezszczotkowymi - przegląd metod

Silniki bezszczotkowe charakteryzuje dłuższa żywotność oraz korzystny stosunek masy do rozmiarów. Mogą też pracować tam, gdzie ze względu na występowanie łatwopalnych albo wybuchowych substancji iskrzenie szczotek byłoby niebezpieczne.

Niestety sterowanie silnikami bezszczotkowymi jest trudniejsze. W artykule przedstawiamy przegląd oraz przykłady realizacji technik sterowania urządzeniami tego typu. Poprzedzamy ich krótką charakterystyką.

Budowa silników bezszczotkowych

Rys. 1. Modele silników bezszczotkowych z: a) jednym i b) dwoma parami biegunów

Silniki BLDC zbudowane są z obracającego się wirnika z magnesami trwałymi. Jest on otoczony przez nieruchome, jednakowo od siebie oddalone uzwojenia, które tworzą stojan. Dzięki takiej budowie wirniki silników bezszczotkowych są lżejsze od wirników konwencjonalnych, uniwersalnych silników DC, w przypadku których uzwojenia są montowane na tym obracającym się elemencie. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony model silnika BLDC.

W podstawowym wykonaniu stojan trójfazowego silnika bezszczotkowego ma trzy uzwojenia. W niektórych silnikach liczbę uzwojeń się zwiększa, co ma na celu ograniczenie tętnień momentu obrotowego.

Liczba biegunów magnetycznych wirnika też ma wpływ na te ostatnie. Im tych pierwszych jest więcej, tym tętnienia momentu obrotowego silnika są mniejsze. Typowo wirniki silników bezszczotkowych mają od 1 do 5 par biegunów. W niektórych konstrukcjach może to być aż 8 par biegunów.

Jak działa silnik BLDC?

Na skutek przepływu prądu przez uzwojenia stojana każde z nich wytwarza pole magnetyczne, które sumuje się z pozostałymi. Poprzez zmianę tych prądów można wpływać na kierunek i wartość wypadkowego pola wytwarzanego przez stojan.

Moment obrotowy silnika jest wytwarzany w wyniku oddziaływania pól magnetycznych stojana i wirnika. Dla każdego położenia wirnika istnieje kierunek wypadkowego pola magnetycznego stojana, przy którym można uzyskać maksymalny moment obrotowy oraz kierunek, przy którym nie będzie on w ogóle wytwarzany.

W polu magnetycznym stojana można bowiem wyróżnić składową prostopadłą i składową równoległą do pola magnetycznego wirnika. Do zwiększenia momentu obrotowego przyczynia się ta pierwsza, zaś druga wywiera na tę wielkość odwrotny wpływ. Celem efektywnego sterowania silnikami bezszczotkowymi jest więc ograniczenie niepożądanej składowej i zwiększenie tej prostopadłej.

Czym jest wektor przestrzenny prądu?

W dalszej analizie wygodniej jest posługiwać się prądami uzwojeń niż polem magnetycznym stojana, ponieważ można je łatwiej zmierzyć. W związku z tym korzysta się z wektorów przestrzennych prądu.

Wektor przestrzenny prądu dla danego uzwojenia ma kierunek pola wytwarzanego przez to uzwojenie i wartość proporcjonalną do prądu, który przez nie płynie. Pozwala to całkowite pole stojana wyrazić jako wektor przestrzenny prądu, będący sumą trzech składowych, z których każda jest wektorem przestrzennym prądu jednego uzwojenia stojana.

W takim ujęciu celem efektywnego sterowania powinno być ograniczenie tych składowych prądu stojana, które wytwarzają niepożądaną składową jego pola. Idealnie prądy uzwojeń powinny mieć przebiegi sinusoidalne, przesunięte w fazie o 120° i fazie zgodnej z kątem obrotu wirnika. W różnym stopniu udaje się to uzyskać w różnych technikach sterowania.

Sterowanie trapezowe

Jedną z najprostszych metod sterowania silnikami bezszczotkowymi jest sterowanie trapezowe. Korzysta się z niej wtedy, gdy nie jest wymagana kontrola położenia, a raczej prędkości lub momentu obrotowego silnika. Wykorzystuje się w tym przypadku fakt, że ten ostatni zmienia się w stosunkowo nieznacznym stopniu, jeżeli pola magnetyczne stojana i wirnika nie są dokładnie prostopadłe, lecz odchyłka od 90° jest także stosunkowo niewielka.

W tej technice położenie wirnika jest określane z dokładnością do 60°. Wyróżnić można zatem sześć jego różnych pozycji. Do ich pomiaru wykorzystuje się wbudowane w silnik czujniki Halla.

W tej metodzie jednocześnie prąd o jednakowym natężeniu płynie tylko przez dwa uzwojenia. Kiedy wirnik się obraca, zasilanie uzwojeń jest przełączane. W rezultacie odchyłka kierunku wektora przestrzennego prądu od 90° wynosi ±30°. Przekłada się to na tętnienia momentu obrotowego rzędu kilkunastu procent.

