AC誘導モーターとブラシレスDCモーターの制御の違いは?


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私は工業用ACモーター制御(ソフトスターター、VFDなど)のかなり堅実な背景を持っていますが、私が確かによく知らないのはブラシレスDCモーターです...このタイプは地球上のすべてのハードドライブにあります。

私の知る限り、それらは一般的なスター接続AC誘導モーターと同じように見え、モーターコントローラーは、私がほとんどのプロの設計に費やした典型的な3相ACコントローラーと非常によく似ています。

機械的な構築の観点からも制御の観点からも、両者の本当の違いについてはあまりわかりません。私が見つけたように最も近いのは「それらは似ている」です。

これらのタイプのモーターとその制御方法の主な違いについて、リソースを持っている人や技術的な説明を提供している人はいますか?


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BLDCはより効率的でノイズが少なく、全体的に「類似」していますが、同じではありません。ACモーターの場合、正弦参照は正弦出力(制御回路付き)を意味し、逆起電力も正弦であるため、モーターは純粋ですが、効率は低くなります。BLDCの場合、誤解を招く用語はDCだと思います。これは、磁気ねじれを備えた同期ACモーターにすぎません。また、駆動はホールトランスデューサー(必要な場合)または逆起電力を検出することで行われるため、「哲学」は異なり、cvasi-sine BLDCも波形を歪めますが、台形ほどではありません。最終的に、ほとんど違いはありませんが、存在します。
Vlad

回答:


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すべての回路から:

ブラシレスDCモーターは、AC同期モーターに似ています。主な違いは、ブラシレスDCモーターの長方形または台形の逆起電力と比較して、同期モーターが正弦逆起電力を発生することです。両方とも、磁気ローターにトルクを生成する回転磁場を作成したステーターがあります。

構築に関しては、本質的に違いはありません*。

汎用モーターコントローラー

上の図のモーターは、「AC誘導モーター」または「ブラシレスDCモーター」と呼ばれ、同じモーターになります。

主な違いはドライブにあります。ACモーターは、正弦波の交流波形で構成されるドライブによって制御されます。その速度は、その波形の周波数と同期しています。また、正弦波によって駆動されるため、Back-EMFは正弦波です。単相ACモーターは壁のソケットから駆動でき、3000 RPMまたは3600 RPMで回転します(50 / 60Hzのメイン電源を持っている出身国に応じて)。

そこにできると言ったことに注意してください。DC電源からモーターを駆動するには、基本的にDCからACへのインバーターであるコントローラーが必要です。ACモーターもコントローラーで駆動できると述べるのは正しいことです。たとえば、可変周波数ドライブ(VFD)は、前述のとおり、DCからACインバーターです。通常は、ACからDCへの整流器のフロントエンドがあります。

PWM VFD http://www.inverter-china.com/forum/newfile/img/PWM-VFD-Diagram.gif

VFDはPWMを使用して正弦波を近似しますが、以下に示すようにパルス幅を連続的に変化させることにより、かなり近づけることができます。

正弦波対PWM

PWMを使用して正弦波を近似すると、ほぼ正弦波のBack-EMF波形が生成されますが(「ファジー」は使用する単語です)、やや複雑です。単純な整流技術は、6段整流と呼ばれ、Back-EMF波形は正弦波よりも台形です。

6ステップドライブhttp://www.controlengeurope.com/global/showimage/Article/18087/

6ステップBack-EMF http://www.emeraldinsight.com/content_images/fig/1740300310012.png

そして、あなたが言ったように、この「PWMは本当に貧弱」ですが、それはまた、実装するのがはるかに簡単であり、したがってより安価です。

6ステップおよび正弦波以外の転流の他の方法があります。(私の意見では)本当に人気のある他の1つは、スペースベクトルドライブです。これは正弦波駆動とほぼ同じ複雑さを持ちますが、利用可能なDCバス電圧をより有効に活用します。空間ベクトルについては詳しく説明しませんが、それはこの議論の水域を汚すだけだと思います。

これらが駆動技術の違いです。ACモータを駆動するために使用される波形は、典型的には、正弦波であり、可能性が AC電源から直接、または可能性が PWMを用いて近似されます。DCモーターを駆動するために使用される波形は、通常台形であり、DC電源から供給されます。効率がわずかに低下する可能性がありますが、ドライブを交換できなかった理由はありません。

