Как работает синхронный бесщёточный двигатель

[nikvic]

Вроде коэффициент использования обмоток такой же как и у трехфазного половину времени работают две обмотки и половину одна.

Ведь получается что при равном количестве меди двухфазный выигрывает у трехфазного по удельной мощности на/кг.

В случае синусного управления никакой разницы не вижу.

А вот "китайское" у 3-фазника заметно лучше. У звезды обмотки работают 2/3 времени с  макс. КПД 92%. При двух фазах естественным будет 50%-е включение - с мЕньшим теор. КПД.

[av-master]

Какие дорогущие мосфеты ? это они у нас дорогущие. там они копейи. количество ключей ни на что не влияет.

[tony16]

Вроде коэффициент использования обмоток такой же как и у трехфазного половину времени работают две обмотки и половину одна.

В случае синусного управления никакой разницы не вижу.

А вот "китайское" у 3-фазника заметно лучше. У звезды обмотки работают 2/3 времени с  макс. КПД 92%. При двух фазах естественным будет 50%-е включение - с мЕньшим теор. КПД.

ТАК У ТРЕХФАЗНОГО ВСЕ ВРЕМЯ РАБОТАЮТ ДВЕ ОБМОТКИ ИЗ ТРЕХ (В СЛУЧАЕ ИХ СОЕДИНЕНИЯ ЗВЕЗДОЙ).
Так давайте КПД сюда пока не приплетать, а то сейчас совсем все запутаемся.

Я выше приводил скрин с симулятора для мотора с шаговым управлением http://en.nanotec.com/steppermotor_animation.html
получается  что "часть" времени работает одна обмотка т.е половина от всех обмоток мотора и часть две обмотки т.е 100% обмоток мотора.

Или давайте подойдем с другой стороны - c трехфазным разобрались - всю медь в моторе делим на три части,
и при синусном управлении имеем три синусоиды со смещением 120 градусов.

А вот с двухфазным не совсем понятно - получается что нужно вписать 4 синусоиды со смещением 90 градусов
(ведь если вписать 2 синусоиды со смещением 180 получим что работает либо 1 либо вторая т.е 50%)

P.S пытался найти сколько например в 80-е г. стоили мощные мосфеты например на 100В 100A сходу не нашел, но думаю что очень недешево, в то время когда пол страны паяло что то из КТ315.

[av-master]

  тогда мосфетов не было вообще. и были тиристоры или просто синхронные двигатели с питанием от сетевой переменки. с 180 градусами и 50% КПД. (во время появления тиристорных регуляторов было довольно просто обосновать необходимость внедрения )))) но откаты и взятки тогда не так ярко выражены были, а Китай в то время еще не клепал все из всего...

[nikvic]

ТАК У ТРЕХФАЗНОГО ВСЕ ВРЕМЯ РАБОТАЮТ ДВЕ ОБМОТКИ ИЗ ТРЕХ (В СЛУЧАЕ ИХ СОЕДИНЕНИЯ ЗВЕЗДОЙ).
Так давайте КПД сюда пока не приплетать, а то сейчас совсем все запутаемся.
Или давайте подойдем с другой стороны - c трехфазным разобрались - всю медь в моторе делим на три части,
и при синусном управлении имеем три синусоиды со смещением 120 градусов.

А вот с двухфазным не совсем понятно - получается что нужно вписать 4 синусоиды со смещением 90 градусов
(ведь если вписать 2 синусоиды со смещением 180 получим что работает либо 1 либо вторая т.е 50%)

Не согласен с таким ограничением: ранее вы говорили об удельной мощности.
Даташит говорит об управлении, дающем возможность на даной железке-медяшке реализовать очень малые скорости. Согласитесь, что это не та задача, что может интересовать наше ведомство 

Для "тяговой" работы нужно две синусоиды со сдвигом 90гр.

