Как изменить скорость вращения электродвигателя постоянного тока

3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением

Основным
преимуществом двигателей постоянного
тока является сравнительная простота
регулирования частоты вращения якоря
в больших пределах. Основными способами
регулирования частоты вращения якоря
двигателей являются:

• якорное регулирование,

• полюсное
  регулирование,

• реостатное
  регулирование.

Сущность
каждого способа регулирования частоты
вращения можно понять, анализируя
уравнение, определяющее связь между
частотой вращения, напряжением питания,
сопротивлением регулировочного реостата
и током возбуждения. Ток возбуждения
определяет магнитный поток машины.

Уравнение
электрического равновесия двигателя,
последовательно с якорем которого
включен регулировочный реостат
сопротивлением R_р:

или


.

Отсюда

.

Регулировочное
сопротивление включается последовательно
с якорем, подобно пусковому реостату.
Оно работает в длительном режиме, поэтому
его номинальная мощность определяется
максимальной рассеиваемой мощностью
при самых неблагоприятных условиях.

Из
формулы следует, что частота вращения
пропорциональна приложенному напряжению
и обратно пропорциональна магнитному
потоку

.

Рассмотрим каждый
способ управления двигателем.

Якорное управление

Под
якорным управлением понимают регулирование
скорости вращения якоря двигателей
постоянного тока путем изменения
напряжения на зажимах якоря двигателя.
Напряжение на зажимах обмотки возбуждения
должно оставаться неизменным. При таком
способе управления двигателем
регулировочное сопротивление не
используют, и сопротивление цепи якоря
определяется только сопротивлением
обмотки якоря R_я
. Тогда

.

При
неизменной величине магнитного потока
и сопротивления цепи якоря

,
но при различных значениях напряжения
питания двигатель будет иметь различные
искусственные механические характеристики,
проходящие через точку частоты вращения
идеального холостого хода, величина
которой определяется из уравнения

и
находится на оси частот вращения n.
Другая точка механической
характеристики определяется величиной
пускового момента

.

Рис. 3.21

Очевидно то, что и

и


пропорциональны напряжению питания
якоря U

и механические характеристики при
различных напряжениях сети U
параллельны друг другу.
Семейство таких характеристик представлено
на рис. 3.21.

Если
двигатель нагружен номинальным моментом
М_н,
то каждому напряжению соответствует
своя частота вращения, пропорциональная
приложенному напряжению U.
Номинальному напряжению U_н
соответствует
номинальная частота вращения n_н.
Напряжение меньше номинального

обеспечивает
меньшую частоту вращения

.
Аналогично изменяется частота вращения
при увеличении напряжения


и

.
Падение
напряжения на сопротивлении якоря при
неизменном моменте остается постоянным.
Увеличение напряжений до значений,
больших номинального, нежелательно,
так как частота вращения при этом
становится больше номинальной величины,
а это может привести к преждевременному
износу машины. На практике иногда
допускается увеличение напряжения на
якоре на 15–20 % выше номинального
напряжения.

Полюсное управление

Под
полюсным управлением двигателя
постоянного тока понимают регулирование
частоты вращения якоря путем изменения
напряжения на зажимах обмотки возбуждения.
При полюсном управлении двигателем при
постоянном моменте на валу ток якоря и
напряжение на якоре остаются неизменными.
Регулируют лишь ток возбуждения,
изменение которого приводит к изменению
магнитного потока. Из уравнения скорости

очевидно
то, что числитель дроби остается величиной
постоянной и частота вращения обратно
пропорциональна магнитному потоку.

Рис.
3.22

Рассмотрим семейство
механических характеристик двигателя,
соответствующих различным значениям
тока возбуждения, предполагая, что
магнитная цепь машины не насыщена и
магнитный поток прямо пропорционален
току возбуждения. Как и прежде, построение
механических характеристик будем вести,
определяя частоту вращения идеального
холостого хода n₀
и величину пускового момента M_п.
На рис. 3.22 изображено семейство полных
механических характеристик, соответствующих
различным значениям тока возбуждения.

Естественная
механическая характеристика представляет
собой прямую линию, проходящую через
точки

и


.

При
уменьшении тока возбуждения на 20 %
частота вращения идеального
холостого хода

увеличивается. Пусковой момент

при этом уменьшается на 20 % (см. рис.
3.22). При увеличении тока возбуждения на
20 % происходит уменьшение частоты
вращения идеального холостого хода

.
Пусковой
момент при этом увеличится в такое же
число раз.

