Двигатели постоянного тока с блоком управления. Как происходит управление двигателем постоянного тока. Схема со средней точкой

Для начала рассмотрим повнимательней обычный двигатель постоянного тока . Любой двигатель имеет две основные части - ротор и статор. В коллекторном двигателе статор - неподвижная часть, состоит из постоянных магнитов (или в более мощных двигателях электромагнитов). Ротор (якорь) - вращается, совмещён с валом двигателя и состоит из многих катушек (как минимум трех). Коллектор (щёточно-коллекторный узел) отвечает за переключение выводов катушек ротора. Ток в таком двигателе подводится к катушкам ротора через скользящие контакты (или щётки). В один момент времени подключена только одна катушка, она и создаёт момент вращения двигателя за счет проходящего тока.

С точки зрения базовых элементов схемотехники любой двигатель можно представить в виде следующей эквивалентной схемы:

Когда мотор подключён источнику постоянного тока и еще не начал вращаться, то он представляет из себя обычное сопротивление. То есть через него течет ток согласно закону Ома и сопротивлению его обмотки. Преобладает компонента R. Индуктивность начинает влиять когда напряжение не постоянное, например, если мотор питается от ШИМ (PWM) сигнала.

Сопротивление ротора и индуктивность, как правило, очень малы. Его можно померить обычным мультиметром. Небольшие модельные моторы имеют сопротивление 1-10 Ом. Поэтому, при старте мотора (когда он ещё не начал вращаться), ток сильно превышает рабочий ток мотора и если мотор долго будет неподвижен (его заклинило), то такой высокий ток может привести к перегреву мотора и выходу из строя.

Индуктивность катушек ротора пытается поддерживать ток протекающий через обмотки постоянным. Ее влияние заметно только когда напряжение меняется. Когда мотор начинает вращаться, то коллектор начинает переключать катушки ротора, что вызывает изменение напряжения. Индуктивность пытается в эти моменты поддерживать ток протекающий через мотор на постоянном уровне за счет напряжения.

Во время вращения катушки ротора начинают вырабатывать ток (как генератор) - возникает обратная ЭДС. Чем быстрее вращается ротор, тем выше обратная ЭДС возникающая в катушках, а так как она направлена против напряжения питания, то ток потребляемый мотором снижается.

В дальнейшем нам понадобятся следующие выводы:

пока мотор не начал вращаться он является сопротивлением

если приложить к мотору изменяющееся напряжение (например PWM), то индуктивность будет иметь большое влияние, она будет сопротивляться изменению тока через мотор

когда мотор вращается, то он является генератором, и за счет этого потребляемый ток снижается (итоговое напряжение равно V - Vbemf).

Как подключить мотор к МК

В данной статье мы будем разбираться как управлять с помощью МК скоростью и направлением вращения обычным двигателем постоянного тока .

Для того чтобы коллекторный мотор постоянного тока начал вращаться, достаточно подать на него определённое напряжение. Полярность данного напряжения будет определять направление его вращения, а величина напряжения - скорость вращения. Напряжение нельзя менять безгранично. Каждый мотор рассчитан на определённый диапазон напряжений. При повышении напряжения ток через мотор будет расти, и он начнётся перегреваться и может сгореть. На следующем графике некоего мотора хорошо видна взаимосвязь его основных показателей.

Максимальной мощности (Torque - крутящий момент) мотор достигает при максимальном токе. И зависимость тока и момента - линейная. Максимальной скорости двигатель достигает при отсутствии нагрузки (на холостых оборотах), при увеличении нагрузки скорость вращения падает. Номинальное рабочее напряжение указано в паспорте на двигатель и именно для него и приведён и этот график. Если же снижать напряжение, то скорость вращения, и все остальные показатели будут тоже падать. Как правило, ниже 30-50% от номинального напряжения мотор перестанет вращаться. Если же мотор не сможет прокрутить вал (его заклинило), то по сути станет сопротивлением и потребляемый ток достигает максимальной величины, зависящей от внутреннего сопротивления его обмоток. Обычный мотор не рассчитан на работу в таком режиме и может сгореть.

Посмотрим как меняется ток от нагрузки на реальном моторе R380-2580.

Мы видим, что рабочее напряжение данного мотора - 12В, потребляемый ток под нагрузкой - 1.5А. Ток останова мотора вырастает до 8А, а в холостом же вращении, потребляемый ток равен всего 0.8А.

Как мы знаем, порт микроконтроллера не может выдать ток больше 50мА, и напряжение питания 12В для него слишком большое. Для управления моторами нам понадобится электронный ключ - транзистор, возьмём обычный биполярный транзистор NPN и подключим его по следующей неправильной схеме.

Чтобы мотор начал вращаться, на базу транзистора необходимо подать небольшой ток, далее транзистор откроется и сможет пропустить через себя гораздо больший ток и напряжение - мотор будет вращаться. Стоит отметить что, если мы соберём такую схему, то транзистор очень скоро, если не сразу, выйдет из строя . Чтобы этого не произошло, его необходимо защитить.

Как мы уже знаем одна из компонент мотора - индуктивность - сопротивляется изменению тока. Поэтому, когда мы закроем транзистор, чтобы выключить мотор, то сопротивление транзистора резко увеличится и он перестанет пропускать через себя ток. Однако индуктивность будет сопротивляться этому, и для того, чтобы удержать ток на прежнем уровне, по закону Ома, напряжение на коллекторе транзистора начнёт резко повышаться (может достигнуть даже 1000В, правда очень на малое время) и транзистор сгорит. Чтобы этого не произошло необходимо параллельно обмоткам мотора поставить диод, который откроет путь для обратного напряжения и замкнёт его на обмотке мотора, тем самым защитит транзистор.

Также, все постоянные моторы имеют еще одну неприятность - при вращении механический контакт в коллекторе не идеален, щётки искрят в процессе работы, создавая помехи, что может привести к сбою микроконтроллера. Чтобы снизить эти помехи, необходимо использовать конденсаторы небольшой ёмкости, подключенный параллельно выводам мотора (как можно ближе к самому мотору). Вот окончательная правильная схема (диод может быть не обязательно Шоттки, но он предпочтителен).

