Управление коллекторным двигателем постоянного тока методом ШИМ

Управление коллекторным двигателем постоянного тока методом ШИМ

Для подачи питания на обмотки ротора коллекторного двигателя постоянного тока используется встроенный коммутатор, получивший наименование коллектор. Конструктивный элемент состоит из медных пластин, изолированных друг от друга с помощью диэлектрика. По пластинам скользят графитовые щетки, попеременно подавая электрическое напряжение на разные обмотки ротора. В результате образуется переменное магнитное поле, взаимодействующее с постоянным полем статора. Так электрическая энергия преобразуется в механическую и вал двигателя начинает вращаться. На производстве и в быту применяется мотор-редуктор — система, состоящая из электродвигателя и редуктора. В качестве примера можно привести схему движения щеток лобового стекла автомобиля. Вращение ротора передается на цилиндрические колеса с косыми зубьями, которые приводят дворники в рабочее положение.

Регулирование оборотов двигателя постоянного тока методом ШИМ

Главные характеристики электродвигателя — мощность, скорость вращения и крутящий момент (иногда еще выделяют момент инерции ротора). От этих величин зависит, сможет ли электропривод справиться с возложенными на него задачами. В большинстве электрических сетей используется переменный ток, который перед подачей на щетки электромотора нужно сделать постоянным. Для этого используют выпрямители, в их схеме нередко предусмотрена возможность добавления дополнительных сегментов для регулировки напряжения. Основной недостаток выпрямителя заключается в том, что при его работе происходит существенная потеря мощности, а значит, снижается КПД и часть электроэнергии уходит в никуда.

Для того, чтобы управление двигателем постоянного тока было эффективным, применяют широтно-импульсную модуляцию, сокращенно ШИМ. Принцип действия ШИМ можно объяснить на простом примере: если взять электрический мотор малой мощности и запитать его от батарейки, вал двигателя будет вращаться с максимальной скоростью, но если попеременно замыкать и размыкать контакты, идущие к источнику питания, частота вращения ротора изменится, какое-то время он будет двигаться по инерции. На щетки коллектора подается полное напряжение, а ШИМ позволяет установить точное время подачи. Способ дает возможность управлять вращением вала с применением цифровых микроконтроллеров.

Изменение скорости вращения ротора

Регулятор оборотов коллекторного двигателя подает на щетки импульсы. Например, максимальное напряжение электромотора 12 Вольт, а нам нужно, чтобы он работал в половину своей силы. Как реализовать это на практике, используя широтно-импульсную модуляцию? Для этого нужно рассмотреть понятие импульса — всплеска напряжения. Если таких всплесков в течение 1 секунды случается 10, то говорят о том, что частота импульсов составляет 10 Герц. То есть, за секунду на щетки электродвигателя 10 раз подается полное напряжение. Для начала нужно определить период следования импульсов T по формуле:

где F — это частота. В нашем случае частота равна 10 Гц, тогда:

то есть, напряжение поднимается от 0 Вольт до 12 и снова опускается до 0 за 0,1 секунды.

Еще одной важной характеристикой импульса является скважность S — это отношение периода следования к продолжительности импульса, не имеющее единиц измерения. Параметр определяется по формуле:

где t — длина импульса. В нашем случае длина импульса составит половину от периода следования импульса, ведь нам нужен мотор, работающий вполсилы. Тогда получим:

Теперь вычислим, сколько процентов от максимального числа оборотов мы получим с нашими показателями, для этого найдем коэффициент заполнения D, выражаемый в процентах и вычисляемый по формуле:

где S — полученная ранее скважность. Выполняем подсчет:

Если в течение секунды на обмотку электродвигателя мы 10 раз подадим напряжение, которое будет длиться 0,05 секунды, то получим скорость вращения, соответствующую 6 Вольтам напряжения. В нашем случае периоды подачи и отсутствия напряжения равны, но если нужно получить повышенное количество оборотов ротора, длину импульса t нужно увеличивать. Например, необходимо получить 75% от максимальной скорости вращения вала, тогда длина импульса t должна быть равна:

то есть 75% времени периода следования импульсов нужно подавать ток.