Механические
характеристики двигателя постоянного
тока

с изменением механических
моментов нагрузки в пределах от

до

представлены на рис. 3.23.

Рис.
3.23

При
изменении тока возбуждения угол наклона
механических характеристик изменяется.
При этом уменьшение тока возбуждения
приводит к увеличению частоты вращения,
а увеличение тока возбуждения дает
уменьшение частоты вращения двигателя.
Диаметр провода обмотки возбуждения
выбирается из условия прохождения
номинального тока, поэтому значительное
увеличение тока воз­буждения до
значений выше номинального приводит к
перегреву обмотки возбуждения. Иногда
допускают превышение тока возбуждения
на 1520 %.

Из
уравнения механической характеристики
следует то, что частота вращения
идеального холостого хода обратно
пропорциональна магнитному потоку

.
Если
предположить,
что магнитный поток машины пропорционален
току возбуждения, то

,

где k
– коэффициент пропорциональности,
тогда

.

Теоретически
уменьшение тока возбуждения в два раза
дает двукратное увеличение частоты
вращения, что уже недопустимо.

Дальнейшее
уменьшение тока возбуждения приводит
к аварийной ситуации и к выходу двигателя
из строя. Поэтому системы защиты двигателя
контролируют величину тока возбуждения
и отключают напряжение питания якоря
при опасно малых токах возбуждения.
Таким образом, возможности полюсного
управления двигателей постоянного тока
весьма ограничены.

Реостатное
регулирование

Рис. 3.24

Под реостатным
управлением двигателя постоянного тока
понимают изменение скорости вращения
двигателя путем изменения сопротивления
цепи якоря. Для такого регулирования
последовательно с якорем включают
реостат

(рис. 3. 2 4). Изменение час­тоты вращения
двигателя постоянного тока с помощью
регулировочного реостата возможно в
том случае, когда двигатель нагружен
механическим моментом, близким к
номинальной величине. Принцип регулирования
основан на том, что при изменении
сопротивления цепи якоря изменяется
угол наклона механической характеристики
двигателя к оси моментов и при постоянном
механическом моменте сопротивления на
валу частота вращения изменяется. Схема
включения двигателя изображена на рис.
3.24.

Рис.
3.25

Рассмотрим полные
механические характеристики при
различных со­противлениях регулировочно­го
ре­о­­­стата. Семейство полных
ме­­ха­ни­че­ских характеристик
двига­теля при различных величинах
сопротивлений регулировочного рео­стата
R_рег
показано на рис. 3.25.
Ранее получена формула, описывающая
механическую характеристику дви­гателя
при включенном последовательно
с якорем регулировочном реостате

.

Положение
механической характеристики определяется
двумя точками: скоростью идеального
холостого хода

и пусковым
моментом

.

Рис. 3.26

Из приведенных
формул следует, что скорость идеального
холостого хода не зависит от сопротивления
регулировочного реостата. Величина же
пускового момента обратно пропорциональна
этому сопротивлению. Поэтому угол
наклона характеристик при увеличении
сопротивления регулировочного реостата
увеличивается

.
Механические характеристики двигателя
для значений моментов от 0 до 1,5М_н
и при различных величинах сопротивлений
регулировочного реостата R_рег
показаны на рис. 3.26.

При
неизменном механическом моменте ток
якоря является величиной постоянной,
и вторая слагаемая уравнения скорости

,
имея отрицательный знак, увеличивается

при увеличении R_рег .
Таким образом, увеличение R_рег
приводит
к умень­шению частоты вращения
двигателя. На рис. 3.26

.

При
таком способе регулирования частоты
вращения при постоянном моменте на валу
мощность, потребляемая из сети, остается
неизменной

.
Выходная же мощность двигателя при
уменьшении частоты вращения уменьшается,
так как

.
Мощность потерь

,
равная разности мощности, потребляемой
из сети, и выходной мощности,
с уменьшением
частоты вращения увеличивается за счет
увеличения мощности нагревания
регулировочного реостата, так как потери
в самом двигателе изменяются незначительно.
КПД всей установки при таком способе
регулирования частоты вращения гораздо
меньше номинального значения. С точки
зрения энергетических затрат такой
способ регулирования частоты вращения
неэффективен.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

С точки зрения регулирования скоростью вращения электродвигателей, интересно уравнение для электромеханических характеристик, соответствующее Второму закону Кирхгофа:

ω = U/C×Φ – Υ_Я /( C×Φ)³×M

При описании технических характеристик электродвигателя скорость, выражаемая оборотами в минуту, зачастую называется частотой вращения ν по известному соотношению:

ω = 2p/T = 2pn

Поэтому эти две разноименные величины часто применяются в одном и том же смысле. Скорость w (частота ν) находится в прямой зависимости от напряжения питания U и в обратной от магнитного потока Ф. Исходя из приведенной выше формулы, возникает вывод, что скоростью можно управлять, регулируя сопротивление якоря, магнитный поток и напряжение питания.

