МАТЕМАТИЧЕСКАЯ  МОДЕЛЬ  МЕХАТРОННОГО  МОДУЛЯ  НА  ОСНОВЕ  ОДНОСЕКЦИОННЫХ  BLDC  ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Сагитов  Пулат  Исмаилович

д.  т.  н.,  профессор,  заведующий  кафедрой  электропривода  и  автоматизации  промышленных  установок  Алматинского  университета  энергетики  и  связи,  г.  Алматы,  респ.  Казахстан

Гафурьянов  Дамир  Забирьянович

технический  директор  Ltd  ”Radan-  electric”,  г.  Алматы,  респ.  Казахстан

E-mail: 

Гафурьянов  Рашид  Дамирович

инженер,  с.  Казахcко-Американского  университета,  г.  Aлматы,  респ.  Казахстан

E-mail:  radandc@mail.ru

Управление  односекционными  BLDC  электродвигателями  в  составе  мехатронного  модуля  привода  систем  активного  воздушного  охлаждения  элементов  системного  блока  РС,  в  частности  центрального  или  графического  процессоров,  со  стороны  датчиков  Hall,  позволяет  существенно  повысить  энергоэффективность  его  электромеханической  части  учитывая  также  при  этом  коэффициент  технического  использования  и  малый  диапазон  регулирования  1:10  для  системного  блока  среднего  обьема  и  среднестатистической  конфигурации.  Одними  из  главных  положительных  черт  данного  преобразования  являются: 

·     снижение  установленной  мощности  многофазных  преобразователей  постоянного  тока  электропитания  материнской  платы  системного  блока  ввиду  слаботочности  цепей  управления;

·     снижение  импульсных  помех  ввиду  отсутствия  регулирования  в  силовой  цепи  многодвигательного  электропривода;

·     высвобождение  дополнительной  мощности  для  интенсификации  работы  процессоров  и  модулей  памяти,  а  также  плат  расширения  материнской  платы  РС. 

Регулирование  в  данном  диапазоне  возможно  как  по  цепи  обратной  связи  от  Hall  сенсоров,  так  и  других  драйверов  BLDC.  Усилители  РА,  включенные  в  цепь  управления  сигналом  выполнены  на  значительно  меньшую  установочную  и  регулировочную  мощности  по  сравнению  с  управлением  по  цепи  силовых  обмоток  BLDC.  Схема  оказывается  особенно  простой  при  релейном  и  импульсном  способе  управления  BLDC,  при  котором  отсечка  обратной  связи  приводит  к  тормозу,  а  включение  к  разгону  (см.  рисунок  1).

Рисунок  1.  Структурна  схема  регулирования  от  Hall  сенсоров

Для  проверки  теоретических  положений  было  проведено  моделирование  и  экспериментальный  анализ  в  программе  Matlab/Simulink  в  результате  которых  получены  структурные  и  принципиальные  схемы  имитациионой  модели  односекционного  BLDC  в  многодвигательноым  электроприводе  активной  системы  воздушного  охлаждения  РС  (см.  рисунок  2).

Рисунок  2.  Принципиальная  схема  управления  односекционным  BLDC  электродвигателем

Уравнение  входного  контура  структурной  схемы  привода

                                                                                 (1)

где:

-  едс  и  внутреннее  сопротивление  источника;

  -  сопротивление  в  цепи  конденсатора;

-  ток  через  источник  питания;

-  входной  ток  преобразователя;

-  напряжение  на  конденсаторе.

где:

-  заряд  на  конденсаторе;

  –  емкость  конденсатора;

-  ток  через  конденсатор.

В  большинстве  BLDC  электродвигателях  привода  вентиляторов  используется  прямоугольная  форма  напряжений  в  процессе  коммутации    временные  рамки  которых  определяются  положением  датчика  Холла. 

Это  описывается  следующим  уравнением:

                                                                                   (2) 

учитывая,  что:

  (3)

                                                                      (4)

где:

-выходное  напряжение  преобразователя  питающего  обмотки  односекционного  BLDC  электродвигателя  В;

-выходное  напряжение  источника  питания  В;

-коэффициент  усиления  драйвера.