Теперь вычислим коэффициент заполнения:

Это наглядный пример. В реальности после завершения подачи тока на щетки, вал электродвигателя продолжает двигаться по инерции, поэтому если угловая скорость ротора растет и не успевает уменьшиться в течение паузы, регулирование потеряет свою эффективность.

Способы торможения двигателя

Если используется мотор-редуктор, или электродвигатель с нагрузкой на вал, обеспечивающей быстрое торможение, то в принципиальной схеме ШИМ достаточно предусмотреть ключ и один диод. Во время работы ключ подает импульс на коллектор, отчего происходит разгон ротора, после прекращения подачи питания, вал затормаживается самостоятельно, благодаря статической нагрузке. При этом существует 2 основных режима работы:

1. Режим непрерывного тока. Ток в якоре хотя и уменьшается во время паузы, но все же продолжает протекать в прежнем направлении.
2. Режим прерывистого тока. Ток в якоре течет только во время действия импульса, на паузе напряжение равняется нулю.

На двигателях, которые работают без статической нагрузки, необходимо применять электрическое торможение. Для этого в принципиальную схему включают сопротивление. Во время паузы, ключ присоединяет якорь мотора к сопротивлению, для запуска процесса динамического торможения.

Виды преобразователей

Широтно-импульсные преобразователи, осуществляющие управление двигателем постоянного тока, состоят из силовой части, схемы управления и подразделяются на следующие виды:

• Тиристорные. Дополняются схемами с параллельной и последовательной искусственной коммутацией.
• С запираемыми тиристорами. Схема работы мало отличима от транзисторных.
• Транзисторные. Характеризуются низкой инерционностью и минимальным внутренним сопротивлением.

Широтно-импульсный регулятор оборотов коллекторного двигателя позволяет гибко настраивать скорость вращения ротора с минимальным показателем рассеивания мощности.

Регулятор оборотов коллекторного двигателя

Так как разброс скоростей коллекторных двигателей постоянного тока даже в пределах одного исполнения может составлять до 10-20%, для более эффективного использования в промышленных системах они чаще всего используются совместно со специальными регуляторами оборотов. Регулятор оборотов, во-первых, может компенсировать разброс скоростей, обусловленный разбросом параметров составных частей двигателя. Во-вторых, регулятор адаптирует скорость выбранной модели к требованиям и алгоритму работы конкретной системы, в которой этот двигатель установлен. В третьих, использование регулятора оборотов коллекторного двигателя позволяет снизить пусковой ток в момент старта и предотвращает таким образом возникновение пиков нагрузки в цепи питания.

Способы регулирования частоты оборотов коллекторного двигателя

Если рассматривать работу коллекторного двигателя в общих чертах, можно сказать, что частота вращения ротора двигателя постоянного тока пропорциональна ЭДС (приложенное напряжению минус потери на сопротивление), а величина крутящего момента пропорциональна току в его обмотке. Работа регулятора оборотов коллекторного двигателя может базироваться на использовании источников питания или батарей с различным номиналом или регулировкой выходного напряжения, на применении сопротивлений, либо основываться на электронном управлении. Направление вращения может быть изменено либо направлением действия магнитного поля, либо изменением подключения якоря. Для этого используются специальные контакторы направления.

Действующее значение напряжения может регулироваться путем использования последовательно установленных сопротивлений или электронных переключающих устройств, сделанных с использованием тиристоров, транзисторов, выпрямителей и др.

Параллельно-последовательное регулирование оборотов коллекторного двигателя

Параллельно-последовательное регулирование было стандартным методом управления железнодорожных тяговых электродвигателей до начала развития силовой электроники. Электрические локомотивы и поезда, как правило, имели по четыре электромотора, которые могли быть сгруппированы тремя различными способами:

• Все четыре мотора подключены последовательно (каждый из двигателей получал четверть от общего значения напряжения в линии);
• Две параллельно подключенные группы по два последовательно соединенных мотора (каждый из двигателей получал половину от общего значения напряжения в линии);
• Все четыре мотора подключены параллельно (каждый из двигателей получал полное значения напряжения в линии).