Методы регулировки

Итак, различают три основных варианта регулирования скоростью:

1. Изменением напряжения сети. Меняя подводимое питание можно управлять частотой вращения двигателя;
2. Добавлением пускового реостата в цепь якоря. Регулируя сопротивление, можно уменьшить скорость вращения;
3. Управлением магнитного потока. Двигатели с электромагнитами дают возможность регулировать поток путем изменения тока возбуждения. Однако нижний предел ν min ограничен насыщением магнитной цепи двигателя, что не позволяет увеличивать в большой степени магнитный поток.

К каждому из вариантов соответствует определённая зависимость механических характеристик.

Методы регулирования применительны к двигателям с различными:

• типами возбуждения;
• величиной мощности.

На практике в современных электрических моторах, в связи с недостатками и ограниченности диапазонов, рассмотренные методы не всегда применяются.

Это еще связано с тем, что машины отличаются довольно небольшими КПД, и к тому же не позволяют плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения.

Электронные же схемы управления с регуляторами частоты, работающими от аккумуляторной батареи на 12 В, напротив, широко используются. Например, они очень актуальны для управления низковольтными электродвигателями 12 вольт в приборах автоматики, детских игрушках, электрических велосипедах, аккумуляторных детских автомобилях.

Принципиальной особенностью метода является то, что ток в цепи якоря и момент, развиваемый электродвигателем, зависят лишь от величины нагрузки на его валу. Регулировка осуществляется с помощью регулятора оборотов электродвигателя.

В течение очень долгого времени тиристорные преобразователи являлись единственным коммерчески доступными регуляторами двигателей. К слову сказать, они по-прежнему самые распространенные на сегодняшний день. Однако с появлением силовых транзисторов стали наиболее популярными регуляторы оборотов двигателя постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией. Приведём для примера ниже схему, работающую от источника постоянного тока 12 В.

Схема на практике даёт возможность, к примеру, увеличивать либо уменьшать яркость свечения ламп накаливания на 12 вольт.

Последовательно-параллельное управление используется в ситуациях, когда два или более агрегата постоянного тока соединены механически. Схема с последовательным соединением электродвигателей, в которой общее напряжение делится на всех, используется для низкоскоростных приложений. Схема с параллельным соединением машин, имеющих одинаковое напряжение, используется в высокоскоростных применениях.

Заключение

Рассмотренный метод регулировки напряжения сети считается самым эффективным и экономичным вариантом, так как:

• им обеспечивается широкий диапазон изменения скоростей (w_min / w_max) и лучшие энергетические характеристики (КПД);
• он работает без каких-либо потерь мощности в силовой цепи якоря.

Управление осуществляется плавно, и по точности регулировка частоты вращения является весьма высокой.

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени­ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь­шей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулиро­вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля независимого возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

(29.5)

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ введение дополнительного сопротивления в цепь якоря

Дополнительное сопротивление (реостат r_д) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления r_д в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

, (29.12)

где — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением r_д возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость n = f(r_д) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя независимого воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением r_д увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (M = M_ном ) уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I²_a *r_Д), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменением основного магнитного потока

Этот способ регулирования в двигателе независимого возбуждения реализуется посредством реостата r_рег в цепи обмотки возбуждения. Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении r_рег час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается регулировочной характеристикой двигателя n=f(I_В) при и .

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения n увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5,а). Но одновременно уменьшение Ф ведет к рос­ту тока якоря Ia = M/(C_м*Ф). При потоке ток якоря дости­гает значения , т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума n_max. При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока I_a второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения n_max во много раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя n_ном и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата  r_рег необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Ф_ост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик n = f(Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента M₂ на валу двигателя: с ростом M₂ мак­симальная частота вращения n_max уменьшается (рис. 29.5, б).

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя независимого возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях независимого возбуж­дения ток I_В = (0,01 — 0,07)I_а, а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет n_MAX/n_MIN = 2 — 5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Регулирование частоты вращения ДПТ НВ изменение напряжения в цепи якоря

Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при I_B = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х. n₀ пропорциональна напря­жению, а от напряжения не зависит, поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6,а).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г и двигателя Д используется возбу­дитель В — генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б) известна под на­званием системы «генератор — двигатель» (Г—Д).