В случае треугольника (и китайского управления) во все моменты работают три обмотки - с разными токами. Как и у звезды, удельная мощность ограничена тепловой, так что преимуществ нет ни у одной...

[zap]

А теперь скажу за синус

Возьмём из моего предыдущего текста графики разности фазных напряжений. Только для удобства сдвинем их на 30 градусов так, чтобы график A-B начинался в центре координат, ну а остальные два сдвинуты на 120 и 240 градусов относительно него; ну и заодно отмасштабируем так, чтобы амплитуда синусоиды была единицей (за единицу потом примем напряжение батареи). Вместе с графиками разности фазных ЭДС сдвинем и графики выхлопа датчиков Холла, а также графики фазных ЭДС.


Для идеального управления нам надо поддерживать на фазных выводах A, B, C разницу потенциалов, повторяющую по форме верхние три графика. В этом случае мы получим минимальные пульсации и максимальный КПД.

Итак, имеем систему из трёх уравнений:

Код Выделить Развернуть

A-B = sin(θ)
B-C = sin(θ-120)
C-A = sin(θ-240)

Нам надо вычислить такие A, B и C, чтобы они удовлетворяли трём уравнениям, приведённм выше.

Однако при близком рассмотрении оказывается, что эти три уравнения - на самом деле два. Третье является комбинацией из первых двух, таким образом система имеет бесконечное количество решений, одно из трёх переменных можно принять за произвольную константу.

Предположим, что B=0. Тогда мы получим такое решение:

Код Выделить Развернуть

A = sin(θ)
B = 0
C = -sin(θ-120)
В принципе, такой вариант вполне работоспособен. Фазу B наглухо привариваем к земле, а фазы A и B синусоидально модулируем. Но при попытке реализовать такой алгоритм в ЭТС мы столкнёмся со следующей проблемой: синус принимает значения от -1 до +1, то есть нам нужно биполярное питание: Это не очень практично, желательно было бы обойтись униполярным питанием.

Однако, можно заметить, что на определённом интервале нас это решение всё-таки удовлетворяет. Например, при θ=0 получим A=0; B=0; C=sqrt(3)/2. То есть, все напряжения на фазных концах являются положительными, что реализуемо и при униполярном питании.

По верхнему графику можно проследить, что sin(θ) положителен до 180^o, а -sin(θ-120) (перевёрнутый голубой график) положитлен до 120^o. Итак, для интервала от 0^o до 120^o нас устраивает приведённое решение. После этого C уходит в отрицательную область.

Чтобы этого не произошло, начиная с 120^o зафиксируем C в 0, а напряжения A и B посчитаем исходя из начальной системы уравнений:

Код Выделить Развернуть

A = -sin(θ-240)
B = sin(θ-120)
C = 0


Опять посмотрим на верхний график. Напряжение A теперь повторяет перевёрнутый фиолетовый график, а напряжение B - голубой. Отслеживаем их знак начиная с позиции θ=120^o. Голубой положителен до 300^o, а перевёрнутый фиолетовый положителен до 240^o. Итак, решение выше нас устраивает на интервали 120^o..240^o. В точке 240^o напряжение A уходит в отрицательную область; чтобы этого не произошло, мы зафиксируем A на нуле, и вычислим B и C:

Код Выделить Развернуть

A = 0
B = -sin(θ)
C = sin(θ-240)


Теперь напряжение на выводе B совпадает с перевёрнутым коричневым графиком, а C - с фиолетовым. Нетрудно увидеть, что оба графика положительны на всём участке от 240 до 360^o.

Итак, суммарно таблица состояний для фазных выводов A, B, C будет выглядеть так:


Состояние датчиков Холла можно использовать для синхронизации позиции на синусоиде, в отсутствие енкодера для точного определения позиции ротора. В случае использования датчиков Холла предполагаем, что ускорение вращения на каждом следующем 60^o-интервале равно ускорению на предыдущем интервале. Тогда, используя интерполяцию, несложно вычислять позицию ротора в промежуточных точках и соответственно модулировать напряжение на фазных выводах.

