Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 82/2009
217
Andrzej Sikora, Adam Zielonka
Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
STEROWANIE ZASILANIEM SILNIKA BEZSZCZOTKOWEGO
W NAP
DZIE A
ODZI MOTOROWEJ
DC BRUSHLESS MOTOR SUPPLY CONTROL FOR MOTOR BOAT DRIVE
Abstract: This paper describes electronic commutator, which determines current rotor position using signals
produced by additional windings placed in the motor stator. On account of drive specific properties, the motor
shaft may perform two steps contrary to the required direction during motor start-up. The system consists of
transistor bridge which supplies voltage to different motor windings in accordance with commutation scheme.
The bridge is microprocessor-controlled. Control signals input to the microprocessor are rotor position and
supply current. The control has been divided into two stages: start-up and normal operation. The start-up is
performed on the basis of start-up commutation sequence recorded in microprocessor memory (if rotor is
stopped, then there is no information as to its position). When the motor shaft starts, this commutation se-
quence may cause shaft movement in direction opposite to the required direction and only afterwards the
proper rotation (i.e. in the desired direction) is initiated. During normal operation, emfs induced in motor addi-
tional windings are used as control signals. On the basis of these additional windings signals, six operational
phases have been defined, each corresponding to single rotor position. Bridge transistor conditions have been
defined for each phase. Microprocessor is responsible for controlling bridge transistors as well as motor input
current. If current limit is exceeded, then transistor conducting time is decreased.
1. Wstęp
Tematem artykułu jest zasilanie bezszczotko- które określamy na podstawie napięć induko-
wego trójfazowego silnika prądu stałego, któ- wanych w uzwojeniach dodatkowych.
Sekwencyjne dołączanie poszczególnych
rego wirnik wykonany jest z magnesu NdFeB.
Silniki te charakteryzujÄ… siÄ™ najwy\
szą spraw- uzwojeń zostało zrealizowane w oparciu o mo-
nością spośród dostępnych aktualnie silników, stek tranzystorowy sterowany układem mikro-
co jest szczególnie istotne w przypadku napę- procesorowym. W celu izolacji galwanicznej
dów zasilanych z zasobnika energii odizolowa- pomiędzy mostkiem tranzystorowym, a mikro-
procesorem zastosowano układ transoptorów,
nego od sieci elektroenergetycznej np.: pojazd
drogowy, łódz
. Ponadto rozwa\
any silnik wy- co zostało przestawione w postaci blokowej na
posa\
ony jest w dodatkowe trójfazowe uzwoje- rys 1.
nie, wykorzystywane do określania poło\
enia
wirnika. W artykule przedstawiono sterowanie
napędem łodzi, który w przeciwieństwie do na-
µP
pędu pojazdów drogowych dopuszcza przyjęcie
uproszczenia sterowania podczas rozruchu sil-
nika. Uproszczenie to polega na zadaniu se-
kwencji startowej bez względu na poło\
enie
wirnika silnika, co mo\
e spowodować wykona-
nie maksymalnie dwóch skoków wirnika w kie-
runku przeciwnym do zadanego.
2. Komutator elektroniczny
2.1 Budowa M
Zasilanie silnika polega na sekwencyjnym do-
łączaniu poszczególnych uzwojeń silnika do
z
ródła zasilania w zale\
ności od poło\
enia wir-
Rys. 1. Schemat blokowy układu napędowego
nika. Nale\
y podkreślić, \
e sekwencja zasilania
składającego się z mikroprocesora, transopto-
jednoznacznie zale\
y od poło\
enia wirnika,
rów, komutatora elektronicznego i silnika z ma-
gnesami trwałymi
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 82/2009
218
2.2 Opis sterowania
Sterowanie sekwencyjnie silnika obejmuje
sześć, następujących po sobie stanów poło\
enia
wirnika, jednoznacznie określanych przez na-
pięcia indukowane, w czasie ruchu wirnika, w
uzwojeniach pomiarowych. Ka\
demu z tych
stanów odpowiada dokładnie jedna sekwencja
zasilania uzwojeń głównych. Ze względu na
brak informacji o poło\
eniu wirnika w czasie
jego spoczynku sterowanie podzielone zostało
na dwie części: rozruch i sterowanie właściwe.
Etap rozruchu polega na zadaniu kolejnych se-
kwencji zasilania, zapisanych w pamięci mi-
Rys. 3. Przebiegi sygnału sterującego dwoma
kroprocesora, bez względu na początkowe po-
kluczami mostka tranzystorowego w czasie
Å‚o\
enie wirnika silnika. Sekwencja startowa zo-
skracania czasu otwarcia tranzystorów  gdy
stała dobrana w taki sposób, \
e zapewni ruch
działa ograniczenie prądowe.
wirnika we właściwym kierunku, przy czym
startujÄ…cy wirnik mo\
e wykonać co najwy\
ej
3. Badania
dwa skoki w kierunki przeciwnym.
