19.08.2016, 15:37:31
Войти Зарегистрироваться
Авторизация на сайте

Ваш логин:

Ваш пароль:

Забыли пароль?

Навигация
Новости
Поход в Холодный Яр

Если вы ищете, чем заняться в выходные, любите походы и природу Украины, то вероятно вам понравится поход. Поход в Холодный Яр, если точнее. Холодный

Увлекательный тур пешком по Карпатам

Украина самая большая страна Европы с неплохой инфраструктурой и разнообразием ландшафта. Здесь действительно есть, что посмотреть, от памятников славянской старины до изумительных природных красот.

Бизнес план кредитного потребительского
Финансовый рынок нашей страны довольно развит, что в общем-то характерно для государств всего мира с развитыми или развивающимися экономики. Но потребности в финансовых услугах все равно, в значительной

Бизнес онлайн от сбербанка
Услуга Сбербанк бизнес онлайн от Сбербанка России – это новая, уникальная и, несомненно удобная возможность для предпринимателей и юридических лиц управлять своими счетами в банке, а также проводить необходимые

Архив новостей
Реклама
Календарь событий
Right Left

Управління двигунами постійного струму. Частина 2

Журнал РАДІОЛОЦМАН, листопад 2014

Володимир Рентюк, Запоріжжя, Україна

Частина 1.

Вище були розглянуті, скажімо так, типові схеми, прототипи яких можна легко знайти в Інтернеті. Але іноді перед розробниками пристроїв з колекторними двигунами можуть стояти скоєно інші, і куди більш складні завдання. Наприклад, необхідно здійснити управління прецизійної змінним навантаженням, що не допускає ривків і чутливої ​​до зупинки і пуску двигуна. Особливо гостро ця проблема стоїть при використанні малоінерційних двигунів, тобто мініатюрних двигунів з малою власною масою ротора. Проста подача деякого фіксованого напруги на такий двигун приводить до його миттєвому старту і ривка. Один з варіантів вирішення такої проблеми, використаний автором статті в серійному, розробленому ним виробі, представлений на рисунку 8.

Схема являє собою регулятор напруги з обмеженням по струму, тобто має падаючу вихідну характеристику - залежність вихідної напруги від струму, споживаного двигуном. Вихідна напруга регулятора при номінальному навантаженні двигуна задається подільником R6, R8, і для варіанту, приведеного на рисунку 8, може бути встановлено в межах від 10.8 В до 2.3 В. Первинна характеристика управління обмеженням по струму задається номіналом опору R3 і встановлюється підлаштування резистором R4 ( з урахуванням резистора R5). Максимальний вихідний струм може бути з прийнятною точністю розрахований за формулою

Максимальний вихідний струм може бути з прийнятною точністю розрахований за формулою

де 6.6 - це максимальне напруга на емітер транзистора VT1 регулятора в режимі короткого замикання в навантаженні. У наведеній схемі, на відміну від інших схем регуляторів, напруга в режимі короткого замикання мало залежить від встановленого вихідного напруги. Тут реальний максимальний вихідний струм дорівнює приблизно 3.3 А, а мінімальний струм обмеження дорівнює приблизно 40 мА. Як можна бачити, діапазон регулювання струму досить широкий, що не під силу багатьом іншим схемам регуляторів, в яких немає внутрішнього підсилювача, що доповнює струмовий сенсор. Струм обмеження в середньому положенні ротора підлаштування резистора R4 лежить на рівні 340 мА у всьому діапазоні вихідних напруг при зміні живлячої регулятор напруги від 9 В до 15 В. Максимальний струм досягається в лівому положенні движка (по Малюнку 8), мінімальний - у правому. Як уже згадувалося, вихідна напруга, а, отже, і швидкість обертання двигуна при мінімальному навантаженні ротора, встановлюється підлаштування резистором R8 ( «Швидкість обертання»), а підстроювання необхідного рівня обмеження по струму здійснюється підлаштування резистором R4 ( «Ток»). Схема з точністю не гірше 2% утримує вихідну напругу на заданому рівні до досягнення 65% навантаження (максимального вихідного струму, встановленого резистором R4). Далі напруга на двигуні починає плавно зменшуватися, тим самим, обмежуючи розвивається їм момент.

При включенні схеми (через обмеження струму і, отже, моменту) ривка в управлінні зовнішнім навантаженням не відбувається. Після розгону двигун переходить в стаціонарний режим з струмом споживання нижче встановленого схемою обмеження. При збільшенні навантаження двигуна понад встановленого рівня вихідний струм регулятора обмежується на заданому рівні, а напруга на двигуні зменшується, і при закорачіваніі ротора, тобто при повній зупинці, стає рівним падіння напруги на активному опорі обмотки ротора при заданому максимальному вихідному струмі. Графік, що показує зміну потужності двигуна в залежності від струму навантаження, приведений на рисунку 9.