Если нарисовать графики напряжений на фазных выводах по приведённой выше таблице, то увидим знакомые очертания "задниц":

[av-master]

  респект )

Мне тут еще подумалось. при составлении таблицы синусов для конкретного колеса.можно крутануть двигатель двумя фазами.а третьей снять нужную форму напряжений. можно даже для всех фаз разные снять. и готова идеальная форма для данного двигателя.
что думаете?

[zap]

Я об этом уже два года думаю
По идее, контроллер может всю калибровку произвести в автомате. Достаточно приподнять колесо и включить калибровочный режим.

Сначала блочным управлением разгоняем колесо до какой-то небольшой скорости, выключаем. Пока колесо вертится по инерции, оцифровываем форму ЭДС (всех трёх фаз, или одной но с замером разности фаз). Засекаем соответствие момента переключений датчиков Холла позициям на синусоиде.

Затем калибруется угол опережения зажигания. Делается это эмпирически: разгоняемся до определённого уровня (скажем, с шагом 10% от макс. скорости), фиксируем скорость вращения. Потом начинаем туда-сюда двигать угол зажигания, фиксируем увеличение или уменьшение скорости. Находим угол опережения, который на данном уровне "газа" даёт максимальные обороты. И так далее до конца.

В принципе, на двигателях где обмотки на всех зубцах имеют одинаковое количество витков оцифровывать ЭДС нет необходимости; оно всегда строго синусоидально. Единственное, можно откалибровать позиции датчиков Холла, они могут слегка плавать туда-сюда.

[VladimirA]

Как то уже давно писал (и получил кучю минусов) про синусное питание МК.
Обратите внимание - при явнополюсной машине (пусть даже на статоре и роторе МК количество
пар полюсов и катушек фазных обмоток увеличивается в Н-число раз), магниты синхронно по фазе проходят мимо катушек. поэтому в каждой отдельной катушке одной фазы ЭДС-ы синхронны.
И эту машину можно питать синусойдами.
Наше МК - неявнополюсная машина. Проще - БЛДС.
В одной фазе несколько катушек. И, напротив них магниты стоят с небольшим сдвигом.
Поэтому наводимые ЭДС в каждой катушке одной фазы тоже будут с небольшими сдвигами
относительно друг друга. Хотя при замере "общая" синусойда будет равна средней катушке.
И если мы будем запитывать МК синусойдами, то около точках перехода синусойды через
ноль, в каких-то катушках одной фазы моменты вращения будут противоположны.
А это потери. Поэтому БЛДС-движки запитывют "трапецией" с "трапиками нуля" в точках
перехода "предполагаемой синусойды" через ноль.

[av-master]

VladimirA проверил по своим реальным чертежам. и понимаю, что Вы правы...  хотя непонятно как то это... а какже максконтроллер ? 400 у.е а толку 0 ?!? O_o
но Вам + для позитива )

Самое странное что мой двиг как раз под синус рисовали. хотя я от двигателей с магнитами отказался полностью.

[nikvic]

И если мы будем запитывать МК синусойдами, то около точках перехода синусойды через
ноль, в каких-то катушках одной фазы моменты вращения будут противоположны.
А это потери. Поэтому БЛДС-движки запитывют "трапецией" с "трапиками нуля" в точках
перехода "предполагаемой синусойды" через ноль.

Вы неправильно информированы.
И не пишите синусоиду как синусойду.

[VladimirA]

И если мы будем запитывать МК синусойдами, то около точках перехода синусойды через
ноль, в каких-то катушках одной фазы моменты вращения будут противоположны.
А это потери. Поэтому БЛДС-движки запитывют "трапецией" с "трапиками нуля" в точках
перехода "предполагаемой синусойды" через ноль.

Вы неправильно информированы.
И не пишите синусоиду как синусойду.

