4.2.2. Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Бесколлекторные двигателя постоянного тока (БДПТ) с возбуждением от постоянных магнитов (Brush-less Direct Current Motor with Permanent Magnets) часто еще называют вентильными двигателями (ВД). При контроле и преобразовании координаты положения ИМ их принято называть сервоприводами постоянного тока.

Эта машина по своей конструкции ничем не отличается от классического синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ), изменен лишь принцип питания. Если СДПМ питается от источника переменного тока или напряжения, как правило, формируемого при помощи ШИМ, то ВД – трапециидальным напряжением, питающим соответствующие фазы двигателя, и переключаемым по мере поворота ротора.

Являются приводами ЭИМ с переменной скоростью. Функциональная схема электродвигателя приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Функциональная схема БДПТ

Представленный БДПТ состоит из статора с трехфазной обмоткой, соединенной в звезду, и возбужденного ротора в виде постоянного магнита, а также датчика положения ротора, выполненного в одном корпусе с двигателем. Датчик положения ротора выполнен с одним сигнальным элементом и тремя чувствительными элементами. Число чувствительных элементов равно числу обмоток статора. Датчик положения ротора предназначен для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора.

Управление двигателем основано на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Данный тип двигателей был создан с целью улучшения свойств коллекторных электродвигателей постоянного тока.

Бесколлекторный двигатель объединяет в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Основными достоинства вентильных двигателей являются:

– высокие быстродействие и точность позиционирования;

– широкий диапазон изменения частоты вращения;

– большая перегрузочная способность по моменту;

– большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов;

– низкий перегрев электродвигателя при работе в режимах с возможными перегрузками;

– высокая надежность работы, поскольку отсутствует щеточный узел;

– большой ресурс электродвигателя ограничен, практически, только ресурсом подшипников;

– линейность регулировочной характеристики и меньший уровень электромагнитного шума по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока;

– применение в конструкции электродвигателя балансировочных колец потенциально может обеспечить стабильность работы при очень высоких скоростях вращения (десятки тысяч оборотов в мин).

– отсутствие искрообразующих элементов и, как следствие, высокая взрывобезопасность делают бесколлекторные идеальным силовым элементом в запорном оборудовании нефте- и газопроводов.

Бесколлекторные двигатели не имеют недостатков, присущих асинхронным двигателям (потребление реактивной мощности, потери в роторе) и синхронным двигателям (пульсация частоты вращения, выпадение из синхронизма). В отличие от шаговых двигателей БДПТ не требует сложных схем управления.

Как и у коллекторных двигателей, момент бесколлекторных двигателей прямо пропорционален току, а скорость зависит от напряжения питания и нагружающего момента.

СУИМ на основе БДПТ находят широкое применения в робототехнике, поскольку наличие встроенного датчика угла поворота позволяет создавать обратную связь по положению рабочих органов и делает бесколлекторный двигатель удобным при построении систем автоматического управления.

БДПТ на Российском рынке представлены несколькими сериями, в частности, сериями FL42BLS (питание напряжением ~24 В), FL57BL(S) (питание напряжением ~36 В), FL86BLS (питание напряжением ~48 В) мощностью от 26 до 660 Вт и скоростью вращения 3-4 тыс. об/мин. Серии FL57BL-JB и FL86BLS-JB имеют встроенный редуктор с коэффициентом редукции от 20 до 1333), некоторые серии имеют встроенные блоки управления (драйверы), формирующие управляющие сигналы «Разрешение», «Направление» и «Торможение».

БДПТ поставляются НПФ «Stepmotor», НПФ «Электропривод», НПО «Атом» и др.

В табл. 4.1, 4.2 приведены характеристики бесколлекторных электродвигателей двух серий – FL42BL и FL86BL

Внешний вид бесколлекторного электродвигателя FL86BLS58 приведен на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Внешний вид БДПТ FL86BLS58

Характеристики бесколлекторных электродвигателей FL42BL Таблица 4.1.

Характеристики	FL42BLS01	FL42BLS02	FL42BLS03	FL42BLS04
Напряжение питания, В	24
Максимальный потребляемый ток, А	5,4	10,6	15,5	20
Мощность, на выходном валу, Вт	26	52,5	77,5	105
Номинальная скорость, об/мин	4000
Номинальный крутящий момент, кг• см	0,62	1,25	1,85	2,5
Максимальный крутящий момент, кг• см	1,9	3,8	5,6	7,5
Сопротивление между линиями, Ом	1,0	0,8	0,55	0,28
Индуктивность между линиями, мГн	2,6	1,2	0,8	0,54
ЭДС обратной связи, В/1000об/мин	3,66	3,72	3,76	3,94
Момент инерции ротора, г•см2	24	48	72	96
Длина L, мм	41	61	81	100
Источник питания	H150S24	H300S24	H1000S24	H1000S24

Характеристики бесколлекторных электродвигателей FL86BL Таблица 4.2.

Характеристики	FL86BLS58	FL86BLS71	FL86BLS98	FL86BLS125
Напряжение питания, В	48
Максимальный потребляемый ток, А	11	19	33	55
Мощность, на выходном валу, Вт	110	220	440	660
Номинальная скорость, об/мин	3000
Номинальный крутящий момент, кг• см	3,5	7,0	14,0	21,0
Максимальный крутящий момент, кг• см	10,5	21,0	42,0	63,0
Сопротивление между линиями, Ом	1,05	0,36	0,2	0,16
Индуктивность между линиями, мГн	2,2	1,05	0,48	0,3
ЭДС обратной связи, В/1000об/мин	10,5	11,5	13,5	11,5
Момент инерции ротора, г•см2	400	800	1600	2400
Длина L, мм	58	71	98	125
Источник питания	U500S48	H1000S48

Датчик положения ротора выполнен на основе датчиков Холла. В табл. 4.3 приведено назначение выводов кабеля БДПТ (см. рис. 4.8).

Назначение выводов кабеля Таблица 4.3.

Красный	Вывод	Питание датчика Холла
Синий	Холл A	Фазы датчика Холла
Зеленый	Холл B
Белый	Холл C
Черный	GND	Заземление датчика Холла
Желтый	Фаза U	Фазы двигателя (обмотки статора соединены треугольником)
Красный	Фаза V
Черный	Фаза W

При математическом описании БДПТ примем во внимание следующее:

– процессами коммутации фаз статора можно пренебречь, поскольку переключения осуществляются бесконтактными ключами;

– быстродействие БДПТ много выше, чем быстродействие ИМ (быстродействие изменения положения РО;

– быстродействие БДПТ много выше, чем быстродействие изменения технологических координат СУИМ (температуры, давления, расхода, уровня и др.);

– механическая характеристика двигателя жесткая, что позволяет считать изменение скорости вращения пропорциональным изменению действующего значения напряжения или частоты коммутации обмоток статора.

С учетом изложенного математическую модель привода можно рассматривать безынерционной пропорциональной, т.е. передаточная функция БДПТ имеет вид

, (4.17)

где – скорость вращения электродвигателя, рад/с;

– действующее значение напряжения питания статора, В;

– коэффициент передачи БДПТ, рад/В˖с.