8-900-374-94-44
28.05.2021 27.06.2022 / Схемы
Эта статья предоставит важную теорию и полезные схемы драйверов двигателей жестких дисков, которые можно заставить крутиться с разной скоростью и разных направлениях, а уж где это использовать – решайте сами. Прежде всего обратите внимание, что обычный двигатель шпинделя жесткого диска (HDD) на самом деле является бездатчиковым трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока BLDC.
Как следует из названия, в бесщеточном (бесколлекторном) двигателе щетки не используются. Бесщеточный двигатель преодолевает потребность в механическом коммутаторе, меняя настройку на обратную, то есть катушки становятся статором, а постоянные магниты становятся частью ротора. Вращение двигателя достигается за счет изменения направления магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками. Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, ему не нужен ток, что устраняет необходимость в щетках и коммутаторе.
Типичный бесколлекторный двигатель постоянного тока с тремя катушками на статоре будет иметь шесть проводов, но в большинстве конструкций три провода будут подключены внутри, а остальные три выходят наружу. Также обратите внимание, что трехфазный бесщеточный двигатель требует трех датчиков Холла для определения положения ротора. В зависимости от физического положения этих датчиков, существует два типа выходных сигналов – фазовый сдвиг 60 ° и фазовый сдвиг 120 °. Комбинируя сигналы трех датчиков Холла, можно определить точную последовательность электронной коммутации. Но в бессенсорном бесщеточном моторе сигналы обратной электродвижущей силы (BEMF) контролируются драйвером для коммутации сигнала вместо положения, определяемого датчиками Холла. Вот поперечное сечение трехфазного бесщеточного двигателя на изображении ниже.
Это 4-х проводный двигатель BLDC от жесткого диска.
Существует два типа мотора BLDC. Первый имеет встроенные датчики Холла для определения положения ротора, а второй – бессенсорный – не имеет датчика. Коммутация бессенсорного типа обычно основана на BEMF, генерируемой в обмотках статора.
Так как можно управлять двигателем HDD BLDC? Чтобы вращать его, нужно контролировать направление и синхронизацию тока в катушках статора, но этот метод управления более сложен. В продаже доступен широкий спектр бессенсорных микросхем драйверов двигателей BLDC, например DRV10866, цена модуля вполне доступная в интернет-магазинах.
Двигатель работает с ним довольно хорошо – правда крутящий момент невысокий, что не удивительно, учитывая вход от источника питания 5 В.
DRV10866 – довольно популярная микросхема драйвера трехфазного бесщеточного двигателя без датчиков, интегрированная с шестью МОП-транзисторами с пиковыми токами до 680 мА. Она также предлагает синхронное выпрямление с широтно-импульсной модуляцией (PWM) и бессенсорную запатентованную схему управления обратной ЭДС (BEMF). Но есть и другое решение – универсальная плата драйвера двигателя BLDC для жестких дисков. Плата может использоваться для управления как 3-проводными, так и 4-проводными трехфазными бесщеточными двигателями постоянного тока. Кроме того тут есть несколько полезных опций, таких как управление скоростью и направлением вращения двигателя.
Контроллер платы драйвера бесщеточного двигателя 5 В – 12 В постоянного тока для двигателя жесткого диска.
Плата сконструирована так, что требуются проводные соединения только с двигателем и источником питания. Минимальное рекомендуемое Vin составляет 5 В, а максимальное – 12 В постоянного тока. Потенциометр встроенного регулятора меняет скорость двигателя. Кроме того, есть две перемычки для выбора 3-проводного / 4-проводного мотора и выбора прямого / обратного направления. Для нормальной работы все перемычки должны быть установлены. В общем вполне удобное решение для управления трехфазными бессенсорными бесщеточными двигателями.
Плата использует комбинацию стабилизатора напряжения с низким падением напряжения (LDO), микроконтроллера для генерации сигналов с широтно-импульсной модуляцией (PWM) для трехфазного бесщеточного двигателя BLDC. Основная часть – драйвер двигателя – это DRV11873, один трехфазный бессенсорный драйвер BLDC от Texas Instruments.