Да я не только информирован. Уже писал.
Из практики:
Когда с товарищем, работающем на подводном аппарате (лодка "Садко") меняли для пробы наш
"устаревший" "трапециедальный бездатчиковый" контроллер на одном из движков 7,5 кВт на новый "французкий синусный, с датчиком углового положения вала",
при тех же токах получили потерю мощности на валу около 21%.

[zap]

Обратите внимание - при явнополюсной машине (пусть даже на статоре и роторе МК количество
пар полюсов и катушек фазных обмоток увеличивается в Н-число раз), магниты синхронно по фазе проходят мимо катушек. поэтому в каждой отдельной катушке одной фазы ЭДС-ы синхронны.

В такой машине мы получим огромный зубцовый момент и, как следствие, вибрации и потерю КПД.

Наше МК - неявнополюсная машина. Проще - БЛДС.
В одной фазе несколько катушек. И, напротив них магниты стоят с небольшим сдвигом.
Поэтому наводимые ЭДС в каждой катушке одной фазы тоже будут с небольшими сдвигами
относительно друг друга. Хотя при замере "общая" синусойда будет равна средней катушке.

Все катушки одной фазы можно считать за одно целое. И не рассматривать отдельные зубцы со своими обмотками в отрыве от всей обмотки фазы. Потому что иначе можно и подошву одного зубца явнополюсной машины раздробить на кучу участков. И в каждом участке синусоида магнитной индукции будет со сдвигом относительно других участков. Но нас интересует только суммарная ЭДС во всей обмотке.

И если мы будем запитывать МК синусойдами, то около точках перехода синусойды через
ноль, в каких-то катушках одной фазы моменты вращения будут противоположны.
А это потери. Поэтому БЛДС-движки запитывют "трапецией" с "трапиками нуля" в точках
перехода "предполагаемой синусойды" через ноль.

Тут такая же ситуация как с "прямой зубец" против "зубец с башмаком". В первом случае получаем бОльший размах напряжённости магнитного поля, взамен получая "мёртвые" участки, во-втором случае мы получаем более-менее однородную напряжённость с более низкой амплитудой. Площадь графика в первом и втором случае одинаковы, и извлекаемая из такого зазора мощность будет одинакова хотя действительно, трапецевидный контроллер будет плохо управлять двигателем без башмаков (будут сильные пульсации момента), а вот синусный контроллер будет нормально работать и в первом, и во втором случае, особенно если он будет выдавать не синус, а конкретную форму противо-ЭДС конкретного двигателя.

Я думаю, в Вашем случае дело было в чём-то другом, но не в синусности контроллера. Возможно, датчик положения был неправильно установлен (возможна ошибка на 30 градусов), или просто потери мощности на ключах были большие при рабочем токе итд. Хотя не исключено, что форма противо-ЭДС у того двигателя была уж слишком несинусоидальной. Но это не случай мотор-колеса, здесь мы видим практически классическую синусоиду.

Насколько я знаю, с максконтроллером нет особой разницы при синусном или трапецевидном управлении. Во всяком случае такую кардинальную разницу, как 20% по КПД уж точно бы заметили, насколько я знаю несколько контроллеров активно тестируются добровольцами.

[zap]

Кстати, никто не разбирался как посчитать форму противо-ЭДС, упрощённо?
У меня по-любому получается синусоида. Считаю для каждого зубца по формуле:

Код Выделить Развернуть

E = n * B * l * v * sin (a), где

n - количество витков
B - магнитная индукция (принимаем за 1, абсолютное значение ЭДС меня не интересует)
l - длина проводника (принимаем за 1)
I - ток (принимаем за 1)
v - скорость (принимаем за 1)
a - угол между зубцом и полюсом магнита
в итоге имеем:

E = n * sin (a)


Естественно, сумма синусов с одинаковыми амплитудами (в случае одинаковых n на зубец) дают тоже синусоиду.
А как же легендарные двигатели с квадратным ЭДС? У них ведь тоже одинаковое число витков на зубец?

