Ао "лаборатория электроники". Схемы автоматического управления пуском и торможением двигателей постоянного тока Схемы управления электродвигателями постоянного тока
Схема пуска двигателя постоянного тока с независимым возбуждением по принципу времени
Эта схема представлена на рис. 1.1, а . Она содержит кнопки управления SB 1 (пуск) и SB 2 (останов) двигателя, линейный контактор КМ 1, обеспечивающий подключение двигателя к сети, и контактор ускорения КМ 2 для шунтирования пускового резистора R д. В качестве датчика времени в схеме используется электромагнитное реле времени КТ . При подключении схемы к источнику напряжения U происходит возбуждение двигателя и срабатывает реле КТ , размыкая свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ 2 и подготавливая двигатель к пуску.
Рис. 1.1. Схема пуска двигателя по принципу времени (а ), характеристики двигателя (б) и кривые переходного процесса (в)
Пуск двигателя начинается после нажатия кнопки S В1, в результате чего получает питание контактор КМ 1, который своим главным силовым контактом подключает двигатель к источнику питания. Двигатель начинает разбег с резистором R д в цепи якоря, с помощью которого ограничивается пусковой ток двигателя. Одновременно замыкающий блок-контакт контактора КМ 1 шунтирует кнопку S В1, и она может быть отпущена, а размыкающий блок-контакт КМ 1 разрывает цепь питания катушки реле времени КТ. Через интервал времени Δt к.т после прекращения питания катушки реле времени, называемый выдержкой времени, размыкающий контакт КТ замкнется в цепи катушки контактора КМ 2, последний включится и главным контактом закоротит пусковой резистор R д в цепи якоря. Таким образом, при пуске двигатель в течение времени Δt к.т разгоняется по искусственной характеристике 1 (рис. 1.1, б), а после шунтирования резистора R д – по естественной 2 . Значение сопротивления резистора R д выбирается таким образом, чтобы в момент включения двигателя ток I 1 в цепи и соответственно момент М 1 , не превосходили бы допустимого уровня.
За время Δt к.т после начала пуска частота вращения двигателя достигает значения ω 1 , а ток в цепи якоря снижается до уровня I 2 (рис. 1, в). После шунтирования R д, происходит бросок тока в цепи якоря от I 2 до I 1 который не превышает допустимого уровня. Изменение частоты вращения, тока и момента во времени происходит по экспоненте.
Останов двигателя осуществляется нажатием кнопки S В 2, что приведет к отключению якоря двигателя от источника питания и его торможению под действием момента сопротивления на валу. Такой способ останова двигателя получил название «торможение выбегом».
Схема пуска двигателя в две ступени по принципу ЭДС и динамического торможения по принципу времени.
В этой схеме (рис. 1.2, а) в качестве датчика ЭДС использован якорь двигателя, к которому подключены катушки контакторов ускорения КМ 1 и КМ 2, обеспечивающих шунтирование пусковых резисторов R д1 и R д2 . С помощью регулировочных резисторов R у1 , и R у2 , которые могут быть настроены на срабатывание при определенных частотах вращения двигателя.
Рис. 1.2. Схема пуска двигателя по принципу ЭДС и динамического торможения по принципу времени (а) и характеристики двигателя (б )
Для осуществления торможения в схеме предусмотрен резистор R 3 , подключение и отключение которого осуществляется контактором торможения КМ З. Для обеспечения выдержки времени используется электромагнитное реле времени КТ, размыкающий контакт которого включен в цепь катушки контактора торможения КМ 2.
После подключения схемы к источнику питания происходит возбуждение двигателя, а аппараты схемы остаются в исходном положении. Пуск двигателя осуществляется нажатием кнопки S В 1, что приводит к срабатыванию линейного контактора КМ и подключению двигателя к источнику питания. Двигатель начинает разбег с включенными резисторами R д1 + R д2 в цепи якоря по характеристике 1 (рис. 1.2, б). По мере увеличения частоты вращения двигателя растет его ЭДС и соответственно напряжение на катушках контакторов КМ 1 и КМ 2. При частоте вращения ω 1 срабатывает контактор КМ 1, закорачивая своим контактом первую ступень пускового резистора R д1, и двигатель переходит на характеристику 2 . При частоте вращения ω 2 срабатывает контактор КМ 2,шунтируя своим контактом вторую ступень пускового резистора R д2. Двигатель переходит на естественную характеристику 3 и заканчивает свой разбег в точке установившегося режима с координатами ω с – М с, определяемой пересечением естественной характеристики 3 двигателя и характеристики нагрузки.
Для перехода к режиму торможения нажимается кнопка SB 2. Катушка контактора КМ теряет питание, размыкается замыкающий силовой контакт КМ в цепи якоря двигателя, и он отключается от источника питания. Размыкающий блок-контакт КМ 3 замыкается, последний срабатывает и своим главным контактом подключает резистор R д3 к якорю М, переводя двигатель в режим динамического торможения по характеристике 4 (рис. 1.2, б ). Одновременно размыкается замыкающий контакт контактора КМ в цепи реле времени КТ, оно теряет питание и начинает отсчет времени. Через интервал времени, который соответствует снижению частоты вращения двигателя до нуля, реле времени отключается и своим контактом разрывает цепь питания контактора КМ З. Резистор R д3 отключается от якоря М двигателя, торможение заканчивается, и схема возвращается в свое исходное положение.
