Коллекторный двигатель: конструкция, история развития, характеристики

Сегодня коллекторные тяговые двигатели можно встретить в локомотивах и пылесосах, дрелях и стиральных машинах. С 1844 года генераторы переменного тока Woolrich используются в сочетании с выпрямительными коммутаторами. Это была попытка снизить цену на производимую энергию. Ранее были проведены эксперименты с постоянным током, генерируемым медными и цинковыми колесами, а коллекторные двигатели были разработаны для указанных условий.

Коллектор считается основной частью. На фотографии видно, что деталь трудно спутать. Коллектор хорошо виден через все щели. Это барабан медного цвета, состоящий из множества рифленых, разделенных пластин. Структура коллектора сложная, и для увеличения мощности каждую катушку приходится поворачивать в двух направлениях. Это было сделано Якоби не единожды, и результат оказался посредственным.

Обмотка якоря (подвижная часть двигателя) состоит из нескольких катушек, образующих полюса. Конструкция симметрична для минимизации люфта, биения и вибрации. Это увеличивает срок службы изделия.

Коллектор, установленный на валу, становится электрическим распределителем, механическим коммутатором. Сегодня альтернативой этому варианту являются вентильные двигатели с электронной коммутацией. Благодаря уникальной конструкции коммутатора создаются сильные искры: при разрушении поверхности щеток и ребер дуга быстро гаснет. Это приводит к возникновению шума. Коллекторные двигатели во много раз более шумные, чем другое оборудование.

Щетки постепенно изнашиваются. Они состоят из резьбовой контактной шайбы, толстой, характерной на вид медной нити и графитового корпуса. Коллекторный двигатель можно определить по этим признакам, если задняя часть двигателя закрыта крышкой, как показано на фото. Не нужно искать графитовый корпус, просто посмотрите, где проходит кабель. Дизайн ручек может быть разным, но щетку можно легко снять и заменить на новую. Для обеспечения надежного контакта используется пружина сжатия. Он присутствует во всех конструкциях, а графитовый корпус изнашивается при использовании.

Это несложно проиллюстрировать на болторезе (угловой шлифовальной машине). Существуют специальные крышки доступа, позволяющие менять щетку без открытия корпуса. Это обеспечивает высокий уровень эффективности. На шпателе часто приходится выполнять много работы по резке и шлифовке, поэтому снятие корпуса в разгар работы – не лучший вариант. Если крышки, показанные на фотографии, присутствуют, просто снимите их и замените деталь. Резьбовое соединение отсутствует, щетка прижимается к коллектору непосредственно через крышку.

С помощью шлицевой отвертки выкрутите пробку и удалите старую щетку. Контактный колпачок легко вытягивается наружу, толкаемый вверх пружиной. Если невозможно получить идентичную кисть, графитовый корпус можно переточить. Форма контакта не имеет значения, при необходимости можно припаять шайбу правильной формы, шайбу и т.д.

Из этого следует, что двигатель коллектора в значительной степени ремонтопригоден. Отношение к конструкциям постоянного тока – это неправильная политика. Эффективность переменного тока (крутящий момент, КПД) ниже. Причина в том, что частота вращения вала не всегда совпадает с частотой сети. Трудно предсказать результат векторного сложения полей всех полюсов.

Электронные схемы, использующие симистор, основаны на двойном полупериодическом управлении фазовым сдвигом. На диаграмме (рис. 9) Он показывает, как напряжение, подаваемое на двигатель, изменяется в зависимости от импульса микроконтроллера, подаваемого на управляющий электрод симистора.
Таким образом, видно, что скорость вращения ротора двигателя напрямую зависит от напряжения, приложенного к обмоткам двигателя.

Содержание

Коллекторный двигатель

Коллекторные двигатели широко используются не только в электроинструментах (дрели, шуруповерты, шлифовальные машины и т.д.), мелкой бытовой технике (миксеры, блендеры, соковыжималки и т.д.), но и в стиральных машинах в качестве двигателя привода барабана. Коллекторные двигатели установлены в большинстве (около 85%) всех бытовых стиральных машин. Эти двигатели используются во многих стиральных машинах с середины 1990-х годов и со временем полностью заменили однофазные асинхронные двигатели с конденсатором.

Коллекторные двигатели компактнее, мощнее и проще в эксплуатации. Этим объясняется их широкое распространение. Коллекторные двигатели производства INDESCO, WELLING, C.E.S.E.T., SELNI, SOLE, FHP и ACC используются в стиральных машинах. Они немного отличаются по внешнему виду, могут иметь разную мощность и тип крепления, но принцип работы абсолютно одинаков.

2 Конструкция коллекторного двигателя для стиральных машин

1. статор
2. роторный коллектор
Кисть (всегда используются две кисти,
Второй не виден на фотографии) 4.
Ротор магнитного тахогенератора 5.
Катушка тахогенератора (обмотка) 6.
6. крышка крепления тахогенератора
7. клеммная колодка двигателя
8. шкив
Алюминиевый корпус

Рис. 2 Конструкция коллекторного двигателя стиральной машины

Двигатель коммутатора – это однофазный двигатель с последовательными обмотками возбуждения, предназначенный для работы на переменном или постоянном токе. По этой причине его также называют универсальным коллекторным двигателем.