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно вос­пользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне n_MAX/n_MIN ≥ 25 . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения ДПТ НВ

Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображен­ной на рис. 29.7, а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (независимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время t к обмотке якоря подводится напряжение U = U_импи ток в ней достигает значения I_amax. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения I_amin (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает зна­чения I_amax и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится не­которое среднее напряжение

, (29.13)

где Т— отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 29.7, б); — коэффициент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение которого .

При импульсном регулировании частота вращения двигателя

. (29.14)

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) , а частота подачи импульсов равна 200—400 Гц.

На рис. 29.7, в представлена одна из возможных схем им­пульсного регулирования, где в качестве ключа применен управ­ляемый диод — тиристор VS. Открывается тиристор подачей крат­ковременного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляющий электрод (УЭ) тиристора. Цепь L₁C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур L₁C и создает на силовых электродах тиристора напряже­ние, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи L₁C определяется время (с) открытого состояния тиристора: . Здесь L₁ выража­ется в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).

Рис. 29.7. Импульсное регулирование частоты вращения двига­теля постоянного тока

Значение среднего напряжения U_ср регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им­пульсов на тиристор VS.

Жесткие механические характеристики и возможность плав­ного регулирования частоты вращения в широком диапазоне оп­ределили области применения двигателей независимого возбуж­дения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется ус­тойчивая работа при колебаниях нагрузки.

Двигатель постоянного тока

Для начала рассмотрим повнимательней
обычный двигатель
постоянного тока. Любой двигатель
имеет две основные части — ротор и статор.
В коллекторном двигателе статор —
неподвижная часть, состоит из постоянных
магнитов (или в более мощных двигателях
электромагнитов). Ротор (якорь) —
вращается, совмещён с валом двигателя
и состоит из многих катушек (как минимум
трех). Коллектор (щёточно-коллекторный
узел) отвечает за переключение выводов
катушек ротора. Ток в таком двигателе
подводится к катушкам ротора через
скользящие контакты (или щётки). В один
момент времени подключена только одна
катушка, она и создаёт момент вращения
двигателя за счет проходящего тока.

С точки зрения базовых элементов
схемотехники любой двигатель можно
представить в виде следующей эквивалентной
схемы:

Когда мотор подключён источнику
постоянного тока и еще не начал вращаться,
то он представляет из себя обычное
сопротивление. То есть через него течет
ток согласно закону Ома и сопротивлению
его обмотки. Преобладает компонента R.
Индуктивность начинает влиять когда
напряжение не постоянное, например,
если мотор питается от ШИМ (PWM) сигнала.

Сопротивление ротора и индуктивность,
как правило, очень малы. Его можно
померить обычным мультиметром. Небольшие
модельные моторы имеют сопротивление
1-10 Ом. Поэтому, при старте мотора (когда
он ещё не начал вращаться), ток сильно
превышает рабочий ток мотора и если
мотор долго будет неподвижен (его
заклинило), то такой высокий ток может
привести к перегреву мотора и выходу
из строя.

Индуктивность катушек ротора пытается
поддерживать ток протекающий через
обмотки постоянным. Ее влияние заметно
только когда напряжение меняется. Когда
мотор начинает вращаться, то коллектор
начинает переключать катушки ротора,
что вызывает изменение напряжения.
Индуктивность пытается в эти моменты
поддерживать ток протекающий через
мотор на постоянном уровне за счет
напряжения.

Во время вращения катушки ротора
начинают вырабатывать ток (как генератор)
— возникает обратная ЭДС. Чем быстрее
вращается ротор, тем выше обратная ЭДС
возникающая в катушках, а так как она
направлена против напряжения питания,
то ток потребляемый мотором снижается.

В дальнейшем нам понадобятся следующие
выводы:

• пока мотор не начал вращаться он
  является сопротивлением

• если приложить к мотору изменяющееся
  напряжение (например PWM), то индуктивность
  будет иметь большое влияние, она будет
  сопротивляться изменению тока через
  мотор

• когда мотор вращается, то он является
  генератором, и за счет этого потребляемый
  ток снижается (итоговое напряжение
  равно V — Vbemf).

Как подключить мотор к МК

В данной статье мы будем разбираться
как управлять с помощью МК скоростью и
направлением вращения обычным двигателем
постоянного тока.