Эти три способа подключения обеспечивали три различные скорости вращения при минимальных потерях. В моменты старта и ускорения дополнительное регулирование скорости обеспечивалось резисторами. Впоследствии такая система была вытеснена регуляторами оборотов коллекторных двигателей, основанными на электронной системе управления.

Регулятор оборотов на основе ослабления поля

Увеличения частоты оборотов коллекторного двигателя постоянного тока можно добиться путем ослабления электромагнитного поля. Снижение напряжения электрического поля осуществляется путем включения сопротивления последовательно с шунтирующей обмоткой возбуждения, либо включением сопротивлений вокруг включённой последовательно обмотки возбуждения. При ослаблении электромагнитного поля снижается обратная ЭДС, больший ток протекает через обмотку якоря, что приводит к повышению частоты вращения двигателя. Обычно в регуляторах оборотов коллекторных двигателей метод ослабления поля не используется сам по себе, но применяется в совокупности с другими методами (такими, как, например, параллельно-последовательное регулирование оборотов).

Использование модулятора

В основе регуляторов оборотов коллекторных двигателей может лежать использование электрической цепи с применением модулятора: среднее значение напряжения, приложенного к двигателю, изменяется путем очень быстрого включения и выключения источника напряжения. Изменяя соотношение длительности состояний «включено» и «выключено», можно влиять на среднее значение напряжения, и как следствие, на частоту оборотов двигателя.

Процентное отношение длительности состояния «включено» от величины напряжения питания определяет среднее значение напряжения, приложенного к коллекторному двигателю. К примеру, при напряжении питания 24В постоянного тока и 50% состояния «включено», среднее значение напряжения, приложенного к двигателю, составит 12В. Во время состояния «выключено» индуктивность якоря вызывает дальнейшее протекание тока через диод, который называется диод обратной цепи и включен параллельно цепи двигателя.

Таким образом, напряжение питания будет циклически снижаться до нуля, и следовательно, среднее напряжение, приложенное к двигателю, периодически будет больше, чем напряжение питания до тех пор, пока процентное соотношение состояния «включено» не достигнет 100%. При соотношении 100% ток источника питания и ток двигателя равны. При использовании метода быстрого переключения питающего напряжения потери энергии ниже, чем при последовательном подключении сопротивлений.

Такой метод также называется широтно-импульсным модулированием (ШИМ) и часто регулируется микропроцессором. В регуляторах оборотов коллекторных двигателей дополнительно устанавливаются фильтры, сглаживающие среднее приложенное к мотору выходное напряжение, что приводит к снижению шума двигателя.