Большинство коллекторных двигателей, используемых в стиральных машинах, имеют конструкцию и внешний вид, показанные на (рис. 2)
Этот двигатель состоит из нескольких основных частей, таких как статор (с обмоткой возбуждения), ротор, щетка (скользящий контакт, всегда используются две щетки), тахогенератор (магнитный ротор, который крепится к концу вала ротора, а катушка тахогенератора крепится с помощью колпачка или кольца). Все компоненты соединены вместе двумя алюминиевыми крышками, которые образуют корпус двигателя. На клеммной колодке находятся контакты обмотки статора, щеток и тахогенератора, необходимые для электрического подключения. На валу ротора скользит шкив, через который барабан стиральной машины приводится в движение с помощью ременной передачи.

Чтобы лучше понять принцип работы двигателя с коммутатором, давайте рассмотрим устройство каждой из его основных частей.

Ротор (якорь)

Ротор (якорь) – это вращающаяся (подвижная) часть двигателя. Стальной вал оснащен сердечником, который изготовлен из набора пластин из электротехнической стали для уменьшения вихревых токов. Такие же ветви обмотки размещаются в пазах сердечника, выводы которого крепятся к медным контактным пластинам (ребрам), образующим коллектор ротора. Коллектор ротора может иметь в среднем 36 ребер, расположенных на изоляторе и разделенных щелью.
Вал ротора оснащен запрессованными подшипниками, которые поддерживаются крышками корпуса двигателя для обеспечения плавной работы. Вал ротора также имеет шкив с канавками для зубчатого ремня и резьбовое отверстие на противоположной стороне вала, в которое может быть установлен магнитный ротор.

4 Статор

статор – это неподвижная часть двигателя. Для уменьшения вихревых токов сердечник статора выполнен из стопки пластин из электротехнической стали, образующих каркас, на котором последовательно расположены две равные секции обмотки. Статор почти всегда имеет только два вывода обеих секций обмотки. Однако в некоторых двигателях так называемые секционирование обмотки статора и, кроме того, между секциями имеется третья точка соединения. Обычно это происходит потому, что когда двигатель работает в режиме постоянного тока, индуктивное сопротивление обмотки имеет меньшее постоянное сопротивление и ток обмотки выше, поэтому включаются обе секции обмотки, в то время как в режиме переменного тока включается только одна секция, поскольку индуктивное сопротивление обмотки имеет большее постоянное сопротивление и ток обмотки ниже. Тот же принцип используется в универсальных коллекторных двигателях для стиральных машин, за исключением того, что для увеличения скорости вращения ротора двигателя требуется секция обмотки статора. При достижении определенной скорости вращения ротора цепь двигателя переключается таким образом, что включается одна секция обмотки статора. В результате индуктивное сопротивление снижается, и двигатель достигает еще более высокой скорости. Это необходимо на этапе отжима (центрифугирования) в стиральной машине. Центральный вывод секции обмотки статора используется не во всех коллекторных двигателях.
Для защиты двигателя от перегрева и перегрузки по току последовательно с обмоткой статора должны быть подключены следующие устройства тепловая защита с самосбрасывающимися биметаллическими контактами последовательно с обмоткой статора (не показаны). Иногда контакты тепловой защиты устанавливаются на клеммной колодке двигателя.

5. щетка

Кисть – скользящий контакт, обеспечивающий электрическое соединение между цепью ротора и цепью статора. Щетка крепится к корпусу двигателя и под определенным углом к ребрам коллектора. Всегда используйте как минимум одну пару щеток, которые образуют так называемый “щеточный коллекторный узел”. Всегда используется щеточный коллекторный узел.
Рабочая часть щетки представляет собой графитовую полосу с низким удельным сопротивлением и низким коэффициентом трения. Графитовая щеточная пластина имеет гибкий медный или стальной стержень с припаянным зажимом. Для прижатия планки к коллектору используется пружина. Вся конструкция заключена в изолятор и прикреплена к корпусу двигателя. Щетки изнашиваются за счет трения о коллектор и поэтому считаются расходными материалами.

6. тахогенератор

Тахогенератор (от греч. Тахогенератор – это измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенной частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал. Тахогенератор предназначен для управления скоростью вращения ротора коллекторного двигателя. Ротор тахогенератора соединен непосредственно с ротором двигателя, и во время его вращения в обмотке катушки тахогенератора индуцируется пропорциональная электродвижущая сила (ЭДС) в соответствии с законом взаимной индукции. Напряжение переменного тока считывается с клемм катушки и обрабатывается электронной схемой, которая в конечном итоге устанавливает и контролирует необходимую постоянную скорость вращения ротора двигателя.
Тахогенераторы, используемые в однофазных и трехфазных асинхронных двигателях для стиральных машин, имеют одинаковый принцип действия и конструкцию.

В некоторых моделях стиральных машин Bosch и Siemens вместо тахогенератора в двигателях с коммутатором используется тахогенератор. датчик Холла. Это очень компактное и недорогое полупроводниковое устройство, которое устанавливается на неподвижной части двигателя и взаимодействует с магнитным полем кругового магнита, установленного на валу ротора непосредственно рядом с коллектором. Датчик Холла имеет три выхода, сигналы с которых также считываются и обрабатываются электронной схемой (в этой статье мы не будем подробно анализировать работу датчика Холла).

7 Схема подключения коллекторного двигателя

Как и в любом электродвигателе, принцип работы коллекторного двигателя основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора, через которые протекает электрический ток. Коллекторный двигатель стиральной машины имеет последовательное соединение обмоток. В этом можно легко убедиться, изучив подробную схему. (Рис.7).

Коллекторные двигатели стиральных машин могут иметь от 6 до 10 контактов на клеммной колодке. На рисунке показаны все максимальные 10 контактов и различные возможные соединения компонентов двигателя.

