Чтобы двигатель постоянного тока начал вращаться, ему необходимо обеспечить нужное количество энергии. Как правило, для маломощных двигателей достаточно несколько ватт. Блок управления (микроконтроллер), который принимает решения о запуске двигателя, не может непосредственно управлять двигателем, то есть обеспечить необходимую мощность со своего вывода. Это связано с тем, что порты микроконтроллера имеют очень ограниченную нагрузочную способность (максимальный ток на выходе микроконтроллера обычно не более 20 мА).
Поэтому нужен усилитель мощности - устройство, которое может на своем выходе генерировать сигнал мощностью большей, чем мощность на его входе. Такими устройствами являются транзистор и реле, которые прекрасно подходят для управления двигателем постоянного тока.
Самый простой способ приведения в действие двигателя показан ниже:
Биполярный транзистор используется в качестве переключателя. Резистор R необходимо подобрать таким, чтобы в худшем случае (потенциал базы равен потенциалу эмиттера) через него протекал ток, не превышающий максимальный ток порта микроконтроллера.
Для того чтобы подобрать подходящий транзистор, нам нужно знать максимальный ток во время пуска или остановки двигателя, и ток во время нормальной его работы. Исходя из этого, мы подберем транзистор с соответствующим током коллектора и его максимальное значение.
Следует также обратить внимание на мощность, выделяющуюся на транзисторе (P = Uкэ * Iк). Несмотря на то, что транзистор в данном случае работает в состоянии насыщения и напряжение Uкэ часто не превышает 1В, коллекторный ток все же велик (около 0,5 А для двигателя среднего размера) и, следовательно, мощность, излучаемая на транзисторе может потребовать от нас установки радиатора.
Другой проблемой при применении биполярных транзисторов, может быть, слишком большой ток базы. Соотношение токов выходного сигнала к входному такого транзистора - это чаще всего 100 (это отношение называется коэффициентом усиления по току и обозначается или hfe ). Но, к сожалению, когда транзистор работает в состоянии насыщения, этот коэффициент сильно снижается.
Это приводит к тому, что если мы хотим, чтобы ток коллектора имел большое значение, это может потребовать большего тока, чем 20 мА, то есть больше, чем составляет нагрузочная способность порта микроконтроллера. В таких случаях решением может быть использование комбинации транзисторов – транзистор Дарлингтона:
Такая система ведет себя как один транзистор с большим значением усиления тока и малой скоростью работы.
Поскольку двигатель является индуктивной нагрузкой, мы должны быть осторожны. Если через обмотку течет ток, и мы внезапно остановим этот поток, то на выводах обмотки временно появляется большое напряжение. Это напряжение может привести к повреждению транзистора (в представленной схеме выше) вызывая пробой перехода база-коллектор. Кроме того, это может создавать значительные помехи. Для предотвращения этого необходимо параллельно с индуктивной нагрузкой подключить диод:
Во время нормальной работы двигателя диод смещен в обратном направлении. Отключение питания электродвигателя вызывает нарастание напряжения на катушке, при этом диод будет смещен в прямом направлении, благодаря чему произойдет разряд излишней энергии накопленной в катушке.
Диод следует подобрать такой, чтобы он выдерживал обратное напряжение во время нормальной работы двигателя. Такую защиту можно применять как при использовании биполярных транзисторов, так и MOSFET. Так же рекомендуется использовать диод и в работе с электромагнитным реле, для предотвращения раннего износа контактов.
Так же можно управлять постоянным двигателем с помощью полевого транзистора MOSFET:
Он должен быть с каналом обогащенного типа. Основным преимуществом такого транзистора является практически отсутствие входного тока. Он имеет небольшое активное сопротивление канала (доли ома), благодаря чему потери мощности в транзисторе не большие. Недостатком является чувствительность к электростатическим разрядам, которые могут вывести транзистор из строя.
Так как ток стока может достигать (для среднего транзистора) десятков ампер и, имея практически нулевой входной ток, MOSFET транзисторы отлично подходят в качестве усилителя мощности и часто являются лучшей альтернативой, чем биполярные. Они так же должны быть защищены диодами от индуктивных всплесков, так как это может привести к пробою между затвором и каналом (напряжение пробоя составляет несколько десятков вольт).
Если вам необходимо управление двигателем постоянного тока, и вы знаете, что частота переключения не будет слишком большая (ниже 20 Гц), то вы можете для коммутации использовать реле (реле не подходят для управления ШИМ). Преимуществом такого решения является, прежде всего, малое выделение тепла.
Существуют малогабаритные реле способные управлять токами до 10 А ! Для таких больших токов, потери мощности в реле являются приемлемыми, но для небольших токов хуже. Катушка управления контактами реле можно работать даже от нескольких сотен мА. Так что нет никакого смысла в использовании такого реле для управления током подобной величины. К счастью, есть отдельные экземпляры, которые потребляют ток около 40 мА и это уже гораздо лучше.