[Babylon4]

Наше МК - неявнополюсная машина. Проще - БЛДС.
В одной фазе несколько катушек. И, напротив них магниты стоят с небольшим сдвигом.
Поэтому наводимые ЭДС в каждой катушке одной фазы тоже будут с небольшими сдвигами
относительно друг друга. Хотя при замере "общая" синусойда будет равна средней катушке.

Во первых МК тоже явно полюсная машина(на роторе полюса явно выражены и не меняются во времени как это происходит например в асинхронной машине),форма сигнала на катушках будет зависить не только от контролера ,но и от конкретной магнитной системы в частности от коэффициента заполнения ротора магнитами.

И если мы будем запитывать МК синусойдами, то около точках перехода синусойды через
ноль, в каких-то катушках одной фазы моменты вращения будут противоположны.
А это потери. Поэтому БЛДС-движки запитывют "трапецией" с "трапиками нуля" в точках
перехода "предполагаемой синусойды" через ноль.

Если посмотреть на трапецию и синусоиду то они похожи и отличаются только точностью формы сигнала, не факт что сигнал синусного контролера на 100% соответствует    sin (a).

[nikvic]

Насколько я знаю, с максконтроллером нет особой разницы при синусном или трапецевидном управлении. Во всяком случае такую кардинальную разницу, как 20% по КПД уж точно бы заметили, ...

Там шла речь о потере (выходной) мощности, а не КПД, и это верно для малых скоростей.

Дело в средних моментах, который у косинус*косинус равен 1/2, а у трапеции (косинус*1, с учётом диапазонов) -  2/3*sin(Pi/12)/sin(Pi/12).  Это даёт около 24% потерь мощности - для околонулевых скоростей.

Ещё замечу, что ХХ у трапеции побольше, чем у синусника.

И, похоже, эта часть теории ни разу не обсуждалась детально.

[zap]

Насколько я знаю, с максконтроллером нет особой разницы при синусном или трапецевидном управлении. Во всяком случае такую кардинальную разницу, как 20% по КПД уж точно бы заметили, ...

Там шла речь о потере (выходной) мощности, а не КПД, и это верно для малых скоростей.

В исходном сообщении "при тех же токах получили потерю мощности на валу около 21%.".

Дело в средних моментах, который у косинус*косинус равен 1/2, а у трапеции (косинус*1, с учётом диапазонов) -  2/3*sin(Pi/12)/sin(Pi/12).  Это даёт около 24% потерь мощности - для околонулевых скоростей.

Так ведь пока ЭДС ниже напряжения питания, повысить мощность нет проблем - достаточно "поддать газу".
А вот выше напряжения питания не прыгнешь, так что максимальная мощность (и, соответственно, скорость) будет ниже.

[nikvic]

Насколько я знаю, с максконтроллером нет особой разницы при синусном или трапецевидном управлении. Во всяком случае такую кардинальную разницу, как 20% по КПД уж точно бы заметили, ...

Там шла речь о потере (выходной) мощности, а не КПД, и это верно для малых скоростей.

В исходном сообщении "при тех же токах получили потерю мощности на валу около 21%.". 

Дело в средних моментах, который у косинус*косинус равен 1/2, а у трапеции (косинус*1, с учётом диапазонов) -  2/3*sin(Pi/12)/sin(Pi/12).  Это даёт около 24% потерь мощности - для околонулевых скоростей.

Так ведь пока ЭДС ниже напряжения питания, повысить мощность нет проблем - достаточно "поддать газу".
А вот выше напряжения питания не прыгнешь, так что максимальная мощность (и, соответственно, скорость) будет ниже. 

Исходное сообщение вообще не очень информативно - есть упоминание о токах (неизвестно, каких) и нет ничего о скоростях.
Впрочем, и Вы говорите о максимальной мощности без упоминания скорости. Как известно, эта мощность достигается при скверненьком КПД...