Зная устройство, принцип работы и стандартную схему подключения коллекторного двигателя, можно легко запустить любой двигатель непосредственно от сети без использования электронной системы управления, и для этого не нужно запоминать особенности расположения выводов обмотки на клеммной колодке каждой марки двигателя. Для этого достаточно определить клеммы статора и щеточной обмотки и соединить их, как показано на схеме ниже.

Порядок расположения клемм на клеммной колодке коллектора двигателя стиральной машины произвольный.

На схеме оранжевые стрелки указывают направление тока, протекающего через провода и обмотки двигателя. От фазы (L) ток проходит через одну из щеток к коллектору, через обмотки роторной обмотки и выходит через другую щетку и через перемычку, ток последовательно проходит через обмотки обеих секций статора, пока не достигнет нейтральной точки (N).

Двигатели этого типа, независимо от полярности приложенного напряжения, вращаются в одном направлении, поскольку при последовательном соединении обмоток статора и ротора полюса магнитных полей меняются одновременно, и результирующий крутящий момент остается в одном направлении.

Чтобы заставить двигатель начать вращаться в другом направлении, просто измените порядок расположения обмоток.
Пунктирными линиями обозначены компоненты и выходы, которые используются не во всех двигателях. Например, датчик Холла, выходы тепловой защиты и выход половины обмотки статора. При непосредственном запуске коллекторного двигателя подключаются только обмотки статора и ротора (через щетки).

Внимание! Схема, показанная для прямого подключения двигателя к коллектору, не имеет защиты от короткого замыкания или ограничителей тока. При таком подключении от бытовой сети двигатель развивает полную мощность, поэтому его не следует подключать напрямую на длительное время.

8 Управление коллекторным двигателем в стиральной машине

Двигатель с коммутатором в стиральной машине управляется электроникой, а регулирующий напряжение элемент является симистор (рис. который подает на двигатель напряжение, необходимое для его работы. Симистор можно представить в виде быстродействующего переключателя (ключа), электроды которого питают электроды A1 и А2и на контроле ворота G Управляющие импульсы подаются для открытия ворот в нужный момент. В электрической схеме симистор подключен последовательно с коллекторным двигателем.

Принцип работы электронных схем, использующих симистор, основан на биполярном фазовом управлении. На диаграмме (рис. 9) показывает, как изменяется напряжение на двигателе в зависимости от импульсов от микроконтроллера, подаваемых на управляющий электрод симистора.
Таким образом, мы видим, что скорость вращения ротора двигателя напрямую зависит от напряжения, приложенного к обмоткам двигателя.

Ниже приведены фрагменты условной схемы подключения коллекторного двигателя с тахогенератором к электронной системе блок управления (EC).
Общий принцип работы блока управления коллекторным двигателем заключается в следующем. Управляющий сигнал от электронной схемы подается на затвор из симистор (TY)и в обмотках двигателя начинает протекать ток, который вызывает вращение ротор (M) двигатель. В то же время, тахогенератор (P) передает мгновенное значение скорости вращения ротора в пропорциональный электрический сигнал. Сигналы тахогенератора обеспечивают обратную связь с управляющими импульсными сигналами, подаваемыми на затвор симистора. Это обеспечивает вращение ротора двигателя при каждом состоянии загрузки, благодаря чему барабан в стиральных машинах вращается равномерно. Для осуществления реверсивного вращения двигателя используются специальные реле Реле R1 и R2 которые коммутируют обмотки двигателя.

Изменение направления вращения двигателя

Т-тахогенератор
М-ротор (коллекторно-щеточный узел)
S-stator
P-тепловая защита
TY-симистор
R1 и R2– переключающие реле

В некоторых стиральных машинах коллекторный двигатель работает на постоянном токе. Для этого в цепи управления после симистора устанавливается выпрямитель переменного тока, построенный на диодах (“диодный мост”). Работа коллекторного двигателя на постоянном токе повышает его КПД и максимальный крутящий момент.

9 Преимущества и недостатки универсальных коллекторных двигателей

Преимуществами универсальных коллекторных двигателей являются их малые габариты, высокий пусковой момент, высокая скорость вращения и отсутствие зависимости от частоты сети, возможность бесступенчатого регулирования скорости (момента) в очень широком диапазоне, от нуля до номинального значения путем изменения напряжения питания, возможность использования работы как с постоянным, так и с переменным током.
Недостатки – наличие стыка коллектор-щетки и, следовательно: относительно низкая надежность (срок службы), искрение между щетками и коллектором из-за коммутации, высокий уровень шума, большое количество деталей коллектора.

10 Неисправности коллекторного двигателя

Наиболее уязвимой частью двигателя является узел коллектор-щетка. Даже при эффективном двигателе между щетками и коллектором возникает электрическая дуга, которая довольно сильно нагревает ламели. Если щетки изношены до предела и если они не прижаты плотно к коллектору, искрение иногда достигает кульминации в виде дуги. Если лопасти коллектора перегреваются и иногда отслаиваются от изолятора, создавая неровную поверхность, двигатель может продолжать плохо искрить даже после замены изношенных щеток, двигатель перестанет работать и в конечном итоге выйдет из строя.

Иногда может произойти короткое замыкание обмотки ротора или обмотки статора (гораздо реже), что также может вызвать дугу на щеточном коллекторе (из-за перегрузки по току) или ослабить магнитное поле двигателя, так что ротор двигателя не развивает полный крутящий момент.
Как мы уже говорили, щетки в щеточных коллекторных двигателях со временем изнашиваются, поскольку трутся о коллектор. Поэтому большинство ремонтов двигателя сводится к замене щеток.