                                       (5)

где:

потребляемая  мощность  блока  PA  Вт.

Механическая  система  одного  электродвигателя  со  всеми  вращающими  моментами  показана  схематически  на  рисунке  3:

Рисунок  3.  Механическая  система  односекционного  BLDC  электродвигателя

Уравнение  моментов:

  (6) 

где:

момент  ин.  электродв.  ;

-электромагнитный  момент  электродвигателя  Нм;

-нагрузочный  момент  Нм;

-  коэффициент  вязкого  трения  Нмс;

-  коэффициент  сухого  трения  Нм.

Структурная  схема  односекционного  BLDC  электродвигателя  с  управлением  от  Hall  сенсоров  в  Matlab/Simulink  показана  на  рисунке  4.  Модель  не  учитывает  обратную  связь  по  температуре,  в  следствии  того,  что  постоянная  времени  обратной  связи  по  температуре  значительно  превышает  постоянную  времени  якорной  цепи.

Микропроцессорный  контроль  используется  для  обеспечения  температурного  режима  элементов  системного  блока,  контроля  и  защиты  электроприводов.  Температурная  проверка  реализована  в  5  точках  на  плате  и  процессоре.  Это  дает  возможность  обеспечить  энергосберегающее  управление  многодвигательным  электроприводом  на  односекционных  BLDC  электродвигателях  для  данного  приложения.

Рисунок  4.  Структурная  схема  односекционного  БДПТ

Рисунок  5.  Виртуальная  модель  двухдвигательного  электропривода  на  односекционных  BLDC  электродвигателях,  с  управлением  от  Hall  сенсоров

Виртуальная  модель  расчетной  системы  представлена  на  рисунке  5,  без  учета  обратной  связи  по  температуре.  Сравнение  двух  напряжений  задания  Ureg  представлено  на  рисунке  6.  Рабочий  ток  одного  двигателя  представлен  на  рисунке  7.  Электромеханические  характеристики  для  одного  электродвигателя  представлены  на  рисунке  8. 

Рисунок  6.  Ureg=0  and  Ureg=5  ,  average  -  стиль  расчета

Рисунок  7.  Ureg=7,  PWM  стикер  от  Hall  сенсора

Рисунок  8.  Электромеханические  характеристики  односекционного  BLDC  электродвигателя

Выводы

Этот  метод  обеспечивает  энергосберегающее  управление  односекционными  BLDC  электродвигателями,  без  PWM  регулирования  со  стороны  источника  питания,  при  том  же  диапазоне  регулирования.  Контроль  скорости  вращения  реализован  при  контроле  только  датчиков  Hall.  Результаты  проведенных  экспериментов  показывают,  что  данный  метод  не  может  быть  использован  для  высокоточных  и  широкорегулируемых  приводов,  кроме  диапазона  1:10  для  данного  приложения  данной  комплектации  и  требований  к  системному  блоку.

Получены  структурная  и  виртуальная  математические  модели  односекционного  BLDC  электродвигателя  с  управлением  от  Hall  сенсоров..  Механические  характеристики  в  значительной  степени  отражают  характеристики  двигателя  постоянного  тока.

Список  литературы:

1.Patrick  L.  Chapman.University  of  Illinois  at  Urbana-Champaign.  Permanent-Magnet  Synchronous  Machine  Drives.p.12.4.  2002  by  CRC  Press  LLC.,  -19  s.

2.Suchánek  Miroslav,  Elektrotechnika.  Speed  control  of  BLDC  motor  based  on  hall-effect  sensors.  2008  POSTERUS.sk.,  -7  s.

3.Atmel  Application  Note  (2006),  AVR443:  Sensor-based  control  of  three  phase  Brushless  DC  motor,  Rev.  2596B-AVR-02/06.,  -7  s.

4.Hall  effect  sensing  and  application.  Honeywell,  MICRO  SWITCH  Sensing  and  Control.Honeywel,  -6  s.