Когда лучше использовать бесщеточные альтернативы
В последние годы все большее распространение получают бесщеточные двигатели постоянного тока. Они работают более плавно, чем щеточные двигатели, имеют более высокий КПД, требуют меньшего технического обслуживания и обладают более высоким отношением крутящего момента к мощности.
С другой стороны, бесщеточные двигатели дороже и нуждаются в более сложной схеме управления. В этой статье рассматриваются другие различия между двумя типами двигателей, и объясняется, почему во многих случаях более дешевый бесщеточный двигатель постоянного тока остается лучшим вариантом.
Конструкция и работа двигателя
Щеточные двигатели постоянного тока состоят из четырех основных компонентов: статора, ротора, коллектора и щеток (см. Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Двухполюсный щеточный двигатель. |
Статор может быть постоянным магнитом или электромагнитом. Он неподвижен и охватывает ротор, состоящий из одной или нескольких обмоток провода, намотанных на сердечник из черного металла, обычно железа.
При прохождении тока через обмотку ротора возникает магнитное поле, которое взаимодействует с полем, создаваемым статором, и, таким образом, вращает ротор. Коллектор представляет собой проводящую медную втулку на оси ротора, имеющую зазоры, разделяющие его на сегменты. При вращении оси он физически отсоединяется от щеток и снова подключается к другой паре сегментов. Это меняет полярность магнитного поля каждый раз, когда двигатель совершает пол-оборота, и обеспечивает плавное вращение.
Преимуществом щеточного двигателя постоянного тока является то, что за счет вращения коллектора он сам меняет направление тока, поэтому внешний контроллер ему не требуется. Недостаток же заключается в том, что щетки и коллектор могут изнашиваться из-за трения и требовать обслуживания.
Существует пять типов щеточных двигателей – один с постоянным магнитом и четыре варианта с электромагнитом в статоре: с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением. Наиболее распространенными являются двигатели с постоянными магнитами и с независимым возбуждением благодаря своей универсальности. У каждого варианта есть свои плюсы и минусы, что делает их пригодными для различных областей применения.
В отличие от этого, бесщеточному двигателю постоянного тока, как следует из его названия, для коммутации токов обмоток не нужны щетки. Вместо изменения направления тока посредством физического контакта между щетками и коллектором с пазами, для управления направлением тока бесщеточного двигателя используется электронная схема. Это создает переменный ток от источника постоянного тока, и контроллер меняет направление (или фазу) тока каждый раз, когда двигатель поворачивается на 180° или на другой фиксированный угол, например, на 120° для трехфазного двигателя, обеспечивая равномерное вращение.
Бесщеточный двигатель обеспечивает более плавное вращение, чем щеточный двигатель, и обычно требует меньшего обслуживания. Бесщеточный двигатель также имеет более длительный срок службы, поскольку щетки и коллектор не подвергаются физическому износу. Это позволяет обеспечить более точное управление и более высокие скорости, и часто – более высокое отношение мощности к массе. Кроме того, у большинства бесщеточных двигателей ток проходит через неподвижную обмотку, вокруг которой вращаются постоянные магниты; это позволяет избежать сложностей, связанных с передачей тока через подвижный ротор.
Типичные схемы управления
Главным недостатком бесщеточного двигателя является стоимость – как самого двигателя, так и необходимой для него более сложной схемы управления.
В простейшем случае щеточному двигателю не требуется внешний контроллер, поскольку для поддержания его вращения достаточно физического подключения щеток. Если же для приложения требуется, чтобы двигатель имел переменную скорость или мог менять направление вращения, нужна какая-либо схема управления.
Принцип действия схемы управления коллекторным двигателем основан на том, что напряжение на двигателе пропорционально скорости вращения, поэтому изменение напряжения позволяет управлять скоростью вращения. Схемы также могут изменять направление тока, протекающего через двигатель, тем самым изменяя направление вращения.