*本質的に

上記で、2種類のモーターの構造は本質的に同じであると述べました。AC誘導モーターとブラシレスDCモーターの両方の場合、永久磁石ではなく固定子を巻いたモーターについて話しています。それはそれらを「ユニバーサルモーター」にします:

モーターに固定子を巻く利点の1つは、ACまたはDCで動作するモーター、いわゆるユニバーサルモーターを作成できることです。

ただし、巻線にはわずかな違いがあります。ACで使用するように設計されたモーターは正弦波状に巻かれ、DCで使用される予定のモーターは台形に巻かれています。何年も私を悩ませてきたのは、違いを示す簡単な図が見つからないことです。モーターの固定子が与えられた場合、それが正弦波状または台形状に巻かれているかどうかはわかりません。私が知っている違いを知る唯一の方法は、シャフトにドリルを接続し、逆起電力を見てモーターを逆駆動することです。上の図に示すように、素敵な正弦波または台形が表示されます。上記で述べたように、誤ったタイプのドライブを使用すると、わずかなパフォーマンスの低下が発生しますが、それ以外の場合は機能します。

多くの場合、ブラシレスDCモーターはローターに永久磁石が組み込まれています。これはリスケージモーターとは異なりますが、固定子が永久磁石固定子ではなく巻線固定子である限り(ブラシ付きDCモーターで見られるように)、どちらの設計も基本的に「ユニバーサルモーター」です。

PM対リスケージ

上図の永久磁石側は、2極モーターを示しています。極の数がトルクリップルを制御します。極が多いほど、トルク曲線は滑らかになります。しかし、極数はAC対DCの観点から違いはありません。

固定子巻線の接続、デルタ対スターも駆動方法に影響しません。実際、実行中にこの2つ切り替えることができます。

デルタスターの切り替え

違いは、デルタがより多くの電流を引き込むため、より多くのトルクを生成することです。トルクと電流の関係、速度と電圧の関係の詳細については、このEE.SEの質問に対する私の答えを参照してください。


詳細な回答をありがとうございますが、制御方法はACインバーターとまったく同じです(正弦波電流波形をシミュレートするためにIGBTまたはFETを使用してDCをチョップします)。デルタ接続モーターを紹介しましたが、これも一般的ですが、BLDCと標準のかご型AC誘導モーターの違いはわかりません。PWMが非常に悪い場合を除き、逆起電力は正弦波にかなり近いはずです。VFDの電流波形は、ほとんどの場合「ファジー」正弦波です... BLDCに使用されるPWMは同じではありませんか?
akohlsmith

@AndrewKohlsmith正直言って私の答えにも満足していませんでしたが、途中で中断されて走らなければなりませんでした。私は答えをかなり拡大し、うまくいけば少しわかりやすくしました。コメントには、追加の質問への回答も含まれています。違いがまだ明確でない場合はお知らせください。
embedded.kyle

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それは素晴らしい答えです。台形に巻かれたコイルについては、これまで知りませんでした。モーターショップの仲間に質問します。スターデルタスターターは、私が遠い過去に経験したものであり、オートトランススターターもあります。6パルス(およびEMI / RFI /ハーモニック18パルスではより一般的)の設計は、PWM制御によりほぼモーター側ではなく、整流器のフロントエンドでよく見られるものです。きれいできれいな正弦波電流波形。素晴らしい答えです!
akohlsmith

空間ベクトル(および磁束ベクトル)設計では、ソフトウェアにモーターモデルがあり、1組の関数(クラークとパーク)を使用して、電流波形を磁化およびトルク生成ベクトルに変換します。次に、これらの新しい電流ベクトルを設定値として使用してPWMを変更し、計算された電流を達成しようとします。アイデアは、ストレートV-Hzスケーリングよりもモーターをより正確に制御することです。
akohlsmith

モーターモデルがモーター巻線のタイプを検出または選択できる限り、BLDCとかご型誘導モーターの両方が同じ制御アルゴリズムを持つことができるようです。永久磁石(同期)モーターは、モータースリップが大幅に低くなるため、制御メカニズムが異なります。
akohlsmith

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私はこの質問に答えるのが少し遅れており、まだ上記のembedded.kyleに直接返信することはできませんが、上記の少し誤った情報を修正したかったのです。私の専門はモーターであり、コントロールではなく、BTWです。