Як видно з графіка, потужність, в разі якщо навантаження на двигун перевищує 70%, починає обмежуватися і плавно зменшуватися. При примусової зупинки двигуна вона складе всього 12% від максимально встановленої, тим самим, захищаючи двигун від перевантаження. Струм обмеження регулятора рекомендується вибирати на 20-25% вище номінального робочого струму в заданому режимі експлуатації при мінімально допустимому робочому напрузі двигуна. При проектуванні необхідно враховувати потужність, що розсіюється на регулюючому транзисторі VT1. (Можливо, буде потрібно радіатор). У читача може виникнути законне питання. Навіщо так складно, коли можна просто? Тобто використовувати варіант, представлений на рисунку 3 з обмеженням струму. Щоб розвіяти сумніви і зняти питання, на рисунку 10 показаний графік залежностей для схем, наведених на рисунку 2 в аналогічних умовах. Помітна різниця? При цьому врахуйте, що напруга холостого ходу буде не 5 В, а 6.4 В, і схема вже не буде стабілізатором напруги. Струмообмежуючі резистор буде мати опір на рівні 6 Ом, і про оперативну підстроювання струму можна буде забути.

Крім особливостей схеми, описаних вище, дане рішення не тільки оберігає навантаження, але і продовжує термін служби самого двигуна. А на відміну від варіантів з використанням ШІМ, таке рішення практично не робить додаткового впливу на загальний рівень електромагнітних і радіоперешкод пристрою в цілому.

А що робити в разі, коли необхідно мати управління щодо потужним колекторним двигуном, який управляє масивної інерційним навантаженням, що вимагає досить точного позиціонування при її зупинці і, головне, реверсу. Зауважте, всі попередні і широко поширені схеми ні зупинку з фіксацією ротора, ні реверс не забезпечують. У кращому випадку реверс здійснюється за допомогою механічного перемикача [ 3 ]. Зручне і, головне, гнучке рішення для вирішення даного завдання, виконане на драйвері крокової двигуна мостового типу, представлено на рисунку 11.

Для вибору напрямку обертання двигуна служить тумблер S1, а індикація наявності живлення і напрямок обертання вказуються двоколірним світлодіодним індикатором HL1. Власне включення двигуна здійснюється кнопкою ON. Основою схеми є мікросхема драйвера LMD18245T який зазвичай використовується для крокових двигунів [ 7 ]. Докладно особливості даної ІМС і приклад її використання за призначенням наведено в [ 1 ].

Максимальний струм драйвера задається резистором, включеним в ланцюг контакту 13 (резистор R4 на рисунку 11), і двійковим кодом на контактах ланцюга управління вихідним струмом (висновки 8, 7, 6, 4). Для полегшення вибору установок в специфікації [7] є формула і таблиця. Обмеження струму здійснюється таким чином, що для більшості застосувань немає потреби в охолодному радіаторі. При включенні ключі обраних плечей моста повністю відкриті, а при досягненні максимальної (заданої по входах «М») величини струму здійснюється його «нарізка» (так званий чоппінги - «chopping»). Ця «нарізка» не є якоюсь подобою ШІМ, і здійснюється із заданою користувачем частотою. Частота «нарізки» задається паралельної RC ланцюжком, підключеної до висновку 3 драйвера (елементи R5, C6). Вихідний каскад LMD18245T містить всі необхідні захисні елементи - швидкодіючі діоди, встановлені паралельно вихідним ключам. Реверс виконується подачею логічної одиниці перемикачем «Напрямок обертання». Крім того, ця ІМС дозволяє легко здійснювати і режим примусового гальмування двигуна в момент зупинки. Це досягається замиканням обмотки ротора двигуна. Зупинка з гальмуванням реалізується подачею логічної одиниці на висновок 10 (вхід BRAKE), внаслідок чого обмотка двигуна закорачивается внутрішніми ключами драйвера. Представлене на рисунку 11 рішення не документовано в специфікації [ 7 ], Але воно дуже зручне, і за весь час його використання відмов або збоїв не спостерігалося.

Для харчування зображеної на рисунку 11 схеми можна використовувати будь-яке джерело напруги постійного струму, розрахований на струм не менше 2 А, з вихідним напругою 12 В. (Зовнішній контакт циліндричного роз'єму повинен бути мінусом, внутрішній - плюсом). Удаваним недоліком схеми є відносна дорожнеча ІМС LMD18245T. Але якщо порівнювати це рішення з «традиційними», то програш у вартості виявиться несуттєвим, а в ряді випадків (простота управління, реверс, точна зупинка з гальмуванням ротора, відсутність радіаторів, компактність та ін.) Його просто не буде. Таке рішення використовується автором статті в складі серійного вироби для управління рухом платформи масою в 50 кг; приводний поворотний вузол в зборі показаний на рисунку 12. Плата приводу двигуна представлена ​​на рисунку 13.

