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