1)「ユニバーサルモーター」は、BLDCまたは誘導モーターとはまったく異なります。ユニバーサルモーターには、固定子と電機子が巻かれており、ブラシが付いています。ステータが巻かれているからといって、ユニバーサルモーターにならない...ユニバーサルモーターについてリンクされているembedded.kyleリンクは、PMDCブラシ付きモーターと比較しているだけです。

2)BLDCモーターのローターには常に磁石が付いています。上で言ったように、それらは決してユニバーサルモーターと呼ばれることはありません。ユニバーサルモーターはまったく別物です。

3)台形対正弦波に関して、誘導モーターとブラシレスモーターを巻き付ける標準的な方法はありません(以下で説明する理由から、「正弦波状に巻かれた」および「台形状に巻かれた」という用語は嫌いです)。一般に、誘導電動機の設計者は、正弦波のエアギャップMMFと磁束を生成しようとします。これは一般に、「分散」巻線と呼ばれるもので行われます。つまり、Tターンのコイルではなく、さまざまなターン数の複数のコイルを使用して正弦波を近似するということです。

embedded.kyleが述べたように、ブラシレスモーターには、より正弦波状または台形に見える逆起電力があります。ただし、純粋な正弦波または台形の逆起電力を取得することは決してありません...モーターがどのように設計され、どのようにそれが起こらないようにするか。それは常に中間のどこかにあります。逆起電力の形状は、巻き方、回転子磁石に対する固定子歯の比率、積層歯の形状、回転子磁石の形状など、多くのことによって決まります。これが、用語が嫌いな理由です「正弦波状に巻かれた」および「台形に巻かれた」-背面起電力は、それがどのように巻かれたか以外のことに依存します。「台形」ドライブまたは「正弦波」ドライブでブラシレスモーターを駆動できます。一般的に(ただし、これは普遍的ではありません)、トラップドライブとペアにすることを意図した多かれ少なかれトラップ逆起電力を持つモーターがある場合、モーターメーカーはこれをBLDCモーターと呼びます。同様に、正弦ドライブと組み合わせることを意図した多かれ少なかれ正弦波の逆起電力を持つモーターがある場合、モーター製造業者はこれをBLACモーターと呼びます。ただし、これらのタイプのモーターは、どちらのタイプのドライブでも実行できます。

4)10:23の19:06にポイントされたembedded.kyleのリンクは、サイン巻線とトラップ巻線の違いを示していません。おそらくコメントも残しておきますが、これら2つの違いは、1つはラップ巻きで、もう1つは同心巻きであるということです。


+1以上の評価を付けることができれば、それを行います。そして、受け入れられた答えを2つの答えの間で分配できれば、私は確かにそれをするでしょう。どうもありがとうございました。すべてのBLDCに永久磁石ローターがあることを知りませんでした。これは、制御アルゴリズムに微妙な影響を与えます。これは、私が決定しようとした他のことの1つです。ありがとうございました!
akohlsmith

@Brad-これは非常に簡単ですが、答えが「trap」の代わりに「trapezoidal」という単語を使用した場合、または確立された「trap」が「trapezoidal」の同義語であり、「sinusoidal」と同じ場合、そして「サイン」。私はディスレクシアと同様の効果がある障害を持っているので、用語が変わっただけで「ちょっと変わった」と思っていくつかの文章を読んで読み直しました。そうでなければ、あなたの答えは非常に役に立ち、最初の答えを超えてたくさん追加してくれたので、+ 1しました。
gbulmer

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ウィキペディアによると、ブラシレスDCモーターは、インバーターと整流器、センサー、およびインバーター制御電子回路が統合された永久磁石同期ACモーターです。私はACモーターにあまり詳しくありませんが、ブラシレスDCモーターは機能的な観点からACモーターのサブセットとして最もよく分類されると思います。

アプリケーションに関連する他のいくつかの違いもあるかもしれません。たとえば、ステッピングモーターとブラシレスDCモーターの違いは通常、意図する用途であり、サーボモーターは統合された回転位置センサーを備えたモーター(通常はブラシ付きDCモーターではありません)を指します。


正しい; 問題は、特に「生の」モーターの違いと制御戦略の違いに関するものです。私が判断できる限り、ブラシレスDCモーターは、AC誘導モーターを駆動するのとまったく同じ方法で駆動します。通常は、正しい振幅の3相正弦波に近い3相PWM波形です。特定の回転速度で最大トルクを達成するための周波数(V-Hz比)。
akohlsmith
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