Объяснение обратной электродвижущей силы: как обратная ЭДС влияет на конструкцию контроллера двигателя

Представьте себе бесщеточный двигатель, вращающийся на полной скорости, а затем силовой каскад внезапно отключается. Ротор продолжает вращаться, а на клеммах двигателя по-прежнему присутствует напряжение. Это напряжение является обратной электродвижущей силой, часто называемой обратной ЭДС. Это двигатель, действующий как генератор и создающий противоположное напряжение, которое ограничивает поток тока. Для инженеров-конструкторов и специалистов по закупкам обратная ЭДС не является теоретической сноской. Он устанавливает максимальную скорость, влияет на время коммутации и определяет, насколько надежным должен быть контроллер.

Что такое обратная электродвижущая сила?

Обратная ЭДС следует из закона индукции Фарадея. Когда ток протекает через обмотку статора, он создает магнитное поле. Когда ротор проходит мимо этой обмотки, магнитный поток, связывающий обмотку, изменяется, и это изменение вызывает напряжение. По закону Ленца индуцированное напряжение действует в направлении, противоположном току, вызвавшему движение. Чем быстрее вращается ротор, тем выше становится это противоположное напряжение. Также используется термин противоэлектродвижущая сила, поскольку индуцированное напряжение буквально противодействует приложенному напряжению.

В математической форме обратная ЭДС равна Е = Ке × ω , где Ke — постоянная противоЭДС, а ω — угловая скорость. Ke зависит от витков обмотки, силы магнита и геометрии двигателя. В двигателях с постоянными магнитами Ke обычно указывается в В/об/мин, и это одно из первых значений, которое необходимо сравнивать при соединении двигателя с контроллером.

Почему обратная ЭДС имеет значение при проектировании привода двигателя

Обратная ЭДС влияет практически на каждую часть моторного привода. Он сообщает контроллеру, когда следует переключаться, как быстро может работать двигатель и возможна ли бездатчиковая коммутация.

Обратная ЭДС и коммутация

В бесщеточном двигателе постоянного тока в любой момент времени только две из трех фаз находятся под напряжением. Контроллер должен знать, когда переключить ток на следующую пару обмоток. В сенсорной конструкции датчики Холла обеспечивают эту синхронизацию. В бездатчиковой конструкции контроллер обнаруживает пересечение нуля обратной ЭДС на обесточенной фазе. На низкой скорости этот сигнал мал; на высокой скорости он сильный. Вот почему бездатчиковая коммутация выполняется легко на скорости выше нескольких сотен об/мин, тогда как запуск с места требует другой стратегии.

Многие современные бездатчиковые приводы запускают двигатель с разомкнутым контуром, а затем переключаются на обнаружение обратной ЭДС, как только сигнал становится стабильным. Этот подход используется в нашей высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока , что обеспечивает эффективность переключения в широком диапазоне скоростей.

A4 Высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока, завод - Шанхай A APT - это высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A4, поставщики и оптовая продажа Высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A4 ... Посмотреть продукт →

Обратная ЭДС и ограничение скорости

В упрощенной эквивалентной схеме напряжение питания равно падению сопротивления обмотки плюс противо-ЭДС. По мере увеличения скорости обратная ЭДС возрастает и оставляет меньше напряжения, чтобы пропускать ток через обмотку. Без нагрузки двигатель работает со скоростью, при которой противо-ЭДС почти равна напряжению шины, а ток почти равен нулю. Например, двигатель на 48 В с Ke 10 В/об/мин достигает примерно 4800 об/мин на холостом ходу до того, как обратная ЭДС сравняется с напряжением на шине. Чтобы ехать быстрее, необходимо повысить напряжение на шине или уменьшить Ke. Поэтому двигатель с высоким Ke не всегда предпочтителен, он ограничивает производительность на высоких скоростях, если контроллер не может применить ослабление поля.

Обратная ЭДС в безсенсорном управлении

Для синхронных двигателей с постоянными магнитами обратная ЭДС имеет синусоидальную форму. Бездатчиковое управление использует наблюдателя для оценки положения ротора по вектору обратной ЭДС, что устраняет необходимость в механическом датчике. Это снижает стоимость и повышает надежность, но наблюдатель необходимо тщательно настраивать. Во время внезапного изменения нагрузки оценка противоЭДС должна соответствовать реальному сигналу. Контроллер с токовыми петлями с малой задержкой, например быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока , дает наблюдателю более чистый сигнал для следования.