Ze względu na przyjęty sposób sterowania sil-
Natomiast, sterowanie właściwe polega na
nikiem badania podzielone zostały na dwa
określeniu jednego z sześciu stanów poło\
enia
etapy i tak, pierwszy z nich dotyczył rozruchu
wirnika i wygenerowaniu odpowiadajÄ…cej mu
sekwencji zasilania. W tym celu, w pamięci mi- silnika, a drugi właściwej pracy silnika pod ob-
ciÄ…\
eniem. Przedstawione wyniki dotyczÄ… sil-
kroprocesora zapisane zostały stany wejściowe
i opowiadające im stany wyjściowe, co gwa- nika o trzech parach biegunów, dla którego je-
den skok wirnika odpowiada kÄ…towi 20O.
rantuje ciągłość pracy napędu.
Dodatkowo układ sterowania kontroluje prąd
3.1 Rozruch silnika
pobierany przez silnik. Przed nadmiernym
Przeprowadzonych zostało szereg prób rozru-
wzrostem prądu układ chroniony jest poprzez
chu silnika, w których obserwowano kierunek
skracanie czasu otwarcia tranzystorów rys 2,
wirowania. Ka\
da z prób potwierdziła, \
e po
rys 3.
wykonaniu sekwencji startowej silnik podjÄ…Å‚
pracę we właściwym kierunku, a przy starcie
wykonał co najwy\
ej dwa skoki w kierunku
przeciwnym. Maksymalne mo\
liwe wychyle-
nie wirnika w kierunku przeciwnym do zada-
nego zostało zarejestrowanie i przedstawione na
rysunku 4.
50
kÄ…t obrotu [o]
40
30
20
10
czas [s]
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
-10
-20
Rys. 2. Przebiegi sygnału sterującego dwoma
-30
kluczami mostka tranzystorowego w czasie
-40
normalnej pracy  gdy nie działa ograniczenie
-50
prÄ…dowe.
Rys. 4. KÄ…t wychylenia wirnika podczas startu
silnika, gdzie ujemna wartość kąta oznacza wy-
chylenie w kierunku przeciwnym do zadanego.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 82/2009
219
4244-1736-0. Library of Congress Number:
3.2 Praca właściwa
2007906913. Poz.58.
Dla zaproponowanego sposobu sterowania za-
projektowano i wykonano układ mikroproceso- Autorzy:
rowego komutatora elektronicznego. Następnie
dr in\
. Andrzej Sikora
przygotowano stanowisko pomiarowe składa-
Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział
jące się z silnika, z magnesami trwałymi na
Elektryczny, Instytut Elektrotechniki Przemy-
powierzchni wirnika, typu BLDC zasilanego
słowej i Informatyki, Zakład In\
ynierii Elek-
poprzez zbudowany komutator elektroniczny
trycznej w Transporcie ul. Akademicka 10,
i obciÄ…\
enia. ObciÄ…\
eniem badanego silnika
44-100 Gliwice, tel. [phone],
była prądnica synchroniczna. Na tak przygoto-
[e-mail]
wanym stanowisku pomiarowym wykonano se-
dr in\
. Adam Zielonka
rię pomiarów wyznaczając charakterystyki me-
Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział
chaniczne badanego silnika dla kilku napięć za-
Matematyczno-Fizyczny, Instytut Matematyki,
silania, które zostały przedstawione na rys. 5.
Zakład Zastosowań Matematyki, ul. Kaszubska
700
23, 44-100 Gliwice, [e-mail]
n [obr/min]
600
500
400
40V
50V
300 60V
200
100
M [Nm]
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Rys. 5. Charakterystyki mechaniczne silnika z
magnesami trwałymi na wirniku zasilanego po-
przez komutator elektroniczny.
Przedstawione wyniki pomiarów pozwalają
stwierdzić, \
e wykonany układ pracuje popraw-
nie i spełnia funkcję komutatora elektronicz-
nego.
4. Podsumowanie
W napędach, w których dopuszcza się w czasie
rozruchu wykonanie do dwóch skoków w kie-
runku przeciwnym do zadanego, mo\
na stwier-
dzić, \
e do sterowania komutatorem elektro-
nicznym nie są konieczne halotrony. W ukła-
dzie tym, z
ródłem informacji o poło\
eniu wir-
nika mogą być sygnały napięciowe z dodatko-
wych uzwojeń umieszczonych w stojanie sil-
nika. Brak konieczności monta\
u halotronów
upraszcza wykonanie silnika i podnosi trwałość
oraz niezawodność całego układu napędowego.
5. Literatura
[1]. Glinka T: Electric motors with permanent mag-
nets. PrzeglÄ…d Elektrotechniczny, PL ISSN 0033-
2097, nr 7/2008, str. 1  7.
[2]. Bernatt J., Glinka T., Król E., Rossa R.: Electric
Motors with Permanent Magnets. ICRM 2008. IEEE
Catalog Number: CFP0890B-CDR. ISBN: 978-1-