Следует отметить, что надежность двигателя с коммутатором в значительной степени зависит от качества и компетентности производителя в отношении процесса изготовления и сборки.

Прохождение электрического тока через обмотки создает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности по отношению к обмотке статора. Эти магнитные поля разной полярности заставляют якорь двигателя вращаться.

Конструкция коллекторного двигателя

Чтобы понять принцип работы коллекторного двигателя, необходимо знать его конструкцию. Независимо от типа системы привода используются следующие основные компоненты:

• Якорь. Он состоит из металлического вала, на котором закреплены обмотки. Вал установлен на подшипниках скольжения или роликовых подшипниках в корпусе двигателя. Якорь – это подвижная часть двигателя, передающая крутящий момент на необходимые устройства;
• Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Находится на роторе. В виде трапециевидных медных контактов;

• Кисти. Изготовлен из графита. Щетки используются для подачи напряжения на обмотку ротора;
• Держатели щеток. Держатели щеток изготавливаются из металла или пластика. Щеткодержатели установлены на корпусе двигателя с непроводящими уплотнениями. Это предотвращает передачу напряжения на корпус двигателя;

ВАЖНО: Щетки или щеткодержатели оснащены пружинами. Они необходимы для удержания щетки на коллекторе во время работы генераторной установки.

• Подшипники. В небольших двигателях используются пластиковые или металлические втулки. Двигатель оснащен двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
• Сердечник статора. Сердечник статора состоит из большого количества металлических пластин;
• Обмотки. Требуется для создания магнитного поля.

Катушки медного обмоточного провода помещаются в пазы магнитопровода. Выводы обмоток подаются на коллекторный блок, где происходит их коммутация.

Принцип работы

Ознакомившись с устройством ротора, мы можем теперь обсудить, как работает коллекторный двигатель. В принципе, принцип работы не отличается от принципа работы других двигателей – ротор начинает вращаться в магнитном поле под воздействием индукционных токов. Но как и почему индуцируются эти токи? Чтобы понять это, мы должны вспомнить, как электродвижущая сила создается в постоянном магнитном поле. Если внести прямоугольную рамку в поле постоянного магнита, она начнет вращаться под действием индуктированного в ней тока. Направление вращения определяется по принципу бура. В отношении поля постоянного тока говорится, что если поместить правую руку в поле так, чтобы магнитные линии вошли в ладонь, то вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация, объясняющая принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если мы посмотрим на структуру ротора, то увидим, что каждая обмотка представляет собой такой каркас. Только состоит он не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. В случае с коллектором в какой-то момент обмотка подключается к источнику питания, по ней течет ток, и вокруг проводника создается магнитное поле. Это взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, в обмотках также протекают либо постоянные магниты, либо постоянный ток, создающий собственное магнитное поле на полюсах. Поля ротора и статора сконструированы таким образом, что при взаимодействии они “толкают” ротор в нужном направлении. Далее работа коллекторного двигателя постоянного тока будет описана кратко и без особых подробностей.

Обмотки на роторе соединены с пластинами коллектора. Когда щетки соприкасаются с пластинами, образуется замкнутая цепь, по которой течет ток.

Если подумать об этом немного более тщательно, то можно понять, почему коллекторный двигатель способствует плавному регулированию скорости. Чем выше напряжение, приложенное к обмоткам ротора, тем сильнее поле, создаваемое статором, тем сильнее взаимодействие между ними и тем быстрее вращается ротор, поскольку он толкается с большей силой. Если напряжение уменьшается, взаимодействие становится меньше, а значит, уменьшается и скорость. Поэтому вам нужно только отрегулировать напряжение, и это можно сделать даже с помощью простого потенциометра (переменного сопротивления).

Конструктивное отличие от универсального устройства заключается в использовании магнитов вместо катушек возбуждения. Это устройство более популярно и распространено, чем другие типы распределительных систем. Положительным аспектом является стоимость и простота строительства. Кроме того, прибор прост в эксплуатации. Препятствием являются используемые магниты, которые напрямую связаны с мощностными характеристиками устройства. На установку воздействует поле, создаваемое магнитами.

Принцип работы коллекторного двигателя

Чтобы понять принцип работы коллекторного двигателя, необходимо вспомнить об электромагнитной индукции. Поместим проводник с циркулирующим в нем током между магнитами, северным и южным полюсами на оси вращения. Проводник вращается в соответствии с направлением тока, таков принцип работы коллекторного двигателя. Энергия проходит через щетки к концу проводника. Половина оборота – и ток переключается, способствуя непрерывному вращению в заданном направлении. Коллекторный двигатель оснащен несколькими проводниками, так что коллекторная цепь, разделена на контакты.

Из статора ток поступает в обмотку ротора через последовательное соединение, щетки и коллектор. Коллекторные двигатели используются в изделиях, где важна скорость. Эти двигатели не тяжелые и имеют относительно небольшие габаритные размеры.

Принцип работы коллекторного двигателя.

Важно! Коллекторный двигатель, способен работать в обратном направлении, преобразуя механическую энергию в электрическую. В этом случае роль станции выполняет генератор.

Такое определение дают учебники и энциклопедии:

Конструкция щеточного аппарата

Щеточный аппарат, состоящий из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и направляющих токоприемника, используется для отвода тока от вращающегося коллектора и его питания.

Одна из типичных конструкций щеткодержателей показана на рисунке 5. Щеткодержатели крепятся к пальцам щетки. На каждом щеточном пальце имеется несколько или целый ряд щеткодержателей, которые работают параллельно. Щеточные пальцы крепятся к щеточной траверсе, обычно в количестве, соответствующем числу основных стоек (Фото 7).