Если речь идет о напряжении управления реле, то оно бывает от 3 до 24 В. Как мы уже писали ранее, максимальный выходной ток микроконтроллера 20 мА, а это слишком мало, чтобы управлять реле напрямую. Поэтому для управления необходимо использовать транзистор. Схема такого подключения, как правило, выглядит следующим образом:
Так и так, нам нужен транзистор. Следует, отметить, что в данном случае выделяется гораздо меньше тепла, чем на схеме, основанной только на транзисторе, так как через транзисторный ключ в этой системе течет небольшой ток, а само реле почти не рассеивает энергию в выходной цепи.
Защитный диод на реле не является обязательным. Его наличие зависит от силы тока, индуктивности катушки и максимального напряжения Uкэ транзистора. А вот наличие диода в выходной цепи больше зависит от того, хотим ли мы продлить срок службы контактов реле.
В конце рассуждений о реле приведем ситуацию, когда данный вид управления двигателем является оптимальным. Предположим, что мы хотим управлять двигателем, у которого номинальное рабочее напряжение 2,5 В и ток 3А и работает он от источника напряжением 2,5 В (переключение с небольшой частотой). Если вы будете использовать усилитель, построенный на транзисторе, то на выходе мы будем иметь падение напряжения около 1 В, что в данном случае является слишком большим значением. При использовании же реле у нас никакого падения напряжения не будет.
Решения, которые мы привели до этого, имеют основной недостаток - с их помощью не возможно управлять двигателем в двух направлениях! Такая необходимость, скорее всего, нам пригодиться, например, при строительстве роботов. H-моста - это конструкция, которая может быть построена как из обоих типов транзисторов, как и с реле.
Буква «H» исходит из того, что четыре реле и двигатель в середине образуют на схеме букву «H».
Подробно о том, как работает H-мост можно почитать здесь
Шаговые двигатели, так же как и коллекторные, состоят в основном из катушек. То есть для вращения нужно пропустить ток через катушки. Таким образом, все из представленных схем управления двигателями могут быть использованы и для управления шаговым двигателем. (все, кроме H-моста)Разница в схеме усилителя мощности для шаговых двигателей заключается в том, что здесь немного другие напряжения и токи, и также в основном требуется 4 переключателя на один двигатель (когда двигатель имеет пять контактов).
Номинальное рабочее напряжение, в основном, находится в диапазоне 9 - 24 В. При таких не малых напряжениях мы имеем дело также с большим током: 0,3 - 1A на одну фазу! Ниже приведен пример подключения шагового двигателя с 5 выводами:
В роли ключей мы можем также использовать MOSFET - транзисторы. Это даже более простое решение.Так как нам нужно до 4-х транзисторов, которые занимают довольно много места на плате, хорошим решением будет использовать микросхему ULN2003A.
www.joyta.ru
Из уравнения скорости электродвигателя постоянного тока видно, что частота вращения коллекторного электродвигателя постоянного тока напрямую связана с величиной напряжения питания прикладываемого к двигателю и момента нагрузки.
- угловая частота, рад/с,
– постоянная ЭДС, В∙с/рад,
- механическая жесткость двигателя.Таким образом скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока изменяется посредством изменения величины напряжения питания.
Универсальный коллекторный двигатель может быть подключен как к сети постоянного тока, так и к сети переменного тока. Так же как и у коллекторного двигателя постоянного тока, скорость универсального двигателя управляется величиной напряжения питания, а не его частотой.
Электроприводы с электродвигателем переменного тока наиболее часто используются в составе: насосов, вентиляторов, компрессоров, станков и других механизмов, для которых важно поддерживать скорость вращения вала двигателя, либо определенный технологический параметр.
Основным элементом современного электропривода является система управления электродвигателем: частотный преобразователь или сервопривод.
Преобразователь частоты позволяет управлять моментом и скоростью вращения электродвигателя и исполнительного механизма. Сервопривод позволяет точно управлять угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма.
При этом современные высокопроизводительные методы управления двигателями переменного тока используемые в современных частотных преобразователях и в сервоприводах имеют единую концепцию управления - векторное управление.
Скалярный метод управления обеспечивает постоянное отношение амплитуды напряжений обмоток статора к частоте. Такой метод позволяет контролировать скорость вращения электродвигателя в диапазоне до 1:10. Метод прост в реализации и подходит для большинства задач управления двигателем, где не требуется высокая динамика работы. Медленный отклик при переходном процессе связан с тем, что данный метод контролирует величину напряжения и частоты вместо управления фазой и величиной тока.
Векторное управление позволяет управлять не только амплитудой и частотой, но и фазой управляющих напряжений. Таким образом данный метод обеспечивает максимальное быстродействие и регулирование во всем диапазоне скоростей, что невозможно выполнить с помощью скалярного управления. Недостатками данного метода является сложность реализации и более высокая цена, связанная с необходимостью использования более мощного микроконтроллера. Данный способ управления используется в таких задачах, как: робототехника, беспилотные аппараты, электрические транспортные средства, устройства автоматики и др.
engineering-solutions.ru
Двигатель постоянного тока способствует превращению энергии постоянного тока в работу механического типа.
На сегодняшний день практичное управление двигателем постоянного тока осуществляется не только в соответствии с традиционными схемами, но также согласно достаточно оригинальным или малоизвестным схемотехническим решениям.
