В чем разница между коллекторными и бесколлекторными моторами?

Принцип работы коллекторного мотора

Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.

Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.

Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.

В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.

Три основные топологии двигателя

Три часто используемые конфигурации маломощных DC-двигателей – коллекторные, бесколлекторные (BLDC) и шаговые. Каждый из них работает благодаря взаимодействию между токами в катушках (или обмотках) и постоянными магнитами (в большинстве конструкций), что приводит к притяжению/отталкиванию магнитного поля, вызывающему вращение. Все три вида двигателей имеют некоторые сходства, но отличаются методом управления переключением тока, протекающего через обмотки ротора и статора.

Они также отличаются возможностью выполнения определенных задач, качеством этого выполнения и гибкостью управления.

• Исторически первым был двигатель коллекторного типа. По мере вращения ротора контактные щетки, представляющие собой сплошные контакты, состоящие, как правило, из графита, касаются соответствующих областей на роторе (рисунок 1). По мере вращения ротора изменение точек контакта щетки вызывает изменение направления потока тока и, следовательно, магнитного поля. Затем взаимодействие магнитного поля между ротором и статором меняется на противоположное, что вынуждает ротор продолжать движение.

В простейшем варианте коллекторный двигатель не нуждается в электронном управлении – он просто работает в зависимости от токовой и механической нагрузок. В других вариантах силовая шина двигателя включается и выключается при помощи транзисторной схемы, что является простейшим вариантом управления. Также возможно использование микросхемы-драйвера для повышения производительности и обеспечения контроля над скоростью и вращательным моментом.

• В двигателе BLDC механическая коммутация заменена электрической с использованием транзисторов. Чаще всего используются МОП-транзисторы (MOSFET), которые управляются драйвером затвора (в некоторых конструкциях используются биполярные транзисторы с изолированным затвором – IGBT). Отдельный контроллер управляет точным переключением катушки в момент, необходимый для поддержания вращения двигателя на желаемой скорости (рисунок 2).

Примечание: двигатели BLDC иногда называют электронно-коммутируемыми (EC) двигателями, что является более точным определением.

В BLDC магнитное поле ротора присутствует всегда, оно генерируется постоянными магнитами. Когда ток направляется от одной фазы двигателя к другой, магнитные поля объединяются, генерируя изменяющееся поле статора.

Управление двигателем производится не только при помощи электроники. Вместо этого переключение может быть сформировано в драйвере затвора с контролируемым временем нарастания и спада для уменьшения EMI/RFI. Основная проблема заключается в том, что более мягкое переключение приводит к потере мощности и снижению КПД двигателя, и в этой ситуации разработчику необходимо найти максимально компромиссное решение. Некоторые новые драйверы затвора используют множество сложных и тонких трюков, чтобы облегчить эту задачу.

• Шаговый двигатель использует концепцию двигателя BLDC, включая в себя большое количество катушек (или полюсов), расположенных по периферии двигателя (рисунок 3). Путем поочередного включения и выключения этих полюсов индуцируется шаг и вращение ротора в прямом или обратном направлении.

Полюсов может быть и 16, и 128 (или более), в зависимости от требуемой точности вращения, прямо пропорциональной их количеству. Шаговые двигатели доступны в однополярных двухфазных и биполярных двух-, трех- и пятифазных конфигурациях. Самый распространенный из них – биполярный двухфазный двигатель.

В шаговом двигателе магнитное поле ротора генерируется постоянным магнитом, а магнитное поле статора – током, протекающим в определенной фазе. В результате ротор будет выравниваться в соответствии с магнитным полем статора, чтобы достичь заданного положения.

Шаговый двигатель хорошо подходит для задач, где необходимы быстрые остановка/запуск, позиционирование или движение назад/вперед, однако он не подойдет для долговременной непрерывной работы. Он часто используется в принтерах и приборах с поэтапным позиционированием (это только два из его многочисленных применений). Несмотря на то, что точность позиционирования зависит от числа полюсов, использование усовершенствованного метода, в котором смежные полюсы включаются частично (так называемый «микрошаг»), позволяет более точно управлять переключением и позиционированием.

Минусы коллекторных моторов

Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.

Сходства и различия интегральных схем для управления двигателем

Преимущество маломощных двигателей, помимо их скромных потребностей в токе и напряжении, заключается в том, что драйверы затвора MOSFET могут быть интегрированы с контроллерами и оптимизированы для конкретных потребностей. Рассмотрим трио соответствующих предложений от STMicroelectronics. Эти три микросхемы от ST имеют множество базовых характеристик, которые позволяют применять их совместно с различными типами двигателей. Помимо этого, они облегчают моделирование и просты в изучении.