Биполярные транзисторы в открытом состоянии они ведут себя как диоды (на них падает около 0.7 В). А это, в свою очередь, вызывает их большой нагрев на больших токах и снижает КПД схемы управления мотором. Поэтому лучше управлять моторами с помощью полевых (MOSFET) транзисторов. В настоящее время они достаточно распространены и имеют невысокую цену. Их низкое сопротивление в открытом состоянии позволяет коммутировать очень высокие токи с минимальными потерями. Однако и у них есть свои недостатки. Так как MOSFET транзисторы управляются напряжением, а не током (и обычно оно составляет 10В), то нужно или выбирать специальные логические MOSFET, которые могут управляться низким напряжением - 1.8 .. 2.5В или использовать специальные схемы накачки напряжения (драйверы полевых транзисторов). Как выбирать MOSFET под вашу схему мы рассмотрим в других статьях, на конкретных приборах.

Теперь, подавая на выход микроконтроллера логическую единицу, мы заставим мотор вращаться, а логический ноль - остановится. Однако вращаться он будет с постоянной скоростью и только в одну сторону. Хотелось бы иметь возможность менять направление вращения мотора, а также его скорость. Рассмотрим, как этого можно добиться с помощью микроконтроллера.

H-Мост - меняем направление вращения мотора

Для управления направлением вращения мотора существует специальная схема, которая называется H-мост (схема выглядит как буква H).

В схеме H-моста в качестве нижних транзисторов всегда используются N-канальные, а вот верхние могут быть как N-канальные, так и P-канальные. P-канальными транзисторами в верхнем ключе проще управлять, достаточно сделать схему смещения уровня напряжения на затворе. Для этого можно использовать маломощный N-канальный полевой или биполярный транзистор. Нижним транзистором можно управлять напрямую от МК, если выбрать специальный логический полевой транзистор.

Если в вашей схеме будет использоваться высоковольтный мотор постоянного тока (больше 24В) или мощный мотор с токами более 10А, то лучше использовать специальные микросхемы - драйверы MOSFET транзисторов. Драйверы управляются, как правило, сигналами микроконтроллера от 2 до 5В, а на выходе создают напряжение необходимое для полного открытия MOSFET транзисторов - обычно это 10-15В. Также драйверы обеспечивают большой импульсный ток необходимый для ускорения открытия полевых транзисторов. С помощью драйверов легко организовать управление верхним N-канальным транзистором. Очень хорошим драйвером является микросхема L6387D от компании ST. Данная микросхема хороша тем, что не требует диода для схемы накачки напряжения. Вот так она подключается для управления H-мостом на 2-х N-канальных транзисторах.

N-канальные полевые транзисторы, стоят дешевле P-канальных, а также имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии, что позволяет коммутировать большие токи. Но ими сложнее управлять в верхнем положении. Проблема использования N-канального транзистора в верхнем ключе состоит в том, что для его открытия нужно подать напряжение 10В относительно Истока, а как вы видите на схеме там может быть все напряжение питания мотора, а не 0 вольт. Таким образом, на базу необходимо подать 10В + напряжение питания мотора. Нужна специальная bootstrap схема для повышения напряжения. Обычно, для этих целей используется схема накачки напряжения на конденсаторе и диоде. Однако такая схема работает только, если вы постоянно подзаряжаете конденсатор - открывая, закрывая нижний транзистор (в ШИМ управлении). Для возможности поддерживания верхнего транзистора постоянно открытым нужно еще усложнять схему - добавлять схему внешней подпитки конденсатора. Вот пример схемы управления N-канальными транзисторами без использования микросхем драйверов.

Перейдём к управлению скоростью вращения мотора.

ШИМ сигнал - управляем скоростью вращения мотора

Моторы постоянного тока имеют линейную зависимость скорости вращения от приложенного напряжения. Таким образом, чтобы снизить скорость вращения, надо подать меньше напряжения. Но надо помнить, что с падением напряжения, у мотора падает мощность. Поэтому, на практике, можно управлять скоростью мотора только в пределах 30%-50% от полной скорости вращения мотора. Для управления скоростью мотора без потери мощности, необходима обратная связь от мотора по оборотам вращения, например как в электрическом шуруповерте. Такой режим управления, требует более сложной схемы. Мы же будет рассматривать простой вариант - управление скоростью мотора без обратной связи.

Итак, нам необходимо менять напряжение подаваемое на мотор. В нашем распоряжении есть MOSFET транзистор. Мы помним, что наш мотор имеет индуктивность. Индуктивность сопротивляется изменению тока. И если быстро включать и выключать напряжение на моторе, то в момент выключения ток будет продолжать течь благодаря индуктивности. А мотор будет продолжать вращаться по инерции, а не остановится. Но естественно, вращаться он будет медленнее, среднее напряжение на его обмотках будет меньшее.

Микроконтроллер, как раз, отлично умеет генерировать импульсный ШИМ (PWM) сигнал. А мотор умеет интегрировать данный сигнал (усреднять) за счёт индуктивности обмоток и инерции ротора. От коэффициента заполнения (скважности) ШИМ сигнала как раз и будет зависеть полученное мотором среднее напряжение, а значит и скорость.

Какая же частота ШИМ нужна для лучшего управления мотором? Ответ очень простой, чем больше, тем лучше. Минимальная частота зависит от индуктивности мотора, а также массы ротора и нагрузки на вал мотора. Если смоделировать в электрическом симуляторе (например, PROTEUS) ШИМ управление мотором, то будет видно, что чем больше частота ШИМ, тем более ровный ток протекает через мотор (ripple current - снижается при увеличении частоты). Низкая частота:

высокая частота:

Если же частота упадёт ниже определённого уровня, ток станет разрывным (будет падать до нуля) и в итоге мотор не сможет крутиться.

