Ćwiczenie 4

 

 

NAPĘD Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM PRĄDU STAŁEGO 

1.

 

CEL I ZAKRES ĆWICZENIA 

Celem 

ćwiczenia 

jest 

zapoznanie 

się 

z działaniem 

i właściwościami 

bezszczotkowego  silnika  prądu  stałego  z magnesami  trwałymi  BLDCM  (ang. 

Brushless DC Motor).  

Zakres  ćwiczenia  obejmuje  wyznaczenie  charakterystyk  statycznych  układu 

napędowego  pracującego  z róŜnymi  wariantami  sterowania  oraz obserwację 

przebiegów czasowych wybranych wielkości w stanach dynamicznych. 

2.

 

WPROWADZENIE TEORETYCZNE 

Silnik  bezszczotkowy  prądu  stałego  z 

uwagi  na  konstrukcję  naleŜy  do  rodziny 

maszyn  synchronicznych  wzbudzanych 

magnesami trwałymi. 

Maszyny te dzielą się na dwie grupy:  

•

 

maszyny 

o 

sinusoidalnym 

rozkładzie  SEM  rotacji,  zwane 

silnikami 

synchronicznymi 

z magnesami trwałymi (PMSM), 

•

 

maszyny 

z trapezowym 

rozkładem  SEM  rotacji,  zwane 

silnikami 

bezszczotkowymi 

prądu stałego (BLDCM). 

 

 

Rys. 4.1 

 

Budowa silnika bezszczotkowego 

BLDCM 

 

Napęd elektryczny 

 

2.1.

 

Zasada działania silnika BLDCM 

Niniejsze  ćwiczenie  dotyczy  silnika  drugiego  rodzaju.  Konstrukcja  silnika 

bezszczotkowego  jest  odwrotna  w stosunku  do  klasycznego  silnika  obcowzbudnego 

(rys. 4.1).  

 

a) 

 

 

b) 

B

A

C

U

DC

d

q

q

d

I

C

I

B

I

M

Ψ

e

γ

m

in

γ

γ

m

ax

ω

I

DC

Ψ

 

Rys. 4.2 Analogie między silnikiem prądu stałego z trzema działkami komutatora (a ) a silnikiem 

BLDCM (b) 

Napęd z silnikiem bezszczotkowym… 

 

3 

 

Rolę  wzbudzenia  pełnią  magnesy  trwałe  umieszczone  w wirniku,  natomiast 

twornik  stanowi  uzwojenie  stojana  rozłoŜone  w Ŝłobkach  i połączone  w trójkąt  lub 

gwiazdę. Umieszczenie w części wirującej maszyny magnesów trwałych zlikwidowało 

kłopoty związane z dostarczeniem prądu do wirnika Brak komutatora mechanicznego 

prowadzi  do  szeregu  udogodnień:  znacznie  upraszcza  konserwację,  zwiększa 

przeciąŜalność momentem, zmniejsza ilość zakłóceń elektromagnetycznych. 

Zasada  działania  silnika  BLDCM  zostanie  opisana  przez  porównanie  do  silnika 

obcowzbudnego 

z trzema 

wycinkami 

komutatora 

(rys. 4.2). 

Moment 

elektromagnetyczny  jest  iloczynem  wektorowym  strumienia  magnetycznego  i prądu 

twornika,  stąd  maksymalny  moment  powstaje,  gdy  kąt  pomiędzy  wektorami 

strumienia  i prądu  wynosi  90

o

.  W silniku  obcowzbudnym  ustawienie  to  zapewnia 

komutator (rys. 4.2a ).  

Odpowiednie  przesunięcie  między  strumieniem  a prądem  zapewnione  jest 

w silniku bezszczotkowym (rys. 4.2b) przez odpowiednie zasilenie uzwojenia stojana. 

W tym  celu  stosuje  się  przekształtnik  energoelektroniczny,  zwany  komutatorem 

elektronicznym,  którego  zadaniem  jest  przełączanie  napięcia  stałego  pomiędzy 

uzwojeniami.  Zawsze  zasilane  są  dwa  uzwojenia,  trzecie  pozostaje  odłączone. 