За рамками пропонованої статті залишилися питання, пов'язані з проблемою завдання і підтримки деякої певної швидкості обертання. Як зазначалося під час розгляду регуляторів, швидкість обертання двигуна в таких системах залежить від напруги живлення двигуна і його навантаження. Відносно регуляторів на базі ШІМ існує хибна думка, що вони більш точні. Це далеко не так, оскільки їх швидкість залежить не тільки від шпаруватості, але так само, як у аналогових регуляторів, і від напруги живлення. У ряді випадків це може виявитися важливим або визначальним фактором. Так недостатня здатність навантаження джерела живлення може не тільки змінити функцію регулювання (вона стане нелінійної), але також обмежити момент і максимальну швидкість обертання. Щоб уникнути такої ситуації, краще не використовувати харчування безпосередньо від випрямляча, як це виконано в [ 3 ] (Див. Малюнок 4), а доповнити пристрій ефективним стабілізатором.

Якщо стоїть проблема не просто регулювання, а стабілізації швидкості, то вона вирішується за допомогою складних систем з контуром зворотного зв'язку (не по току!). Одним з елементів такого зворотного зв'язку є датчики, що дають інформацію про швидкість обертання (таходатчіка). Інформація знімається або з валу ротора двигуна, або з кінцевого виконавчого механізму. Швидкість стабілізується або шляхом використання фазового автоматичного підстроювання частоти (ФАПЧ) обертання, або традиційними для автоматики спеціальними регуляторами. Зазвичай використовуються пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД) регулятори, як більш універсальні, або пропорційно-інтегральні (ПІ), як більш прості. У будь-якому випадку, обидва ці рішення досить складні як для розрахунку, так і для виконання, так як вони прив'язані не тільки до конкретного типу двигуна, а й до всієї системи приводу в цілому. Причому характеристики регулювання в таких системах визначаються експериментально. Ознайомитися з такими регуляторами можна в другому томі «настільної книги» кожного поважаючого себе інженера [ 8 ]. Але все викладене стосується побудови петлі управління. А ось кінцеві каскади в таких системах аналогічні описаним вище. Використовуються або аналогові регулятори, або регулятори з ШІМ.

На закінчення необхідно нагадати, що всі без винятку колекторні двигуни є джерелами електромагнітних і радіоперешкод. В Інтернеті мало схем, в яких цьому питанню приділяється увага. Тому при використанні колекторних двигунів необхідно вживати спеціальних заходів щодо виконання вимог з електромагнітної сумісності. При цьому потрібно мати на увазі, що ШІМ-регулятори програють аналоговим. Для забезпечення належної електромагнітної сумісності необхідно виконувати ряд заходів. А саме, правильно вибирати двигуни, не піддаватися спокусі використовувати дешеві вироби з мідними, а не графітовими щітками колекторів. Радянські колекторні двигуни серій ДП (М) були і залишаються в цьому відношенні далеко не гіршими. Необхідно здійснювати правильну розведення друкованої плати, використовувати розв'язку земель і помехоподавляющие елементи, такі як нізкоімпедансние електролітичні конденсатори (так звані Low ESR), керамічні конденсатори і спеціальні помехоподавляющие фільтри, які повинні вибиратися з урахуванням їх роботи без насичення на обраних максимальних токах. Обов'язково шунтировать двигуни керамічними конденсаторами, розміщуючи їх безпосередньо на висновках (краще ламелях) двигунів.

література:

  1. Рентюк В. «Крокові двигуни і особливості їх застосування». Компоненти і технології, №10, 2013
  2. LM117 / LM317A / LM317-N Three-Terminal Adjustable Regulator, Texas Instruments Inc., Jan. 2014
  3. talkingelectronics.com/EMR-2/SimplePWMThrottle.pdf
  4. BUZ11 N-Channel Power MOSFET 50V, 30A, 40 mΩ, Fairchild Semiconductor Corp., 2001.
  5. Дві схеми ШІМ регулятора на 12 вольт.
  6. ШІМ регулятор оборотів двигуна 12 вольт на таймері NE555.
  7. LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013.
  8. Титце У., Шенк К. «Напівпровідникова схемотехніка» 12_е вид .: Пер. з нім. - М .: ДМК Пресс, 2007.

Навіщо так складно, коли можна просто?
Помітна різниця?