Безколлекторные двигатели в копирах и принтерах.

Безколлекторные двигатели в копирах и принтерах.

Безколлекторный  двигатель (прямоприводной электродвигатель постоянного тока, вентильный двигатель, электронный двигатель) вы встретите в приводах жестких дисков (HDD), в лазерном принтере он применяется для перемещения лазерного луча и для механизма протяжки, все вентиляторы (и блока питания и процессора) имеют подобный принцип работы. Кроме того, этот двигатель вы встретите и в бытовой технике – в любом магнитофоне, видеомагнитофоне и видеоплеере, видеокамере и т.д. Одним словом, там, где требуется постоянная, высокая и стабильная скорость вращения – там применяются безколлекторные электродвигатели.

Этот тип двигателя характеризуется следующими преимуществами:

- малая  неравномерность мгновенной  скорости вращения

- низкий уровень акустических шумов

- небольшие габариты, масса, потребляемая мощность

- высокая надежность

- низкая стоимость

В безколлекторном двигателе на роторе расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток. Эти магниты выполнены чаще всего в виде многополюсного кольцевого магнита. Обмотки статора являются неподвижными, т.е. получается обращенная конструкция (рис.1).

 Рис. 1.

Вращающий момент в двигателе создается в результате взаимодействия магнитного потока в промежутке между полюсами магнита ротора и основанием статора с проводниками обмотки, по которым протекает электрический ток. Управление коммутацией катушек обмотки статора в зависимости от положения полюсов магнита ротора осуществляется специальной схемой (драйвером) по сигналам датчиков положения ротора. На практике нашли применение двухфазные и трехфазные двигатели. Двухфазные - в вентиляторах, а трехфазные в различных двигателях. Возможные схемы включения обмоток приводятся на рис.2.

Рис. 2.

                 В вентильных безколлекторных двигателях магнит ротора имеет, как правило, 6-9 полюсов. Магнит изготавливают из магнитотвердых материалов на основе порошка феррита различных металлов. Катушки каждой фазы имеют многослойную намотку одним или двумя проводами с числом витков 60...100. Катушки статора после намотки пропитывают лаком, получая монолитную безкаркасную обмотку и приклеивают ее к печатной плате, расположенной на основании двигателя. Однако, для усиления магнитного потока статора часто применяют катушки на магниторпроводе, т.е. получают таким образом каркас для катушек. Большое число катушек статора, как и полюсов ротора, способствует равномерности скорости вращения, однако увеличение их числа приводит к усложнению всей конструкции и удорожанию узла. 

Так как двигатель должен вращаться с постоянной скоростью, необходимо обеспечить контроль за его скоростью вращения. Для этих целей применяется датчик частоты вращения. Этот датчик представляет собой устройство, преобразующее механическое вращение вала двигателя в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна скорости вращения. По принципу действия эти датчики можно разделить: на индукционные, гальваномагнитные, оптические. Большее распространение получили первых два типа датчиков.

Примером датчика гальваномагнитного типа является датчик Холла. Модулирующим элементом в этом случае является кольцевой многополюсный магнит ротора. При вращении ротора создается переменный магнитный поток, под действием которого на выходе датчика Холла возникает синусоидальный сигнал, пропорциональный скорости вращения. Для достижения приемлемой амплитуды сигнала зазор между магнитной системой и рабочей поверхностью датчика устанавливается очень малым (десятые доли миллиметра).

Индукционные датчики основаны на индуцировании электрического сигнала в обмотке изменяющимся магнитным потоком (аналог - магнитная головка). Модулирующим элементом этого датчика является постоянный магнит, укрепленный на наружной поверхности ротора, а чувствительным  элементом является магнитная головка, закрепленная на печатной плате (рис.3).

 Рис. 3.

  Такой тип датчика вы можно было встретить в приводах гибких дисков, только там он выполняет роль датчика начала дорожки (индексный датчик), а не частоты вращения. Еще примером индукционного датчика частоты вращения служит датчик с меандровой обмоткой. В этом случае модулирующим элементом является кольцевой многополюсный магнит ротора, а чувствительным элементом - обмотка в виде меандра, нанесенная печатным способом на плату и расположенная под магнитом ротора (рис. 4). На выходе такого датчика так же формируется синусоидальный сигнал под действием переменного магнитного потока.

Рис. 4.

 Питание обмоток статора осуществляется таким образом, что между намагничивающей силой (создаваемой статором) и магнитным потоком должно сохраняться смещение 90°,30° или 60°. При вращающемся роторе такое положение может сохраниться в результате переключения обмоток статора. Причем при переключении должны выполняться два условия, согласно которым обмотки статора должны переключаться в определенный момент и с заданной последовательностью. Положение ротора при этом определяется с помощью датчиков положения. В зависимости от конструкции двигателя и  числа фаз количество датчиков положения ротора меняется от 1 до 3. Не путайте их с датчиками частоты - датчик частоты один, а датчиков положения обычно три. В вентиляторах используется только один датчик положения ротора и даже датчик частоты отсутствует. По сигналам от датчиков положения драйвер двигателя вырабатывает сигналы управления, переключающие обмотки статора. По принципу действия и конструктивному исполнению датчики положения ротора похожи на датчики частоты вращения. Однако, в подавляющем большинстве случаев используются датчики на основе преобразователей Холла. Холловские датчики положения ротора располагаются внутри шпинделя двигателя и в непосредственной близости от магнита ротора. В зависимости от типа применяемых  микросхем холловских датчиков, на их выходе формируется синусоидальный сигнал (датчик линейного типа) или импульсный сигнал (релейного типа). В некоторых случаях один из датчиков положения ротора может использоваться еще и в качестве датчика частоты вращения, т.е. выполняет двойную функцию.

Драйверы безколлекторных двигателей.

Для управления безколлекторными двигателями применяются специальные микросхемы - драйверы двигателя. Эти микросхемы выполняют следующие функции:

-          усиление и обработка сигналов с датчиков положения ротора

-          усиление и обработка сигнала от датчика частоты вращения

-          формирование сигналов коммутации обмоток статора

-          стабилизация частоты вращения

Условно микросхемы драйверов можно разделить на мощные и маломощные.  У маломощных - двигатель подключается через транзисторные усилительные ключи, например микросхема AN8261 (рис. 5). У мощных  - обмотки статора подключаются непосредственно к выводам микросхемы и в качестве примера такого драйвера можно привести микросхему AN8245K (рис. 6).

На вход микросхемы подаются сигналы от датчиков положения ротора и от датчика частоты вращения. В большинстве микросхем имеется входной сигнал START/STOP для включения и выключения двигателя. Так как микросхема поддерживает скорость вращения стабильной, то сигнал от датчика скорости вращения сравнивается с сигналом опорной частоты. Сигал опорной частоты представляет собой синусоидальное напряжение, формируемое либо кварцевым (емкостным) резонатором, либо ведущей микросхемой (например микропроцессором). Сигнал  частоты вращения обычно обозначается FG. Имеются исключительно ведомые драйверы двигателей, которые не стабилизируют частоту вращения, а работают с частотой, задаваемой ведущей схемой, поэтому такие драйверы просто усиливают сигнал датчика скорости вращения и выдают его на ведущую микросхему и, кроме того, они  не имеют  входов опорной частоты.

   Рис. 5.

Описание контактов микросхемы AN8261.

 Рис. 6.

Описание контактов микросхемы AN8245K.