W wersji podstawowej struktura przekształtnika zawiera trzy półmostki tranzystorowe 

(po jednym dla kaŜdej fazy), tworzące grupy: anodową i katodową. Chwile przełączeń 

zaworów muszą być zsynchronizowane z aktualnym połoŜeniem wirnika. Ze względu 

a) 

 

 

b) 

 

 

Rys. 4.3 Rozkład indukcji magnetycznej B, SEM 

rotacji E oraz prądu I w silniku BLDCM 

Rys. 4.4 Przebieg napięcia U i prądu I jednej fazy 

stojana w przypadku zasilania z falownika prądu (a) 

lub z falownika napięcia z modulacją MSI (b) 

Napęd elektryczny 

 

na trapezowy  rozkład  SEM  rotacji  wystarczająca  jest  informacja  o połoŜeniu  wirnika 

z dokładnością do 60

o

. W tym celu stosuje się hallotronowe czujniki połoŜenia wirnika 

(CPW).  Na podstawie  sygnałów  z CPW  układ  logiczny  steruje  pracą  zaworów 

przekształtnika. 

Trapezowy kształt siły elektromotorycznej rotacji determinuje kształt prądu, jakim 

naleŜy  zasilić  uzwojenia  stojana.  Aby  uzyskać  największy  i najbardziej  wygładzony 

przebieg  momentu,  prądy  fazowe  powinny  mieć  kształt  prostokątny  i nakładać  się 

na płaskie obszary SEM rotacji (rys. 4.3). W rzeczywistości kształt prądu jest zbliŜony 

do  prostokątnego  i zaleŜy  od  rodzaju  zasilania  (źródło  prądu  lub  falownik  napięcia  

MSI – rys. 4.4). 

2.2.

 

Sterowanie prędkością silnika BLDCM 

Właściwości  ruchowe  silnika  BLDCM  określa  charakterystyka  zewnętrzna 

(moment  w funkcji  prędkości  –  rys. 4.5.).  Podobnie  jak  w klasycznym  silniku  prądu 

stałego  jest  ona  prostoliniowa.  Początek  i koniec  określają  odpowiednio:  prędkość 

biegu  jałowego  ω

0

  oraz moment  zwarcia  M

z

.  Dowolny  punkt  na charakterystyce 

opisuje następująca zaleŜność: 

 













−

⋅

=

z

0

1

M

M

ω

ω

,  

(4.1) 

gdzie: ω – prędkość, M – moment elektromagnetyczny,  

WyróŜniamy  dwa  obszary  pracy:  obszar  pracy  długotrwałej  oraz obszar  pracy 

krótkotrwałej. Charakterystyka elektromechaniczna (zaznaczona czerwoną przerywaną 

linią  na rysunku 4.5)  stanowi  granicę  obszaru  pracy  długotrwałej.  Rysunek 4.5b 

przedstawia  wpływ  napięcia  zasilającego  na charakterystykę  zewnętrzną.  Widoczna 

jest  moŜliwość  sterowania  prędkością  za pomocą  napięcia  przyłoŜonego  do  uzwojeń 

stojana. 

Napięcie  zasilające  silnik  moŜna  regulować  na dwa  podstawowe  sposoby: 

za pomocą  dodatkowego  przekształtnika  DC/DC  i  z  komutatorem  elektronicznym 

w topologii  falownika  prądu,  lub  poprzez  modulację  szerokości  impulsów  MSI 

zaworami  komutatora  elektronicznego  w  topologii  falownika  napięcia  FN-MSI. 

Regulację  poprzez  dodatkowy  przekształtnik  DC/DC  stosuje  się  głównie  w  układach 

bardzo małej mocy oraz w przypadku zasilania silników BLDCM wysokoobrotowych, 

w których częstotliwość przełączeń wynikająca ze zmian połoŜenia wirnika jest na tyle 

duŜa,  Ŝe  trudne  staje  się  „nałoŜenie”  dodatkowej  wyŜszej  częstotliwości  związanej 

z potrzebą  modulacji  szerokości  impulsów  napięcia  zasilającego  silnik.  W drugim 

Napęd z silnikiem bezszczotkowym… 

 

5 

 

rozwiązaniu komutator pełni dwie funkcje: synchronizacji z polem wirnika i regulacji 

napięcia wyjściowego (i wynikającej z tego prędkości obrotowej). 