На практике напряжение часто поддерживается постоянным, но быстро выключается и включается снова с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для получения нужного «среднего» напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Это более эффективно, чем снижение управляющего напряжения за счет использования делителя напряжения.
Щеточному двигателю для вращения в одном направлении требуется всего один транзистор и обратный диод, а для изменения направления нужна показанная на Рисунке 2 схема, называемая H-мостом. Обратные диоды на Рисунке 2 обеспечивают безопасный путь к земле для противо-ЭДС, которая при отсутствии диодов могла бы привести к повреждению схемы. Напротив, бесщеточному двигателю полный H-мост требуется для любого вращения.
 |
|
| Рисунок 2. | Схема Н-моста. |
В H-мосте для управления током используются четыре транзистора: Q1, Q2, Q3 и Q4. Когда транзисторы Q1 и Q4 включены, ток протекает через двигатель (обозначенный как BDC) слева направо, заставляя его вращаться. И наоборот, если включены Q2 и Q3, ток течет справа налево, и двигатель вращается в противоположном направлении.
В бесщеточном двигателе для создания регулируемого напряжения переменного тока требуется сложная схема управления из-за отсутствия возможности физической коммутации. Управление изменением напряжения может быть реализовано с помощью аналоговых компонентов или цифровым способом с помощью ПЛИС или микроконтроллера. На практике управление часто осуществляется с помощью микросхем универсальных драйверов двигателей, в которых объединены все необходимые функции.
В схемах управления бесщеточными двигателями могут использоваться датчики для определения положения вала, что позволяет синхронизировать коммутацию управляющего напряжения с вращением двигателя. Это достигается с помощью оптических энкодеров или датчиков Холла, но положение также может быть определено путем измерения противо-ЭДС, создаваемой обмотками двигателя; такую конфигурацию часто называют бесщеточным двигателем постоянного тока (BLDC) с бессенсорным управлением, и, хотя она позволяет обойтись без датчиков, она усложняет схему управления.
Простые решения для щеточных двигателей
Следующие примеры показывают, как на практике можно управлять щеточными двигателями.
Во-первых, в простых однонаправленных приложениях, например, в игрушках, можно использовать MOSFET DMTH4008LFDFWQ, обеспечивающие коммутацию, необходимую для управления скоростью (Рисунок 3). Устройство отличается высокой надежностью, работает при температуре до 175 °C, обеспечивает высокую плотность мощности – до 40 В при токе до 11.6 А – и имеет компактный корпус размером 2 × 2 мм.
 |
|
| Рисунок 3. | Однонаправленное управление щеточным двигателем постоянного тока. |
А, например, для двунаправленного щеточного двигателя, приводящего в движение боковое зеркало автомобиля, требуется H-мост (Рисунок 4). В этом примере используется микросхема DMHC4035LSDQ, представляющая собой содержащийся в одном корпусе H-мост, способный коммутировать токи до 3 А. Этот компонент также можно использовать для управления однофазным бесщеточным двигателем.
 |
|
| Рисунок 4. | Двунаправленное управление щеточным двигателем. |
Заключение
Бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению со щеточными двигателями, в том числе более высокий КПД, лучшую управляемость и отсутствие необходимости в обслуживании. В изделиях высокого класса, таких как дорогие автомобили, они вскоре могут полностью заменить щеточные двигатели.
С другой стороны, щеточные двигатели постоянного тока надежны, недороги и требуют минимального количества внешних компонентов для управления, что снижает общие затраты. Они будут по-прежнему использоваться во многих приложениях, где плавность работы не важна или где двигатели используются нечасто, например, в регулируемых автомобильных зеркалах и электроприводах автомобильных сидений.
Независимо от того, подходит ли для вашего приложения щеточный или бесщеточный двигатель, выбор схемы управления имеет решающее значение для создания эффективной конструкции, отвечающей вашим требованиям.
Купить DMHC4035LSDQ на РадиоЛоцман.Цены