Для того чтобы коллекторный мотор
постоянного тока начал вращаться,
достаточно подать на него определённое
напряжение. Полярность данного напряжения
будет определять направление его
вращения, а величина напряжения —
скорость вращения. Напряжение нельзя
менять безгранично. Каждый мотор
рассчитан на определённый диапазон
напряжений. При повышении напряжения
ток через мотор будет расти, и он начнётся
перегреваться и может сгореть. На
следующем графике некоего мотора хорошо
видна взаимосвязь его основных
показателей.

Максимальной
мощности (Torque — крутящий момент) мотор
достигает при максимальном токе. И
зависимость тока и момента — линейная.
Максимальной скорости двигатель
достигает при отсутствии нагрузки (на
холостых оборотах), при увеличении
нагрузки скорость вращения падает.
Номинальное рабочее напряжение указано
в паспорте на двигатель и именно для
него и приведён и этот график. Если же
снижать напряжение, то скорость вращения,
и все остальные показатели будут тоже
падать. Как правило, ниже 30-50% от
номинального напряжения мотор перестанет
вращаться. Если же мотор не сможет
прокрутить вал (его заклинило), то по
сути станет сопротивлением и потребляемый
ток достигает максимальной величины,
зависящей от внутреннего сопротивления
его обмоток. Обычный мотор не рассчитан
на работу в таком режиме и может сгореть.

Посмотрим как меняется ток от нагрузки
на реальном моторе R380-2580.

Мы
видим, что рабочее напряжение данного
мотора — 12В, потребляемый ток под
нагрузкой — 1.5А. Ток останова мотора
вырастает до 8А, а в холостом же вращении,
потребляемый ток равен всего 0.8А.

Как мы знаем, порт микроконтроллера
не может выдать ток больше 50мА, и
напряжение питания 12В для него слишком
большое. Для управления моторами нам
понадобится электронный ключ —
транзистор, возьмём обычный биполярный
транзистор NPN и подключим его по следующей
неправильной схеме.

Чтобы мотор начал вращаться, на базу
транзистора необходимо подать небольшой
ток, далее транзистор откроется и сможет
пропустить через себя гораздо больший
ток и напряжение — мотор будет вращаться.
Стоит отметить что, если мы соберём
такую схему, то транзистор очень
скоро, если не сразу, выйдет из строя.
Чтобы этого не произошло, его необходимо
защитить.

Как мы уже знаем одна из компонент
мотора — индуктивность — сопротивляется
изменению тока. Поэтому, когда мы закроем
транзистор, чтобы выключить мотор, то
сопротивление транзистора резко
увеличится и он перестанет пропускать
через себя ток. Однако индуктивность
будет сопротивляться этому, и для того,
чтобы удержать ток на прежнем уровне,
по закону Ома, напряжение на коллекторе
транзистора начнёт резко повышаться
(может достигнуть даже 1000В, правда очень
на малое время) и транзистор сгорит.
Чтобы этого не произошло необходимо
параллельно обмоткам мотора поставить
диод, который откроет путь для обратного
напряжения и замкнёт его на обмотке
мотора, тем самым защитит транзистор.

Также, все постоянные моторы имеют
еще одну неприятность — при вращении
механический контакт в коллекторе не
идеален, щётки искрят в процессе работы,
создавая помехи, что может привести к
сбою микроконтроллера. Чтобы снизить
эти помехи, необходимо использовать
конденсаторы небольшой ёмкости,
подключенный параллельно выводам мотора
(как можно ближе к самому мотору). Вот
окончательная правильная схема
(диод может быть не обязательно Шоттки,
но он предпочтителен).

Биполярные транзисторы в открытом
состоянии они ведут себя как диоды (на
них падает около 0.7 В). А это, в свою
очередь, вызывает их большой нагрев на
больших токах и снижает КПД схемы
управления мотором. Поэтому лучше
управлять моторами с помощью полевых
(MOSFET) транзисторов. В настоящее время
они достаточно распространены и имеют
невысокую цену. Их низкое сопротивление
в открытом состоянии позволяет
коммутировать очень высокие токи с
минимальными потерями. Однако и у них
есть свои недостатки. Так как MOSFET
транзисторы управляются напряжением,
а не током (и обычно оно составляет 10В),
то нужно или выбирать специальные
логические MOSFET, которые могут управляться
низким напряжением — 1.8 .. 2.5В или
использовать специальные схемы накачки
напряжения (драйверы полевых транзисторов).
Как выбирать MOSFET под вашу схему мы
рассмотрим в других статьях, на конкретных
приборах.