 

a) 

 

b) 

 

Rys. 4.5  Charakterystyka zewnętrzna ω = f(M) (a), wpływ napięcia zasilającego (b) 

 

W zaleŜności  od  wykorzystania  zaworów  komutatora  stosuje  się  róŜne  odmiany 

sterowania  wykorzystujące  modulację  szerokości  impulsów.  Rysunek 6  przedstawia 

dwa  przykładowe  rozwiązania:  realizację  procesu  modulacji  jedynie  w tranzystorach 

grupy  anodowej  (strategia  typu  120Q+,  rys.  4.6a)  oraz realizację  modulacji 

z wykorzystaniem 

wszystkich 

tranzystorów 

przez 

pierwszą 

połowę 

czasu 

przewodzenia  (strategia  typu  60Q+,  rys. 

4

.

6

b).  Innymi  rozwiązaniami  są:  regulacja 

napięcia  z wykorzystaniem  zaworów  grupy  katodowej  (120Q-),  regulacja  napięcia 

w kaŜdym  z tranzystorów  przez  drugą  połowę  ich  czasu  przewodzenia  (60Q-)  lub 

z wykorzystaniem wszystkich tranzystorów z modulacją realizowaną w całym okresie 

ich przewodzenia (sterowanie bipolarne).  

 

a) 

 

b) 

 

 

Rys. 4.6 Sygnały sterujące tranzystorami podczas regulacji prędkości metodą 120Q+ (a) 

oraz 60Q+ (b) 

 

Napęd elektryczny 

 

Schemat 

układu 

napędowego 

z silnikiem 

bezszczotkowym 

BLDCM 

przedstawiono  na rysunku 4.7.  Regulacja  prędkości  moŜe  odbywać  się  w układzie 

otwartym  (zmiana  napięcia  za pomocą  zmiany  wypełnienia  sygnałów  sterujących 

tranzystorami)  lub  zamkniętym  (struktura  kaskadowa  z wewnętrznym  regulatorem 

prądu  silnika  i zewnętrznym  regulatorem  prędkości).  Pierwsze  rozwiązanie  nie 

wymaga  stosowania  sprzęŜenia  zwrotnego  od  prędkości,  jednak  nie  zapewnia 

stabilizacji  prędkości  przy  zmianach  obciąŜenia  silnika.  W przypadku  układu 

zamkniętego konieczna jest informacja o prędkości obrotowej z dodatkowego czujnika 

prędkości  (np. enkodera)  lub  odtworzenie  prędkości  z sygnału  z hallotronowego 

czujnika  połoŜenia  wału.  W ostatnich  latach  rozwijane  są  takŜe  metody  sterowania 

umoŜliwiające 

zrezygnowanie 

z czujnika 

połoŜenia 

wirnika 

(tzw. metody 

bezczujnikowe),  w których  do  wyznaczania  połoŜenia  i prędkości  wykorzystuje  się 

inne sygnały (np. napięcia i prądy). 

 

Rys. 4.7 

 

Schemat blokowy układu napędowego z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego BLDCM 

  

Podsumowując, do zalet silnika bezszczotkowego prądu stałego naleŜą: 

•

 

duŜa niezawodność, długie okresy pomiędzy przeglądami, 

•

 

duŜa dynamika – mała bezwładność wirnika z magnesami trwałymi, 

•

 

sztywna charakterystyka moment-prędkość, 

Napęd z silnikiem bezszczotkowym… 

 

7 

 

•

 

małe  zakłócenia  elektromagnetyczne  –  brak  iskrzenia  na styku  szczotka-

komutator, 

•

 

dobry  stosunek  mocy  do  objętości  –  konieczność  odprowadzania  ciepła 

tylko ze stojana umoŜliwia zmniejszenie gabarytów silnika, 

•

 

duŜa przeciąŜalność momentem. 