16-контактный микроконтроллер (U1) настроен для подачи сигнала ШИМ (чуть ниже 25 кГц) на DRV11873 (U2) с потенциометром (W1) для регулировки скорости мотора путем изменения рабочего цикла ШИМ. Выход сигнала ШИМ может быть отведен от точки пайки, как показано на следующем изображении. Встроенная перемычка P1 соединена с выводом FR DRV11873, так что по умолчанию вывод остается в низком состоянии для вращения вперед (при переставлении вывод поднимается по потенциалу, и двигатель вращается в обратном направлении).
Следующая перемычка P4, подключенная к контакту COM DRV11873, предназначена для выбора 3-проводного / 4-проводного привода. На плате припаяны три дополнительных резистора (R4-R5-R6) для создания виртуального центрального отвода / нейтральной точки (для получения последовательности коммутации) для реализации 3-проводного привода двигателя BLDC.
Если выбирать вариант «сделай сам», стоит отметить, что оба чипа TI (DRV10866 и DRV11873) не сложно собирать.
Для упрощения в качестве генератора ШИМ было бы лучше взять таймер 555 как широтно-импульсный модулятор, способный выдавать выходной сигнал примерно 25 кГц с рабочим циклом, который может изменяться от 5% до 95%.
И вот еще одна плата, похожая на описанную, но с небольшими изменениями в компоновке деталей. Микросхема драйвера двигателя – DRV11873, микроконтроллер – STC15W404A, регулятор напряжения – HT7550-1.
В общем найти подходящий драйвер для двигателя жесткого диска или оптического привода вполне возможно, в продаже есть десятки вариантов модулей, просто нужно выбрать правильный.
Форум по HDD электромоторам
Хилл Мартин
Карташов Евгений
№ 5’2010
PDF версия
В статье обсуждаются требования к минимальным ресурсам, необходимым микроконтроллеру на базе Microchip PIC12 для управления скоростью трехфазного бесколлекторного двигателя постоянного тока (BLDC).
Показано, как техника минимизации позволяет снизить количество выводов I/O (Input/Output) для данного применения до шести. Предполагается, что читатели знакомы с алгоритмами управления указанного типа двигателей.
Каковы должны быть минимальные ресурсы микроконтроллера, работающего в составе привода трехфазного BLDC-мотора? Для ответа на этот вопрос необходимо соотнести возможности чипсета с принципами управления указанного двигателя и предъявляемыми к устройству функциональными требованиями. Если мы рассматриваем рынок простых и дешевых схем управления скоростью в таких применениях, как вентиляторы и насосы, то проблема может быть существенно упрощена. Эти устройства работают при наличии или отсутствии датчиков (необходимых для определения положения ротора), что имеет ряд аргументов «за» и «против». Однако по количеству контактов I/O существенный выигрыш получается в случае, если сигнал положения ротора может быть снят с одного вывода. Кроме того, наличие многофункциональных выходов в пользовательском интерфейсе позволяет изменять их назначение.
Благодаря этому, используя определенную технику минимизации, можно сократить количество задействованных контактов процессора и снизить таким образом требования к его ресурсам.
На рис. 1 приведена блок-схема управления BLDC-мотором, содержащая датчик Холла для формирования обратной связи по положению ротора (как правило, используется три датчика), потенциометр задания скорости, кнопки включения и выключения системы, датчик перегрузки по току и трехфазный силовой каскад, соединенный с мотором.
Рис. 1. Блок-схема управления BLDC-мотором
Общее количество независимых подключений контроллера составляет 11 (пять входов и шесть выходов). Это число можно минимизировать в случае, если микроконтроллер поддерживает многофункциональность выводов и имеет развитую периферию.
В случае, если используется стандартный шестиступенчатый алгоритм управления BLDC-мотором, в каждый момент времени только два транзистора инвертора (один в верхнем плече и один в нижнем) находятся во включенном состоянии.