Теперь, подавая на выход микроконтроллера
логическую единицу, мы заставим мотор
вращаться, а логический ноль — остановится.
Однако вращаться он будет с постоянной
скоростью и только в одну сторону.
Хотелось бы иметь возможность менять
направление вращения мотора, а также
его скорость. Рассмотрим, как этого
можно добиться с помощью микроконтроллера.

H-Мост — меняем направление
вращения мотора

Для управления направлением вращения
мотора существует специальная схема,
которая называется H-мост (схема выглядит
как буква H).

Работает
схема очень просто. Если открыть верхний
правый и левый нижний транзистор, то на
клемах мотора справа будет плюс, а слева
будет минус. Мотор будет крутиться в
одну сторону. Если открыть левый верхний
и правый нижний, то справа будет минус,
а слева плюс — полярность тока сменится,
и мотор будет крутиться в другую сторону.
Паразитные диоды внутри MOSFET транзисторов
будут защищать всю схему (параметры
этих диодов не очень хорошие и в реальных
схемах могут понадобиться более
быстродействующие диоды Шотке параллельно
паразитным диодам, для снижения нагрева
полевого транзистора), так что лишние
компоненты не понадобятся, кроме
искрогасящего конденсатора.

В схеме H-моста в качестве нижних
транзисторов всегда используются
N-канальные, а вот верхние могут быть
как N-канальные, так и P-канальные.
P-канальными транзисторами в верхнем
ключе проще управлять, достаточно
сделать схему смещения уровня напряжения
на затворе. Для этого можно использовать
маломощный N-канальный полевой или
биполярный транзистор. Нижним транзистором
можно управлять напрямую от МК, если
выбрать специальный логический полевой
транзистор.

Если в вашей схеме будет использоваться
высоковольтный мотор постоянного тока
(больше 24В) или мощный мотор с токами
более 10А, то лучше использовать специальные
микросхемы — драйверы MOSFET транзисторов.
Драйверы управляются, как правило,
сигналами микроконтроллера от 2 до 5В,
а на выходе создают напряжение необходимое
для полного открытия MOSFET транзисторов
— обычно это 10-15В. Также драйверы
обеспечивают большой импульсный ток
необходимый для ускорения открытия
полевых транзисторов. С помощью драйверов
легко организовать управление верхним
N-канальным транзистором. Очень хорошим
драйвером является микросхема L6387D от
компании ST. Данная микросхема хороша
тем, что не требует диода для схемы
накачки напряжения. Вот так она
подключается для управления H-мостом
на 2-х N-канальных транзисторах.

N-канальные
полевые транзисторы, стоят дешевле
P-канальных, а также имеют меньшее
сопротивление в открытом состоянии,
что позволяет коммутировать большие
токи. Но ими сложнее управлять в верхнем
положении. Проблема использования
N-канального транзистора в верхнем ключе
состоит в том, что для его открытия нужно
подать напряжение 10В относительно
Истока, а как вы видите на схеме там
может быть все напряжение питания
мотора, а не 0 вольт. Таким образом, на
базу необходимо подать 10В + напряжение
питания мотора. Нужна специальная
bootstrap схема для повышения напряжения.
Обычно, для этих целей используется
схема накачки напряжения на конденсаторе
и диоде. Однако такая схема работает
только, если вы постоянно подзаряжаете
конденсатор — открывая, закрывая нижний
транзистор (в ШИМ управлении). Для
возможности поддерживания верхнего
транзистора постоянно открытым нужно
еще усложнять схему — добавлять схему
внешней подпитки конденсатора. Вот
пример схемы управления N-канальными
транзисторами без использования
микросхем драйверов.

Перейдём к управлению скоростью
вращения мотора.

ШИМ сигнал — управляем
скоростью вращения мотора

Моторы постоянного тока имеют линейную
зависимость скорости вращения от
приложенного напряжения. Таким образом,
чтобы снизить скорость вращения, надо
подать меньше напряжения. Но надо
помнить, что с падением напряжения, у
мотора падает мощность. Поэтому, на
практике, можно управлять скоростью
мотора только в пределах 30%-50% от полной
скорости вращения мотора. Для управления
скоростью мотора без потери мощности,
необходима обратная связь от мотора по
оборотам вращения, например как в
электрическом шуруповерте. Такой режим
управления, требует более сложной схемы.
Мы же будет рассматривать простой
вариант — управление скоростью мотора
без обратной связи.