Регулятор оборотов коллекторного двигателя постоянного тока

Зависимое от авт. свидетельства6 К 161 6 01 р 8116 аявлено 20,Х.1971 ( 1698921/18-10) рисоединением заявкииорптетубликовано 14.71.1973, Бюллетень26 Тасударственнмй комитет Совета Министров СССР па релвм изобретений и открытий62-552(088.8 Дата опубликования описания 22.1 Х,19 Лвторизобретен. Ко аявител ГА РЕГУЛЯТОР ОБОРОТОВ КОЛЛЕКТОРНОГОПОСТОЯ Н НОГО ТОКА ения двух щет- нена епи Изобретение относится к области измер ний и контроля параметров движения.Известные регуляторы оборотов коллектор- ного двигателя постоянного тока, которые широко используются, например, в магнита фонах, выполненные в виде центробежного датчика, связанного с двигателем, подключенным через сопротивление и транзистор к источнику питания, расходуют много энергии.В таких регуляторах в схему подается вся 10 энергия батареи питания даже в тех случаях, если для поддержания необходимого числа оборотов двигателя достаточно подавать ее от нескольких элементов батареи. Таким образом, избыточная энергия расходуется на 15 нагрев схемы.Предлагаемый регулятор позволяет экономить энергию источника питания, что повышает срок службы батареи.Это достигается тем, что регулятор снаб жен диодом, включенным между точкой соединения двух смежных элементов батареи питания и двигателем.На чертеже схематично представлен о сываемый регулятор. 25Центробежный датчик 1 связан с контролируемым коллекторным двигателем 2 постоянного тока, а через сопротивление 3 транзистор 4 подключен к одному из полюсов источника питания постоянного тока, например 30 батареи б, причем одна из щеток двигателя 2 через диод б с прямым падением напряж присоединена к точке 7 соединения смежных элементов батареи б, а вторая ка через включатель питания 8 подсоеди к другому полюсу той же батареи,При включении питания включается датчик 1, а транзистор 4 остается открытым. На двигатель 2 поступает напряжение от всей батареи б, причем напряжение от точки 7 к двигателю через диод б не поступает ввиду большого обратного его сопротивления, Двигатель 2 разгоняется, и, когда он достигнет скорости, на которую настроен датчик 1, последний выключается, а транзистор 4 закрывается. В этот момент напряжение через точку 7 и диод б будет подаваться на двигатель, поддерживая его вращение.Продолжительность работы двигателя в этом режиме, сопровождающемся постепенным падением скорости вращения, больше продолжительности цикла включение — выключение двигателя, с которым он работал бы при отсутствии предложенного устройства. Это обеспечивает возможность выключать часть элементов батареи 5 и тем самым экономить ее энергию. Затем процесс работы регулятора повторяется. Для увеличения помехозащищенности параллельно диоду можно подключить емкость.Данный регулятор обеспечивает надежный контроль скорости двигателя при изменении386386 Составитель И. КривцовТехред Л. Богданова Редактор С. Хейфиц Корректор В, Жолудева Заказ 2564,4 Изд.1658 Тираж 780 ПодписноеЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССРМосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр, Сапунова, 2 нагрузки на его валу и при хорошей помехозащищенности. Если большая помехозащищенность не требуется, то транзистор можно исключить, так как его функции будет выполнять датчик 1,Предмет изобретенияРегулятор оборотов коллекторного двигателя постоянного тока, выполненный в виде центробежного датчика, связанного с двигателем, подключенным через сопротивление и транзистор к источнику питания, отличаюи 4 ийся тем, что, с целью экономии энергии источника питания, он снабжен диодом, включенным между точкой соединения двух смежных элементов батареи питания и двигателем.

Заявка

МПК / Метки

Код ссылки

<a href="https://patents.su/2-386386-regulyator-oborotov-kollektornogo-dvigatelya-postoyannogo-toka.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Регулятор оборотов коллекторного двигателя постоянного тока</a>

Полупроводниковый регулятор скорости вращения двигателей постоянного тока параллельного и независимого возбуждения

Номер патента: 149142

. конденсатору С, Напряжение на конденсаторе С 1 подается в качестве источника питания на двухтактцый преобразователь, на вь 1 ходе которого 1 обмотка П) получается прях 1 оугольное напряжение Г 1 с амплитудой, пропорциональной 11 апрЯжен 51 ю на конденсатопс С и, следовательно, величине Е противо-э д.с. С конденсатора С, получается продиффсрспп- рованное напряике 1:ис г.1,; величина спада вершины импульсов зависиг От параметров 11 епп ,4 С. После ВыпрЯмлениЯ Выпр 51 мителем тл папрЯ- жения Е/, получается 1 гсстоянное напряжение Ьа с пилообразной переменной составляющей, Полученное напряжение подается на вход транзистора Тя, На каскаде транзистора Та строится измерительный орган напряжения с одновременным преобразованием в.

Электромагнитный регулятор скорости для двигателей постоянного тока

Номер патента: 75631

. напряжению вдабуждения двигателя 1, Ток возбуждения в обмотке 2 уменьшится, и скоростьдвигателя увеличится, компенсируя: первоначальное снижение скОрости. При этом величина напряжения управляющего генератора 5 останется неизменной (равной первоначальному падению скорости).Параметры схемы должны быть выбраны так, чтобы схема была несколько недокомпенсирована, т. е. Отв. редактор М. М. Акишин чтобы скорость двигателя 1 при нагрузке была немного меньше:корости холостого хода, с целью обеспечения устойчивой работы привода. Предмет изобретения Электромашинный регулятор скорости для двигателей постоянного тока, у которого в цепь обмотки независимого возбуждения включен бустер-генератор, о т л и ч а ю щ и йся тем, что обмотка возбуждения.