и электрически изолирован от него. Траверса крепится к неподвижной части станка: в станках малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных станках – к раме. Обычно можно повернуть траверсу, чтобы привести щетки в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы с одинаковой полярностью соединены между собой шинами. Шины соединяются с выходными клеммами или другими обмотками машины с помощью ответвлений.

Коллектор и щеточный узел – очень важные детали машины, от конструкции и исполнения которых во многом зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Читайте далее:

• ГОСТ 21888-82 (IEC 276-68, IEC 560-77) Щетки, щеткодержатели, коллекторы и контактные кольца электрических машин. Термины и определения (с изменениями N 1) от 30 марта 1982 года.
• Ремонт коллекторных двигателей.
• Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
• Проектирование коллекторной машины постоянного тока; Студопедия.
• Что такое якорь в электродвигателе – Станция техобслуживания ЭкоПаркинг.
• Почему щетки двигателя искрят.
• 26 Принцип работы.

Устройство и отличия от бесколлекторного двигателя

Содержание:

• Виды коллекторных двигателей
• Устройство коллекторного двигателя
• Принцип работы коллекторного двигателя
• Варианты обмоток возбуждения
• Преимущества и недостатки коллекторного двигателя
• Возможные поломки и способы их ремонта

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая  электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

• Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
• Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат  отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

• Якорь. Состоит из металлического вала,  на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
• Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;

• Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
• Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает  подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

• Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
• Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
• Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

• Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка  ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
• Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
• Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести  к выходу его из строя.

• Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

Плюсы

1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки  для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

Недостатки

1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор  преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

Щеточный двигатель постоянного тока: конструкция и принцип действия

Коллекторные двигатели довольно распространены в быту и на производстве. Их используют для привода различных механизмов, электроинструментов, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена ​​простой регулировкой скорости вращения ротора, но есть некоторые ограничения их использования и, конечно же, недостатки. Давайте рассмотрим, что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДТТ), какие существуют разновидности этого типа электродвигателя и где они применяются.

• Определение и устройство
• Принцип работы
• Типы КДПТ и схемы соединения обмоток
• Схема подключения и реверс
• Область применения
• Преимущества и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят такое определение:

«Коллекторным двигателем называется электродвигатель, у которого датчик положения вала и переключатель обмоток являются одним и тем же устройством — коллекторным. «Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо на постоянном и переменном токе».

Коллекторный двигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор является якорем. Напомним, что якорь – это часть электрической машины, потребляющая основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Зачем нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе) и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. Отводы секций обмоток якоря соединяются с ламелями (устройство якорной обмотки КДПТ можно увидеть на группе рисунков ниже), а точнее, конец предыдущей и начало следующей секции обмотки соединяются с каждый из них.

Ток подается на обмотки через щетки. Щетки образуют скользящий контакт и при вращении вала соприкасаются то с одной, то с другой пластиной. Таким образом коммутируются обмотки якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна со щеткодержателями, непосредственно в них устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижаты к коллектору пружинами.

На статоре (обмотке возбуждения) устанавливаются постоянные магниты или электромагниты, которые создают статорное магнитное поле. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще употребляются термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже показана конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь давайте посмотрим, как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

При протекании тока по обмотке якоря возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правил буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться за счет того, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноименным. Что прекрасно иллюстрирует рисунок ниже.

При переключении щеток на другие ламели ток начинает течь в обратном направлении (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах двухполюсную конструкцию не применяют из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальными. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может вообще не начать вращаться. Поэтому коллектор современного двигателя постоянного тока имеет значительно больше полюсов и секций обмоток, укладываемых в пазы футерованного сердечника, чем достигается оптимальная плавность хода и крутящий момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видео, настоятельно рекомендуем его прочитать.

Типы КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока бывают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъемных механизмах и станках).

Различают такие виды КДТТ по способу соединения обмоток:

• Последовательное возбуждение (в старой русской литературе и от старых электриков можно услышать название «Последовательный», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Преимуществом такой схемы является высокий пусковой момент, а недостатком — падение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (мягкая механическая характеристика), и то, что двигатель буксует (неконтролируемое увеличение оборотов с последующим выходом из строя к подпятникам и якорю) на холостом ходу или при нагрузке на вал менее 20-30% от номинальной.
• Параллельный (также называемый «шунт»). Соответственно, обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря. При малых скоростях на валу крутящий момент высок и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а при увеличении оборотов снижается. Преимуществом являются стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на вал (ограниченной его мощностью), а недостатком — при обрыве цепи в цепи возбуждения она может выйти из строя.
• Зависимый. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет более точно контролировать скорость вращения вала. Особенности работы аналогичны ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанный. Часть обмотки возбуждения включена параллельно, а часть последовательно с якорем. Объедините преимущества последовательного и параллельного типов.

Графический символ на схеме вы видите ниже.

В зарубежной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДТ, как это было показано на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь и два квадрата представляют кисти.

Схема соединения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где используется конкретный двигатель, нужно выбрать соответствующее решение. В некоторых режимах работы (например, в режиме торможения) схемы включения обмоток могут быть изменены или введены дополнительные элементы.

К ним относятся маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с использованием: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных драйверных микросхем или с использованием маломощных реле. Большие мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите обратную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике схема будет аналогична в производстве, но в ней не будет диодного моста, так как все линии для подключения таких двигателей проложены от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется изменением полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Нельзя менять полярность и там и там, так как направление вращения вала не изменится, как это бывает у универсальных коллекторных двигателей при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например реостат, но вал точно так же регулируют скорость, но вместо реостата часто используют набор постоянных резисторов, соединенных с помощью набора контакторов.