Отлично, все просто! Делаем частоту ШИМ побольше, например 1 МГц, и любому мотору хватит. В жизни же, все не так просто. Для понимания всех возможных проблем можно упрощенно принять затвор MOSFET транзистора за идеальный конденсатор. Для того чтобы транзистор полностью открылся, конденсатор необходимо зарядить до 10В (на самом деле меньше). Чем больше ток, который мы можем вкачать в конденсатор, тем быстрее он зарядится, а значит быстрее откроется транзистор. В процессе открытия транзистора, ток и напряжение на нем будут максимальными, и чем больше это время, тем сильнее нагреется транзистор. В datasheet обычно есть такой параметр как Qgate - полный заряд, который надо передать транзистору, чтобы он открылся полностью.

Индуктивность моторов не такая уж маленькая, и такие большие частоты не нужны. Для управления моторами постоянного тока вполне достаточно 8 кГц, лучше около 20кГц (за звуковым диапазоном).

Дополнительно стоит отметить, что для снижения стартового тока необходимо плавно поднимать на старте частоту ШИМ. А еще - лучше контролировать стартовый ток мотора с помощью датчиков тока.

ШИМ управление мотором предполагает очень быстрое изменение напряжение от 0 для максимального, что порождает большие проблемы при трассировке платы. Перечислим коротко правила, которые необходимо соблюдать при трассировке платы.

Земли управления моторами и микроконтроллера обязательно должны быть разделены, соединение в одной точке тонким проводником, например 0.3мм, как можно ближе к проводам питания всей схемы

Драйвера управления MOSFET должны быть как можно ближе к самим MOSFET транзисторам

Исполнение управляющей области обязательно двухсторонее, желательно с земляным слоем с одной стороны. При импульсном управлении возникают электромагнитные помехи, чтобы снизить их, земляной слой должен быть рядом.

Обязательно наличие конденсатора как можно ближе к зоне прохождения больших импульсных токов. Если такого конденсатора не будет, то напряжение на линии питания будет сильно проседать и микроконтроллер будет постоянно сбрасываться. Также без такого конденсатора, за счёт индуктивности проводов питания, напряжения на линии питания может увеличиться в несколько раз и компоненты выйдут из строя!

Более подробно мы рассмотрим как работают эти правила на конкретных приборах.

ШИМ сигнал в H-мосте

Посмотрим, как влияет схема управления на нагрев нашим электронных ключей. Допустим, что мы управляем мотором ШИМ сигналом со скважностью 50% и мотор крутится в одну сторону.

Самый простой вариант - применить ШИМ сигнал к одному из двух транзисторов, а второй оставить все время открытым. Обычно, ШИМ в этом случае подаётся на нижний транзистор (N типа), который обычно быстрее. В этом случае нагрев нижнего будет больше верхнего на величину тепла выделяемого при переключениях транзистора. Чтобы сравнять счёт, можно попеременно подавать ШИМ сигнал то на верхний (если они одинаковые), то на нижний транзистор. Также можно подавать ШИМ на оба транзистора одновременно, но из-за разницы в транзисторах это будет не эффективно, а также будет увеличивать нагрев за счёт переключения транзисторов. При такой схеме управления, два других транзистора работают как диоды. К счастью, наибольший ток через диод будет при наибольшей скважности ШИМ, при этом диод будет задействован очень малое время.

Для исключения тока через диоды, которые дают существенный нагрев, можно мотор никогда не отключать от напряжения, а вместо этого, крутить его в обратную сторону. Таким образом, мы должны, например 70% ШИМ сигнала крутить вправо, а 30% влево. Это даст в итоге 70%-30%=40% скорости вправо. Но при этом не будут задействованы диоды. Такой метод управления называется комплиментарным. Такая схема требует большого конденсатора на линии питания, а также источника питания, который может потреблять ток (например аккумулятора).

Вместо вращения мотора в разные стороны, можно помогать диодам - а именно тормозить мотор, открывать два верхних транзистора в момент низкого уровня ШИМ сигнала. На практике, все эти методы не дают существенного изменения скорости вращения двигателя, но позволяют эффективно управлять нагревом полевых транзисторов. Более подробно про особенности различных схем управления можно в этой статье .

На этом мы закончим нашу статью про моторы. Теперь можно перейти к практике - будем делать для робота.

Там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента электромотора в широких пределах, необходима схема управления двигателем постоянного тока

Сегодня получили распространение две основные схемы управления электродвигателем такого типа: преобразователь-двигатель (тиристорный ТП-Д и транзисторный ТрП-Д варианты) и генератор-двигатель (Г-Д).

В обоих случаях управление моментом и угловой скоростью по направлению и абсолютному значению происходит с помощью регулирования приложеной разности потенциалов к якорю электродвигателя. Напряжение на якоре двигателяв системе Г-Д настраивают изменением силы тока в обмотке возбуждения генератора Iвг. Для этой цели в роли возбудителя генератора используют силовые магнитные усилители, тиристорные или транзисторные преобразователи. В системах ТП-Д U якоря изменяют методом фазового управления коммутацией тиристоров, а в системах ТрП-Д регулируют скважность питающего U пит, то есть с помощью способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Основой транзисторных схем является широтно-импульсный преобразователь (ШИП), состоящий из четырех IGBT транзисторов. В диагональ такого IGBT моста подсоединена нагрузка, то есть якорь двигателя. Запитан ШИП от источника постоянного тока.

Существует несколько способов управления ШИП преобразователем по цепи якоря. Самый простой из них – это симметричный метод. При таком управлении в состоянии переключения находятся все четыре IGBT, и на выходе ШИП мы наблюдаем знакопеременные импульсы, длительность которых настраивается входным сигналом. Сам принцип переключения показан на следующем рисунке. Достоинством симметричного метода является его простота, но двухполярное U на двигателе, вызывающее токовые пульсации в якоре, является серьезным минусом. На практике, такие схемы с симметричным управлением используются в основном для управления маломощными двигателями.