Sterowanie trapezowe - przykład realizacji

Rys. 2. Przykład realizacji sterowania trapezowego

Ponadto prądy płynące przez uzwojenia stojana nie mają przebiegów sinusoidalnych, a ich przełączaniu towarzyszy słyszalny odgłos na skutek efektu magnetostrykcji. Trudno jest także w ten sposób sterować silnikiem przy małych prędkościach. Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy sterownika silników BLDC, który realizuje metodę sterowania trapezowego.

Jego częścią jest regulator PI, który odpowiada za regulację natężenia prądu płynącego przez uzwojenia stojana. Na wejściu tego regulatora podawany jest sygnał błędu, który jest odchyłką rzeczywistej wartości momentu obrotowego silnika od zadanej. Jest on całkowany, a potem wzmacniany. Sygnał wyjściowy regulatora jest podawany na wejście modulatora PWM.

Sterowanie komutacją realizowane jest niezależnie od regulacji natężenia prądu. Wybór pary uzwojeń, przez które przy danym położeniu wirnika ma płynąć prąd, jest dokonywany na podstawie wyników pomiarów z sensorów Halla. Trzecie uzwojenie jest zawsze odłączane.

Sterowanie sinusoidalne

Rys. 3. Przykład realizacji sterowania sinusoidalnego

Alternatywą dla sterowania trapezowego przy małych prędkościach silnika jest sterowanie sinusoidalne. W tym przypadku przez wszystkie uzwojenia silnika płyną prądy o przebiegu sinusoidalnym, o fazach tak dobranych, aby obracający się wektor przestrzenny prądu był zawsze prostopadły do wirnika i miał stałą wartość. Eliminuje to tętnienia momentu obrotowego i problemy związane z komutacją prądów.

Aby założenia te zrealizować, potrzebna jest jednak dużo dokładniejsza informacja o aktualnej pozycji wirnika niż ta, która jest przetwarzana w sterowaniu trapezowym. Nie można zatem w tym przypadku skorzystać z czujników Halla, które dostarczają tylko zgrubnych danych. Alternatywą dla tych czujników są enkodery. Sensory te w sposób ciągły dostarczają informacji o bieżącym ustawieniu wirnika.

Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy sterownika silników szczotkowych, który realizuje metodę sterowania trapezowego. W tym przykładzie wykorzystywane są dwie oddzielne pętle prądowe dla każdego z dwóch uzwojeń.

Sterowanie sinusoidalne - przykład realizacji

Ze względu na sposób połączenia uzwojeń natężenie prądu w trzecim uzwojeniu jest bowiem równe ujemnej sumie natężeń prądów w dwóch pozostałych uzwojeniach. W związku z tym nie może ono być oddzielnie regulowane.

Informacja o położeniu wirnika z enkodera jest wykorzystywana do wygenerowania dwóch przebiegów sinusoidalnych, przesuniętych w fazie o 120°. Sygnały te są dalej przemnażane przez zadaną wartość momentu obrotowego, dzięki czemu amplitudy tych przebiegów będą do niego proporcjonalne.

Są one następnie podawane na wejścia regulatorów PI, które odpowiadają za regulację natężenia prądu płynącego przez dwa uzwojenia stojana silnika. Sygnały wyjściowe z regulatorów są doprowadzane na wejścia dwóch modulatorów PWM. Sygnał wejściowy trzeciego modulatora PWM jest z kolei obliczony na podstawie sygnałów sterujących z regulatorów PI.

Sterowanie wektorowe

Rys. 4. Przykład realizacji sterowania wektorowego

W związku z ograniczonym pasmem przenoszenia regulatorów proporcjonalno-całkujących wraz ze wzrostem prędkości obrotów silnika maleje dokładność sterowania sinusoidalnego. Problem ten nie dotyczy kolejnej techniki, którą jest sterowanie wektorowe. Co więcej, w tej metodzie nie występuje problem ze sterowaniem silników przy małej prędkości, uznawany za wadę techniki sterowania trapezoidalnego.

Wynika to stąd, że w sterowaniu wektorowym najpierw dokonuje się transformacji wielkości regulowanych, a następnie są one przetwarzane przez regulatory PI. Potem sygnały sterujące są ponownie transformowane do postaci, w której mogą zostać doprowadzone na wejście modulatora PWM.

W efekcie regulatory PI nie operują bezpośrednio na zmiennych w czasie prądach i napięciach, dzięki czemu jakość regulacji nie jest zależna od prędkości obrotów silnika. W idealnym przypadku wektor przestrzenny prądu ma stałą wartość i kierunek prostopadły do wirnika, bez względu na jego pozycję. Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy sterownika silników bezszczotkowych, który realizuje metodę sterowania wektorowego.

Monika Jaworowska