Применение динамического торможения обеспечивает более быстрый останов двигателя и тем самым быстрое прекращение движения исполнительного органа рабочей машины.
Схема пуска двигателя в одну ступень по принципу времени и динамического торможения по принципу ЭДС.
Управление двигателем при пуске происходит по аналогии со схемой рис. 1.1. При включении двигателя в этой схеме (рис. 1.3) и работе от источника питания размыкающий контакт линейного контактора КМ в цепи контактора торможения КМ 2 разомкнут, что предотвращает перевод двигателя в режим торможения.
Рис. 1.3. Схема пуска двигателя по принципу времени и динамического торможения по принципу ЭДС
Торможение осуществляется нажатием кнопки S В2. Контактор КМ, потеряв питание, отключает якорь двигателя от источника питания и замыкает своим контактом цепь питания катушки контактора КМ 2. Последний от действия наведенной в якоре ЭДС срабатывает и замыкает якорь М на резистор торможения R д1 . Процесс динамического торможения происходит до тех пор, пока при небольшой частоте вращения двигателя его ЭДС не станет меньше напряжения отпускания контактора КМ 2, который отключится, и схема вернется в исходное положение.
Схема управления пуском двигателя по принципу времени, реверсом и торможением противовключением по принципу ЭДС
В этой схеме (рис. 1.4, а) предусмотрено два линейных контактора КМ 1 и КМ 2, обеспечивающих его вращение соответственно в условных направлениях «Вперед» и «Назад». Главные контакты этих аппаратов образуют реверсивный контактный мостик, с помощью которого можно изменить полярность напряжения на якоре М и тем самым осуществлять торможение противовключением и реверс (изменение направления вращения) двигателя. В якорной цепи помимо пускового резистора R д1 включен резистор противовключения R д2 , который управляется контактором противовключения КМ З.
Рис. 1.4. Схема управления пуском и реверсом двигателя (а ) и характеристики двигателя (б)
Управление двигателем при торможении противовключением и реверсе осуществляется с помощью двух реле противовключения К V 1 и К V 2. Их назначение в том, чтобы в режиме противовключения для ограничения тока в якоре до допустимого уровня обеспечить ввод в цепь якоря в дополнение к пусковому резистору R д1 , резистор противовключения R д2 , что достигается выбором точки присоединения катушек реле К V 1 и К V 2 к резистору (R д1 + R д2).
Пуск двигателя в любом направлении осуществляется в одну ступень в функции времени. При нажатии, например, кнопки S В 1 срабатывает контактор КМ 1 и подключает якорь М к источнику питания. За счет падения напряжения на резисторе R д1 , от пускового тока срабатывает реле времени КТ, размыкающее свой контакт в цепи контактора КМ.
Включение КМ 1 приведет также к срабатыванию реле К V 1, которое замкнет свой замыкающий контакт в цепи контактора противовключения КМ З. Это вызовет включение КМ З, что приведет к закорачиванию ненужного при пуске резистора противовключения R д2 и одновременно катушки реле времени КТ. Двигатель начнет разбег по характеристике 2 (рис. 1.4, б), а реле времени КТ – отсчет выдержки времени.
По истечении выдержки времени реле КТ замкнет свой контакт в цепи катушки контактора КМ, он включится, закоротит пусковой резистор R д1 и двигатель выйдет на свою естественную характеристику 1.
Для осуществления торможения нажимается кнопка S В 2, в результате чего отключаются контактор КМ 1, реле К V 1, контакторы КМ З и КМ 4 и включается контактор КМ 2. Напряжение на якоре двигателя изменяет свою полярность, и двигатель переходит в режим торможения противовключением с двумя резисторами в цепи якоря R д1 и R д2 . Несмотря на замыкание контакта КМ 2 в цепи реле К V 2, оно в результате оговоренной выше настройки не включается и тем самым не дает включиться аппаратам КМ З и КМ 4 и зашунтировать резисторы R д1 и R д2 .
Перевод двигателя в режим противовключения соответствует его переходу с естественной характеристики 1 на искусственную характеристику 4 (рис. 1.4, б). Во всем диапазоне частот вращения 0 < ω < ω 0 на этой характеристике двигатель работает в режиме противовключения.
По мере снижения частоты вращения двигателя растет напряжение на катушке реле К V 2, и при частоте вращения, близкой к нулю, оно достигнет напряжения срабатывания. Если к этому моменту времени кнопка S В 2 будет отпущена, то отключается контактор КМ 2, схема возвращается в исходное положение и на этом процесс торможения заканчивается.
