CC BY
93
УДК 681.586.783
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ РОТОРА ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
А.О.Никитин, Н.А.Колесников, Р.В.Петров
MAGNETOELECTRIC SENSOR FOR DETECTING THE POSITION OF BRUSHLESS
DC MOTOR'S ROTOR AXIS
A.O.Nikitin, N.A.Kolesnikov, R.V.Petrov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, NikitinAO@okbplaneta.ru
Рассматриваются вопросы создания системы управления вентильными двигателями. Приведены наиболее распространенные решения задачи управления вентильными двигателями. Предлагается замена датчиков положения ротора на эффекте Холла на магнитоэлектрические датчики, что позволит избавиться от существенных недостатков, присущих элементам Холла. Также предложена идея совмещения свойств генерирования электрической энергии магнитоэлектрическими элементами с общей системой управления вентильными двигателями. Концепция создания комбинированной системы управления двигателем даст новые возможности для конструирования.
Ключевые слова: магнитоэлектрический датчик, датчик положения ротора, вентильный двигатель
This article considers some new ideas for developing the control system of brushless DC motor. The most common solutions of the problem of controlling brushless DC motors are reviewed. The authors propose to replace the Hall sensors with the sensors using magnetoelectric effect. It allows avoiding the significant problems coming from using the Hall elements. The concept of combining the magnetoelectric energy harvesting elements with the control system of brushless DC motor is offered. This concept of creating the combined control system of a motor gives new possibilities for motor design. Keywords: magnetoelectric sensor, rotor position detector, brushless DC motor
Введение
Современный мир невозможно представить без движения. Другими словами, окружающий человека мир находится в постоянном и непрерывном движении. Одним из устройств, задающих этот процесс, является двигатель. С момента изобретения первых промышленных образцов прошло более трехсот лет, и на сегодняшний день классификация разработанных и внедренных в жизнь человека двигателей имеет многоуровневую структуру. За каждым элементом этой структуры стоят многочисленные коллективы ученых, инженеров, механиков. Появление новых материалов означает, что редакция данной классификации не является последней.
К одним из наиболее распространенных в мире типов двигателей относится электродвигатель, или электрическая машина. Своим появлением он по праву обязан русскому ученому Б.С.Якоби, который в 1834 г. представил общественности первый пригодный для практического
использования электродвигатель постоянного тока. Несмотря на последующее совершенствование конструкции и принципа действия, электродвигатель в основе своей состоит из двух частей: неподвижной — статора, а для машин постоянного тока — индуктора, и подвижной части — ротора. Также осталось неизменным физическое свойство, которое лежит в основе работы любого электродвигателя — электромагнитная индукция. Но независимо от кажущейся простоты конструкции для разработчиков и по сей день важными для решения остаются вопросы, связанные с хорошей управляемостью, динамикой, хорошими энергетическими показателями, теплоотводом и надежностью. Как раз решение вышеуказанных вопросов и привела к созданию нового типа электродвигателя.
Вентильные электрические двигатели (ВД), в зарубежной литературе BLDC (Brushless Direct Current Motor — бесщеточный двигатель постоянного тока) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor — синхронный двигатель с постоянными магни-
тами), позволили объединить в себе преимущества ранее созданных электрических машин, что определило последующий рост области их применения как в технике, так и в промышленности [1-3]. Начало истории разработки вентильных электрических двигателей относят к 30-м гг. XX в. Однако ограниченные возможности ртутных вентилей и тиратронов, используемых в те годы для коммутации фаз обмоток двигателей, не позволили добиться серьезных успехов в промышленном их использовании. И лишь после появления в 60-х гг. прошлого века компактных полупроводниковых приборов идея создания и использования вентильных двигателей вновь возродилась.