Управление ключами трехфазного силового каскада не является комплиментарным, транзисторы открываются в т. н. «диагональном режиме». С точки зрения минимизации логики это является преимуществом, поскольку два из трех ключей верхнего уровня закрыты при нормальной работе привода. Сигнал управления третьим транзистором может быть извлечен из двух других с помощью нескольких резисторов и транзисторного инвертора, подключенного к третьему входу верхнего уровня моста (см. рис. 4 — принципиальная схема). Таким образом удается сократить количество использованных выводов контроллера с шести до пяти.
Существует несколько различных путей оптимизации количества системных входов, предназначенных для подключения датчиков Холла, потенциометра, сенсоров тока перегрузки и ключей «Пуск/ Стоп». Датчики Холла, как правило, встраиваются в BLDC-двигатель, поэтому целесообразно интегрировать в мотор и схему, формирующую цифровой интерфейс для их связи с микроконтроллером. Выход подобной схемы выполняется в виде откры- того коллектора с «подтягивающим» резистором.
В этом случае требуется один датчик Холла и один цифровой вход микросхемы семейства PIC12F.
Для запуска мотора и задания скорости при включении системы один из входов верхнего плеча трехфазного инвертора может быть сконфигурирован как аналоговый вход. Для реализации данной задачи этот вывод подключается к резистивному делителю и потенциометру уставки, что позволяет задать и считать значение скорости перед пуском мотора.
Ключ «Пуск» кроме основной задачи может нести и дополнительную функцию снижения уставки скорости ниже минимального значения. В аналоговом режиме работы входа, несмотря на то, что один из транзисторов верхнего плеча открывается, это не приводит к появлению тока в двигателе, поскольку все ключи нижнего плеча закрыты. Далее, при пуске мотора, данный контакт конфигурируется как выход управления транзистором верхнего плеча, а резисторы делителя начинают выполнять функцию «подтягивающих» или заземляющих.
Функцию остановки запущенного двигателя удобно выполнять в комбинированном режиме «Пуск/Стоп» в ходе цикла коммутации.
Таким образом, остановка мотора реализуется программно-аппаратным методом в процессе выбега. Когда ключ «Стоп» нажимается при вращении, все сигналы управления транзисторами верхнего уровня блокируются, программа анализирует состояние мотора и запускает режим торможения. В простейшем случае функция остановки может выполняться нормально-разомкнутым тумблером, подключенным параллельно описанной выше цепи защиты от токовой перегрузки.
В схеме защиты от перегрузки по току не задействован ни один из выводов I/O микроконтроллера, для этой цели используется цепь подключения питания микросхемы семейства PIC12, позволяющая включить схему в режим перезагрузки при возникновении аварии. Этот тип PIC-контроллера имеет встроенный параллельный стабилизатор, соединенный с источником питания через резистор, номинал которого выбирается в зависимости от условий работы. Таким образом, в случае перегрузки питание микросхемы может быть отключено схемой защиты по току, подключенной параллельно стабилизатору.
В результате проведенной оптимизации системе требуется один выделенный цифровой вход, а также один цифровой/аналоговый и четыре цифровых вывода, выполняющих функции выходов. Здесь не учтен тот факт, что для управления скоростью необходима широтно-импульсная модуляция напряжения, поступающего на BLDC-мотор. В нашем случае контрольные импульсы должны поступать на транзисторы нижнего уровня. В реальности, поскольку в системе используется режим шестиступенчатого управления, ШИМ-сигнал в любой момент времени подается только на один из трех нижних ключей инвертора.
Некоторые PIC-контроллеры обладают особой периферией, способной формировать программный «моторный» ШИМ-сигнал, в то время как другие могут вырабатывать ШИМ-напряжение только на одном из n выходов. В последнем случае полный сигнал управления формируется с помощью, например, периферии ECCP (Enhanced Capture/ Compare Peripheral). В микросхеме PIC12F допускается комбинированное формирование ШИМ-сигнала посредством периферии ECCP или в режиме альтернативной конфигурации выводов (APCFG).