Если же при достижении малой частоты вращения кнопка S В 2 остается нажатой, то включается реле К V 2 и процесс пуска двигателя повторяется, но уже в противоположную сторону. Таким образом, реверсирование двигателя включает в себя два этапа: торможение противовключением и пуск в противоположном направлении. Второй этап реверса изображен на рис. 1.4, б переходом двигателя с характеристики 4 на характеристику 3, соответствующую обратной полярности напряжения на якоре двигателя и наличию в якоре добавочного резистора R д1 .
Схема пуска двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением по принципу тока
В этой схеме (рис. 1.5) используется реле тока КА, катушка которого включена в цепь якоря М, а размыкающий контакт – в цепь питания контактора ускорения КМ 2. Реле тока настраивается таким образом, чтобы его ток отпускания соответствовал току I 2 (см. рис. 1.1, б). В схеме используется также дополнительное блокировочное реле К V с временем срабатывания большим, чем у реле КА.
Рис. 1.5. Схема пуска двигателя по принципу тока
Работа схемы при пуске происходит следующим образом. После нажатия на кнопку S В 1 срабатывает контактор КМ 1, двигатель подключается к источнику питания и начинает свой разбег. Бросок тока в якорной цепи после замыкания главного контакта контактора КМ 1 вызовет срабатывание реле тока КА, которое разомкнет свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ 2. Через некоторое время после этого срабатывает К V и замыкает свой замыкающий контакт в цепи контактора КМ 2, подготавливая его к включению.
По мере разбега двигателя ток якоря снижается до значения тока переключения I 2 . При этом токе отключается реле тока и замыкает свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ 2. Последний срабатывает, его главный контакт закорачивает пусковой резистор R д, в цепи якоря, а вспомогательный контакт шунтирует контакт реле тока КА. Поэтому вторичное включение реле тока КА после закорачивания R д и броска тока не вызовет отключения контактора КМ 2 и двигатель продолжит разбег по своей естественной характеристике.
Схема типовой панели управления двигателем, обеспечивающая пуск, динамическое торможение и регулирование частоты вращения ослаблением магнитного потока
Типовые релейно-контакторные схемы управления ЭП содержат элементы блокировок, защит, сигнализации, а также связи с технологическим оборудованием. Для унификации схемных решений электротехническая промышленность выпускает стандартные станции, блоки и панели управления, специализированные по видам ЭП рабочих механизмов, функциональным возможностям, условиям эксплуатации, роду тока и т.д. Ниже в качестве примера рассмотрена схема одного из таких типовых устройств (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Схема типовой панели управления двигателем
Органом управления в этой схеме является командоконтроллер S А, имеющий четыре положения рукоятки: одно нулевое (начальное) и три рабочих (см. рис. 1.6). Пуск двигателя осуществляется в три ступени по принципу времени, торможение – динамическое по принципу ЭДС.
Перед пуском командоконтроллер устанавливается в нулевое положение, затем включаются автоматические выключатели QF 1 и QF 2 и ЭП подключается к источнику питания. По обмотке ОВ возбуждения начинает протекать ток возбуждения, и, кроме того, срабатывает реле времени КТ 1, шунтируя в цепи реле контроля напряжения своим контактом контакт реле КА обрыва цепи обмотки возбуждения. Если при этом реле максимального тока КА 1 и КА 2 находятся в нормальном (отключенном) положении, то срабатывает реле К V 4, подготавливая питание схемы управления через свой замыкающий контакт. Если в процессе работы произойдет недопустимое снижение напряжения питания или тока возбуждения двигателя или ток в якоре превысит допустимый уровень, то произойдет отключение реле К V 4, схема управления лишится питания и двигатель будет отключен от сети. Таким образом, реле выполняет роль исполнительного элемента трех защит.
Для пуска двигателя до максимальной частоты вращения рукоятка командоконтроллера S А перемещается в крайнее третье положение. Это приведет к срабатыванию контактора КМ и подключению якоря М двигателя к источнику питания, после чего он начнет свой разбег с полным сопротивлением пускового резистора в цепи якоря. Реле времени КТ 1, потеряв питание вследствие размыкания контакта КМ, начнет отсчет выдержки времени работы на первой ступени, а реле времени КТ2 и КТ З, сработав от падения напряжения на резисторах R д1 и R д2 , разомкнут свои контакты в цепях контакторов ускорения КМ 2 и КМ 3. Одновременно с этим включаются «экономический» контактор КМ 6 и контактор управления возбуждением КМ З, в результате чего шунтируется резистор R в и пуск двигателя происходит при полном магнитном потоке.
Через определенное время замкнется размыкающий контакт КТ 1, контактор КМ 1 включится, зашунтирует первую ступень пускового резистора R д1 и одновременно катушку реле времени КТ2. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, включит контактор КМ 2, который зашунтирует вторую ступень пускового резистора R д2 и катушку реле КТ З. Это реле, также отсчитав свою выдержку времени, вызовет срабатывание контактора КМ З и шунтирование последней ступени пускового резистора, после чего двигатель выходит на свою естественную характеристику.
