Jste zde

Motory a jejich řízení s MCU - 1.část - typy motorů

S rostoucí automatizací systémů a zařízení a rozvojem elektronického ovládání, se rozšiřují i možnosti řízení elektromotorů, jako základního prostředku převodu el. energie na mechanický pohyb. Mnoho spotřebičů, které v životě běžně používáme, využívá menší či větší motory a motůrky různé konstrukce, které jsou dnes prakticky vždy vybaveny elektronickým řízením pro zajištění nížší spotřeby el. energie, snížení vibrací, přesnou regulaci pohybu či nastavení rychlosti otáčení. Následující seriál článků by měl přiblížit, co se pod pojmem řízení motorů skrývá.

Co se skrývá pod označením "Mikroprocesorové řízení motorů" ?

Posledních cca 18 let se s velkým rozvojem a rozmachem elektronického ovládání, automatizace systémů a zařízení kladou stále větší nároky i na regulaci motorů. V souladu s tím se masivně rozšířilo programové řízení motorů pomocí výkonných mikroprocesorů (MCU) využívající pulsní řízení založené na pulsně-šířkové modulaci. PWM, realizující u motorů řízení doby sepnutí (připojení) konstantního stejnosměrného napájecího napětí/proudu, je jedna z nejlepších univerzálních metod, kterou lze zároveň regulovat stejnosměrné i střídavé motory a je snadno digitálně hardwarově i softwarově realizovatelná přímo na chipu mikrokontroléru.

Obvykle se celkový řídící řetězec skládá z následujících bloků:

  • Mikrokontrolér s PWM výstupy, vstupy a řídícím programem
  • Budiče spínacích tranzistorů
  • Spínací můstek nebo můstky
  • Stejnosměrný nebo střídavý motor
  • Případně zpětná vazba

 

V závislosti na tom, zda se zpětně sleduje výsledný vytvořený pohyb (otáčení) motoru a využívá se zpětně k doladění řízení, se regulace motorů rozděluje na:

 

Blokové schéma regulace elektromotoru BLDC v uzavřené smyčce (se zpětnými vazbami) pomocí MCU Stellaris firmy Luminary Micro


 
  • Řízení v otevřené smyčce - pouze pro nenáročnou regulaci motorů, protože se nevyužívá zpětné vazby, která hlídá výsledný běh elektromotoru a informuje o tom, zda je motor ve skluzu nebo zablokován, či zda se otáčí požadovanou rychlostí. Dá se říct, že řízení probíhá "naslepo".

  • Řízení v uzavřené smyčce - průběh regulace motoru je monitorován, lze řídit rychlost otáčení, rozběh i doběh motoru apod.
    • V nejjednodušším případě: měří se proud právě nebuzených vinutí (metoda Back-EMF), které v té chvíli pracují jako generátor
    • V nejlepším případě: pro řízení pozice - absolutní nebo inkrementální optické snímače nebo senzory s Hallovým jevem, dvoukanálový kvadraturní enkodér - měření pozice i směru otáčení

 

Používané typy motorů a jejich provedení

Za dlouhou dobu, od vzniku prvního elektromotoru, bylo vynalezeno a využíváno mnoho různých principů a provedení. Některé se již téměř přestaly využívat, jiné naopak přetrvaly do dnes.

V současné době patří mezi nejběžnější typy motorů:

  • Kartáčový (komutátorový) stejnosměrný motor (Brushed DC Motor)
  • Univerzální motor (na střídavé i stejnosměrné napětí)
  • Bezkartáčový stejnosměrný motor (BLDC Motor)
  • Střídavý 3fázový indukční (asynchronní) a synchronní motor (AC Motor)
  • Střídavý 1fázový motor (AC Motor)
  • Krokový bipolární a unipolární motor (Stepper Motor)
  • Spínaný reakční motor (Switched Reluctance Motor = SR Motor)
 

Stejnosměrný komutátorový motor

Princip tohoto motoru je založen na periodickém střídavém přepínání polarity napájecího stejnosměrného proudu pomocí komutátoru po každém otočení rotoru o 180°. Rotor je tvořen elektromagnety navinuté okolo pólových nástavců. Jejich nejběžnější počet je 3, aby se minimalizovala možnost zaseknutí. Rychlost otáčení se řídí velikostí napětí, nejjednodušeji jeho spínáním (PWM modulace napájecího napětí), kdy průměrná hodnota napájecího napětí je dána vzájemným poměrem četností stavů zapnuto / vypnuto. Toto řízení generuje šum, který je nutné filtrovat nebo se využívá vysoké frekvence spínání. Pro ochranu vinutí je nutné zapojit "vybíjecí" diodu. Spínání dává krátkodobě větší úroveň proudu a tedy i větší okamžitý točivý moment, který je proudu úměrný. Použití větší úrovně spínaného napětí rychleji nabíjí vinutí. Kartáčové komutátorové motory mají omezenou účinnost právě díky komutátoru, který limituje max. proud a napětí. Proto u nich nikdy nelze dosáhnout účinnosti BLDC či střídavých AC motorů.