Итак, нам необходимо менять напряжение
подаваемое на мотор. В нашем распоряжении
есть MOSFET транзистор. Мы помним, что наш
мотор имеет индуктивность. Индуктивность
сопротивляется изменению тока. И если
быстро включать и выключать напряжение
на моторе, то в момент выключения ток
будет продолжать течь благодаря
индуктивности. А мотор будет продолжать
вращаться по инерции, а не остановится.
Но естественно, вращаться он будет
медленнее, среднее напряжение на его
обмотках будет меньшее.

Микроконтроллер, как раз, отлично
умеет генерировать импульсный ШИМ (PWM)
сигнал. А мотор умеет интегрировать
данный сигнал (усреднять) за счёт
индуктивности обмоток и инерции ротора.
От коэффициента заполнения (скважности)
ШИМ сигнала как раз и будет зависеть
полученное мотором среднее напряжение,
а значит и скорость.

Какая же частота ШИМ нужна для лучшего
управления мотором? Ответ очень простой,
чем больше, тем лучше. Минимальная
частота зависит от индуктивности мотора,
а также массы ротора и нагрузки на вал
мотора. Если смоделировать в электрическом
симуляторе (например, PROTEUS) ШИМ управление
мотором, то будет видно, что чем больше
частота ШИМ, тем более ровный ток
протекает через мотор (ripple current —
снижается при увеличении частоты).
Низкая частота:

высокая
частота:

Если же частота упадёт ниже определённого
уровня, ток станет разрывным (будет
падать до нуля) и в итоге мотор не сможет
крутиться.

Отлично, все просто! Делаем частоту
ШИМ побольше, например 1 МГц, и любому
мотору хватит. В жизни же, все не так
просто. Для понимания всех возможных
проблем можно упрощенно принять затвор
MOSFET транзистора за идеальный конденсатор.
Для того чтобы транзистор полностью
открылся, конденсатор необходимо
зарядить до 10В (на самом деле меньше).
Чем больше ток, который мы можем вкачать
в конденсатор, тем быстрее он зарядится,
а значит быстрее откроется транзистор.
В процессе открытия транзистора, ток и
напряжение на нем будут максимальными,
и чем больше это время, тем сильнее
нагреется транзистор. В datasheet обычно
есть такой параметр как Qgate — полный
заряд, который надо передать транзистору,
чтобы он открылся полностью.

Чем меньше эта величина, тем меньшей
ток нужен для управления данным
транзистором. Естественно, такой ток
нужен только на очень короткое время —
какое, опять же написано в datasheet — tr,
обычно оно измеряется в наносекундах.
Чтобы выдать такой ток, нужны специальные
драйверы, если же мы управляем логическим
MOSFET напрямую от микроконтроллера, то
мы не сможем обеспечить такой ток.
Поэтому для защиты микроконтроллера
необходимо перед базой MOSFET ставить
резистор, а это сильно замедляет время
открытия. В итоге, микроконтроллер в
прямом управлении не может обеспечить
более 1-2 мкc на открытие и закрытие
транзистора. Время открытия и закрытия
должно занимать не более 10% длительности
ШИМ сигнала. Таким образом, мы сразу
получаем ограничение в частоте — 50 000
Гц. Дополнительно, сам микроконтроллер
должен иметь возможность генерировать
ШИМ сигнал с возможностью хотя бы 8
битного управления шириной ШИМ (для
этого требуется большая рабочая частота
МК). В итоге, обеспечить большую частоту
ШИМ не так просто. Так же, на высоких
частотах, начитает мешать паразитные
ёмкости и индуктивности. На плате,
которую можно сделать дома, получить
частоту ШИМ больше 300 кГц, очень сложно.
Трассировка платы должна быть сделана
идеально. Для снижения требований к
плате, в настоящее время выпускаются
специальные MOSFET, объединённые с драйверами
управления, они позволяют на заводских,
многослойных платах получить частоту
управления MOSFET в 2МГц.

Индуктивность моторов не такая уж
маленькая, и такие большие частоты не
нужны. Для управления моторами постоянного
тока вполне достаточно 8 кГц, лучше около
20кГц (за звуковым диапазоном).

Дополнительно стоит отметить, что для
снижения стартового тока необходимо
плавно поднимать на старте частоту ШИМ.
А еще — лучше контролировать стартовый
ток мотора с помощью датчиков тока.

ШИМ управление мотором предполагает
очень быстрое изменение напряжение от
0 для максимального, что порождает
большие проблемы при трассировке платы.
Перечислим коротко правила, которые
необходимо соблюдать при трассировке
платы.

