Sterownik - regulator silnika bezszczotkowego BLDC.

Regulator do silników bezszczotkowych.

Choć prawidłowo powinno być, silnik trójfazowy, połączony w gwiazdę, lub trójkąt, a jego regulator to falownik.

W sieci od dawna pojawiły się opracowania regulatorów, aczkolwiek ich autorzy bardzo niechętnie dzielą się softem do ich procesorów, a już szczególnie nie chcą udostępniać wersji źródłowych.
Poszukiwania zacząłem już w 2002 roku, gdy zaczęły się przeróbki silników z CD-ROM, na silniki do modeli. Znalazłem osobiście kilka opracowań. A jakże patrzę, jest schemat, jest soft, ooo jest wersja źródłowa nawet, ale zaraz zaraz, coś mi nie pasuje. Pomyślałem sobie $@#!<;:> no tak, procesor to 80C188, to dlatego tak chętnie pokazują oprogramowanie.

Po jakimś czasie znalazłem opracowanie na procesorze PIC. Już lepiej, ale nie ma softu. Napisałem do autora i dziwo, na maila odpowiedział. Powymienialiśmy swoje spostrzeżenia i uwagi. Potem przekazałem mu moje oczekiwania, to jaki mam model, jaki silnik, akumulatory itd.
No i na tym się urwało, cisza. No tak, pomyślałem, za dużo chciałeś kolego, aż tu nagle przyszedł mail z przeprosinami, że tak długo trwało, a w załączniku skompilowany soft, oraz uwaga, że jakby coś nie tak było, żeby dać znać, to poprawi i pomoże uruchomić. Po długiej dłubaninie, wyraźnej pomocy autora, za co mu serdecznie dziękuję udało mi się uruchomić pierwszy regulator do silników bezszczotkowych. Cieszyłem się nim dość długo.

Pod koniec 2004 roku natknąłem się na opracowanie Bernarda Konze, które było nareszcie na zrozumiałym dla mnie procesorze Atmela.
Nareszcie coś zamieścili, pomyślałem i ostro wziąłem się za lekturę regulatora, tak zaaferowany tym zjawiskiem, że nawet nie zauważyłem, że patrzę na wersję niemiecką. W końcu poproszę kolegę o przetłumaczenie pomyślałem. Nagle odkryłem Amerykę, jest wersja angielska, o jak fajnie !
Po analizie, stwierdziłem, że w miarę dla mnie to jest zrozumiałe, przecież sam schemat nie za bardzo różnił się od tego sprzed prawie dwóch lat, tylko procesor był inny.



Schemat jak schemat w zasadzie typowy w amatorskich rozwiązaniach, bez hallotronów, pomiar EMS na cewkach. Obroty regulowane jak w każdym silniku trójfazowym, poprzez zmianę częstotliwości prądu zasilającego silnik. Stopnie wyjściowe, to jak zawsze typowe tranzystory IGBT, albo MOSFET.

Zasada działania regulatora jest prosta, jeśli wie się jak działa silnik trójfazowy.



Budowa silnika trójfazowego. Silniki trójfazowe z magnesami trwałymi mogą być zasilane napięciem trapezoidalnym (czasem też prostokątnym) , lub też sinusoidalnym. Te pierwsze nazywane są BLDC, czyli Brushless Direct Curent Motor, te drugie to PMS, czyli Permanent Magnet Synchronus Motor. Tutaj zajmujemy się tylko silnikami BLDC.




Na rysunku poniżej mamy pokazane idealne przebiegi czasowe prądów w silniku trójfazowym, przy sterowaniu bipolarnym.



Zasadę działania wyjaśnia rysunek powyżej, pokazujący poszczególne fazy obrotu wirnika.



Przykład bipolarnego sterownika silnika.

To krótko o zasadzie działania sterownika.
Budowa jak zwykle dostarczała trochę problemów, chociażby wykonanie płytki drukowanej. Na szczęście miałem bardzo dobrego znajomego również modelarza ( ale mi to pomogło) w jednej z krakowskich firm, które miały potężne zaplecze. Co prawda płytki dostałem w wersji oszczędnościowej, bo bez metalizacji, ale dało sie to zrobić.
Z tranzystorami jak zwykle było trochę problemu, ale znalazłem dzięki koledze w USA tanie źródło i zaopatrzyłem się w małe wiaderko . Najpierw miałem tylko w obudowach TO-220, potem udało sie zdobyć w obudowach SO8.
Przy tym regulatorze, nauczony błędami popełnionymi w poprzednim, nie spaliłem już tylu tranzystorów. Zresztą pierwszą parę spaliłem przez własną głupotę.
Jedyne zmiany jakie potem wprowadziłem do oryginalnego schematu, to zamiana AT90S2313 na ATTiny2313, ale zamiana taka jest szczegółowo opisana na stronie Atmela, więc nawet przy mojej znajomości assemblera nie stanowiło to większego problemu. Sterownik do dnia dzisiejszego działa i jest zamontowany w małym modelu, łącznie zresztą z silnikiem mojej konstrukcji, wykonanym z 3,5" dysku o zawrotnej pojemności 200MB.

Poniżej widok oryginalnych płytek wykonanych przez Bernarda Konze.
Tak też wyglądały moje płytki , no prawie tak, bo płytki nie miały metalizacji, ale były zrobione według tego wzoru.



Zmontowany układ - widok późniejszych wersji płytek.



i rysunki samych płytek późniejszej wersji z tranzystorami w obudowie SO8.



W pliku Sterownik-dokumentacja.ZIP znajduje się cała dokumentacja, tzn. schematy, obrazy płytki, oraz ostatnia dostępna wersja źródłowa softu. Cała dokumentacja ze względu na prawa autorskie zamieszczona jest tak jak w oryginale bez żadnych przeróbek. Płytki drukowane wykonane są w programie SPrint Layout. Jeśli ktoś takowego nie posiada załączam darmową przeglądarkę (viewlayout50.zip)do tych plików. Z przeglądarki tej można zrobić wydruk.
Proszę pamiętać, że w przypadku robienia jakichkolwiek zmian w oprogramowaniu, należy umieścić informację o prawach autorskich Bernarda Konze. Także kopiowanie niniejszego opisu, dokumentacji, na inne fora, bezwzględnie wymaga uzyskania zgody autorów

Po moich usilnych poszukiwaniach w sieci, znalazłem jeszcze kilka różnych wersji sterownika, jednak wszystkie oparte są na projekcie Bernarda Konze, zawierają jedynie drobne modyfikacje dotyczące elementów jak i procesora sterującego.

Jedna z modyfikacji projektu Bernarda Konze została wykonana przez KarlHeinz Ruehlow (plik BB13.ATMega.8.zip). Modyfikacja polega między innymi na zmianie procesora na ATMega8, oraz na wyeliminowaniu pełniącego funkcję komparatorów układu LM339. Użyto bowiem komparatorów wbudowanych w ATMega8. Dzięki temu uproszczono schemat jak i wynikową płytkę drukowaną. Wewnętrzne przetworniki ADC z procesora, wykorzystano do kontroli akumulatorów litowych / lub NiCd.

Kolejne dwie modyfikacje projektu Bernarda została wykonana przez Svensa (pliki Svens 1N1P.zip oraz Svens D2pack.zip). Obie pracują na procesorze ATMega8, zmodyfikowano jednak sposób sterowania tranzystorami i same tranzystory.

Rysunki dotyczące zasady działania silnika zaczerpnięte zostały z materiałów pomocniczych dostępnych na stronie Politechniki Rzeszowskiej.
Materiały odnośnie sterownika ze strony Bernadra Konze