Univerzální motory, které jsou variací stejnosměrných kartáčových motorů, je možné provozovat jak na stejnosměrné, tak i na střídavé napětí a proud. Možnosti řízení jsou však velmi omezené, běžné je jen dvouúrovňové řízení rychlosti diodou. Univerzální motory nejsou vhodné pro moderní elektronické spotřebiče, protože špatně pracují při nízkých rychlostech. K napájení se využívá můstkového usměrňovače.

 

Stejnosměrný BLDC motor

Bezkartáčový BLDC motor (Brushless DC motor) patří do kategorie stejnosměrných, i když je strukturou podobný střídavému 3fázovému synchronnímu motoru. Z tohoto důvodu nelze na motor připojit přímo stejnosměrné napětí ze zdroje, ale je nutné provádět jeho spínání. Stator je běžně tvořen 3 budícími vinutími zapojené do hvězdy, i když menší motory někdy mají jen 2, přičemž stejnosměrné napájecí napětí se střídavě připojuje ke dvěma ze tří vinutí nebo celé napětí k jednomu a 1/2 napětí na zbylá dvě vinutí. Rotor je tvořen permanentními magnety a může být v provedení vnitřním, vnějším nebo paralelně se statorem. Proud vinutími se sekvencuje, přičemž se 3fázový průběh simuluje současným napájením vždy jen 2 vinutí, každé opačným směrem proudu (jedno pozitivním, druhé negativním). Spínání uvnitř sekvencích se realizuje PWM modulací aplikované tak, aby se vytvořil efekt sinusového průběhu. Rychlost otáčení se řídí frekvencí (časováním) sekvencování, zatímco střídou a frekvencí impulsů uvnitř sekvencí se určuje "hladkost" běhu. Z tohoto pohledu je řízení v otevřené smyčce (bez zpětné vazby) je problematické, zvláště, když se motor má rozbíhat již zatížen. Proto se obvykle využívá uzavřené regulační smyčky, kde se pozice (natočení) určuje buď měřením proudu Hallovým senzorem nebo absolutním či inkrementálním rotačním enkodérem. Točivý moment je definován velikostí proudu, přičemž vysokonapěťové impulsy vytvářejí stejný efekt.

 

U stejnosměrných BLDC motorů, které se jsou konstrukčně podobné s 3fáz. motory, se nahrazuje soustava fázově posunutých sinusovek postupným přikládáním dvou úrovní stejnosměrného napětí (High a Low) na budící statorová vinutí (kombinace HLL odpovídá vrcholu sinosuvky na příslušném vinutí, zatímco HHL dopovídá středu).

 

Krokové motory

Krokové motory se podle konstrukce rozdělují na dvě následující varianty:

  • Bipolární krokové motory
  • Unipolární krokové motory

U bipolárního motoru je stator podobný jako u BLDC motoru, ale běžně obsahuje pouze 2 vinutí (dva páry napájecích vodičů). Rotor je tvořen permanentními magnety s póly (zuby), které jsou přitahovány "zuby" statorového vinutí. Přesnost krokování je dáno počtem zubů rotoru (někdy jich obsahuje i několik stovek). Motor dokáže zastavit a zůstat stát na konkrétní pozici zubu nebo na 1/2 pozici (mezi zuby), přičemž síla držní motoru na místě je dána velikostí proudu. Pro jedno celé otočení (jednu otáčku) je nutné výrazně více sekvencí než u BLDC motoru = složitější řízení a zpracování. Nejběžnější je tedy bipolární provedení s dvěma páry vodičů, které umožňuje dopředný i zpětný chod, krokování po 1/2 kroku či mikrokrokování pomocí současného buzení obou vinutí.

Unipolární provedení je tvořeno 6 vodiči (3 páry), i když běžněji jen 4 (jeden společný vodič místo třech), přičemž neumožňuje reverzaci, ale pouze dopředných chod daný vždy napájením jednoho vodiče každého páru.

 

Střídavý 3fázový motor

Všechny střídavým napětím napájené 3fázové motory mají 3 pevná budící vinutí (stator) napájená napětím/proudem vzájemně posunutý o 120° (fáze U, V a W), čímž se vytváří točivé magnetické pole. Podle provedení rotoru se pak rozlišují dvě základní provedení:

  • Synchronní motor - rotor je tvořený buď permanentními magnety nebo prostřednictvím kartáčů stále napájenými elektromagnety. Otáčení (pohyb) rotoru přesně sleduje točivé magnetické pole statoru. tzn. rotor se otáčí synchronně. Rychlost se řídí změnou frekvence.

  • Indukční asynchronní motor - rotor je tvořený tyčovou klecí spojenou nakrátko (squirrel cage), tzv. rotor s kotvou nakrátko. Proměnné magnetické pole tvořené statorem indukuje v kleci proud, který vytváří vlastní magnetické pole. Pole statoru a rotoru se navzájem odpuzuje a tak se rotor otáčí. Proud se však v kleci vytváří a ztrácí v porovnání se statorem se zpožděním a tedy i otáčení rotoru je zpožděné za točivým mag. polem statoru, tedy otáčí se asynchronně. Rychlost se opět řídí také změnou frekvence. Rychlost lze řídit i při pevné frekvenci pomocí spínání triaků, ale motor rychle ztrácí točivý moment.
 