Несимметричный способ управления является более совершенным. Он обеспечивает на выходе преобразователя однополярное U вых. Поэтому, в соответствии со схемой выше, переключаются два транзистора Т3 и Т4, при этом Т1 постоянно открыт, а Т2 наоборот закрыт. Для того, чтобы U среднее на выходе преобразователя было нулевым, необходимо чтобы нижний переключающийся транзистор был закрыт. Такой подход тоже не совсем верен, т.к верхние ключи загружены по гораздо больше, чем нижние. При больших нагрузках это может привести к перегреву и повреждению схемы.

Но и с этим недостатком справились, придумав метод поочередного управления двигателем постоянного тока. Здесь как при движении в любую сторонубудут переключаться все ключи. Обязательным условием работы схемы является нахождение в противофазе управляющих напруг IGBT Т1 и Т2 для одной группы и Т3 и Т4 для другой.

В основе этой радиолюбительской разработки лежит принцип работы следящего привода с одноконтурной системой регулирования. Схема управления двигателем постоянного тока состоит из следующих основных частей: - СИФУ - Регулятор - Защита

СИФУ - Система Импульсно Фазового Управления осуществляет синусоидальное преобразование напряжения сети в последовательность прямоугольных импульсов, следующих на регулирующие выводы силовых тиристоров. При включении схемы переменное напряжение номиналом 14 - 16 вольт проходит на мостовой выпрямитель и преобразуется в пульсирующее, служащее не только для питания конструкции, но и для синхронизации работы устройства. Диод D2 не дает сглаживать импульсы емкости С1. Затем импульсы следуют на «детектор нуля» выполненный на операционном усилителе LM324 элементе DA1.1, включенного в режиме компаратора. Пока импульсы отсутствуют, напряжения на прямом и инверсном входах ОУ примерно одинаковые и компаратор сбалансирован.

При прохождении синусойды через точку нуля, на инверсном входе компаратора появляются импульсы, переключающие компаратор, в результате чего на выходе DA1.1 генерируются прямоугольные синхроимпульсы, период следования которых зависит от точки нуля. Посмотрите на осциллограммы, чтоб понять принцип работы. Сверху вниз: КТ1, КТ2, КТ3.

Управление двигателем постоянного тока схема была промоделирована в программе . В архиве с полным вариантом рассматриваемой конструкции имеется файл проекта для этой программы. Можно его открыть и наглядно посмотреть как работает данный узел, а соответственно сделать окончательные выводы об управление двигателем постоянного тока, до начала сборки радиолюбительской самоделки.

Вернемся к работе - синхроимпульсы следуют на интегратор с транзисторным ключом (С4, Q1), где и генерируется пилообразное U. В момент прохождения фазы через точку нуля синхроимпульс отпирает первый транзистор, который разряжает емкость С4. После спада импульса транзистор запирается и осуществляется заряд емкости до прихода следующего синхроимпульса, в результате чего на коллекторе транзистора (осциллограмма КТ4) образуется линейно нарастающее пилообразное напряжение, стабилизированное генератором стабильного тока на униполярном транзисторе T1.

Амплитуда пилообразного напряжения около 9 вольт задается подстроечным сопротивлением RP1. Эта напруга прикладывается к прямому входу компаратора DA1.2. Напряжение задания следует на инверсный вход компаратора DA1.2 и в момент времени, когда амплитуда пилообразного напряжения превышает величину напряжения на инверсном входе, компаратор перебрасывается в противоположное состояние и на его выходе генерируется импульс (осциллограмма КТ4).

Импульс дифференцируется через цепочку пассивных радиокомпонентов R14, C6 и следует на базу второго биполярного транзистора, который благодаря этому открывается и на импульсном трансформаторе образуются импульсы открытия силовых тиристоров. Увеличивая или уменьшая U задания, можно регулировать скважность импульсов в КТ5.

Но никаких импульсов на осциллограмме КТ5 мы не увидим, пока не нажмем тумблер S1. Когда он не нажат, напряжение питания +12в через фронтовые контакты S1 через R12, D3 следует на инверсный вход DA1.2. Так как это U выше U пилы, компаратор закрывается, и импульсы открывающие тиристоры не генерируются.

Для предотвращения аварийных ситуаций и поломки электродвигателя, в случае если не выставлен на «0» регулятор оборотов, в схеме имеется узел разгона на элементах C5, R13 предназначенный для плавного разгона двигателя.

При нажатии тумблера S1 контакты размыкаются и емкость С5 начинает плавно заряжаться, а напряжение на отрицательной обкладке конденсатора приближается к нулю. Напряжение на инвертирующем входе DA1.2 возрастает до величины напряжения задания, и компаратор начинает генерировать импульсы для открытия силовых тиристоров. Время заряда определяется радиокомпонентами C5, R13.

Если в процессе работы двигателя понадобится отрегулировать его обороты в схему добавлен узел разгона и торможения R21, C8, R22. При увеличении или уменьшении напряжения задания, емкость С8 плавно заряжается или разряжается, что исключает резкий «наброс» напряжения на инверсном входе и как следствие исключает резкий бросок оборотов двигателя.

Регулятор применяется для поддержания постоянных оборотов в зоне регулирования. Регулятор выполнен на основе дифференциального усилителя с суммированием двух напряжений: задания и обратной связи. Напряжение задания формируется сопротивлением RP1 и следует через фильтр на компонентах R20, C8, R21, выполняющий функции узла разгона и торможения, поступает на инверсный вход DA1.3. С ростом напряжения задания на выходе DA1.3 линейно снижается U вых.

Выходное напряжение регулятора следует на инверсный вход компаратора СИФУ DA1.2 где, суммируясь с импульсами "пилы", превращается в серию прямоугольных импульсов следующих на электроды тиристоров. При увеличении или уменьшении напряжения задания увеличивается или уменьшается и выходное напряжение на выходе силового узла. На графике отображена зависимость оборотов двигателя от напряжения задания.

Делитель напряжения на резисторах R22, R23 подсоединенный на прямой вход регулятора DA1.3 предназначен для исключения аварийной ситуации при обрыве обратной связи.