Данный способ базируется на подаче питающего напряжения на движок в форме импульсов со стабильной частотой следования, но изменением длительности.
Вся ШИМ-сигнальная система имеет очень важный критерий, представленный коэффициентом стандартного заполнения (Duty сyсlе).
Такая величина соответствуют соотношению импульсной длительности к его периоду:
D = (t/Т) × 100 %
Для самой простой схемы реализации управления ДПТ характерно наличие полевой транзисторной части с подачей на затвор ШИМ-сигнальной системы. В подобной схеме транзистор представляет особый электронный ключ, которым один из двигательных выводов коммутируется на землю. В этом случае открытие полупроводникового триода осуществляется именно на момент импульсной длительности.
Конструкция двигателя постоянного тока
При низкой частоте и в условиях незначительного коэффициента ШИМ-сигнала преобразующее устройство срабатывает рывками. Высокая частота РWМ, составляющая несколько сотен Герц, способствует непрерывному вращению мотора, а скорость вращательного движения в этом случае изменяется строго пропорционально коэффициенту заполняемости.
Известно множество схематичных решений, генерирующих ШИМ-сигнал, но к числу наиболее простых относится «схема таймера 555», нуждающаяся в минимальном количестве компонентов и не требующая особой настройки.
Использование биполярного транзистора в качестве надежного переключателя — один из способов управления двигателем. Выбор пассивного элемента электрической цепи, или R, предполагает протекание тока, не превышающего показатели максимальных токовых величин в микроконтроллере.
Полупроводниковый триод должен иметь соответствующий коллекторный ток и оптимальные максимальные значения, а также выделяемую мощность:
P = Uкэ × Iк .
Одной из проблем, возникающих в процессе использования биполярных полупроводниковых триодов, является избыточный базовый ток.
Схема управления
Как правило, токовое соотношение на выходном сигнале и входном транзисторе составляет 100 hfe. Функционирование элемента в условиях насыщения вызывает сильное снижение коэффициента.
Оптимальным вариантом является транзисторное комбинирование, или высокоэффективный транзистор Дарлингтона, который характеризуется высокими показателями токового усиления и незначительной скоростью работы.
При выборе индуктивной нагрузки, представленной двигателем, решение проблемы режима плавного управления мощностными показателями мотора не всегда дается легко, что зависит от нескольких факторов, представленных:
Управление двигателями постоянного тока
Оптимальным вариантом для решения практически всех перечисленных выше проблем является использование частотных инверторов.
Индуктивный тип схемы для управления двигателем ПТ не отличается особой сложностью по сравнению с частотным управлением, а также способен обеспечивать вполне приемлемую результативность.
Качественное управление нагрузкой не требует в некоторых случаях потенциометра, а может быть задействовано на использовании микроконтроллера.
Наиболее важные проблемы управления представлены:
Важно помнить, что данная схемотехника отличается незначительной сложностью, при которой инициализация микроконтроллера требует достаточного количества времени, что обусловлено конкретно решаемыми задачами при нахождении выходных сигналов в третьем состоянии.
МОSFЕТ (mеtаl-охidе-sеmiсоnduсtоr fiеld еffесt trаnsistоr) — полевые полупроводниковые триоды или метал-окисел-полупроводники p-канального типа открываются на затворе отрицательным напряжением по отношению к источнику. Диод паразитного типа в канальной структуре анода подсоединяется к части стока, а катод соединяется с истоком.
Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме
Такой тип канала, как правило, подсоединяется таким образом, чтобы на сток приходились наиболее отрицательные показатели напряжения по сравнению с истоком.
MOSFET-транзисторы высокой степени мощности достаточно популярны, что обусловлено исключительно высокой переключательной скоростью в условиях низкого уровня мощности управления, прикладываемой к затвору.
Процесс управления достаточно мощным двигателем ПТ осуществляется посредством реле-модуля спаренного типа. Процесс подключения мотора к реле предполагает обязательный учет наличия трех выходных отверстий:
Управление направлением вращения двигателя постоянного тока
Контактная группа устройства, преобразующего любой вид энергии в работу механического типа, подсоединяется к общим релейным контактам (СОМ). «Плюс» элемента питания подключается к контактам нормально-разомкнутого реле (NО), а «минус» фиксируется на контактной группе реле нормально-замкнутого типа (NС).
Реализация полного мостоуправления двигателя осуществляется при включении и выключении реле соответствующим образом.
Управление двигателем посредством H-моста с управляющими логическими сигналами на входах и вращением в две стороны осуществляется несколькими вариантами Н-мостов:
Транзисторный Н-мост
Самым простым вариантом станет сборка Н-моста на МОSFЕT-транзисторах. Именно этот способ сочетает в себе легкость выполнения и достаточные показатели мощности, но не предполагает одновременную подачу на две единицы.
Известно множество вариантов микросхем, используемых для управления двигателем, включая ТLЕ4205 и L298D, а также стандартные электромагнитные реле, но перечисленные выше способы относятся к категории самых доступных.
Для управления двигателем шагового типа необходима подача постоянного напряжения на обмоточную часть с соблюдением максимально точной последовательности, благодаря чему обеспечивается точность угла осевого поворота.