Регулятор частоты вращения двигателя внутреннего сгорания

Номер патента: 1746014

. втулка 6. Винт 3 и втулка 6 связаны между собой с помощью резьбового соединения 7 и снабжены свободно в окружном направлении посаженными кольцами 8, которые с помощью тяг 9 шарнирно связаны с топливодозирующим органом 10, датчик 11 хода которого через электронный блок 12 управления связан с электродвигателем 4. Регулятор работает следующим образом,Для пуска двигателя блоком 12 управления подается напряжение на электродвигатель 4, вал 5 которого вместе с винтовой втулкой 6 начинает вращаться (условно примем резьбу 7 правой и направление вращения — по часовой стрелке со стороны электродвигателя 4), Пока вал 1 дизеля с винтом 3 неподвижны, втулка б навинчивается на винт 3 и их взаимное осевое сближение с помощью колец 8 и тяг 9.

Пневмо(гидро)двигатель-регулятор

Номер патента: 1513250

. парш 30 ней 8 (левого), опираясь своим внутренним кольцевым буртом через пружину 10 и шайбу 11 на уступ охватывающего 4 элемента шток-рейки, постоянно взаимодействует своим внешним сферическим торцем с охватываемым 5 элементом шток-рейки.Головка толкателя 9 второго из поршней 8 (правого) через пружину 10 защемлена между шайбой 11 и закладным 40 упором 12, установленным в пазуэлемента 4.В крышках 13 цилиндров выполнены каналы 14 и 15 для подвода и сброса рабочей среды. 45Устройство, например, в режиме регулятора скорости работает следующим образом.При вращении приводного вала 2, например, по часовой стрелке (фиг.1) зубчатый венец 3 сообщает шток-рейке50 поступательное перемещение влево. При этом охватываемый 5 элемент шток- рейки.

Регулятор нагрузки приводных двигателей прокатных валков

Номер патента: 278824

. предотв та, к в регул ир Известны регуляторы нагрузки приводных двигателей прокатных валков, содержащие блок регулирования, два датчика тока двигателей и орган сравнения. Однако такие регуляторы не обеспечивают предотвращения недопустимого изгиба раската.Предлагаемый регулятор отличается от известных тем, что к выходу одного из датчиков подключен регулируемый элемент, например, магнитно-транзисторный усилитель, вход которого через релейный элемент, реагирующий на уровень напряжения, соединен с выходом делителя, осуществляющего взаимное деление напряжений, пропорциональных скоростям двигателей,На чертеже представлена принципиальная схема описываемого регулятора.Управление приводом осуществляется посредством регулируемого блока 1, на.

Двунаправленный регулятор скорости двигателя постоянного тока. Схема и описание

В статье представлен несложный, а главное — «не микроконтроллерный» двунаправленный регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока с использованием метода ШИМ.

В этом устройстве для установки скорости двигателя используется потенциометр. В крайних положениях двигатель работает на максимальной скорости в заданном направлении. Двигатель останавливается и тормозит, когда потенциометр находится в среднем положении.

Изменение направления вращения выполняется автоматически в зависимости от положения потенциометра. В крайних положениях сигнал ШИМ имеет 100% заполнение, что обеспечивает минимальные потери при максимальной скорости. «Нулевое» положение имеет мертвую зону, что способствует стабильной остановке двигателя.

На контроллер можно подавать напряжение в диапазоне 8 … 30 В постоянного тока, что обеспечивает совместимость с типичными двигателями постоянного тока. Максимальная допустимая нагрузка по току составляет 2 А.

Принципиальная схема регулятора скорости вращения двигателя показана на рисунке ниже.

Регулятор состоит из четырех функциональных блоков:

• ШИМ генератор (0 … 100%), управляемый напряжением — интегральная схема LTC6992-1 (DD1).
• Блок обработки управляющего сигнала на микросхеме LM324 (DA1).
• Детектор направления и логическое управление приводом двигателя на микросхеме 74HC00 (DD2).
• Драйвер двигателя с защитой — интегральная микросхема DRV8871 (DD3).

Устройство питается от стабилизатора LM317 (DA2). Схема драйвера двигателя собрана на специализированной интегральной схеме DRV8871 (DD3). Блок-схема данной микросхемы показана на следующем рисунке.