При включении привода, тахогенератор генерирует напряжение, пропорциональное оборотам электромотора. Это напряжение идет на вход прецизионного детектора DA1.4, DA2.1 построенного по классической двухполупериодной схеме. С его выхода напряжение следует через фильтр на пассивных компонентах C10, R30, R33 на масштабирующий усилитель ОС DA2.2. Усилитель используется для подгонки напряжения ОС идущего с тахогенератора. Напряжение с выхода DA2.2 попадает на вход DA1.3 и на схему защиты DA2.3.

Сопротивлением RP1 генерируются обороты электродвигателя. При работе без нагрузки, U вых масштабирующего усилителя меньше напряжения на шестом выводе DA1.3, поэтому привод работает как регулятор.

С возрастанием нагрузки на валу, снижается напряжение, снимаемое с тахогенератора и в результате снижается напряжение с выхода, масштабирующего усилителя. Когда этот уровень будет меньше чем на ноге 5 ОУ DA1.3 привод войдет в зону стабилизации тока. Снижение напряжения на неинвертирующем входе DA1.3 снизит напряжения на его выходе, а так как он работает на инвертирующий усилитель DA1.2, это увеличит угол открытия тиристоров и, следовательно, к возрастанию уровня на якоре электродвигателя.

Защита от превышения оборотов собрана на операционном усилителе DА2.3, включенного как компаратор. На его инверсный вход поступает опорное напряжение с делителя R36, R37, RP3. Сопротивлением RP3 регулируется уровень срабатывания защиты. Напряжение с выхода усилителя DA2.2 идет на прямой вход DA2.3.

При превышении оборотов выше номинальных, на прямом входе компаратора превышается порог уставки защиты, определяемой сопротивлением RP3 и компаратор переключиться.

Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи R38 приводит к «защелкиванию» компаратора, а диод VD12 не дает сбросится компаратору. При срабатывании защиты, с выхода компаратора через диод VD14 следует на инверсный вход 13 DA1.2 СИФУ, а так как напряжение защиты выше уровня «пилы» произойдет мгновенный запрет выдачи управляющих импульсов на электроды силовых тиристоров.

Напряжение с выхода компаратора защиты DA2.3 отпирает транзистор VT4, из-за чего включается реле Р1.1 и загорается светодиод сигнализирующий об аварии. Снять защиту получится если полностью отключить привод, и, выдержав паузу в 5 - 10 секунд вновь подать на него питание.

Схема управления, а точнее силовая часть управляющего блока представлена на рисунке ниже:

Трансформатор Tr1 используется для питания схемы блока управления. Выпрямитель собран по полумостовой схеме и включает два силовых диода D1,D2 и два силовых тиристора Т1, Т2, а также защитный диод D3. Обмотка возбуждения питается от своего отдельного трансформатора и выпрямителя. Если на двигателе нет тахогенератора, то ОС, для контроля оборотов, можно реализовать следующим образом:

Если применяется токовый трансформатор, то перемычку P1 на схеме блока управления двигателем постоянного тока нужно установить в положение 1-3.

Еще можно применить датчик якорного напряжения:

Датчик якорного напряжения это фильтр – делитель подсоединенный непосредственно к клеммам якоря. Настройка привода осуществляется следующим образом. Сопротивления "Задание" и "Масштабирование Uoc" выкручиваются в среднее положение. Сопротивление R5 датчика якорного напряжения выкручивается на минимум. Включаем привод и выставляем напругу на якоре около 110 вольт. Измеряя напряжение на якоре, начинаем вращать сопротивление R5. В определенный момент изменения, напряжение на якоре начнет падать, это говорит о том, что сработала ОС.

Чертеж печатной платы управления двигателем постоянного тока выполнен в программе и вы легко сможете изготовить печатную плату своими руками методом

Управление двигателем настройка конструкции: начнем с проверки напряжений питания на операционном усилителе DA1, DA2. Микросхемы рекомендуется устанавливать в панельки. Затем проверяем осциллограммы в контрольных точках КТ1, КТ2, КТ3. В точке КТ4. мы должны увидеть пилообразные импульсы, при разомкнутой кнопке.

Подстроечным сопротивлением RP1 выставляем размах «пилы» около 9 вольт. В контрольной точке КТ3 длительность импульса около 1.5 - 1.8ms, если мы этого не видем, то уменьшением сопротивления R4 добиваемся требуемой длительности.

Вращая рычаг RR1 схемы управления двигателем в контрольной точке КТ5 контролируем изменение скважности импульсов от максимума до полного их исчезновения при минимальном сопротивлении RR1. При этом должна изменятся яркость лампочки подключенной к силовому блоку которую мы подключили в качестве нагрузки.

Затем подсоеденяем блок управления к двигателю и тахогенератору. Устанавливаем регулятором RR1 напругу на якоре 40-50 вольт. Сопротивление RP3 должен быть в среднем положение. Измеряя напругу на якоре двигателя, вращаем сопротивление RP3. В определенный момент настройки U на якоре начнет падать, это говорит о том, что сработала обратная связь.

Если используется обратная связь в схеме управления двигателем по току якоря требуется токовый трансформатор, включенный в цепь питания выпрямителя. Схема калибровки трансформатора тока рассмотрена ниже. Подбором сопротивления получить на выходе трансформатора переменное напряжение 2 ÷ 2.5v. Мощность нагрузки RN1 должна равняться мощности двигателя

Помните, что токовый трансформатор без нагрузочного резистора включать не рекомендуется.

Подключаем трансформатор тока к цепи ОС P1 и P2. На время регулировки рекомендуется выпаять диод D12, чтобы не было ложного срабатывания защиты. Осциллограммы в контрольных точках КТ8, КТ9, КТ10 показаны на рисунке ниже.

Дальнейшая регулировка такая же как и в случае с использования тахогенератора.

Данный блок управление двигателем постоянного тока изготавливался своими рукми для расточного станка. Фотографии смотри в архиве по зеленой ссылке выше.

Схема показанная на рисунке ниже способна запускать вращение "L в обоих направлениях, как вперед, так и назад. При разомкнутых контактах переключателей, напряжение на обеих клеммах одинаковое, поэтому он не будет вращаться, тоже самое произойдет если нажать одновременно кнопки.