В современных приложениях изменение скорости вращения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, что и сделано в аккумуляторном электроинструменте (например, отвертке). Эффективность этого метода намного выше.

Область применения

Щёточные электродвигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, кратко рассмотрим область их применения: дворников), в стеклоподъемниках, для запуска двигателя (стартер представляет собой коллекторный двигатель постоянного или смешанного возбуждения) и других приводов.

Обратите внимание, что в современном дорогом электроинструменте устанавливаются бесколлекторные двигатели, но бесколлекторные.

Преимущества и недостатки

Проанализируем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Отношение габаритов к мощности (весовые и габаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализация плавного пуска.
3. Пусковой момент.

К недостаткам КДПТ относятся:

1. Изношенные щетки. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллектора в сборе.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение во взрывоопасных местах (тогда используйте КДТТ во взрывозащищенном исполнении).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателя постоянного тока вносит помехи и искажения в цепь питания или сеть, что приводит к сбоям в работе и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. В магнитах с постоянными магнитами магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются), и КПД двигателя снижается.

Итак, мы рассмотрели, что такое щеточный двигатель постоянного тока, как он устроен и каков его принцип работы. Если у вас есть вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Сопутствующие материалы:

• Что такое анод и катод
• Как работает магнитный пускатель
• Как понизить напряжение
• Что такое асинхронный двигатель

Опубликовано:
05.06.2019
Обновлено: 05.06.2019

Пока без коментариев

Робототехника и промышленная электроника – ТУ705/3

Что такое привод?

Привод представляет собой механизм, предназначенный для преобразования энергии какого-либо вида в движение или механическую силу контролируемым образом. В робототехнике исполнительные механизмы — это компоненты, которые заставляют робота двигаться. двигатели, поршни и т. д. Электрические, гидравлические и пневматические приводы широко используются в робототехнике, но в этом модуле мы сосредоточимся почти исключительно на электрических устройствах. Ниже приведены четыре типа приводов, которые мы чаще всего используем в лаборатории робототехники.

• Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC)
• Редукторный двигатель постоянного тока
• Шаговый двигатель
• Серводвигатель

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами

Большинство небольших двигателей непрерывного вращения, которые мы используем в лаборатории робототехники, представляют собой двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. В них используются постоянные магниты в статоре для создания сильного магнитного поля вблизи ротора. На якоре имеется обмотка с множеством витков. Когда ток проходит через обмотку якоря, он взаимодействует с магнитным полем, заставляя якорь вращаться. Если бы направление тока в якоре всегда было одним и тем же, якорь просто вращался бы до тех пор, пока не выровнялся бы с полем постоянного магнита. Однако ток обычно подается на ротор через щетки, которые создают скользящую (и проводящую) точку контакта между напряжением питания и якорем. Какая щетка соприкасается с каким концом обмотки якоря, определяет направление тока, что приводит к периодическому изменению направления тока в якоре, гарантируя, что он будет вращаться непрерывно, а не останавливаться в соответствии с постоянным магнитным полем.

Вот несколько кратких, но информативных статей о двигателях постоянного тока.

• Как работают электродвигатели
• Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Это интересное видео от Microchip объясняет коммутацию в коллекторных двигателях постоянного тока:

• Основы коллекторных двигателей постоянного тока, часть 1
• Основы коллекторного двигателя постоянного тока, часть 2

Редукторный двигатель постоянного тока — это просто двигатель постоянного тока с редуктором. Как правило, двигатели постоянного тока предназначены для работы с высокими скоростями вращения и относительно низким крутящим моментом. При присоединении редуктора к двигателю постоянного тока скорость вращения, подаваемая на двигатель, уменьшается. Однако крутящий момент также увеличивается.

Шаговые двигатели

Еще несколько интересных видео от Microchip

• Что такое шаговый двигатель?
• Что такое шаговый двигатель с постоянными магнитами?
• Монополярные и биполярные шаговые двигатели

В правом верхнем углу страницы википедии, посвященной шаговым двигателям, есть хорошее анимированное изображение 4-фазного шагового двигателя.

Транзисторы

Прежде чем объяснять различные схемы управления исполнительными механизмами, которые появляются в приведенных ниже примерах вопросов, стоит уделить немного времени обзору некоторых основных принципов работы BJT (транзисторов с биполярным переходом). Для простоты я решил использовать здесь только транзисторы BJT, но, конечно, МОП-транзисторы также широко используются. Независимо от используемого конкретного типа назначение каждого транзистора в приведенных ниже схемах в основном состоит в том, чтобы управлять (включать и выключать) током, подаваемым на двигатель.

Проектирование аналоговых электронных схем с использованием транзисторов может показаться сложным и пугающим, и действительно это очень тонкое искусство во многих ситуациях. Тем не менее, использование транзистора для включения и выключения чего-то вроде двигателя — это проще простого, и к нему следует подходить безбоязненно!

Транзистор BJT представляет собой трехконтактный компонент, который выпускается в двух основных вариантах: NPN и PNP. Сначала мы рассмотрим разновидность NPN, а затем определим, чем отличается PNP. Три вывода NPN BJT — это база, коллектор и эмиттер.