После шунтирования третьей ступени пускового резистора начинается ослабление магнитного потока, которое подготавливается включением реле К V З срабатывания КМЗ. В процессе ослабления тока возбуждения с помощью реле управления К V 1 обеспечивается контроль за током якоря. При бросках тока реле К V 1 обеспечивает включение или отключение контактора КМ З, усиливая или ослабляя ток возбуждения, в результате чего ток в якорной цепи не выходит за допустимые пределы. При размыкании контакта КМ 5 часть тока возбуждения замыкается через диод VD и разрядный резистор R р .
Торможение двигателя осуществляется перестановкой рукоятки командоконтроллера S А в нулевое положение. Это приводит к выключению контактора КМ и отключению якоря М от источника питания. Поскольку в процессе пуска двигателя реле динамического торможения К V 2 включилось, замыкание размыкающего контакта КМ в цепи контактора торможения КМ 4 вызовет его включение. Резистор R дт окажется подключенным к якорю М двигателя, который перейдет в режим динамического торможения. При малых частотах вращения двигателя, когда его ЭДС станет ниже напряжения отпускания (удержания) реле К V 2, оно отключится, выключит контактор КМ 4 и процесс торможения закончится. Отметим, что динамическое торможение происходит при полном магнитном потоке.
Для снижения частоты вращения двигателя рукоятка командоконтроллера S А переводится в положения 1 или 2. В положении 1 двигатель работает на искусственной характеристике, соответствующей наличию в цепи якоря резисторов R д2 + R д3 , а в положении 2 -на характеристике, обусловленной резистором R д3 .
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 – .
Коллекторные двигатели постоянного тока получили широкое распространение за счет своей дешевизны и высокого КПД. Чаще всего такие двигатели используются в старт/стоп режиме и не требуют для своего подключения никакой пускорегулирующей аппаратуры, кроме обыкновенного выключателя. Однако, часто требуется регулировка скорость вращения, момент на валу или положение механизма, приводимого в движение двигателем. В таких случаях применяют микропроцессорные блоки управления коллекторными двигателями постоянного тока. Простейшим регулятором оборотов двигателя является источник питания с изменяемым выходным напряжением или ШИМ регулятор (именно его продают на Aliexpress). Это простые и недорогие решения, но такой регулятор не имеет обратной связи - обороты двигателя с таким регулятором зависят от нагрузки на валу. Для решения этой проблемы в регуляторы вводят обратную связь по скорости вращения. Простейшим вариантом получения информации о скорости вращения двигателя является установка на его валу тахогенератора или импульсного датчика. Такие решения позволяют решить проблему стабилизации скорости вращения двигателя, но усложняет конструкцию изделия и увеличивает его стоимость. Современные микропроцессорные технологии позволяют использовать в качестве тахогенератора сам электродвигатель (почти все электрические машины обратимы), измеряя ЭДС, генерируемую двигателем в момент кратковременного отключения от него питающего напряжения. Такое решение представляется оптимальным по соотношению цена/качество.
Вторым важным параметром регулирования коллекторных двигателей является момент на валу двигателя. В большинстве случаев ограничение момента требуется для исключения повреждения самого двигателя или механизма. Часто необходим режим стабилизации именно выходного момента двигателя, например, для управления электроприводом скутера или для регулировки силы натяжения у станка для перетяжки теннисных ракеток. В качестве сигнала выходного момента чаще всего используется мгновенное значение тока якоря двигателя.
И третий параметр управления –положение или координата механизма, приводимого в действие двигателем постоянного тока. Управление скоростью, моментом и положением позволяет создавать полноценные сервоприводы на основе коллекторных двигателей. Сигнал обратной связи по положению может быть получен от аналогового потенциометрического датчика или энкодера на валу двигателя. Для задания требуемого положения может использоваться аналоговый сигнал, цифровой интерфейс или входы step/dir как в блоках управления шаговыми двигателями.
Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.
Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.
Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем - понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.
Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.
Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.
Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.
Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.
Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.
Синхронная машина
Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.
Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.
При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.
Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.
Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.
Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.
На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).
Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).
Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.
Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.
Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.
Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).
Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.
Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.
За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).
Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.
Так работает синхронная машина переменного тока.
Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.
Постоянное напряжение
Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.
Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.
Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.
Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.
Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.
На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.
Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.
Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.
Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.
Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).
Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.
На осциллографе это выглядит так:
Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.
Конструктивные особенности
Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.
Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.
На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.
а. б.
Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.
Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.
На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.
а. б.
Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.
На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.
На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.
Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.
В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.
Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.
Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.
Определение положения ротора бесколлекторного двигателя
Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.
Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:
1. По датчикам Холла
2. По обратной ЭДС
Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.
Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.
Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла
Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.
Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.
Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.
Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.
Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)
Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.
| Положение двигателя | HU(1) | HV(2) | HW(3) | U | V | W |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | - | + |
| 1 | 0 | 1 | + | - | 0 | |
| 1 | 0 | 0 | + | 0 | - | |
| 1 | 1 | 0 | 0 | + | - | |
| 0 | 1 | 0 | - | + | 0 | |
| 360/N | 0 | 1 | 1 | - | 0 | + |
При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).
Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.