R5 Быстродействующий контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока, поставщики, завод - Shanghai APT APT - это R5 быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока, поставщики и оптовая продажа R5 быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока, завод в Китае... Посмотреть продукт →

Понимание уровня программного обеспечения, которое интерпретирует обратную ЭДС, так же важно, как и аппаратного обеспечения. Более пристальный взгляд на роль программного обеспечения в современных контроллерах двигателей показывает, как развивается логика привода.

Как измерить обратную ЭДС на практике

Обратная ЭДС – это не только расчетное значение; его можно измерить напрямую. С помощью осциллографа проверьте фазу двигателя относительно нейтральной точки, раскрутите двигатель и считайте пиковое напряжение. Когда двигатель приводится в движение контроллером, фиксируйте напряжение на клеммах во время отключения ШИМ, чтобы избежать шума переключения. Регистрация напряжения на нескольких скоростях дает линейную кривую с наклоном Ke.

Чтобы измерить Ke, вращайте двигатель со скоростью 1000 об/мин и считайте пиковое напряжение между фазой и нейтралью. Если осциллограф показывает 12 В, Ke составляет примерно 12 В/об/мин для этой конфигурации обмотки. Для линейных измерений разделите показание на √3, чтобы получить значение для каждой фазы.

Для читателей, интересующихся развитием приводов PMSM, постоянные достижения в области технологии синхронных двигателей с постоянными магнитами предоставить полезный контекст для новых методов управления.

Практические соображения при выборе контроллера

Запас напряжения и защита от перенапряжения

Каждый контроллер двигателя имеет максимальное номинальное напряжение шины. Во время рекуперативного торможения или быстрого замедления обратная ЭДС может поднять напряжение на шине выше шины питания. Если контроллер не имеет защиты, конденсатор шины или силовые МОП-транзисторы могут быть повреждены. Хорошо спроектированный привод либо ограничивает рекуперируемый ток, либо сбрасывает избыточную энергию в резистор. Для применений с резким изменением скорости высокопроизводительный контроллер двигателя со специальной логикой защиты справляется с переходными процессами обратной ЭДС более безопасно, чем обычный привод.

Поставщики высокопроизводительных контроллеров двигателей серии T, завод APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 Завод по производству контроллеров синхронных двигателей с постоянными магнитами, Высокопроизводительный двигатель серии T Посмотреть продукт →

Согласование контроллера с двигателем

Постоянная противо-ЭДС Ke должна соответствовать номинальному напряжению контроллера и диапазону скоростей применения. Двигатель, оптимизированный для крутящего момента на низких скоростях, часто имеет высокий Ke, что обеспечивает высокое напряжение на оборот в минуту. Если тот же двигатель должен достичь высокой скорости, контроллер должен работать с более высоким напряжением или использовать ослабление поля. Двигатель с низким Ke может работать быстрее, но потребляет больший ток при том же крутящем моменте. Перед соединением всегда сравнивайте номинальное напряжение, Ke и пределы пикового тока.

Температура еще больше усложняет расчет. Сильные магниты теряют небольшой процент магнитного потока при нагревании, уменьшая Ke и снижая обратную ЭДС. Затем двигатель работает быстрее при том же напряжении, но с меньшим крутящим моментом на ампер. Контроллер, включающий температурные ограничения, может компенсировать это, но поведение системы на высоких скоростях все равно изменится.

Вывод: обратная ЭДС — это входные данные проектирования

Обратная ЭДС не является помехой для усреднения; это физический сигнал, который сообщает о скорости ротора, времени переключения и требуемом запасе по напряжению. Когда вы оцениваете контроллер двигателя, спросите, как он измеряет обратную ЭДС на низкой скорости, на высокой скорости и во время регенерации. Правильное сочетание двигателя и контроллера определяет эффективность, надежность и срок службы.

Как поставщик моторного привода , Shanghai APT Power Technology создает бесщеточные контроллеры постоянного тока и PMSM с учетом этих реалий. Если вы выбираете новую трансмиссию, просмотрите двигатели и контроллеры из нашего ассортимента и подумайте, как Ke, напряжение шины и обратная ЭДС будут взаимодействовать в вашем реальном рабочем диапазоне.