Do wad zalicza się: 

•

 

konieczność stosowania przekształtnika energoelektronicznego, 

•

 

tętnienia momentu, wynikające głównie ze zjawiska komutacji, 

•

 

gorsze 

właściwości 

podczas 

pracy 

z najmniejszymi 

prędkościami 

(w porównaniu do maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi). 

Silniki  BLDCM  znajdują  zastosowanie  np. w napędach  trakcyjnych  ze  względu 

na stosunkowo  wysoką  przeciąŜalność,  duŜą  objętościową  i masową  gęstość  mocy. 

Zakres mocy obejmuje wartości od kilku watów do dziesiątek kilowatów. 

3.

 

STANOWISKO LABORATORYJNE 

Ćwiczenie  odbywa  się  na uniwersalnym  stanowisku  laboratoryjnym  (rys. 4.8), 

umoŜliwiającym  badanie  silnika  bezszczotkowego  zarówno  z trapezową  (BLDCM), 

jak  i z sinusoidalną  (PMSM)  SEM  rotacji.  Ponadto  na stanowisku  znajdują  się:  silnik 

prądu  stałego  i silnik  asynchroniczny,  które  mogą  słuŜyć  w charakterze  obciąŜenia 

silnika  bezszczotkowego.  Badany  silnik  zasilany  jest  z baterii  akumulatorów 

trakcyjnych  poprzez  dedykowany  przekształtnik  energoelektroniczny  (komutator 

elektroniczny). 

 

 

Rys. 4.8 Schemat układu laboratoryjnego 

Napęd elektryczny 

 

4.

 

PRZEBIEG ĆWICZENIA 

Program 

ćwiczenia 

obejmuje 

przebadanie 

właściwości 

statycznych 

i dynamicznych  układu  napędowego  z silnikiem  bezszczotkowym  prądu  stałego. 

Właściwości  statyczne  określone  są  grupą  odpowiednich  charakterystyk,  wliczając 

w to  najwaŜniejszą  -  charakterystykę  mechaniczną  n = f(M).  W ćwiczeniu  naleŜy 

wyznaczyć następujące charakterystyki: 

•

 

dla  sterowania  w układzie  otwartym  –  regulacja  napięcia  metodą  PWM: 

n = f(M), I

S

 = f(M), U

BAT

 = f(M), 

•

 

dla  sterowania  w układzie  zamkniętym  (praca  z nadrzędnym  regulatorem 

prędkości): D = f(M), I

S

 = f(M), U

BAT

 = f(M), gdzie D - wypełnienie. 

W celu  uzupełnienia  opisu  właściwości  statycznych  naleŜy  dla  obu  przypadków 

zarejestrować wybrane przebiegi napięć i prądów silnika. 

W celu  przebadania  właściwości  dynamicznych  napędu  naleŜy  zaobserwować 

przebiegi  prędkości  i prądu  podczas  rozruchu  i nawrotu  oraz podczas  skokowej 

zmiany momentu obciąŜenia. 

W sprawozdaniu  z przeprowadzonego  ćwiczenia  naleŜy  zamieścić  wyniki 

przeprowadzonych  pomiarów  (zgodnie  z poleceniem  prowadzącego,  w postaci 

tabelarycznej  i wykreślnej)  oraz otrzymane  przebiegi  czasowe.  Wyniki  badań, 

np. róŜnice  w odniesieniu  do  modelu  teoretycznego,  naleŜy  skomentować  we 

wnioskach. 

5.

 

LITERATURA 

1.

 

Dote  Y.,  Kinoshita  S.:  Brushless  Servomotors,  Fundamental  and  Applications, 

Clarendon Press, Oxford, 1990 

2.

 

Glinka  T.:  Mikromaszyny  elektryczne  wzbudzane  magnesami  trwałymi, 

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1995. 

3.

 

Miller  T.J.E.:  Brushless  Permanent-Magnet  and  Reluctance  Motor  Drives, 

Clarendon Press, Oxford, 1989. 

4.

 

Krishnan  R.:  Electric  Motor  Drives,  Modeling,  Analysis  and  Control,  Prentice 

Hall, New Jersey, 2001. 

5.

 

Zawirski  K.:  Sterowanie  silnikiem  synchronicznym  o  magnesach  trwałych, 

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2005