Подобная возможность представляется очень удобной, поскольку импульсы могут вырабатываться через ECCP только по двум выводам, в то время как для работы схемы их требуется три, что доступно в режиме APCFG. На сегодняшний день в описанном режиме могут работать два контроллера семейства: PIC12F615 и PIC12HV615 (рис. 2).
Рис. 2. Аппаратная реализация схемы
Программа управления использует сигнал одного датчика Холла для синхронизации импульсов управления транзисторами инвертора, а также для определения моментов времени коммутации по так называемой технологии точного расчета траектории. Помимо всего прочего, это позволяет сформировать замкнутый контур управления скоростью при помощи простейшего ПИД-регулятора, на который поступает сигнал ошибки по скорости (рис. 3).
Рис. 3. Блок-схема управления скоростью мотора
Выход PI-контроллера загружается в регистр коэффициента заполнения импульсов CCPR1, занимая восемь старших разрядов. Выход подсистемы формирования ШИМ-сигнала коммутируется вместе с одним из трех транзисторов нижнего плеча инвертора, что позволяет осуществлять управление мотором и контроль скорости.
Три встроенных таймера PIC12 используются для измерения скорости двигателя по сигналу датчика Холла (TMR1), задания периода коммутации (TMR2) и генерации прерывания после окончания периода предварительного расчета (TMR0).
При включении питания считывается уставка скорости, после чего система может быть запущена с помощью ключа «Пуск». После подачи команды на запуск привода происходит оценка положения ротора и активируется программа формирования короткой разомкнутой петли регулирования. Она работает до тех пор, пока не будет продетектировано появление следующего сигнала датчика Холла. С этого момента времени коммутация инвертора синхронизируется с положением ротора. После успешной обработки двух сигналов датчика Холла программа переключается в режим работы с замкнутой обратной связью по скорости. При возникновении перегрузки по току активируется режим перезапуска питания POR (Power On Reset).
Аппаратная реализация системы управления включает трехфазный BLDC-мотор, низковольтный силовой модуль инвертора и контроллер PIC12F615, подключенный к модифицированной демо-плате Microchip.
Было показано, что данная топология схемы позволяет использовать шесть I/O контактов микроконтроллера с многофункциональными выводами. Гибкая внутренняя периферия PIC12HV615 и встроенный параллельный регулятор дают возможность создать схему (рис. 4), выполняющую все необходимые для данного применения функции. Таким образом, создана основа для проектирования простых и дешевых систем управления скоростью в случаях, когда не требуется высокая точность работы привода.
Рис. 4. Принципиальная схема привода BLDC-мотора с контроллером PIC12HV615
Здесь мы собираемся построить самодельный бесколлекторный двигатель. Сначала мы увидим, как работает бесщеточный двигатель, типы бесщеточных двигателей и, наконец, само здание. Этот двигатель напечатан на 3D-принтере, но есть много способов сделать свой собственный самодельный бесщеточный двигатель, если у вас нет 3D-принтера.
youtube.com/embed/QD17j_hXI7o» frameborder=»0″ allowfullscreen=»»> Бесщеточный двигатель
Бесщеточный электродвигатель постоянного тока (двигатели BLDC, двигатели BL), также известные как двигатели с электронной коммутацией (ECM, двигатели EC), представляют собой синхронные двигатели, которые питаются от источника постоянного тока через встроенный инвертор/импульсный источник питания, который производит электрический сигнал переменного тока для привода двигателя. В этом контексте переменный ток не подразумевает синусоидальную форму волны, а скорее двунаправленный ток без ограничений по форме волны. Дополнительные датчики и электроника контролируют амплитуду и форму выходного сигнала инвертора (и, следовательно, процент использования/эффективности шины постоянного тока) и частоту (т. е. скорость вращения ротора).
Роторная часть бесщеточного двигателя часто представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами, но также может быть вентильным реактивным двигателем или асинхронным двигателем.