Шаговые двигатели, имеющие постоянные магниты, чаще всего применяются в бытовых приборах, но могут встречаться в устройствах промышленного типа. Доступные по стоимости двигатели обладают низким крутящим моментом и низкой скоростью вращения, благодаря чему прекрасно подходят для компьютеров.
Управление шаговым двигателем
Изготовление двигателей шагового типа на основе постоянных магнитов не отличается сложностью и экономически целесообразно только при больших объемах производства, а ограниченность использования обусловлена относительной инертностью и неприемлемостью применения в условиях точного временного позиционирования.
Шагового типа двигатели, имеющие переменное магнитное сопротивление в условиях отсутствия стабильного магнита, характеризуются свободным роторным вращением без крутящего вращения остаточного типа. Такие двигатели, как правило, устанавливаются в компактных агрегатах, включая системы микро-позиционирования. Основные достоинства такой схемы представлены чувствительностью к токовой полярности.
Вариант характеризуется очень удачным сочетанием принципа работы моторов с переменными и постоянными магнитами.
Значительное количество двигателей гибридного типа отличается классическим двухфазным строением.
Необходимость выполнять изменение полярности напряжения может возникать в процессе управления двигателем или при использовании схемы мостового преобразователя напряжения. В этом случае ключи чаще всего представлены реле, полевыми и биполярными транзисторами, а также H-мостами, встраиваемыми в микросхему.
proprovoda.ru
Исследования Мирового Энергетического Совета в 2013 году, говорят о том, что около 45% глобального потребления электроэнергии приходится на электродвигатели. Они являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Электродвигатели можно встретить в бытовой технике, инструментах, электромобилях, поездах, на нефтяных платформах и дамбах.
Со времен промышленной революции мы постоянно сокращаем трудозатраты и время, внедряя электродвигатели во всевозможное оборудование. Масса устройств с электроприводом сделала наши домашние дела проще и удобнее, а наши рабочие места стали более эффективными и рентабельными. Но какой ценой?
Энергопотребление и окружающая среда
В современном мире, где сокращаются запасы ископаемых видов топлива, где внимательно следят за экологией и окружающей средой, производителям любых изделий с моторами приходится нелегко. Пока не существует достойной альтернативы по получению электроэнергии из возобновляемых источников, проблема усугубляется стремительным увеличением спроса в связи с экономическим ростом в Африке, Азии и Южной Америке и быстрорастущей численностью мирового населения. Во всем мире правительства все более активно внедряют законодательные меры, направленные на сокращение потребления энергии. В ответ на это промышленные заказчики стараются инвестировать в более эффективное оборудование. Не желают отставать и дальновидные розничные потребители, которые ищут изделия с низким энергопотреблением.
Компактные двигатели
Помимо сокращения энергопотребления, инженеры также сталкиваются с необходимостью сокращения размеров моторов, приводов и их контроллеров. Так, например, для потребителя большой объем барабана в стиральной машинке является дополнительным критерием выбора, но тем не менее машинка по-прежнему должна соответствовать стандартным размерам. Сокращение пространства для электронных компонентов усложняет терморегулирование и охлаждение и порождает некоторые трудности для инженеров-разработчиков. Добавление механизмов охлаждения только увеличивает потребление энергии, поэтому двигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выделять меньше тепла.
Системы управления двигателем
На приведенной выше схеме показаны стандартные блоки системы управления двигателем в зависимости от типа двигателя, области его применения, уровня управления и мониторинга.
Контроллер – это устройство управления, микроконтроллер или ЦСП, который воспринимает такие команды, как направление, скорость и крутящий момент. Он необходим для генерации одного или нескольких сигналов для приведения в действие мотора. Управление обычно осуществляется посредством ШИМ. Контроллер также может быть снабжен обратной связью в виде измерения тока и положения, чтобы обеспечить более точное управление, защиту двигателя и обнаружение неисправности.
Привод - в большинстве случаев привод необходим для усиления сигналов, образуемых контроллером для обеспечения достаточной мощности двигателя.
Датчики - шунты и датчики с эффектом Холла могут использоваться для измерения фактического тока, тем самым обеспечивая обратную связь. Получение данных о положении двигателя осуществляется через индуктивный датчик, датчик Холла или энкодер. Затем эта обратная связь может использоваться для реализации более сложного управления «замкнутым контуром» и получения актуальной информации об условиях работы электродвигателя, что обеспечивает улучшенный контроль над выходными параметрами электродвигателя.
Фильтрация - используется в системах управления двигателями для подавления источников электромагнитных помех. Обычно такими элементами фильтрации выступают ферритовые сердечники и катушки индуктивности.
Изоляция - гальваническая развязка часто используется для изоляции контроллера двигателя от остальной системы, которая может быть чувствительна к импульсным помехам, а также иметь различный потенциал земли.
Разомкнутые системы управления характеризуются тем, что в них задается необходимое значение регулируемой величины, но в процессе работы значение регулируемой величины не контролируется, и система не реагирует на отклонение регулируемой величины от заданного значения. Другими словами, разомкнутая система управления не имеет обратной связи.