• Эмиттер: Во всех приведенных ниже схемах будут использоваться NPN-транзисторы в так называемой конфигурации с общим эмиттером , что просто означает, что эмиттер всегда подключен к земле.
• Коллектор: Ток нагрузки (т. е. ток, питающий двигатель) течет от источника питания через двигатель в коллектор и, наконец, через эмиттер на землю. Таким образом, основной ток протекает через нагрузку в коллектор и из эмиттера.
• База: Это клемма, которая позволяет нам контролировать количество тока, протекающего в коллектор. Когда ток вообще не течет в базу, ток не может попасть и в коллектор. Однако, когда мы вводим слабый ток в базу, большой ток поступает в коллектор. Чем больше ток базы, тем больший ток допускается в коллектор.

Токи базы и коллектора объединяются внутри устройства и вместе проходят через эмиттер на землю. Отношение тока коллектора к току базы может составлять несколько сотен к одному, что делает транзистор BJT таким полезным. Отношение тока коллектора к току базы часто называют коэффициент усиления по прямому току устройства и обычно обозначается буквой β.

По сути, мы используем транзистор как своего рода переключатель в цепи двигателя. Чтобы включить двигатель, мы замыкаем переключатель, вводя небольшой ток в базу. Чтобы выключить двигатель, мы размыкаем ключ, останавливая базовый ток.

Откуда мы знаем, какой ток базы требуется для полного включения транзистора? Ну, это зависит от значения β и требуемого тока коллектора. Значение β различно для каждого транзистора. Даже для отдельного транзистора оно меняется по мере изменения напряжения в цепи и других условий вокруг него. Тем не менее, вы можете получить приблизительное представление о значении β из паспорта производителя (N.B. Там он может обозначаться как h _FE , а не β). Каким бы ни был требуемый ток коллектора (т. е. какой ток вы хотите подать на двигатель), его следует разделить на β, чтобы найти минимальный базовый ток:

Как установить базовый ток? Что ж, база и эмиттер очень похожи на выводы обычного диода. Когда базовое напряжение меньше примерно 0,6 В, ток почти не течет (точно так же, как диод). Когда базовое напряжение увеличивается выше этой точки, базовый ток начинает резко увеличиваться. По этой причине мы обычно размещаем резистор последовательно с базой, чтобы поддерживать ток в безопасных пределах (точно так же, как мы сделали бы, например, со светодиодом). Если бы мы хотели включить NPN-транзистор, установив ток базы, используя выход 5 В от dsPIC, вот как мы могли бы рассчитать требуемое значение базового резистора:

Примеры вопросов

Вопрос:

Объясните основные принципы работы серводвигателя. Определите некоторые возможные приложения.

В принципе, любой двигатель, использующий замкнутый контур управления для регулирования собственной производительности, является сервомеханизмом. Однако обычно термин серводвигатель относится к устройству, которое облегчает управление положением (линейным или угловым) посредством некоторой формы внутренней системы управления с отрицательной обратной связью.

Ниже приведен пример работы сервопривода:

1. Управляющее устройство (например, микроконтроллер) передает заданное значение сервоприводу, например, через сигнал ШИМ.
2. Внутри сервопривода установлен датчик положения. В случае сервопривода углового вращения это может быть потенциометр, прикрепленный к ротору устройства.
3. Система управления с обратной связью внутри сервопривода определяет расхождение между текущим положением и заданным значением и приводит в движение двигатель постоянного тока в любом направлении, уменьшая погрешность.

Сервоприводы обычно используются там, где требуется надежное управление положением. Некоторые примеры применения:

• закрылки на крыльях самолета,
• механизм панорамирования и наклона камеры видеонаблюдения,
• шарнирных соединений в манипуляторе робота.
• Объясните серводвигатель.

Вопрос:

Для создания элементарного механизма SCARA использовалась пара серводвигателей на 5 В. Каждый сервопривод имеет три провода: 5В, 0В и вход сигнала управления ШИМ. Покажите, как dsPIC можно подключить к сервоприводам для управления механизмом.

Два серводвигателя, управляемые dsPIC с использованием ШИМ.

Вопрос:

Объясните основные принципы работы шагового двигателя. Определите некоторые возможные приложения.

Шаговый двигатель представляет собой бесщеточный синхронный электродвигатель. Он содержит несколько обмоток (например, две или четыре), каждая из которых питает энергией отдельный зубчатый электромагнит, окружающий ротор. Когда на одну из обмоток подается напряжение, ее зубцы становятся магнитными, притягивая к себе расположенные на таком же расстоянии зубья снаружи ротора, таким образом притягивая ротор на одну линию с активной обмоткой. Зубцы, связанные с каждой обмоткой, немного смещены относительно зубцов других обмоток, так что при переключении тока с одной обмотки на другую ротор вынужден вращаться на небольшой угол ( угол шага ), чтобы привести его зубцы в соответствие с зубьями активной обмотки. Подавая питание на обмотки шагового двигателя в соответствующей повторяющейся последовательности, можно добиться непрерывного вращения ротора.

Поскольку ротор движется дискретно, шаговые двигатели идеально подходят для задач позиционирования, где требуются точность и повторяемость. Даже при использовании разомкнутого контура (т.е. без активного наблюдения за фактическим вращением ротора) можно быть уверенным, что шаговый двигатель повернулся точно на нужный угол, при условии, что он не был физически перегружен до точки проскальзывания.

Вопрос:

Разработайте схему на основе транзисторов, позволяющую микроконтроллеру dsPIC включать и выключать 12-вольтовый двигатель постоянного тока. Предположим, что напряжение питания dsPIC равно 5 В, напряжение питания двигателя равно 12 В, номинальный ток двигателя (который не будет превышен при нормальных условиях работы) равен 1 А и имеется транзистор с коэффициентом усиления по прямому току β = 200.