В прошлом в тяговых системах для управления двигателями постоянного тока использовались контроллеры с мпульсным управлением и разомкнутым контуром регулирования. В настоящее время в тяговых системах в основном используются только асинхронные двигатели.

В системах малой мощности, и особенно в сервосистемах, часто встречается импульсное управление с замкнутым контуром регулирования. Наибольшее распространение получили двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Встречаются также и моторы с независимым возбуждением, но в данной статье будут рассмотрены только двигатели с постоянными магнитами.

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами

В маленьких двигателях постоянного тока магнитное поле обычно генерируется керамическими постоянными магнитами. Понятно, что характеристики таких двигателей похожи на характеристики двигателей с обмоткой возбуждения. Но двигатели с постоянными магнитами имеют лучшие показатели:

Примечание: Кривая момент-скорость (рис. 1).

Для двигателей постоянного тока можно указать следующие зависимости:

Таким образом:

Для двигателей постоянного тока является постоянной величиной, следовательно:

Одноквадрантный привод

В схеме управления двигателем постоянного тока используется ШИМ инвертор с контроллером.

Рис. 2. Управляемый одноквадрантный привод

Двухквадрантная работа

На рис. 3 показана мостовая схема управления двигателем постоянного тока. Такая схема часто используется в силовой ступени управления серводвигателями и шаговыми двигателями. Мостовая схема также может быть использована в линейных сервоусилителях, но по соображениям эффективности реально применяется только для управления двигателями малой мощности. В основном транзисторы работают как переключатели и управляются ШИМ сервоусилителя.

Эти переключатели работают парами: T1-T4 и T2-T3. Когда T1-T4 закрыты, а T1-T3 открыты, ток якоря течет вправо. Двигатель вращается, например, по часовой стрелке. При T2-T3 закрытых и T1-T4 открытых, двигатель будет вращаться против часовой стрелки. Мост в режиме драйвера может работать в двух направлениях.

Рис. 3. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока

Принципиально мостовая схема управления двигателем постоянного тока имеет два варианта, которые называются униполярным и биполярным ШИМ. На рис. 4 показана возможная форма импульсных сигналов для униполярного ШИМ.

Напряжение на двигателе в течение одного цикла варьируется от 0 до V (от + до +V и от 0 до -V). Используются два переключателя: T1-T4 или T2-T3.

При биполярном ШИМ сигнале (рис. 5) используются четыре переключателя для одного направления вращения двигателя. Напряжение на двигателе изменяется от +V до -V, среднее значение напряжения определяет направление вращения двигателя.

Рис. 4. Управление двигателем постоянного тока - униполярный ШИМ сигнал.

Рис. 5. Управление двигателем постоянного тока - биполярный ШИМ сигнал.

В качестве примера мы рассмотрим работу мостовой схемы управления двигателем постоянного тока с использованием широко распространенного униполярного ШИМ.

Рис. 6 (а) иллюстрирует вариант при закрытых T1-T4 и вращение двигателя по часовой стрелке. Теперь имеются два варианта управления транзисторами: либо один переключатель остается закрытым (например, T1) и второй управляется с широтно-импульсным регулированием (T4), либо оба переключателя (T1 и T4) управляются ШИМ регулированием - рис. 6 (с). Для начала рассмотрим работу, когда T1 закрыт, а T4 управляется ШИМ-регулированием.

Когда T4 открыт - рис. 6 (b) - мы имеем:

Необходимо использовать защитные диоды для этого транзистора. В случае, показанном на рис. 6 (b), ЭДС e будет обеспечивать прохождение тока через D3 и T1. Диод D3 , будет защищать транзистор T4. При других вариантах переключения будет необходимо защищать другие транзисторы, т.е. все четыре транзистора будут иметь защитные диоды: D1, D2, D3, D4.

Другой вариант - при котором оба переключателя T1 и T4 одновременно выключены (управляются ШИМ регулированием). В момент закрытия транзисторов - рис. 6 (с) - ЭДС e вызовет прохождение энергии через диоды D2 и D3 к источнику Vcc. Это также справедливо для случая, показанного на рис. 6 (b) в момент, когда T1 открывается (одновременно с T4). Очевидно, что диод D2 необходим.

Управление вращением двигателя в обратном направлении аналогично, но вместо T1-T4 работают транзисторы T2-T3.

Примечание:

1. Из мостовой схемы управления двигателем постоянного тока, показанной на схемах на рис. 6 (a, b, c), можно отметить возможность двухквадрантного управления.
2. При использовании биполярного ШИМ возможно быстрое изменение направление вращения двигателя, хорошая динамика. Униполярный ШИМ обеспечивает меньшую пульсацию тока в якоре двигателя при той же несущей частоте и среднем значении тока.

Рис. 6. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока с использованием униполярного ШИМ

Импульсное управление двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением

Вплоть до 1990 г. двигатели постоянного тока использовались во многих странах в качестве тяговых приводов (поезда, трамваи, метро). Для управления использовались инверторы, источники постоянного и переменного тока и управляемые выпрямители. Помимо основной задачи управления тяговым электродвигателем, инверторы также использовались для работы с внешним дополнительным оборудованием (например, для управления вентиляторами для охлаждения тяговых двигателей). Мощность инверторов варьировалась от сотен киловатт до нескольких мегаватт.

В современных системах для переключения электроэнергии и управления тяговыми двигателями используются IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором). Управление двигателем реализуется при помощи микроконтроллеров. Преимущественно используются трехфазные асинхронные двигатели.

Тяговые системы

На рис. 7 изображен инвертор как механический переключатель. Режим работы δ инвертора определяет среднее значение:

Определяет скорость вращения двигателя.

Рис. 7. Принципиальная схема управления двигателем постоянного тока с использованием инвертора.

Изменение тока Δi определяется выражением:

Очевидно, что Δi a = 0 при δ = 0 или при δ = 1.