Управление с помощью сигнала обратной ЭДС
Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).
Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.
Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:
1. Обмотка подключена к 0
2. Обмотка не подключена (свободная фаза)
3. Обмотка подключена к питающему напряжению
4. Обмотка не подключена (свободная фаза)
Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).
Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.
После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).
Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя
| Текущее состояние | U | V | W | Следующее состояние |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Ожидание пересечения средней точки из + в - | 4 |
| 4 | + | Ожидание пересечения средней точки из - в + | - | 5 |
| 5 | Ожидание пересечения средней точки из + в - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Ожидание пересечения средней точки из - в + | 1 |
Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.
Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.
Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.
Обработка сигнала с фаз двигателя
Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.
Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.
Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).
Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.
Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.
Схема со средней точкой
Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/
С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:
Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.
Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.
После прохождения сигнала через фильтр колебания сглаживается и получается ровное напряжение относительно которого можно детектировать пересечение обратной ЭДС.
Рисунок 26. Напряжение после делителя и фильтра низких частот.
Средняя точка будет менять свое значение в зависимости от напряжения (скважности ШИМ), так же как и огибающая сигнала.
Полученные сигналы с компараторов заводятся на микроконтроллер, который их обрабатывает по алгоритму выше.
Пока на этом все.
Публикация в журнале «Компоненты и технологии» двух статей, посвященных шаговым двигателям, особенностям их конструкции и схемам управления, а также промышленным решениям, доступным для выбора таких двигателей, вызвала дискуссию и интерес читателей. В ходе обсуждения было высказано пожелание автору предложить столь же гибкие и простые практические решения в виде схем для управления коллекторными двигателями постоянного тока малой и средней мощности, поскольку в технических изданиях уделяется недостаточное внимание данному вопросу. Именно об этом и рассказывает настоящая статья. В материале рассмотрены практические решения и даны рекомендации в части управления коллекторными двигателями постоянного тока малой и средней мощности.
Как известно, коллекторные двигатели постоянного тока, если смотреть в общем плане, являются наиболее доступными и распространенными в использовании, находящими надлежащее место в самых разнообразных устройствах. Их достоинства несомненны — это цена и простота схем управления. Если с первым утверждением трудно не согласиться, то второе — часто вводит в заблуждение, и не только неопытного пользователя. Действительно, управление скоростью такого двигателя вроде бы и не вызывает особых сложностей — это могут быть как обычные аналоговые регуляторы напряжения, так и более сложные схемы на основе широтно-импульсных (ШИМ) регуляторов. Проблема, а вернее, проблемы скрываются в другом. Дело в том, что необходимо рассматривать вопрос управления коллекторным двигателем постоянного тока в контексте его реального применения с конкретной нагрузкой и в конкретных условиях, а именно — строить схему управления в зависимости от типа решаемой задачи.
Если стоит вопрос регулировки скорости коллекторного двигателя без ее стабилизации, то для этой цели используются как аналоговые, так и импульсные схемы прямого управления без обратной связи. Аналоговые регуляторы применяются для управления маломощными двигателями и выполняются, как правило, на основе схем стабилизации напряжения иногда с возможностью ограничения максимального тока для защиты двигателя и нагрузки. Но наиболее часто используются регуляторы с ШИМ. В отличие от аналоговых схемы управления с ШИМ обладают значительно более высоким КПД. Их цена в общем соизмерима, так как они не требуют дорогих радиаторов. Однако в некоторых применениях им необходима стабилизация напряжения питания, так как постоянная составляющая их выходного напряжения зависит не только от отношения длительности импульса к периоду импульсной последовательности τ/Τ, но и от амплитуды. Можно применить и понижающие импульсные DC/DC-преобразователи, если они обеспечивают соответствующий диапазон регулирования напряжения. Расчет таких преобразователей не особо сложен, для этого понадобится интерактивный программный калькулятор высокого уровня, описанный в . Но при расчете DC/DC-преобразователей следует учитывать, что они должны обеспечить надежную работу не только в нужном диапазоне напряжений, но и токов, что не всегда просто оптимизировать. Именно поэтому рекомендуется не использовать непроверенные «готовые» схемные решения, а обратиться к расчетам и правильному выбору ИМС преобразователя.
Если существует проблема не просто регулирования, а стабилизации скорости, она решается при помощи сложных систем с контуром обратной связи. Одним из элементов такой обратной связи являются датчики, дающие информацию о скорости вращения. Информация снимается или с вала ротора двигателя, или с конечного исполнительного механизма. Стабилизация скорости осуществляется либо путем использования фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) вращения, либо традиционными для автоматики специальными регуляторами. Обычно применяются пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы, как более универсальные, или пропорционально-интегральные (ПИ), как более простые. В любом случае оба решения достаточно сложны как для расчета, так и для исполнения, поскольку они привязаны не только к конкретному типу двигателя, но и ко всей системе привода в целом. Причем характеристики регулирования в данных системах определяются экспериментально. Ознакомиться с подобными регуляторами можно во втором томе . Все изложенное выше касается построения петли управления. Но в любом случае в качестве конечных каскадов в таких системах предусмотрены либо аналоговые регуляторы, либо регуляторы с ШИМ.