Требуемый ток коллектора составляет 1 А, так как это номинальный ток двигателя. Чтобы получить некоторое представление о требуемом минимальном токе базы, мы разделим его на номинальный коэффициент усиления по току, β.

Это удобно в пределах того, что может выдать цифровой выход dsPIC, поэтому один транзисторный каскад будет вполне адекватным. На самом деле, чтобы быть в безопасности, я решил обеспечить двойной минимальный ток базы на тот случай, если отдельный транзистор имеет более низкое значение β, чем ожидалось.

• Когда переход база-эмиттер полностью проводит, мы знаем, что падение напряжения на нем будет не намного больше 0,6В.
• Цифровой выход PIC будет 5 В, когда он высокий.
• Нам нужен базовый ток 10 мА.

Следовательно, мы можем рассчитать следующим образом:

Однонаправленное двухпозиционное управление двигателем постоянного тока с помощью dsPIC с использованием транзистора BJT.

Вопрос:

Объясните, как можно использовать схему из предыдущего вопроса для выполнения однонаправленного регулирования скорости двигателя постоянного тока с постоянными магнитами.

Ниже показан слегка измененный вариант схемы из предыдущего вопроса. Критическое отличие состоит в том, что база транзистора теперь управляется одним из ШИМ-выходов dsPIC, поэтому он не постоянно включен, а постоянно включается и выключается. Как и в приведенной выше схеме, обратный диод необходим, потому что двигатель является индуктивной нагрузкой, а это означает, что любое внезапное прерывание его тока может привести к большим скачкам напряжения. Когда сигнал ШИМ высокий, транзистор открыт, а диод смещен в обратном направлении. Однако, когда сигнал ШИМ становится низким, транзистор отключается, а диод обеспечивает альтернативный путь для тока двигателя, так что не генерируются большие напряжения.

Скорость двигателя регулируется изменением рабочего цикла ШИМ-сигнала. Во время фазы «включения» цикла ШИМ двигатель ускоряется. Во время фазы «выключено» двигатель замедляется. Однако по сравнению со временем, которое требуется двигателю для заметного ускорения или замедления, период ШИМ очень короткий, поэтому все, что действительно очевидно, — это средняя скорость, которая зависит от рабочего цикла.

Однонаправленное управление скоростью двигателя постоянного тока с помощью dsPIC через ШИМ.

Вопрос:

Разработайте схему на основе транзисторов, позволяющую dsPIC выполнять двунаправленное управление двигателем постоянного тока 5 В с использованием двух цифровых выходных контактов. Можно предположить, что напряжение питания dsPIC также равно 5В. Покажите, какое состояние мотора получается в результате каждой возможной комбинации выходов на двух выводах dsPIC.

Транзисторная схема H-моста для двунаправленного управления двигателем постоянного тока с помощью dsPIC.

Вопрос:

Объясните, как можно изменить схему из предыдущего вопроса, чтобы можно было использовать двигатель на 12 В, а напряжение питания dsPIC осталось только на уровне 5 В.

Модифицированная транзисторная схема H-моста для двунаправленного управления двигателями более высокого напряжения с помощью dsPIC.

Вопрос:

Двухколесный вездеход управляется микроконтроллером dsPIC. Каждое колесо приводится в движение непосредственно мотор-редуктором постоянного тока. Чтобы робот мог двигаться вперед, назад или поворачиваться в любом направлении, необходимо, чтобы направление движения каждого из двух двигателей контролировалось независимо. Покажите, как этого можно добиться, используя микросхему L293D для интерфейса dsPIC с двигателями.

Конечно, мы не всегда используем дискретные транзисторы для управления нашими приводами. Как правило, удобнее использовать одну из интегральных схем, предназначенных для этой цели. Тот, который мы чаще всего используем в лаборатории робототехники, — это L293D. Этот чип содержит четыре половинчатых Н-моста. Вот ссылка на техпаспорт L293D.

На приведенной ниже схеме показано, как его можно использовать для облегчения двунаправленного управления двумя двигателями постоянного тока с помощью dsPIC. Треугольники внутри L293D — это обычные символы драйверов, но на самом деле они наполовину H-образные мосты.

Для верхнего двигателя:

• Когда RD0 = 0 В и RD1 = 0 В, двигатель останавливается.
• Когда RD0 = 0 В и RD1 = 5 В, двигатель движется вперед.
• Когда RD0 = 5 В и RD1 = 0 В, двигатель вращается назад.
• Когда RD0 = 5В и RD1 = 5В, двигатель останавливается.

Нижний мотор ведет себя аналогично.

Вопрос:

Тот же робот, что и в предыдущем вопросе, теперь требует дальнейшей модификации, чтобы обеспечить независимое управление скоростью каждого из двух двигателей. Покажите, как можно легко изменить схему, чтобы облегчить это.

Микросхема L293D имеет два контакта включения, каждый из которых либо активирует, либо деактивирует одну пару выходов. Это обеспечивает очень удобный способ периодически прерывать подачу питания на двигатели с помощью ШИМ-сигнала. Разрешающие контакты имеют внутренние подтяжки, поэтому, когда они не подключены, они вообще не влияют на выход. Однако, когда один из выводов разрешения переводится в состояние 0 В, соответствующая пара выходов также становится равной 0 В. Обычно используются два обычных цифровых выхода (например, RD0 и RD1) для запуска и остановки двигателя и управления его направлением. Тем временем сигнал PWM, подключенный к соответствующему контакту включения, позволяет управлять скоростью двигателя, просто изменяя рабочий цикл.