СТАТОР
РОТОР.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ
Рис.1. Конструкция вентильного двигателя фирмы «BEI KIMCO»
Конструктивно ВД представляет из себя ротор с закрепленными постоянными магнитами и жестко зафиксированный к корпусу статор с обмотками (рис.1). Проходящий по обмоткам электрический ток создает магнитное поле, которое в свою очередь приводит к повороту ротора. Далее коммутируется к источнику питания следующая обмотка или группа обмоток с последующим поворотом ротора. Кажущаяся на первый взгляд простота конструкции и принципа действия ВД упирается в конечном счете в ряд определенных трудностей, с которыми приходится сталкиваться разработчику, использующему данный тип двигателя. Для пояснения последнего вернемся к процессам, происходящим в ВД на этапе его работы. Как было сказано выше, проходящий по заданным обмоткам электрический ток создает магнитное поле, имеющее определенное направление. Ротор в свою очередь вращением стремится совместить магнитную ось закрепленных на себе постоянных магнитов с эквивалентной магнитной осью статора. Далее для сохранения момента и плавного разгона или же сохранения скорости вращения необходимо перекоммутировать обмотки статора и осуществить данную процедуру нужно в определенный момент, зависящий от положения магнитной оси ротора. Иными словами, для полноценного управления ВД необходимо спроектировать позиционную обратную связь. Эта обратная связь аналогична функции, выполняемой коллектором в машине постоянного тока. В решении данной проблемы разра-
ботчики пошли двумя различными путями. И в результате рынок представлен ВД двух типов: с встроенным датчиком положения ротора (ДПР) (Shaft Encoder BLDC) и бездатчиковыми ВД (Sensorless BLDS). В свое время использовались датчики положения на основе различных свойств, но наибольшее распространение получили датчики гальваномагнитного типа на основе эффекта Холла. Принцип работы бездатчиковых ВД основан на оценке значения ЭДС, наводимой в свободной обмотке (в которой не протекает электрический ток). Несомненными преимуществами бездатчиковых ВД перед ВД с ДПР является простота конструкции, а существенным недостатком — невозможность управления двигателем на малых оборотах, так как величина ЭДС напрямую зависит от частоты вращения. Что касается ВД с ДПР на основе датчиков Холла, то разработчик сталкивается с рядом проблем, связанных с конструктивным расположением элементов Холла, с необходимости подачи питающего напряжения. Плюс к общим конструкторским недостаткам добавляются недостатки самих датчиков Холла: ограничительный диапазон рабочих температур, наличие остаточных напряжений, низкая стойкость к статическому электричеству и радиоактивным излучениям.
Магнитоэлектрические датчики положения ротора
Таким образом, задача поиска простого, надежного способа управления вентильным электрическим двигателем приобретает большую актуальность. Анализируя ряд последних исследовательских работ, нельзя не заметить тенденцию к переходу к новым композиционным материалам, состоящих из двух или более фаз. В результате взаимодействия составляющих фаз удалось получить совершенно новые эффекты. Так, объединение фаз, обладающих магнитост-рикционными и пьезоэлектрическими свойствами, привело к получению нового композитного материала, обладающего магнитоэлектрическим (МЭ) эффектом [4]. Механизм прямого МЭ эффекта состоит в следующем: магнитострикционный материал деформируется при приложении внешнего магнитного поля, что приводит к возникновению механических напряжений в пьезоэлектрической компоненте, а следовательно, и к электрической поляризации вследствие пьезоэлектрического эффекта. Полученные композитные структуры выявили повышенную чувствительность к магнитным полям, всего лишь на два порядка хуже, чем известные датчики СКВИД [5].
В свете вышесказанного, а также работы [6] по созданию МЭ датчиков положения коленчатого вала (рис.2), имеет право на существование идея проектирования вентильного двигателя с магнитоэлектрическим датчиком определения относительного положения магнитной оси ротора. Структурная схема, поясняющая принцип работы 3-фазного ВД с МЭ датчиком приведена на рис.3. Сигналы, поступающие с МЭ-датчиков, анализируются микроконтроллером, далее в зависимости от алгоритма работы вентильного двигателя коммутируется требуемая последовательность фаз.
Рис.2. Внешний вид магнитоэлектрического датчика положения коленчатого вала
Возвращаясь к работам по изучению магнитоэлектрических сенсоров магнитного поля [7], большой интерес представляет частотная характеристика магнитоэлектрического коэффициента, а именно область ре-
зонанса (рис.4). Данная область характеризуется значительным всплеском напряжения на выходе МЭ-элемента, превышая нерезонансные значения более чем в сто раз. Стоит заметить, что частотная характеристика напрямую зависит от размеров самого МЭ-элемента.
Учитывая изложенные факты, а также результаты работы, приведенные в [8], где изложен принцип и произведено математическое описание магнитоэлектрического генератора, предлагается следующая конструкция ВД с МЭ-датчиками определения относительного положения магнитной оси ротора (рис.5).
Алгоритм работы предполагаемого устройства следующий. В исходном состоянии микроконтроллер считывает информацию с датчиков о положении ротора и коммутирует соответствующую последовательность фаз. ВД разгоняется и набирает обороты, при которых ЭДС, наводимая в свободной обмотке, достигает достаточного уровня для ее оценки. Далее происходит переход на управление по принципу работы бездатчикового
180
Frequency f, Hz
Рис.4. Частотная зависимость МЭ коэффициента для образца 60*10*0,5 мм структуры ЦТС-метглас
УСИЛИТЕЛЬ
МИКРО КОНГРОЛЛЕР
шимо
ШИМ1
ШИМ2
шимз
ШИМ4
ШИМЗ
ДРАЙВЕР
1Н
1Н
2В
2Н
ЗВ
зн
3-ФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР
ВЕНТИЛЬНЫИ ДВИГАТЕЛЬ Ml
Г),
мз.