Максимальное значение Δi a как независимой величины может быть найдено:

При δ = 0.5 и = частота инвертора, получаем:

(1)

Из формулы (1) следует, что размах пульсаций тока двигателя (Δi a) max будет меньше, если:

1. Частота инвертора будет больше
2. Самоиндукция будет больше

При использовании инверторов со слишком низкой частотой необходимо включение в схему больших и дорогостоящих электрических дросселей.
Высокая частота инвертора увеличивает потери:

• В полупроводниках, из которых изготовлен инвертор;
• В цепях защиты для этих полупроводников;
• В самом двигателе (потери, обусловленные переменной составляющей тока).

При нормальном использовании тиристорного инвертора время выключенного состояния должно быть по крайней мере пятикратным от времени бестоковой паузы тиристора.

При использовании слишком большой частоты инвертора максимальное значение δ ограничено. В этом случае большая часть электроэнергии от источника питания не может быть подана на электродвигатель.

Примечание:

Обычно в момент торможения двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением работает как генератор.

Линейный фильтр

В случае, когда в качестве источника питания используются батареи (внутреннее полное сопротивление = 0) инвертор может быть запитан без каких-либо проблем.

При подаче питания через контактный провод самоиндукция LR через этот провод:

1. существенно ограничит время нарастания тока на переключателе инвертора;
2. генерировать высокое напряжение самоиндукции на выключателе инвертора.

Чтобы нейтрализовать эти негативные явления необходимо включить в схему как минимум один индуктивно-ёмкостный фильтр (L1C1 на рис. 8).

Рис. 8. Самоиндукция на контактном проводе и входной фильтр тягового устройства.

Емкость C 1: позволяет поглощать пульсации тока без самоиндукции цепи, ограничивая скорость нарастания тока. Емкость работает в качестве энергетического хранилища. Помимо этого, емкость снижает уровень перенапряжения на входе инвертора. Это перенапряжение может возникнуть по двум причинам:

1. перенапряжение может быть на контактном проводе;
2. перенапряжение, возникающее в результате отключение тока инвертора.

Катушка L 1 : позволяет ограничить колебания в контактном проводе так, что другие потребители данного контактного провода не будут испытывать проблем, которые могут возникнуть в результате пульсаций тока при прерывистом режиме работы. Такие прерывистые токи в контактном проводе и рельсе могут вызвать помехи в работе телекоммуникационных цепей управления.

Емкость C1 совместно с индуктивностью LR+L1 формирует последовательную резонирующую цепь с резонансной частотой:

(2)

Совместно с частотой инвертора f c , которая равна или меньше частоты f 1 , эта частота может вызвать большие колебания напряжения. На практике это имеет место при f c > 2*f 1 или даже f c > 3*f 1 .

Кроме того, необходимо принимать во внимание тот факт, что LR - это переменная, зависящая от расстояния между главным распределительным устройством и потребителем.

Управление двигателем постоянного тока в САУ подразумевает либо изменение скорости вращения пропорционально некоторому сигналу управления, либо поддержание этой скорости неизменной при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Используются 4 основные метода управления, реализующие перечисление выше принципы:

реостатно-контакторное управление;

управление по системе «генератор-двигатель» (Г-Д);

управление по системе «управляемый выпрямитель –Д» (УВ-Д);

импульсное управление.

Подробное исследование этих способов – предмет ТАУ и курса «Основы электропривода». Мы рассмотрим только основные положения, имеющие непосредственное отношение к электромеханике.

Обычно используются 3 схемы:

при регулировке скорости n от 0 до nном в цепь якоря включают реостат (якорное управление);

при необходимости получить n > nном реостат включают в цепь ОВ (полюсное управление);

для регулирования скорости n < nном и n > nном реостаты включают как в цепь якоря, так и в цепь ОВ.

Перечисленные схемы применяются при ручном управлении. Для автоматического управления используют ступенчатое переключение R ра и R рв с помощью контакторов (реле, электронных коммутаторов).

Если требуется точное и плавное регулирование скорости, число коммутируемых резисторов и элементов коммутации должно быть большим, из-за чего увеличиваются габариты системы, стоимость и снижается надежность.

Регулирование частоты вращения от 0 до по схеме рис. производится регулировкой R в (U гизменяется от 0 до n ном). Для получения скорости двигателя больше nном - изменением R вд (уменьшение тока ОВ двигателя уменьшает его основной поток Ф, что и приводит к увеличению скорости n).

Переключатель S1 предназначен для реверса двигателя (изменения направления вращения его ротора).

Поскольку управление Д осуществляется путем регулирования сравнительно малых токов возбуждения Г и Д, оно легко адаптируется к задачам САУ.

Недостаток такой схемы – большие габариты системы, масса, низкий КПД, поскольку здесь имеется трехкратное преобразование преобразование энергии (электрической в механическую и обратно, и на каждом этапе имеются потери энергии).

Управление по системе «управляемый выпрямитель – двигатель»

Система «управляемый выпрямитель – двигатель» (см. рисунок) похожа на предыдущую, но вместо электромашинного источника регулируемого напряжения, состоящего из, например, трехфазного, двигателя переменного тока и Г=Т, используется управляемый, например, тоже трехфазный тиристорный электронный выпрямитель.

Сигналы управления формируются отдельным блоком управления и обеспечивают требуемый угол открывания тиристоров, пропорциональный сигналу управления Uу.

Достоинства такой системы - высокий КПД, малые габариты и масса.

Недостатком по сравнению с предыдущей схемой (Г-Д) является ухудшение условий коммутации Д из-за пульсаций его тока якоря, особенно при питании от однофазной сети.

На двигатель с помощью импульсного прерывателя подаются импульсы напряжения, модулированные (ШИМ, ВИМ) в соответствии с управляющим напряжением.

Таким образом, изменение скорости вращения якоря достигается не за счет изменения напряжения управления, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение. Очевидно, что работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения (см. рисунок).

Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки якоря, то скорость n не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений nном при разгоне или n = 0 при торможении, и устанавливается некоторая средняя скорость nср, величина которой определяется относительной продолжительностью включения.