• Земли управления моторами и
  микроконтроллера обязательно должны
  быть разделены, соединение в одной
  точке тонким проводником, например
  0.3мм, как можно ближе к проводам питания
  всей схемы

• Драйвера управления MOSFET должны
  быть как можно ближе к самим MOSFET
  транзисторам

• Исполнение управляющей области
  обязательно двухсторонее, желательно
  с земляным слоем с одной стороны. При
  импульсном управлении возникают
  электромагнитные помехи, чтобы снизить
  их, земляной слой должен быть рядом.

• Обязательно наличие конденсатора
  как можно ближе к зоне прохождения
  больших импульсных токов. Если такого
  конденсатора не будет, то напряжение
  на линии питания будет сильно проседать
  и микроконтроллер будет постоянно
  сбрасываться. Также без такого
  конденсатора, за счёт индуктивности
  проводов питания, напряжения на линии
  питания может увеличиться в несколько
  раз и компоненты выйдут из строя!

Более подробно мы рассмотрим как
работают эти правила на конкретных
приборах.

ШИМ сигнал в H-мосте

Чтобы можно было менять направление
вращения и скорость — нужна схема
H-моста, а для регулирование скорости
нужно управлять транзисторами ШИМ
сигналом. В схеме H-моста четыре
транзистора. Как лучше ими управлять?
На какой транзистор подавать ШИМ сигнал?
Разберёмся в этом вопросе (рекомендуем
прочитать очень подробную статью
на эту тему).

Рассмотрим нашу схему с точки зрения
нагрева транзисторов. Это один из
основных критериев, по которому наш
прибор может выйти из строя. Полевой
транзистор состоит из двух элементов
— собственно транзистор и паразитный
диод. В схеме управления мотором оба
элемента работают. Нагрев полевого
транзистора происходит в следующие
моменты времени:

• когда транзистор открыт, нагрев
  идёт из-за сопротивления в открытом
  состоянии Rdson, пропорционально времени
  открытия транзистора выделяется
  мощность P = I * I * Rdson

• когда транзистор закрыт, то ток ЭДС
  мотора идёт через диод, то есть нагрев
  идет из-за диода P = I * U diode forward (как
  правило 1В)

• когда транзистор переключается из
  открытого состояния в закрытое, то
  нагрев пропорционален времени открытия
  и закрытия транзистора
  

Посмотрим, как влияет схема управления
на нагрев нашим электронных ключей.
Допустим, что мы управляем мотором ШИМ
сигналом со скважностью 50% и мотор
крутится в одну сторону.

Самый простой вариант — применить
ШИМ сигнал к одному из двух транзисторов,
а второй оставить все время открытым.
Обычно, ШИМ в этом случае подаётся на
нижний транзистор (N типа), который обычно
быстрее. В этом случае нагрев нижнего
будет больше верхнего на величину тепла
выделяемого при переключениях транзистора.
Чтобы сравнять счёт, можно попеременно
подавать ШИМ сигнал то на верхний (если
они одинаковые), то на нижний транзистор.
Также можно подавать ШИМ на оба транзистора
одновременно, но из-за разницы в
транзисторах это будет не эффективно,
а также будет увеличивать нагрев за
счёт переключения транзисторов. При
такой схеме управления, два других
транзистора работают как диоды. К
счастью, наибольший ток через диод будет
при наибольшей скважности ШИМ, при этом
диод будет задействован очень малое
время.

Для исключения тока через диоды,
которые дают существенный нагрев, можно
мотор никогда не отключать от напряжения,
а вместо этого, крутить его в обратную
сторону. Таким образом, мы должны,
например 70% ШИМ сигнала крутить вправо,
а 30% влево. Это даст в итоге 70%-30%=40% скорости
вправо. Но при этом не будут задействованы
диоды. Такой метод управления называется
комплиментарным. Такая схема требует
большого конденсатора на линии питания,
а также источника питания, который может
потреблять ток (например аккумулятора).

Вместо вращения мотора в разные
стороны, можно помогать диодам — а
именно тормозить мотор, открывать два
верхних транзистора в момент низкого
уровня ШИМ сигнала. На практике, все эти
методы не дают существенного изменения
скорости вращения двигателя, но позволяют
эффективно управлять нагревом полевых
транзисторов. Более подробно про
особенности различных схем управления
можно в этой статье.

На этом мы закончим нашу статью про
моторы. Теперь можно перейти к практике
— будем делать плату
управления 4-мя
моторами
для робота.