Бесщеточные двигатели могут быть описаны как шаговые двигатели; однако термин «шаговый двигатель» обычно используется для двигателей, которые специально разработаны для работы в режиме, при котором они часто останавливаются, когда ротор находится в определенном угловом положении. На этой странице описаны более общие принципы работы бесщеточных двигателей, хотя они частично совпадают.
Типы конструкции
Бесщеточные двигатели могут иметь несколько различных физических конфигураций: В «традиционной» (также известной как inrunner ) конфигурации постоянные магниты являются частью ротора. Три обмотки статора окружают ротор. В конфигурации с выносным бегунком (или с внешним ротором) радиальное соотношение между катушками и магнитами меняется на противоположное; катушки статора образуют центр (сердечник) двигателя, а постоянные магниты вращаются внутри выступающего ротора, окружающего сердечник. Плоский или осевой тип потока, используемый там, где есть ограничения по пространству или форме, использует пластины статора и ротора, установленные лицом к лицу.
Типы обмотки
CD-ROM [9N12P]
Где 9N для 9 статоров и 12P для 12 полюсов. Это типичная обмотка, используемая в двигателях CD-ROM, и она обычно заканчивается звездой.
Это первая схема обмотки, с которой столкнутся многие моторостроители и перемотчики. Это также самая простая намотка, так как все зубья наматываются в одном направлении, то есть ABCABCABC.
dLRK [12N10P & 12N14P]
Вот наиболее распространенная схема обмотки из всех, так как она используется в большинстве моделей мотоколяски, выпускаемых в настоящее время.
Схема dLRK является производной от схемы обмотки LRK, которая поставила бесколлекторные двигатели Outrunner на карту.
Соедините вместе: Начало A — Конец C, Начало B — Конец A, Начало C — Конец B.
dLRK Evolution [12N10P и 12N14P]
Вот интересная модификация схемы dLRK, без сомнения направленная на упрощение и аккуратность соединения обмоток. Это мой фаворит для намотки двигателей 12Н14П.
Обратите внимание, что начало и конец фаз, которые необходимо соединить вместе, выходят из одних и тех же разъемов, что делает процесс отключения полностью надежным.
LRK [12N10P и 12N14P]
Здесь началась «бесщеточная революция». Схема обмотки LRK всегда будет помниться как «дедушка» бесколлекторных двигателей Outrunner.
«LRK» — это аббревиатура, которая происходит от имен трех человек, популяризировавших внедорожный двигатель: Лукаса, Ретцбаха и Кюфуса. В 2001 году они задокументировали использование этой схемы обмотки для двигателей моделей самолетов. И, как говорят классики, «остальное уже история».
Соедините вместе: Начало A — Конец C, Начало B — Конец A, Начало C — Конец B.
Создаем самодельный 3D-печатный бесколлекторный мотор
Прежде всего, вам нужно скачать 3D-файлы .
stl и распечатать их. Вы можете скачать файлы по ссылке ниже.
Скачать 3d часть можно здесь:
>
Распечатайте две детали из PLA материала, 4 периметра и 25 заполнений. Как только вы получите свое тело, мы можем начать следующую часть. Мы будем использовать неодимовые круглые магниты размером 10 на 3 мм. Чтобы найти полюса каждого магнита, мы поместим их друг к другу бок о бок. Если магнит хочет вращаться, это означает, что грани имеют один и тот же полюс, а мы этого не хотим. Мы хотим иметь один северный полюс, затем один южный, затем еще один северный и т. д.
>
Как только у вас будет 14 магнитов подряд, начните отмечать каждый магнит буквами N и S. Неважно, какой из них южный, а какой северный, важно, чтобы один был противоположен следующему. Теперь мы можем начать размещать эти магниты внутри печатной части.
>
Теперь присоединяем внутреннюю часть и добавляем один 10х4мм на нижнюю сторону и один на верхнюю часть.
В качестве вала используем винт М5 длиной 5см.
>
Наконец, мы добавляем 12 винтов M3 длиной 18 мм в каждое отверстие и приклеиваем их.