Поэтому в САУ требуется схема управления, назначение которой – преобразование постоянного или изменяющегося сигнала управления в последовательность управляющих импульсов с относительной продолжительностью включения, являющейся заданной функцией величины этого сигнала. В качестве элементов коммутации используются силовые полупроводниковые приборы – .

: Важнейший станок "деревянного" моделиста .

Прежде всего - для чего это нужно. Почти у каждого моделиста имеется самодельный или промышленный электроинструмент с приводом от коллекторного двигателя постоянного тока. При этом обычно такой инструмент не имеет регулятора оборотов или имеется простейшая ступенчатая регулировка. Не буду лишний раз доказывать, что наличие регулятора оборотов в электроинструменте позволяет оптимально подобрать режим для каждой операции, особенно при использовании различных насадок. Кроме того, моделисты часто используют низковольтные нагреватели - паяльники, приспособления для гибки деревянных реек и т. п. При этом с помощью регулятора можно получить оптимальную температуру нагревателя. Моделисту иногда приходится наносить гальванические покрытия, для чего необходим регулируемый источник постоянного тока. Все эти функции способно выполнить устройство, описанное ниже.

При конструировании бормашины встал вопрос о выборе схемы регулятора оборотов. Реостатные схемы регулирования скорости вращения коллекторных двигателей постоянного тока, в том числе с применением силовых транзисторов, на которых падает часть напряжения, обладают низким КПД при малых и средних оборотах. На балластных транзисторных ключах рассеивается значительная тепловая мощность, что ужесточает требования к системе их охлаждения. Поэтому выбор системы регулирования скорости вращения пал на импульсные схемы с изменением ширины прямоугольных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку двигателя (широтно-импульсная модуляция - ШИМ). Принцип ШИМ заключается в следующем: напряжение в нагрузку подается импульсами постоянной амплитуды, причем соотношение между шириной импульса и паузы (скважность) регулируется, что эквивалентно изменению напряжения питания на нагрузке. Достоинством этой схемы является ее высокая экономичность и надежность. Управляющий нагрузкой транзистор бывает только либо полностью включен, либо выключен, поэтому он практически не нагревается и его можно устанавливать без теплоотвода.

После анализа различных регуляторов качестве базовой была выбрана схема, опубликованная в журнале (№4/2001., перепечатка из "Hobby Elektronika" №7/01, автор Иштван Кекеш). Регулятор (см.схему) содержит задающий генератор напряжения треугольной формы частотой 2кГц (DA1.1, DA1.4), электронный ключ VT1 и регулятор скважности (DA1.2, DA1.3, R8). На рисунке ниже показаны графики напряжений в типовых точках схемы.

Здесь синим цветом показано напряжение на выходе генератора треугольного напряжения (вывод 1 DA1), красным - напряжение регулировки оборотов с потенциометра R8, зеленым - напряжение на двигателе. Очень наглядно видно, что включение и выключение напряжения на нагрузке происходит в момент совпадения напряжения задающего генератора и напряжения на регулирующем потенциометре. Чем выше управляющее напряжение, тем шире импульс на нагрузке.

В схеме предусмотрена возможность включения двигателя с помощью ножной педали SA2. В моем варианте в качестве педали работает обыкновенный короткоходовый концевой выключатель с нормально замкнутыми контактами (в народе -), лежащий на полу. При выключенном SA1 двигатель работает постоянно, при включенном - только при нажатии на педаль. Благодаря наличию конденсатора C2 пуск двигателя осуществляется плавно, что иногда может быть полезно (при указанной емкости C2 примерно за 1 сек.). Переключатель SA4 служит для реверсирования двигателя. Диод D3 стабилизирует питание регулятора. Питание осуществляется через понижающий трансформатор TV1 и выпрямитель D4. Параметры трансформатора зависят от примененного электродвигателя. В первом приближении напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть равно номинальному напряжению электродвигателя плюс 5 вольт, падающих на выпрямителе и ключевом транзисторе. Для возможности работы в форсированном режиме можно добавить еще процентов 20-30. Расчетный ток вторичной обмотки трансформатора, диодов выпрямителя и ключевого транзистора должны быть больше, чем ток, потребляемый электродвигателем, причем для надежности работы лучше дать запас в 3-5 раз. При напряжении питания менее 20В диод D3 можно исключить. Напряжения, указанные на схеме, соответствуют двигателю 27В 30 Вт.

Большинство элементов схемы смонтировано на печатной плате размером 65Х40 мм. (более тонкой линией показана перемычка) Плата установлена в корпусе на двух трубчатых стойках с винтами М2,5 (см. также схему расположения элементов и шаблон для сверления отверстий). Внутри корпуса смонтированы трансформатор, конденсатор С4, выпрямитель D4. Регулятор оборотов R8, переключатели и разъемы для подключения двигателя и педали смонтированы на лицевой панели, резисторы R13 И R14 смонтированы на R8.

В качестве DA1 можно применить любой универсальный счетверенный операционный усилитель. В оригинале были указаны TL064, TL075, TL084, я применил LM324. Ключевой транзистор применен КТ829А (100В, 8А), для более мощных двигателей можно применить КТ827А (100В, 20А). Диоды D1 и D2 защищают VT1 от выбросов напряжения на индуктивной нагрузке.

При налаживании R13 и R14 не устанавливают, провода от платы припаивают прямо к R8. При правильном монтаже и исправных деталях схема начинает работать сразу. Вращением R8 проверяют регулировку оборотов от нуля до максимума. Если последние не совпадают с крайними положениями R8, необходимо подобрать R13 и R14, чтобы максимум и минимум совпали с крайними положениями регулятора. Возможен вариант, когда схема не будет работать из-за того, что не запускается задающий генератор. В этом случае можно попробовать немного увеличить номинал R4. Для изменения времени плавного пуска можно изменять емкость C2.

В заключение хочу отметить, что потратив всего около $10 и немного свободного времени, можно значительно улучшить характеристики своего электроинструмента. Все вопросы по изготовлению и наладке данного устройства задавайте в