Вот несколько преимуществ, которыми обладают эти изделия:

• максимальная интеграция с использованием интерфейса микроконтроллера (MCU), логики управления, драйвера и моста МОП-транзистора (требуется только несколько пассивных компонентов и нет необходимости во внешних активных компонентах);
• малое рабочее напряжение 1,8…10 В, которое хорошо подходит для низковольтных двигателей, в особенности – для работающих от небольших аккумуляторных батарей;
• высокий выходной ток до 1,3 A (RMS) и 2 A (пиковое значение) для каждого выхода;
• энергопотребление в режиме ожидания до 80 нA;
• повышенная надежность благодаря блокировке при падении напряжения (UVLO), тепловой защите и защите от перегрузки по току;
• небольшой QFN-корпус размером 3×3 мм.

Рассмотрим сходства и различия трех данных микросхем для управления двигателем. STSPIN220, предназначенная для шаговых двигателей, объединяет в себе логику управления, высокую эффективность и малое сопротивление «сток-исток» открытого канала RDS(ON) (рисунок 5). Контроллер реализует управление токовым режимом с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM) с программируемым временем выключения. STSPIN220 поддерживает разрешение 256 микрошагов на один полный шаг, что позволяет сделать движение максимально плавным.

Рис. 5. Микросхема STSPIN220 для управления шаговым двигателем

Микросхемы, аналогичные модели STSPIN220:

• STSPIN230 – монолитный драйвер для трехфазных двигателей BLDC;
• STSPIN240 – монолитный драйвер для двух независимых двигателей постоянного тока;
• STSPIN250 – монолитный драйвер для одного двигателя постоянного тока.

Примечание: драйвер STSPIN250 предназначен для одного двигателя в отличие от двухмоторного драйвера STSPIN240. STSPIN250 может обеспечивать более высокий ток 2,6 А (среднеквадратичное значение) и 4 А (пиковое значение).

Все эти интегральные схемы имеют максимально схожий внешний интерфейс и оперативные команды, функционально отличаются лишь их интерфейсы со стороны двигателя.

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов бесколлекторного типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.

Вы здесь

Главная » Блог » Коллекторный или бесколлекторный двигатель радиоуправляемой модели, выбираем электродвигатель машины на р/у или квадрокоптера.
Опубликовано: 28 августа 2014

Всем привет, сегодня мы расскажем о разнице между коллекторным и бесколлекторными двигателями.

Перед покупкой радиоуправляемой модели с электроприводом, необходимо определиться с выбором электродвигателя, которые бывают двух типов: коллекторные и бесколлекторные двигатели.

Основная разница для потребителя:

коллекторные двигатели более дешевые, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость. Бесколлекторные двигатели – более дорогие, но способны развить большую скорость, а также более износостойкие. Далее немного подробнее:

Плюсы бесколлекторных моторов

Почти нет изнашиваемых деталей. Почему «почти», потому что вал ротора устанавливается на подшипники, которые в свою очередь имеют свойство изнашиваться, но ресурс у них крайне велик, да и взаимозаменяемость их очень проста. Такие моторы очень надежны и эффективны. Устанавливается датчик контроля положения ротора. На коллекторных моторах работа щеток всегда сопровождается искрением, что впоследствии вызывает помехи в работе радиоаппаратуры. Так вот у бесколлектоных, как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, что так же является существенным преимуществом. По сравнению с коллекторными моторами не требуют дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации.

Итог

Дроны беспилотники, это достаточно сложный и точный механизм, который требует тщательного подхода к выбору комплектующих. Надеюсь, после прочтения этой статьи тебе стало понятно чуть больше о движущей силе твоего летательного аппарата.

И как всегда, банальное, но очень важное напутствие – думай, прежде чем делать. Даже куча потраченных денег на самое лучшее оборудование не гарантирует то, что оно будет работать хорошо. Отталкивайся от того, что нужно именно тебе. Читай, узнавай, анализируй.

Если остались вопросы — задавай в комментариях на сайте. Мы постараемся на них ответить. И самое главное, без чего твой коптер точно не полетит. Подписывайся на наши группы в социалках, и делись записями с друзьями (кнопки для этого ты найдёшь внизу). Удачи, пилот, до новых встреч!

(
14 оценок, среднее: 3,86 из 5)