В замкнутых системах производится непрерывный контроль выходной величины, и система управления при помощи цепи обратной связи реагирует на отклонение выходного сигнала от заданной величины. Хорошим примером этого является позиционный двигатель на телескопе, который будет постоянно перестраиваться, чтобы отслеживать требуемые координаты.
Автор: Эльвир Кахриманович, старший системный инженер-разработчик компании Infineon.
От аккумуляторных электроинструментов до средств промышленной автоматизации, от электрических велосипедов до дистанционно управляемых «беспилотников», в настоящее время бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ) пользуются все большей популярностью. Для решений БДПТ требуется более сложное устройство привода, такие моторы обладают рядом эксплуатационных преимуществ, включая высокую эффективность и удельную мощность. Это позволяет использовать меньшие по размеру, более легкие и менее дорогие двигатели. Уменьшается механический износ, что приводит к повышению надежности, увеличению срока службы, а также исключает необходимость постоянного техобслуживания. Двигатели БДПТ работают с более низким звуковым и электрическим шумом, чем их щеточные аналоги.
Обычный БДПТ имеет трехфазный статор, который осуществляет вращение ротора через систему электронного управления. Такая система включает в себя трехфазный инвертор напряжения. Она постоянно переключает токи в обмотках статора синхронно с положением ротора, которое может быть установлено с помощью датчиков или посредством расчетов, основанных на обратной электродвижущей силе (ЭДС) в конкретный момент. Поток, генерируемый в статоре, взаимодействует с потоком ротора, который определяет крутящий момент и скорость двигателя.
При разработке средств БДПТ инженеры выбирают между использованием дискретных компонентов и интегрированных решений, которые объединяют ряд важных функций привода и управления в одном устройстве.
Более подробную информацию можно найти в материалах компании Infineon: «Потери мощности и оптимизированный выбор MOSFET в конструкциях инверторов двигателей БДПТ» на сайте DesignSpark.
Робот от Infineon Technologies побил рекорд по сборке кубика Рубирка
Постройте компактный, надежный и эффективный моторный привод с использованием встроенных силовых модулей от компании ON Semiconductor.
Существует две основные категории двигателей: переменного тока (AC) и постоянного тока (DC).
Двигатели постоянного тока были изобретены первыми и по-прежнему являются самым простым видом двигателей. DC двигатели приводятся в движение путем пропуска тока через проводник внутри магнитного поля. Основными типами электродвигателей постоянного тока являются щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Энергия щеточных двигателей генерируется подключением противоположных полюсов источника питания для подачи отрицательных и положительных зарядов в коммутатор при его физическом контакте с щетками. Такие электродвигатели отличаются своей простотой и низкой стоимостью, но требуют частого техобслуживания, так как щетки нуждаются в регулярной чистке и замене. Для того, чтобы работа приборов была более надежной, эффективной и менее шумной, используют бесщеточные двигатели постоянного тока. Они легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности, практически не требуют техобслуживания, но значительно дороже.
Двигатели переменного тока можно разделить на два основных типа: асинхронные и синхронные. Выделяют ещё один, менее распространенный тип - линейные AC двигатели.
Можно сказать, что AC двигатели состоят из двух основных частей: внешняя часть (статор) и внутренняя (ротор). Статор – это стационарная часть двигателя с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. А ротор соединен с валом, который создает другое вращающееся магнитное поле. Линейные двигатели схожи с вращающимися двигателями, но в них движущиеся и неподвижные части расположены по прямой линии, и в итоге они создают линейное движение.Индукционные (асинхронные) электродвигатели называются таковыми, поскольку крутящий момент создается с помощью электромагнитной индукции. Они известны также как двигатели с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.
Синхронные двигатели отличаются от асинхронных тем, что они работают с точной синхронизацией с частотой сети. Напротив, асинхронные двигатели используют индуктивный ток для создания магнитного поля и требуют некоторого «скольжения» (немного более медленного вращения), чтобы вызвать ток.
На что следует обратить внимание при выборе электродвигателя? | Двигатель постоянного тока (DC) или переменного тока (AC). |
| На какой скорости должен работать ваш двигатель? От этого напрямую зависит регулирование числа оборотов. Вам требуется выбор из нескольких режимов времени набора оборотов двигателя? |
| Это показатель, характеризующий силу вращения, обычно измеряется в Н·м (Ньютон-метр). |
| Встроенные редукторы снижают скорость и увеличивают крутящий момент. |
| Какая нагрузка вам требуется – предельная нагрузка, нормальная нагрузка или легкий режим нагрузки? |
| Как правила, указывается в Ваттах (Вт) или лошадиных силах (л. с.). Проверьте характеристики при нормальной работе и перегрузках. |
| Проверьте требования к электропитанию – к напряжению, току. |
| Размер и габариты двигателя будут определяться приложением, для которого он предназначен. Размер вала, тип монтажа и вес также должны быть учтены. |
ru.rsdelivers.com
Электрический двигатель — это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Первые электродвигатели появились в середине 19 века. Успехи в их разработке связывают с именами таких выдающихся физиков и инженеров, как Н.Тесла, Б.Якоби, Г.Феррарис, В.Сименс.