Но есть задачи и другого типа. Например, нам необходимо осуществить управление прецизионной переменной нагрузкой, не допускающей рывков и чувствительной к остановке и пуску двигателя. Другими словами, требуется обеспечить плавный старт, равномерное вращение двигателя под не прогно-зированно меняющейся нагрузкой на его валу и его плавную остановку при неком заданном увеличении момента на валу двигателя. Пример такой задачи — управление приемным узлом магнитного регистратора. Понятно, что рывки при вращении двигателя в этом применении совершенно недопустимы, а старт и остановка двигателя должны быть «мягкими». Особенно остро эта проблема стоит при использовании малоинерционных двигателей, то есть миниатюрных двигателей с малой собственной массой ротора. Простая подача некоторого фиксированного напряжения на такой двигатель приводит к его мгновенному старту и рывку магнитного носителя, а в момент его окончания (если конец носителя жестко зафиксирован) — возникает удар уже из-за накопленной массы и инерционности такой нагрузки на валу двигателя (сказывается собственная масса накопленного носителя в приемном узле). Один из наиболее подходящих вариантов решения подобной проблемы, который использовался автором в серийном изделии, представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема управления для маломощных двигателей, работающих на прецизионную нагрузку с переменным моментом
Естественно, можно подобрать стандартные ИМС регуляторов, но данное решение более гибко и легко адаптируется к конкретному применению. Оно особенно удобно в случаях, когда важна не скорость вращения, а необходимый момент, который должен развиваться двигателем. Причем он точно не определен или меняется в зависимости от обстоятельств, например от внешнего воздействия, изменения нагрузки или напряжения питания. Схема представляет собой регулятор напряжения с внешним управлением запуском и ограничением по току, то есть он имеет падающую выходную характеристику — зависимость выходного напряжения от тока, потребляемого двигателем. Выходное напряжение регулятора при номинальной нагрузке двигателя (задается делителем R6, R8 и для варианта, приведенного на рис. 1) может быть установлено в пределах от 10,8 до 2,3 В. В среднем положении ротора подстроечного резистора R8 выходное напряжение регулятора при изменении питающего напряжения от 9 до 15 В равно (4,4 ±0,1) В. Первичная характеристика управления ограничением по току задается номиналом сопротивления R3 и устанавливается подстроечным резистором R4 (с учетом резистора R5). Максимальный выходной ток может быть с приемлемой точностью рассчитан по формуле:
где 6,6 — это максимальное напряжение на эмиттере транзистора VT1 регулятора в режиме короткого замыкания в нагрузке.
В приведенной схеме, в отличие от остальных схем регуляторов, напряжение в режиме короткого замыкания мало зависит от установленного выходного напряжения регулятора. В предложенной схеме реальный максимальный выходной ток равен примерно 3,3 А, а минимальный ток ограничения составляет приблизительно 40 мА. Как можно видеть, диапазон регулировки тока достаточно широк, что не под силу многим другим схемам регуляторов, в которых нет внутреннего усилителя, дополняющего токовый сенсор. Ток ограничения в среднем положении ротора подстроечного резистора R4 лежит на уровне 340 мА во всем диапазоне выходных напряжений при изменении питающего регулятор напряжения от 9 до 15 В. Максимальный ток достигается в левом положении движка (рис. 1), минимальный — в правом. Как уже упоминалось, выходное напряжение, а следовательно, и скорость вращения двигателя при минимальной нагрузке ротора устанавливается подстроечным резистором R8 («скорость»), а подстройка необходимого уровня ограничения по току осуществляется подстроечным резистором R4 («огр. тока»).
Учитывая особенности приведенной схемы, ее настройка производится следующим образом: выход схемы управления закорачивается амперметром, и подстроечным резистором R4 устанавливается необходимый ток ограничения; затем подключается двигатель на минимальной нагрузке ротора и резистором R8 устанавливается соответствующее выходное напряжение, обеспечивающее заданную скорость вращения двигателя. Схема с высокой точностью (в описываемом режиме не хуже чем в 2%) удерживает выходное напряжение на заданном уровне до достижения 65% нагрузки (максимального выходного тока, установленного резистором R4). Далее напряжение на двигателе начинает плавно уменьшаться, тем самым ограничивая развиваемый им момент. График изменения тока и напряжения в зависимости от нагрузки двигателя (рабочее напряжение 5 В, сопротивление обмотки 2 Ом) приведен на рис. 2.