>
Теперь нам нужно сделать обмотки для нашего двигателя. Мы будем использовать тип обмотки dLRK для этого бесщеточного двигателя с 12 полюсами и 14 магнитами. Следуйте следующей схеме, чтобы намотать катушки.
>
Не забудьте отметить начало каждого провода Ain, Bin, Cin, а конец Aout, Bout и Cout, чтобы не перепутать их. Просто наклейте на провод небольшую этикетку. Мы сделаем катушки из 60 витков медным проводом 0,2 мм. Когда обмотка завершена, припаяйте Ain к Cout, Bin к Cin и Aout к Bout. Теперь просто закройте двигатель и завинтите его, и мы готовы к работе. Подсоедините 3 контакта к ESC и проверьте его. Вы всегда можете изменить ситуацию, чтобы получить лучшие результаты. Измените витки обмотки, расстояние между полюсами и магнитом, размер и т.
д.
Посмотреть другие уроки:
— Реклама —
Растет использование бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC). Но для их управления обычно требуется информация о положении ротора для выбора соответствующего угла коммутации. Обычно датчик Холла используется для определения положения ротора. Но в чувствительных к стоимости приложениях часто желательна схема коммутации без датчиков. Описанная здесь схема драйвера бесщеточного двигателя постоянного тока использует микросхему драйвера DRV10866 для управления небольшим вентилятором BLDC без использования каких-либо датчиков положения. Скорость вентилятора BLDC можно изменять плавно, без обычных шагов, связанных с обычным вентилятором переменного тока.
На рис. 1 показана схема привода бесщеточного двигателя постоянного тока без датчиков.
Схема построена на NE555 (IC1), DRV10866 (IC2) и нескольких других компонентах.
Драйвер DRV10866 IC от Texas Instruments используется для управления небольшим трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока (M1). Схема представляет собой трехфазный драйвер двигателя без датчика со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, обеспечивающими пиковый ток возбуждения до 680 мА. DRV10866 специально разработан для приводов вентиляторов с низким уровнем шума и малым количеством компонентов. Для управления трехфазным двигателем используется бессенсорная схема обратной ЭДС 150°.
— Реклама —
Подтягивающий резистор 100 кОм (R2) используется на выводе 1 микросхемы IC2. Контакты 2, 4, 7 и 6 IC2 подключены к общему проводу, фазе A, фазе B и фазе C двигателя BLDC соответственно. Контакт 10 IC2 подключен к контакту 7 IC1, чтобы получить сигнал с широтно-импульсной модуляцией (PWM) от IC1 для управления скоростью двигателя BLDC.
Выходной сигнал (ШИМ) поступает на контакт 7 (DIS) IC1, а не на обычный выходной контакт 3 IC. Рабочий цикл ШИМ-сигнала 25 кГц (прибл.) можно регулировать в диапазоне от 5% до 95% с помощью потенциометра VR1. Скоростью двигателя BLDC можно управлять, изменяя рабочий цикл ШИМ-сигнала. Поворот VR1 против часовой стрелки снижает рабочий цикл, что, в свою очередь, снижает скорость двигателя, и наоборот.
Односторонняя печатная плата для бесщеточного привода двигателя постоянного тока показана на рис. 2, а расположение компонентов — на рис. 3. Соберите схему на рекомендованной печатной плате, чтобы свести к минимуму ошибки сборки. IC2 должен быть установлен на стороне пайки печатной платы.
Рис. 2: Односторонняя печатная плата драйвера бесколлекторного двигателя постоянного токаРис. 3: Компоновка компонентов для печатной платы Загрузите PDF-файлы с компоновкой печатной платы и компонентов: щелкните здесь После сборки компонентов подключите источник питания 5 В постоянного тока к разъему CON1.
Для упрощения в качестве генератора ШИМ было бы лучше взять таймер 555 как широтно-импульсный модулятор, способный выдавать выходной сигнал примерно 25 кГц с рабочим циклом, который может изменяться от 5% до 95%.