МЭ-ЭЛЕМЕНТЫ
УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ УСТРОЙСТВО НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
УСИЛИТЕЛЬ
Рис.5. Структурная схема ВД с МЭ-датчиками определения относительного положения магнитной оси ротора с комбинированным управлением
ВД. Двигатель выходит на номинальную частоту вращения, при которой МЭ-элементы, благодаря заданным при проектировании параметрам, находятся в области максимального МЭ коэффициента. Это позволяет как получать максимальный сигнал с МЭ датчиков, так и произвести накопление энергии для схемы управления.
Заключение
В статье предложена идея совмещения свойств генерирования электрической энергии магнитоэлектрическими элементами с общей системой управления вентильными двигателями. Предложенное устройство, комбинирующее способы управления, становится не только потребителем энергии, но и способно в небольших количествах ее накапливать. Переход от элементов Холла к МЭ датчикам дает помимо увеличения чувствительности следующие преимущества: высокая термостабильность (к примеру, точка Кюри пьезоке-рамики ЦТС-19 достигает 290°С, а для высокотемпературной керамики — 670°С), стойкость к значительному уровню радиоактивного излучения, что дает возможность использовать их в условиях космоса, а также высокую технологичность, т.е. легкость освоения даже небольшими производственными предприятиями.
1. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность): Курс лекций. СПб.: Корона-Век, 2006. 336 с.
2. Surendhirababu K., Barwin K. Speed control and protection of three phase BLDC motor with Hall effect sensor using neuro fuzzy logic controller // International Journal of Research in Science, Engineering and Technology. 2016. Vol.5. Issue 3. Р.4537-4543.
3. Vinayaka K.U., Priya S. Sensorless control of BLDC motor using back EMF method // International Journal of Research in Science, Engineering and Technology. 2016. Vol.5. Special Issue 9. Р.702-707.
4. Bichurin M.I., Petrov V.M. and Priya S. Magnetoelectric Multiferroic Composites. In: Ferroelectrics — Physical Effects / Ed. M.Lallart. Rijeka:InTech, 2011. P.277-302.
5. Wang Y., Gray D., Berry D. et al. An extremely low equivalent magnetic noise magnetoelectric sensor // Adv. Mater. 2011. V.23. P.4111-4114. DOI: 10.1002/adma.201100773.
6. Колесников Н.А., Петров Р.В Магнитоэлектрический датчик для автомобиля // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Физико-математические науки. 2015. №6 (89). С.74-77.
7. Бичурин М.И., Петров Р.В., Соловьев И.Н., Соловьев А.Н. Исследование магнитоэлектрических сенсоров на основе пьезокерамики ЦТС и метгласа // Современные проблемы науки и образования. 2012. №1. URL: www.science-education.ru/101-5367.
8. Petrov R.V., Kolesnikov N.A., Bichurin M.I. Magnetoelectric Alternator // Energy Harvesting and Systems. 2016. V.3(2). Р.173-180.
References
1. Ovchinnikov I.E. Ventil'nye elektricheskie dvigateli i privod na ikh osnove (malaia i sredniaia moshchnost') [Brushless DC motors and drives based on them (low to medium power)]. Saint Petersburg, KORONA-Vek Publ., 2006. 336 p.
2. Surendhirababu K., Barwin K. Speed control and protection of three phases BLDC motor with Hall effect sensor using neuro fuzzy logic controller. International Journal of Research in Science, Engineering and Technology, 2016, vol. 5, no. 3, pp. 4537-4543.
3. Vinayaka K.U., Priya S. Sensorless control of BLDC motor using back EMF method. International Journal of Research in Science, Engineering and Technology, 2016, vol. 5, no. 9 (Special Issue), pp. 702-707.
4. Bichurin M.I., Petrov V.M., Priya S.; Lallart M., ed. Magnetoelectric multiferroic composites. Ferroelectrics - Physical Effects. Croatia, InTech Publ., 2011, pp. 277-302.
5. Wang Y., Gray D., Berry D. et al. An extremely low equivalent magnetic noise magnetoelectric sensor. Advanced Materials, 2011, v.23, p.4111-4114. doi: 10.1002/adma.201100773.
6. Kolesnikov N.A., Petrov R.V. Magnitoelektricheskii datchik dlia avtomobilia [Magnetoelectric sensor for automobile]. Vestnik NovGU. Ser. Fiziko-matematicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Physico-Mathematical Sciences, 2015, no. 6(89), p.74-77.
7. Bichurin M.I., Petrov R.V., Solov'ev I.N., Solov'ev A.N. Issle-dovanie magnitoelektricheskikh sensorov na osnove p'e-zokeramiki TsTS i Metglasa [Magnetoelectric microwave devices for phased array]. Sovremennye problemy nauki i obra-zovaniia - Modern problems of science and education, 2012, no. 1. Available at: www.science-education.ru/101-5367.
8. Petrov R.V., Kolesnikov N.A., Bichurin M.I. Magnetoelectric alternator. Energy Harvesting and Systems, 2016, vol. 3(2), pp. 173-180. doi: 10.1515/ehs-2015-0024.