Различают электро двигатели постоянного и переменного тока. Преимущество первых заключается в возможности экономичного и плавного регулирования частоты вращения вала. Преимущество вторых — большая удельная мощность на единицу веса. В микроконтроллерной практике часто применяют низковольтные двигатели постоянного тока, используемые в бытовых и компьютерных вентиляторах (Табл. 2.13). Встречаются также конструкции с сетевыми двигателями.
Таблица 2.13. Параметры вентиляторов фирмы Sunon
Обмотку двигателя следует рассматривать как катушку с большой индуктивностью, поэтому её можно коммутировать обычными транзисторными ключами (Рис. 2.78, а…т). Главное — это не забыть про защиту от ЭДС самоиндукции.
В двигателях постоянного тока имеется возможность изменять направление вращения ротора в зависимости от полярности рабочего напряжения. В таких случаях широко используют мостовые схемы «Н-bridge» (Рис. 2.79, а…и).
Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (начало):
а) регулирование скорости потока воздуха вентилятора M1. Конденсатор С/ уменьшает ВЧ- помехи. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от выбросов напряжения. Резистор R1 определяет степень насыщения транзистора Г77, а резистор R2 закрывает его при рестарте MK. Частота импульсов ШИМ на выходе МК должна быть не менее 30 кГц, т.е. за пределами звукового диапазона, чтобы исключить неприятный «свист». Элементы С/ и R2 могут отсутствовать;
б) плавное регулирование частоты вращения вала двигателя M1 через канал ШИМ. Конденсатор С/ является первичным, а конденсатор С2— вторичным фильтром сигналов ШИМ; О
Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи
(продолжение):
в) транзисторы VT1, VT2 соединяются параллельно для увеличения суммарного коллекторного тока. Резисторы R1, R2 обеспечивают равномерную нагрузку по мощности на оба транзистора, что связано с разбросом у них коэффициентов И2]Э и ВАХ переходов «база — эмиттер»;
г) двигатель M1 (фирма Airtronics) имеет «цифровой» вход управления, что позволяет подключать к нему MK напрямую. Транзисторные ключи (драйверы) находятся внутри двигателя;
д) два отдельных источника питания позволяют значительно снизить влияние на MK электрических помех, которые генерирует двигатель M1. Система будет работать устойчивее. GB1 — это маломощная литиевая батарея, GB2, GB3 — это пальчиковые гальванические элементы с общим напряжением 3.2 В и мощностью, достаточной для запуска и работы двигателя M1\
е) параллельные резисторы R2, R3 служат ограничителями тока, протекающего через двигатель M1. Кроме того, они стабилизируютток в нагрузке, если транзистор VT1 находится в активном режиме или на грани входа в режим насыщения;
ж) MK включает/выключает двигатель M1. Резистором R3 подстраивается частота оборотов его вала. Стабилизатором служит «магнитофонная» микросхема DA1 фирмы Panasonic. С её помощью на зажимах двигателя M1 поддерживаются постоянные параметры, которые практически не зависят от колебаний температуры и напряжения питания;
з) дроссели L7, L2 и конденсаторы C7, С2фильтруют излучаемые двигателем радиопомехи. С той же целью двигатель помещается в заземлённый экранированный корпус;
Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи
(продолжение):
и) вибромотор M1 является источником мощных электромагнитных и радиочастотных помех. Элементы L/, L2, C1 служат фильтрами. Резистор R2 ограничивает пусковой ток через два приоткрытом транзисторе VT1 Диоды VD1, УА2срезаютвершиныимпульсныхпомех;
к) элементы VD1, C1 и VD2, &2фильтруют помехи по питанию, которые генерирует двигатель M1 в направлении к MK. Частоту оборотов вала двигателя можно плавно регулировать через канал ШИМ MK, при этом отдельный ФНЧ не требуется, поскольку двигатель имеет большую инерцию и сам сглаживает проходящие через него ВЧ-импульсы тока;
л) применение ключа на полевом транзисторе VT1 повышает КПД по сравнению с ключом на биполярном транзисторе, ввиду более низкого сопротивления «сток — исток». Резистор R1 ограничивает амплитуду наводок, которые могут «просачиваться» от работающего двигателя M1 во внутренние цепи MK через ёмкость «затвор — сток» транзистора VT1;
м) транзистор VT2 является мощным силовым ключом, который подаёт питание на двигатель ML а транзистор VT1 — демпфером, который быстро тормозит вращение вала после выключения. Резистор R1 снижает нагрузку на выход MK при заряде ёмкостей затворов полевых транзисторов VT1, VT2. Резистор Я2отключаетдвигатель M1 при рестарте MK;
н) ключ на транзисторах VT1, VT2 собран по схеме Дарлингтона и имеет большое усиление. Для регулирования скорости вращения вала двигателя M1 может применяться метод ШИМ или фазо-импульсное управление. Система не имеет обратной связи, поэтому при снижении скорости вращения из-за внешнего торможения будет уменьшаться рабочая мощность на валу;
Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи
(продолжение):
м) встраивание MK в уже существующий тракт регулирования скорости вращения вала двигателя Ml. В этот тракт входят все элементы схемы, кроме резистора R2. Резистором R4 выставляется «грубая» частота вращения. Точная подстройка осуществляется импульсами с выхода MK. Возможна организация обратной связи, когда МК следит за каким-либо параметром и динамично подстраивает скорость вращения в зависимости от напряжения питания или температуры;
о) скорость вращения вала двигателя M1 определяется скважностью импульсов в канале ШИМ, генерируемых с нижнего выхода MK. Основным коммутирующим ключом служит транзистор VT2.2, остальные транзисторные ключи участвуют в быстрой остановке двигателя M1 по сигналу ВЫСОКОГО уровня с верхнего выхода MK;
п) плавное регулирование частоты оборотов вала двигателя M1 производится резистором R8. ОУ ТШ служит стабилизатором напряжения с двойной обратной связью через элементы R1, R8, C2 и R9, R10, C1. Комбинацией уровней с трёх выходов MK (ЦАП) можно ступенчато изменять скорость вращения вала двигателя M1 (точный подбор резисторами R2…R4). Линии MK могут переводиться в режим входа без « pull-up» резистора для увеличения числа «ступенек» ЦАП;
Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (окончание):
p) фазо-импульсное управление двигателем переменного тока M1. Чем большее время за период сетевого напряжения открыт транзистор VT1, тем быстрее вращается вал двигателя;
с) включение мощного двигателя переменного тока Ml производится через оптотиристор KS7, который обеспечивает гальваническую развязку от цепей MK;
т) аналогично Рис. 2.78, п, но с одним кольцом обратной связи через элементы C7, R6, R8. Резистор R4 регулирует частоту вращения вала двигателя Ml плавно, а MK — дискретно.
Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (начало):
а) направление вращения вала двигателя Ml изменяется мостовой «механической» схемой на двух группах контактов реле KL1, K1.2. Частота переключения контактов реле должна быть низкой, чтобы быстро не выработался ресурс. Дроссели L7, L2 снижают коммутационные токи при переключении реле и, соответственно, уровень излучаемых электромагнитных помех;
Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (продолжение):
б) при ВЫСОКОМ уровне на верхнем и НИЗКОМ уровне на нижнем выходе МК транзисторы К77…к ТЗ открываются, а транзисторы КГ4…КГ6закрываются,инаоборот. Когда полярность питания двигателя Ml изменяется на противоположную, то его ротор вращается в обратную сторону. Сигналы с двух выходов МК должны быть противофазными, но с небольшой паузой НИЗКОГО уровня между импульсами, чтобы закрыть оба плеча (устранение сквозных токов). Диоды VD1..VD4уменьшают выбросы напряжения, тем самым защищая транзисторы от пробоя;
в) аналогично Рис. 2.79, б, но с другими номиналами элементов, а также с аппаратной защитой от одновременного открывания транзисторов одного плеча при помощи диодов VD3, VD4. Диоды VD1, КД2повышают помехоустойчивость при большом расстоянии до MK. Конденсатор С/ снижает «искровые» импульсные радиопомехи, генерируемые двигателем Ml;
Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (продолжение):
г) аналогично Рис. 2.79, б, но с отсутствием «запирающих» резисторов в базовых цепях транзисторов VT2, VT4. Расчётнато,чтообмоткадвигателяЛ//достаточнонизкоомная,следователо, при рестарте МК внешние помехи на «висящих в воздухе» базах транзисторов VT1 VT2, VT4, VT6 не смогут открыть их коллекторные переходы;
д) аналогично Рис. 2.79, б, но с максимальным упрощением схемы. Рекомендуется для устройств, выполняющих второстепенные функции. Напряжение питания +Еи должно соответствовать рабочему напряжению двигателя M1\
е) в отличие от предыдущих схем, транзисторы VT1…VT4 включаются по схеме с общим эмиттером и управляются ВЫСОКИМ/НИЗКИМ уровнем непосредственно с выходов MK. Двигатель M1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение 3…3.5 В. Диоды VD1… VD4 уменьшают выбросы напряжения. Фильтр LL C1 снижает импульсные помехи по питанию от двигателя M1, которые могут приводить к сбоям в работе MK. Встречающиеся замены деталей: VT1 VT3- KT972; VT2, VT4- KT973; VD1…VD4- КД522Б, Rx = 3.3 кОм; R2 = 3.3 кОм;
ж) мостовая схема на четырёх управляющих транзисторах VT1 VT2, VT4, VT5 структуры р—п—р. Подстроечным резистором R4 регулируется напряжение на двигателе Ml, а значит, и частота оборотов сразу для двух направлений вращения ротора;
Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (окончание):
з) мостовая схема для управления мощным двигателем Ml (24 В, 30 А). Смена полярности напряжения на двигателе производится противофазными уровнями на средних выходах MK, а скорость вращения — методом ШИМ на верхнем и нижнем выходах MK;
и) транзисторы VT2, VT5 подают питание на мостовую схему управления двигателем Ml. Их запараллеливание позволяет подключить к диоду VD1 ещё одну такую же схему.
Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).
nauchebe.net
Изменение значений параметров управления, имеющее своей целью установление желаемого режима двигателя.
Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014.
