Для инженеров и конструкторов, работающих над современными двигателями и другими промышленными приложениями, жизненно важно понимать преимущества и недостатки шаговых и бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC). Здесь мы рассмотрим широко используемый гибридный шаговый двигатель и 3-фазный двигатель постоянного тока и сравним оба устройства. Мы рассмотрим принципы работы этих двигателей (физические размеры и удельная мощность) и сделаем замечания по аспектам ускорения и шума каждого двигателя. Эксперименты, проведенные при различных условиях нагрузки, выявили изменения мощности, КПД и температуры.

Шаговые двигатели
Наиболее широко используемыми шаговыми двигателями являются гибридные шаговые двигатели, которые состоят из роторов с постоянными магнитами и статоров с электромагнитами. Роторы имеют две чашки с постоянными магнитами: одну с северными полюсами, а вторую с южными полюсами.

Упрощенный шаговый двигатель имеет ротор, изготовленный из двух чашек с постоянными магнитами. Каждая чашка имеет три зубца с соответствующим магнитным полюсом. В этом случае эти чашки собраны таким образом, что они расходятся по фазе на половину шага (60°). Статор состоит из четырех полюсов с двухфазными обмотками.

Шаговые двигатели имеют электронную коммутацию. В соответствии со ступенчатыми входными импульсами биполярный шаговый привод использует схему двойного Н-моста для подачи питания на полюса статора в последовательности, которая позволяет ротору вращаться на шаговый угол. Угол шага можно рассчитать с помощью уравнения (1):

(1) Угол шага (в °) = 360/(2 x (n_ROTORTEETH)(n_PHASE))

При каждом тактовом импульсе ротор поворачивается на 30° — этот шаговый двигатель известен как 12-ступенчатый шаговый двигатель. Во время работы на полной ступени последовательность коммутации и положение ротора выполняются в определенной последовательности. Большинство шаговых двигателей, представленных на рынке, имеют 50 или 100 пар полюсов с 200 или 400 полными шагами за один полный оборот ротора. Это позволяет уменьшить угол шага до 1,8° или 0,9°.

Благодаря усовершенствованному приводу шагового двигателя этот небольшой угол шага можно дополнительно разделить на еще меньшие углы, выполнив операцию микрошагивания. Угол шага может быть уменьшен на полшага, четверть шага и до 1/256 шага. Шаговые двигатели обеспечивают превосходную точность позиционирования, поскольку они могут перемещаться на такие малые углы.

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)
Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют ротор с постоянными магнитами и статор с электромагнитом и требуют электронной коммутации. Для коммутации бесщеточных двигателей постоянного тока требуется мгновенное положение ротора. Чтобы удовлетворить это требование, для определения углового положения ротора используются датчики с эффектом Холла. Эта информация поступает на микроконтроллер (MCU), который переключает ток фазной обмотки с помощью схемы 3-фазного инвертора. По сути, входное напряжение постоянного тока преобразуется в 3-фазное переменное напряжение для последовательного питания полюсов статора с использованием инверторной схемы.

Магнитное поле ротора всегда преследует магнитное поле статора, что приводит к вращению двигателя постоянного тока. Поскольку упрощенный двигатель представляет собой однополюсную пару BLDC, каждый шаг коммутации составляет 60 электрических и механических градусов. Можно получить трапециевидную коммутацию BLDC и положение ротора. Однако типичная трапециевидная коммутация делает двигатель восприимчивым к колебаниям крутящего момента. В результате для тестирования в BLDC используется усовершенствованная коммутация, называемая field-oriented control (FOC). FOC обеспечивает минимальную пульсацию крутящего момента и плавную работу двигателя.

Экспериментальная установка

Испытание шагового двигателя
Для настройки теста шагового двигателя используется биполярный шаговый двигатель NEMA 23 вместе с магнитопорошковым тормозом для моделирования нагрузки. Для испытания двигателя требуются пять основных компонентов, описанных ниже:

Испытание бесщеточного двигателя постоянного тока
Аналогично тестированию шагового двигателя, тестовая установка бесщеточного двигателя постоянного тока включает в себя магнитопорошковый тормоз для имитации нагрузки, а также двигатель NEMA 17 BLDC со встроенным контроллером.

Для питания контроллера стендовый источник питания постоянного тока напряжением 24 В используется последовательно с измерителем тока для измерения потребления постоянного тока бесщеточным двигателем постоянного тока при различных условиях нагрузки. Затем графический интерфейс MotionLAB может перевести BLDC в режим контроля скорости для этого теста.

Сравнение текущего розыгрыша
Шаговые двигатели обычно работают при постоянном токе, иначе известном как постоянный крутящий момент. Это вынуждает шаговые двигатели всегда потреблять максимальный ток, независимо от нагрузки на вал двигателя. В результате шаговые двигатели могут обеспечивать максимальный крутящий момент в диапазоне низких оборотов. Однако это также приводит к большому количеству потраченной впустую энергии в обмотках в виде тепла.

В этом эксперименте шаговый двигатель был протестирован в трех разрешениях микрошага: полушаге, четвертом шаге и восьмом шаге. Потребляемый постоянный ток регистрировался при различных скоростях вращения двигателей в трех различных условиях нагрузки (без нагрузки, 8,2 Н-см и 11,5 Н-см). Результаты эксперимента демонстрируют менее эффективное измеряемое потребление постоянного тока шаговым двигателем по сравнению с двигателем постоянного тока BLDC.