Микросхема DRV8871 содержит все компоненты, необходимые для реализации управления щеточным электродвигателем постоянного тока:

• два MOSFET полумоста с низким сопротивлением Rdson и систему измерения тока двигателя, для которой не требуются внешние компоненты
• защитную логику
• зарядовый насос для управления силовыми транзисторами,
• встроенную систему защиты от перегрузки
• тепловую защиту
• логику управления входом

Встроенный датчик тока двигателя не требует внешнего измерительного резистора, но по-прежнему можно изменить максимальный ток обмотки путем подключения соответствующего резистора к выводу Ilim, в соответствии с формулой:

Ilim = 64 / R8

В прототипе ток был установлен на уровне 2 А, что соответствует сопротивлению R8 около 33 кОм. Минимальное значение резистора составляет 15 кОм. Резистор следует подобрать в зависимости от используемого двигателя.

Направление вращения двигателя регулируется с использованием входов IN1 / IN2. Логические схемы, построенные с использованием микросхемы DD2 (74HC00), меняют способ управления на стандарт PWM/DIR. Двухцветный светодиод LED1 указывает на направление вращения и индикацию заполнения ШИМ.

Компаратор на операционном усилителе DA1.1 сравнивает напряжение с ползунка потенциометра ШИМ с опорным напряжением REF = 2,5 В, генерируя внутренний сигнал DIR, определяющий направление вращения двигателя.

Опорное напряжение является производным от напряжения питания 5 В (стабилизированный DA2) через резистивный делитель R23 / R24 и буферизуется через DA1.2.

Когда заполнение сигнала ШИМ равно 0%, двигатель останавливается, т. е. замыкается встроенными ключами к массе. Сигнал ШИМ генерируется микросхемой LTC6992-1 (DD1), блок-схема которой показана на следующем рисунке.

Данная микросхема содержит все блоки, необходимые для реализации генератора ШИМ с фиксированной частотой и регулируемым рабочим циклом. Опорная частота встроенного генератора устанавливается резистором, подключенным к входу SET (R1). Дополнительное деление частоты устанавливает делитель, подключенный к выводу DIV (R2 / R3).

Изменение напряжения на клемме MOD в диапазоне 0 … 1 В изменяет рабочий цикл в пределах 0 … 100%. В прототипе частота генератора была установлена ​​на уровне около 128 кГц, а степень деления на уровне 256, что дает тактовую частоту 500 Гц.

Управляющий сигнал генератора ШИМ вырабатывается с помощью двух дифференциальных усилителей DA1.3 / DA1.4, которые отвечают за преобразование напряжения 0 … 5 В от ползунка потенциометра ШИМ в управляющее напряжение MOD U1 в диапазоне 0 … 1 В.

Усилитель DA1.3 работает для напряжения ползунка потенциометра в диапазоне 2,5…5 В, масштабируя до диапазона 0 … 1,7 В, а DA1.4 соответственно — 0…2,5 В масштабируя до 1,7 … 0 В.

Диоды VD2 и VD3 складывают напряжение усилителей DA1.3 / DA1.4 и вводят вместе с резисторами R15, R20 небольшую мертвую зону в среднем положении потенциометра. Диоды VD4 и VD5 защищают вход MOD DD1 от превышения допустимого диапазона напряжения. Кривые напряжения в системе управления показаны на рисунке ниже.

Напряжение питания 5 В подается стабилизатором DA2 типа LM317 в своем типовом применении. Питание на регулятор подается через разъем PWR напряжением 8 … 30 В с мощностью, соответствующей используемому двигателю. Двигатель подключен к разъему DCM.

В зависимости от требуемой точности регулировки вместо обычного 9-миллиметрового потенциометра (ШИМ) можно припаять SIP-разъем и использовать внешний многооборотный потенциометр с сопротивлением 1 кОм.

Микросхему DD3 необходимо снабдить небольшим радиатором для корпуса SO8 для облегчения рассеивания тепла. Модуль, собранный из исправных компонентов, не требует наладки, но стоит проверить управляющие напряжения CTRL, DIR, PWM в зависимости от положения потенциометра.