Рис. 2. График выходного тока (I out) и выходного напряжения (V out) регулятора (рис. 1) в зависимости от нагрузки при токе ограничения 200 мА
Управление включением/выключением двигателя осуществляется командой CTRL — логической единицей от любой цифровой микросхемы или подачей на этот вывод напряжения уровнем не ниже +1,5 В. При включении схемы (из-за ограничения тока и, следовательно, момента) рывка в управлении внешней нагрузкой не происходит. После разгона двигатель переходит в стационарный режим с током потребления ниже установленного схемой ограничения. При увеличении нагрузки двигателя более установленного уровня выходной ток регулятора остается на уровне, заданном схемой ограничения, а напряжение на двигателе плавно уменьшается (рис. 2) и при закорачивании его ротора вследствие полной остановки становится равным падению напряжения на активном сопротивлении обмотки ротора при заданном максимальном выходном токе. График, показывающий изменение мощности двигателя (условия аналогичные для графика, приведенного на рис. 2) в зависимости от нагрузки, показан на рис. 3.
Рис. 3. График зависимости мощности, развиваемой двигателем от нагрузки, при токе ограничения 200 мА
Как видно из графика (рис. 3), мощность, в случае если нагрузка на двигатель превышает 70%, начинает ограничиваться и плавно уменьшаться. При принудительной остановке двигателя она составит всего 12% от максимально установленной, тем самым защищая двигатель от перегрузки и исключая его резкое торможение. Ток ограничения регулятора рекомендуется выбирать на 20-25% выше номинального рабочего тока в заданном режиме эксплуатации двигателя при минимально допустимом рабочем напряжении двигателя. При проектировании устройств с использованием описанного принципа необходимо обязательно учитывать мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе VT1 (возможно, потребуется радиатор), а в ряде случаев и мощность, рассеиваемую на резисторе R3. Кроме особенностей схемы, описанных выше, данное решение продлевает срок службы двигателя и упрощает общую конструкцию приемного узла, так как она уже не требует большого количества компенсирующих неравномерность приема магнитного носителя роликов. А в отличие от вариантов с использованием ШИМ данное решение практически не оказывает дополнительного влияния на общий уровень электромагнитных и радиопомех устройства в целом.
Может возникнуть резонный вопрос: зачем такая сложность, когда можно использовать схему на основе интегрального стабилизатора с ограничением тока? В качестве примера рассмотрим «похожий» вариант на базе ИМС регулируемого стабилизатора напряжения с опцией ограничения его выходного тока LM317T . Такая схема представлена на рис. 4.
Рис. 4. Упрощенный вариант аналогового регулятора на базе ИМС LM317T
Расчет такой схемы предельно прост. Для рассматриваемого случая выходное напряжение на холостом ходу определяется по формуле:
где V ref — напряжение внутреннего опорного источника, согласно спецификации типовое значение V ref = 1,25 В.
Ток ограничения задается резистором R lim и равен:
Условия оставим без изменений: выходное напряжение 5 В, ток ограничения 200 мА. Результаты расчетов номиналов элементов указаны на схеме рис. 4.
Теперь, чтобы развеять сомнения и снять вопросы по использованию подобных решений, на рис. 5 и 6 приведены графики зависимостей для схемы рис. 4 в аналогичных условиях схемы рис. 1.
Рис. 5. График выходного тока (I out) и выходного напряжения (V out) регулятора (рис. 4) в зависимости от нагрузки при токе ограничения 200 мА
Рис. 6. Графики зависимости мощности и напряжения на двигателе от нагрузки при токе ограничения 200 мА для варианта схемы на рис. 4
Заметна разница? Мощность на двигателе упала в два раза, и схема уже не является стабилизатором напряжения. Токоограничивающий резистор будет иметь номинал на уровне 6 Ом, и об оперативной подстройке тока можно будет забыть. При этом учтите, что напряжение холостого хода необходимо будет выставить не 5 В, а 6,4 В. Выйти из такой ситуации можно последовательным соединением двух каскадов на ИМС LM317T. Первый включается в режим стабилизатора тока на 200 мА, второй — в режим стабилизатора напряжения на 5 В. Но даже в таком варианте вы не получите ту гибкость в регулировке и управлении (в частности, управление включением/выключением малым током), которую дает предлагаемая схема на рис. 1.
Рассмотрим еще один пример — управление без применения ШИМ относительно мощным коллекторным двигателем, который управляет массивной инерционной нагрузкой, требующей относительно точного позиционирования при ее остановке и, главное, реверса. Скажем, это некоторая массивная поворотная платформа с исполнительным механизмом. Каковы особенности данного варианта управления? Как видим, здесь, кроме обеспечения защиты уже самого двигателя от перегрузки, необходимо обеспечить его реверс и достаточно точную остановку в заданном положении приводимой им в движение массивной платформы. Обычные регуляторы, основанные на анализе тока через обмотки двигателя (в момент стопорения его ротора), здесь не эффективны, поскольку нагрузка на двигатель и без того высока, соответственно, «выловить» увеличение тока в момент остановки практически невозможно. Иными словами, вычислить, что это — влияние нагрузки или остановка двигателя из-за остановки его ротора по изменению тока в обмотке, — невозможно. Решение такой задачи потребовалось автору статьи при разработке схемы управления коллекторным двигателем постоянного тока для поворота платформы с исполнительным механизмом робототех-нического оборудования с массой в 50 кг. Для разгрузки самого двигателя использовался редуктор с передаточным числом 810:1. Ясно, что если не принять специальных мер, то платформа не только не начнет движение и не остановится в заданной позиции, но при старте или принудительной остановке двигателя механическим стопором произойдет разрушение его редуктора. Это же может произойти и при вероятной аварийной остановке. Из-за относительно большой мощности примененного двигателя Como Drills 91908101 4,5-15 В 21,2 Вт (номер по RS-каталогу 321-3170) использование управления аналогично решению, приведенному на рис. 1, и широко используемым вариантам управления с ШИМ является явно нецелесообразным и невозможным. Как отмечалось выше, здесь требуется реверс двигателя и достаточно точная его остановка в условиях инерционной нагрузки. Удобное и, главное, гибкое решение для реализации данной задачи представлено на рис. 7. Автор статьи применяет данное устройство на практике как в качестве тестового модуля, так и в несколько измененном виде в составе серийного изделия.