Потребляемый ток холостого хода был также измерен для бесщеточного двигателя постоянного тока, шагового двигателя с полушагом, шагового двигателя с четвертой ступенью и шагового двигателя с восьмой ступенью. Шаговый двигатель потребляет значительно больший ток на нулевой скорости, чем BLDC, даже при отсутствии механического управления. Кроме того, потребляемый ток шагового двигателя остается высоким во всем диапазоне низких оборотов. По мере увеличения частоты вращения двигателя до диапазона высоких оборотов потребляемый шаговым двигателем ток начинает уменьшаться из-за индуктивности обмоток двигателя и обратной ЭДС.

Затем был измерен потребляемый ток для двигателя постоянного тока, шагового двигателя с полушагом, шагового двигателя с четвертой ступенью и шагового двигателя с восьмой ступенью, когда на вал добавляется некоторая нагрузка. Шаговые двигатели глохнут на высоких оборотах, потому что в их обмотках меньше тока. Хотя микрошаговое переключение увеличивает разрешение позиционирования двигателя, оно также снижает выходной крутящий момент. Восьмиступенчатые и четвертоступенчатые шаговые двигатели также заглохли на средних оборотах. Между тем, двигатель постоянного тока потребляет только то, что ему нужно, в зависимости от нагрузки на вал.

В режиме холостого хода BLDC потребляет небольшой ток для вращения ротора. В то же время потребляемый ток увеличивается при добавлении нагрузки на вал, что позволяет двигателю постоянного тока продолжать вращаться с более высокой скоростью, чем шаговому двигателю. Таким образом, двигатели постоянного тока более энергоэффективны по сравнению с шаговыми двигателями благодаря их способности потреблять ток в зависимости от нагрузки.

Сравнение плотности мощности
Плотность мощности — это показатель выходной мощности двигателя на единицу объема. Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно имеют более высокую плотность мощности по сравнению с шаговыми двигателями.

Используя эти размеры, объем можно оценить в 73 см³ для двигателя постоянного тока и 131 см³ для шагового двигателя. Выходная мощность двигателя равна выходной частоте вращения, умноженной на выходной крутящий момент. Двигатель BLDC продолжает вращаться с более высокой скоростью по сравнению с шаговым двигателем при тех же условиях нагрузки, что означает, что двигатель BLDC обеспечивает более высокую плотность мощности, поскольку он имеет более высокую выходную мощность при меньшем. Плотность мощности играет важную роль в приложениях с ограниченным доступным пространством и высокими требованиями к энергопотреблению, таких как беспилотные летательные аппараты и квадрокоптеры.

Сравнение повышения температуры
Как обсуждалось ранее, работа шагового двигателя на постоянном токе приводит к значительным потерям энергии в обмотках, главным образом в виде тепла. В ходе эксперимента измерялась температура корпуса двигателей при температуре окружающей среды 22°C.

Температура шагового двигателя неуклонно повышается независимо от нагрузки на вал. Для сравнения, способность бесщеточного двигателя постоянного тока не потреблять чрезмерный ток означает, что температура корпуса повышается лишь минимально. В отличие от шаговых двигателей, BLDC преобразуют высокий процент потребляемой мощности в механическую энергию, а не в тепло.

Сравнение ускорения и шума
Большое количество полюсов шаговых двигателей напрямую отвечает за их превосходную точность позиционирования по сравнению с блоками управления. Однако большое количество полюсов также приводит к ограниченному ускорению и высокому слышимому шуму во время работы. Ускорение шагового двигателя может быть затруднено, поскольку для поддержания точности углового положения вала требуется постепенное увеличение частоты вращения двигателя. Если шаговый двигатель быстро разгоняется, то он сталкивается с риском пропуска шагов, что может вызвать проблемы во многих приложениях. Кроме того, при низком входном токе в сочетании с высокой потребностью в ускорении шаговый двигатель может заглохнуть.

Что касается шума, бесщеточные двигатели постоянного тока и шаговые двигатели могут обнаруживать определенный крутящий момент, иначе известный как крутящий момент зацепления, который вызывает вибрации и звон на каждом шаге вращения шагового двигателя. Поскольку потребляемый ток BLDC пропорционален нагрузке на вал, BLDC могут потреблять дополнительный ток, необходимый для ускорения нагрузки в пределах диапазона номинальных оборотов двигателя. Блоки питания при нормальной работе работают намного тише, чем шаговые двигатели. Таким образом, двигатели BLDC являются надежными и эффективными решениями, которые обеспечивают высокую скорость, высокое ускорение и меньший слышимый шум.

Вывод
В то время как точность позиционирования двигателей BLDC пропорциональна точности датчика угла, встроенные двигатели BLDC с датчиком угла высокого разрешения могут обеспечить исключительную точность позиционирования. Благодаря микрошаговому управлению шаговые двигатели обеспечивают превосходную точность позиционирования по сравнению с бесщеточными двигателями постоянного тока. Недостатком этого является меньший крутящий момент, начиная со средних скоростей, что приводит к пропуску ступеней или пробуксовке. Степперам не хватает способности быстро разгоняться, и они производят больше шума, чем блоки питания. В целом, шаговые двигатели являются менее дорогостоящим решением, но они предназначены только для низкоскоростных применений. Двигатели постоянного тока — это надежные, более тихие решения, которые обеспечивают более высокую эффективность и точность в широком диапазоне скоростей.

EZmotion
ezmotion.co