Mikroprocesorové řízení synchronního 3fázového střídavého motoru je podobné jako u BLDC motorů. Využívá se zde MCU, které pomocí vhodné PWM vytváří ze stejnosměrného napětí co nejvěrnější ekvivalent průběhu střídavého sinusového napětí (AC) požadované frekvence. Nejdříve však musí být napájecí střídavé napětí konvertováno můstkovým usměrňovačem na stejnosměrné napětí (DC). Ve výsledku tak lze 3fázový motor použít i při jednofázovém napájení, protože fázování simuluje samotné řízení.

U běžnějších indukčních asynchronních motorů s kotvou nakrátko je nutné počítat rychlost motoru a jeho indukci pomocí komplexních algoritmů, které zabraňují vzniku velkého skluzu. K tomu je však potřeba realizovat řízení v uzavřené smyčce. Také je jimi možné velikost skluzu řídit. Algoritmus FOC (Field Oriented Control) umožňuje vypočítat pozici rotoru s pomocí známých konstant pro daný motor. Poznámka na závěr: Indukční motor nemá žádné svoje přirozené pole vytvářející brzdící efekt a tedy pro jeho zastavení je potřeba aktivního brždění.

Vzájemný fázový posun 120° třech sinusových fázových napětí U, V a W připojené na 3 statorová vinutí, sám osobě realizuje točivé magnetické pole. V případě PWM řízení je toto nutné realizovat sekvencováním.

 

Střídavý 1fázový motor

Jednofázový motor není jen zjednodušenou verzí motoru třífázového. Protože nelze provozovat, resp. hlavně rozběhnout, střídavý napětím napájený motor jen jednofázovou fází, musí být konstrukce 1fázového motoru s jedním budícím statorovým vinutím doplněna o další pomocné (rozběhové) vinutí. Podle toho, jak je provedeno, se 1fázové motory obvykle vyskytují ve dvou provedeních:

  • Motor se stínovým pólem - obsahuje jedno hlavní vinutí a pomocná vinutí realizovaná jednoduchými měděnými smyčkami, vytvářející potřebné fázového zpoždění. Jeho pozice určuje směr otáčení. Takto provedený motor se vyznačuje se velmi nízkým točivým momentem, a proto je vhodný pouze pro větráky a jiné podobné účely, kde rotor je zatížen jen velmi malou zátěží.

  • Motor s rozběhovou fází - hlavní vinutí je doplněno pomocným vinutím připojené k hlavnímu přes kondenzátor, který vytváří potřebné minimální fázové zpoždění. Motor se vyznačuje obtížným rozběhem, což limituje jeho trvalé mechanické zatížení, resp. hlavně zatížení při rozběhu.

Dá se říct, že obecně se jednofázové motory vyznačují ne úplně pravidelným chodem, dané jednofázovým buzením a tedy generováním vibrací, více se zahřívají, hůře se rozbíhají a hůře pracují na nízkých nebo hodně vysokých otáčkách. Rychlost otáčení je podobně jako u 3fázových motorů dána frekvencí budícího napětí. Elektronické řízení rychlosti se tedy provádí pomocí změny nebo generování potřebné frekvence. To provádí frekvenční měnič, dnes obvykle založen na PWM modulaci.

 

Reakční motor (Reluktanční motor)

Reakční motor lze zkráceně popsat jako kombinace BLDC a unipolárního krokového motoru. Podobně jako krokový motor má rotor pólové nástavce (zuby) tvořené velmi silnými magnety, ale jejich počet je výrazně menší. Stator má 3 vinutí, které však nejsou vzájemně propojeny, tzn. do motoru jsou přivedeny regulérní 3 páry napájecích vodičů napájené. Vinutí jsou buzeny jen v jednom směru. Indukce je téměř lineární od minima až do maxima. Minimální, když zub rotoru je nejdále od vinutí a maximální, když je zub v zákrytu s vinutím. Často se u tohoto motoru průběh indukce označuje jako trojúhelníková. Obecně vždy potřebuje mít zpětnou vazbu k zajištění hladkého chodu. V případě bezsenzorového provedení se alespoň měří proud vinutími. Princip a konstrukce reakčního motoru se spíše často však pouze velké motory.

 

~ 2. pokračování bude o řídících algoritmech, spínacích můstcích a jejich připojeních na různé typy motorů, o zpětných vazbách ~

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

Download & Odkazy

  • Stránky společnosti Freescale Semiconductor, výrobce MCU a periferií pro řízení motorů - www.freescale.com
  • Stránky společnosti Luminary Micro, výrobce speciálních MCU pro řízení motorů - www.luminarymicro.com
  •  
Hodnocení článku: 



Informace obsažené v článcích jsou platné k datu vydání uvedeném v hlavičce článku a jejich platnost může být časově závislá

Komentáře a diskuse vyjadřují názory autorů, nikoliv redakce, která za jejich obsah nenese zodpovědnost.