Рис. 7. Схема управления для коллекторных двигателей средней мощности, работающих на инерционную нагрузку
Основа схемы — микросхема драйвера LMD18245T (ранее National Semiconductor Corp., в настоящее время Texas Instruments Inc.), обычно используемого для шаговых двигателей в нестандартном, не документированном в спецификации включении без импульсного управления. Учитывая допустимое использование этой ИМС в долговременном режиме прерывания подачи импульсов управления, предложенный вариант ее включения нельзя считать запрещенным. Подробно особенности данной ИМС описаны в . Напомним кратко: максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245T (резистор R4, рис. 4), и двоичным кодом на контактах цепи управления выходным током (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального выходного тока драйвера приведена в спецификации , и для рассматриваемого случая он будет равен:
где V DAC ref — опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме V DAC ref = 5 В); D — задействованные разряды ЦАП (в рассматриваемой схеме используются все 16 разрядов, «лог. 1» подана на все четыре входа программирования М1, М2, М3, М4); R S — номинал токоограничивающего резистора (R4 = 15 кОм).
Соответственно (поскольку задействованы все 16 разрядов ЦАП), ток ограничения драйвера при использовании токоограничивающего резистора R S номиналом 15 кОм (R4) составит 1,33 А. Для выбора и установки режима можно воспользоваться и таблицей, имеющейся в последнем выпуске спецификации .
Достоинством ИМС LMD18245T является то, что токоограничивающий резистор R4 не включен непосредственно в цепь питания двигателя, имеет достаточно большой собственный номинал (в рассматриваемом случае это 15 кОм), а значит, и маленькую рассеиваемую мощность и (главное!) совершенно не влияет на КПД схемы управления. Ограничение тока осуществляется таким образом, что для большинства применений нет надобности в охлаждающем радиаторе. При включении ключи выбранных плеч моста полностью открыты, а при достижении максимальной (заданной по входам «М» и номиналом резистора R4) величины тока осуществляется его «нарезка» (так называемый чоппинг, от англ. chopping ). Эта «нарезка» не является неким подобием ШИМ и осуществляется с заданными пользователем импульсами. Они не имеют крутых фронтов, длительность импульсов «нарезки» задается параллельной RC-цепочкой, подсоединенной к выводу 3 драйвера (элементы R5, C6), и равна 1,1 R5C6 в секундах. Это позволяет в некоторой мере упростить решение вопросов электромагнитной совместимости. Еще одним большим достоинством этой ИМС является то, что ее выходной каскад питается отдельно от цепей управления — таким образом можно легко установить требуемое напряжение для двигателя конкретного типа.
Включение двигателя осуществляется кнопкой «ПУСК» (В1). Никаких внешних генераторов не требуется. Выходной каскад LMD18245T выполнен по мостовой схеме и содержит все необходимые защитные элементы — быстродействующие диоды, установленные параллельно выходным ключам. Таким образом, можно легко осуществлять реверс двигателя без помощи мощных реле, дополнительных схем управления и защитных элементов. Реверс выполняется подачей логической единицы переключателем «направление» (S1). Кроме того, данная ИМС позволяет легко реализовать и режим принудительного торможения двигателя в момент остановки. Это делается замыканием обмотки ротора двигателя. Остановка с торможением после снятия команды ПУСК осуществляется подачей логической единицы на вывод 10 (вход BRAKE), и обмотка двигателя закорачивается внутренними ключами драйвера. В указанной схеме реализован двойной режим управления остановкой двигателя: во-первых, это ограничение тока до нуля путем подачи логических нулей на входы программирования уровня максимального тока (выводы 8, 7, 6, 4); во-вторых, подачей логической единицы на вход торможения BRAKE (вывод 10). Такой подход обеспечивает надежную остановку механизма в целом в заданном положении без использования упорных стопоров. Необходимо отметить, что в общем случае принудительная подача нулей на разряды ЦАП не является строго необходимой, все это предусмотрено внутренней структурой логики ИМС LMD18245T, и ИМС D1 (рис. 7) можно было бы считать излишеством, если бы не требовалось устранить дребезг контактов кнопки включения двигателя.