управление двигателем — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN motor control … Справочник технического переводчика
Управление двигателем — комплекс процессов управления составом горючей смеси, углом опережения зажигания (впрыска топлива), частотой вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и рециркуляцией отработавших газов с целью уменьшения их токсичности, повышения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Управление двигателем автотранспортного средства — Управление двигателем комплекс процессов управления составом горючей смеси, углом опережения зажигания (впрыска топлива), частотой вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и рециркуляцией отработавших газов с целью уменьшения их… … Официальная терминология
управление двигателем через автотрансформатор — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN autotransformer motor control … Справочник технического переводчика
Централизованное управление двигателем — 7. Централизованное управление двигателем Управление двигателем, осуществляемое оператором или автоматизированными системами управления из единого центра управления Источник: ГОСТ 14228 80: Дизели и газовые двигатели автоматизированные.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Автоматическое управление двигателем — 6. Автоматическое управление двигателем Управление с автоматическим выполнением функционально связанных операций или режимов работы двигателя по заданному алгоритму, осуществляемое по сигналам от внешних систем автоматики без участия оператора… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Дистанционное автоматизированное управление двигателем — 5. Дистанционное автоматизированное управление двигателем Управление с автоматическим выполнением функционально связанных операций и режимов работы двигателя по заданному алгоритму, осуществляемое путем одноразового воздействия оператора на… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Дистанционное управление двигателем — 4. Дистанционное управление двигателем Управление отдельными операциями или режимами работы двигателя, при котором исполнение задаваемых команд осуществляется путем воздействия оператора на отдельные органы управления, расположенные на некотором… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Местное управление двигателем — 3. Местное управление двигателем Управление отдельными операциями или режимами работы двигателя, при котором исполнение задаваемых команд осуществляется путем воздействия оператора непосредственно на местные (штатные) управляющие органы двигателя … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Управление — 2 Управление Совокупность целенаправленных действий, включающая оценку ситуации и состояние объекта управления Выбор управляющих воздействий и их реализация (ГОСТ 34.003 90). Применительно к персоналу (как объекту управления) под управлением… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
technical_terminology.academic.ru
Это довольно простая схема контроллера шагового двигателя, которая позволит вам осуществить управление шаговым двигателем через параллельный порт вашего компьютера.
Шаговый двигатель можно применить в конструировании роботов, в изготовлении печатных плат, использовать в качестве микродрели, автоматической кормушки для аквариумных рыбок и т.д. Если вы никогда не работали с шаговыми двигателями, то эта статья для вас.
Шаговые двигатели отличаются от регулируемых двигателей постоянного тока. Вместо того чтобы вращаться как двигатели постоянного тока, шаговый двигатель совершает дискретное вращение под воздействием серии импульсов. В нашем примере двигателю необходимо 48 импульсов чтобы совершить полный оборот в 360 градусов.
Другое преимущество шаговых двигателей - то, что их скорость вращения может быть достигнута почти мгновенно при изменении направления вращения на противоположное.
Шаговый двигатель состоит из ротора - постоянного магнита, который вращается внутри, и статор - четыре катушки (север, восток, юг, запад), которые являются частью корпуса и не перемещаются. Ротор совершает вращение посредством последовательных импульсов напряжение постоянного тока подаваемого к одной или двум катушкам одновременно.
Чтобы управлять шаговым двигателем необходим контроллер. Контроллер - схема, которая подает напряжение к любой из четырех катушек статора. Устройство может быть построено с использованием интегральной микросхемы типа ULN2003 (отечественный аналог К1109КТ22) состоящая из набора мощных составных ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов позволяет подключать индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от выбросов обратного напряжения.
Однополярный двигатель должен иметь пять или шесть контактов в зависимости от модели. Если двигатель имеет шесть контактов то необходимо соединить выводы 1 и 2 (красный) вместе и подключить их к плюсу 12-24V напряжения питание. Оставшиеся выводы a1 (желтый), b1 (черный), a2 (оранжевый), b2 (коричневый) подключить к контроллеру согласно схеме.
Способы управления.
Есть несколько способов, которые вы можете использовать, чтобы управлять шаговым двигателем.
1. Одиночные импульсы - самый простой способ. Одновременно подключается только одна катушка. Необходимо 48 пульсов чтобы ротор совершил один полный оборот. Каждый пульс перемещает ротор на 7,5 градусов.
2. Двойной импульс - одновременное подключение двух соседних катушек. В этом случае также необходимо 48 пульсов чтобы ротор совершил один полный оборот. Каждый пульс перемещает ротор на 7,5 градусов.
3. Комбинированные импульсы - чередование первого и второго способа. Двигатель нуждается в 96 пульсах, чтобы совершить один оборот. Каждый пульс перемещает ротор приблизительно на 3,75 градуса.
Программное обеспечение контроллера шагового двигателя.
Для управления работой шагового двигателя используем компьютер и программу. При использовании компьютера вы будете в состоянии сделать намного больше с вашим шаговым двигателем и наиболее важно - визуализировать, как ток течет через катушки.
В программе понятный графический интерфейс, который позволяет точно управлять скоростью двигателя и направлением вращения в реальном времени, а также позволяет выбирать способы управления. Программа работает с версией Windows (98/ME/2000/XP).
Файлы к данной схеме (1,5 Mb, скачано: 7 508)
www.joyta.ru
