Контроллеры коллекторных двигателей

Контроллеры коллекторных двигателей

Контроллеры коллекторных двигателей постоянного тока предназначены для управления скоростью и направления вращения, а также обеспечивают регулировку ускорения разгона и торможения при включении и выключении. Для двигателей с обратной связью предусмотрены функции стабилизации скорости и возможность позиционирования по данным от энкодера.

Блоки управления позволяют:

• управлять скоростью встроенным или внешним потенциометром;
• управлять скоростью внешним аналоговым сигналом;
• управлять ускорением и замедлением;
• Стабилизировать скорость вращения двигателя по экнодеру/датчику Холла;
• Выполнять позиционирование по данным энкодера/датчикам Холла;
• изменять направление вращения;
• экстренно останавливать двигатель;
• работать в составе сети RS‑485 и управлять командами от внешнего ПЛК или ПК;
• программировать алгоритм работы;
• работать автономно или под управлением ПК/ПЛК предварительно составленной программе.

• Командами по RS 485 Modbus
• По программе

• По энкодеру, датчику Холла:
• Стабилизация скорости
• Позиционирование
• Контроль текущих параметров

• Аналоговое управление
• RS‑485

• По датчику Холла:
• Стабилизация скорости
• Счетчик оборотов

Описание

Контроллеры управляют двигателями в реальном времени в аналоговом режиме управления и по протоколам обмена посредством RS 485 Modbus RTU/ASCII, могут поддерживать стабильность оборотов коллекторного двигателя постоянного тока, оснащенного датчиками Холла.

Регулировка скорости вращения вала коллекторного двигателя постоянного тока осуществляется методом широтно-импульсной модуляции.

Напряжение питания двигателей Uпит 12. 24В, допускается использование двигателей с напряжением питания 27В.

Описание

Пользователи блоков управления могут выбирать логику работы кнопок START/STOP и DIR. Стандартная прошивка блоков разделяется на работу кнопок старта и направления по фронту и удержанию.

Подключение по RS‑485 обеспечивает управление двигателем в реальном времени, а протокол Modbus RTU/ASCII дополнительно работу по заданной программе.

Описание

Для работы с контроллерами BMSD предоставляется программа BxSD_program, позволяющая управлять двигателем в реальном времени. Доступны настройки разрешения датчика обратной связи. Программа Modbus Special Utility используется для настройки, программирования и управления в режиме реального времени блоками BMSD-20Modbus и BMSD-40Modbus.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Управление БДПТ

Регулятор оборотов, внешний вид

Для управления бесколлекторным двигателем используется специальный контролер — регулятор скорости вращения вала двигателя постоянного тока. Его задачей является генерация и подача в нужный момент на нужную обмотку необходимого напряжения. В контроллере для приборов с питанием от сети 220 В чаще всего используется инверторная схема, в которой происходит преобразование тока с частотой 50 Гц сначала в постоянный ток, а затем в сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для подачи питающего напряжения на обмотки статора используются мощные электронные ключи на биполярных транзисторах или других силовых элементах.

Регулировка мощности и числа оборотов двигателя осуществляется изменением скважности импульсов, а, следовательно, и действующим значением напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Принципиальная схема регулятора оборотов. К1-К6 — ключи D1-D3 — датчики положения ротора (датчики Холла)

Важным вопросом является своевременное подключение электронных ключей к каждой обмотке. Для обеспечения этого контроллер должен определять положение ротора и его скорость. Для получения такой информации могут быть использованы оптические или магнитные датчики (например, датчики Холла), а также обратные магнитные поля.

Более распространено использование датчиков Холла, которые реагируют на наличие магнитного поля. Датчики размещаются на статоре таким образом, чтобы на них действовало магнитное поле ротора. В некоторых случаях датчики устанавливают в устройствах, которые позволяют изменять положение датчиков и, соответственно, регулировать угол опережения (timing).

Регуляторы оборотов вращения ротора очень чувствительны к силе тока, проходящего через него. Если вы подберете аккумуляторную батарейку с большей выдаваемой силой тока, то регулятор сгорит! Правильно подбирайте сочетания характеристик!

Автомобильные реле: как устроены, как их выбирать и проверять

Машины год от года становятся все умнее – они уже самостоятельно вращают рулем, меняют жесткость подвески, делают водителю массаж пятой точки и многое другое… Однако конечный исполнительный механизм большинства электрических цепей автомобиля, скромная «рабочая лошадка» – это реле, практически не изменившее свою конструкцию аж с 1831 года, когда впервые было изобретено… Что обычному автовладельцу полезно знать о реле?

Как устроено и применяется реле

К ак известно, габариты и мощность выключателя, коммутирующего мощную нагрузку, должны этой нагрузке соответствовать. Нельзя включить такие серьезные потребители тока в автомобиле, как, скажем, вентилятор радиатора или обогрев стекла крошечной кнопочкой – её контакты просто сгорят от одного-двух нажатий. Соответственно, кнопка должна быть крупной, мощной, тугой, с четкой фиксацией положений on/off. К ней должны подходить длинные толстые провода, рассчитанные на полный ток нагрузки.

Но в современном автомобиле с его изящным дизайном интерьера места таким кнопкам нет, да и толстые провода с дорогостоящей медью стараются применять экономно. Поэтому в качестве дистанционного силового коммутатора чаще всего применяется реле – оно устанавливается рядом с нагрузкой или в релейном боксе, а управляем мы им с помощью крошечной маломощной кнопочки с подведенными к ней тоненькими проводками, дизайн которой легко вписать в салон современной машины.

Внутри простейшего типичного реле располагается электромагнит, на который подается слабый управляющий сигнал, а уже подвижное коромысло, которое притягивает к себе сработавший электромагнит, в свою очередь замыкает два силовых контакта, которые и включают мощную электрическую цепь.

В автомобилях чаще всего используются два типа реле: с парой замыкающих контактов и с тройкой переключающих. В последнем при срабатывании реле один контакт замыкается на общий, а второй в это время отключается от него. Существуют, конечно же, и более сложные реле, с несколькими группами контактов в одном корпусе – замыкающими, размыкающими, переключающими. Но встречаются они существенно реже.

Обратите внимание, что на нижеприведенной картинке у реле с переключающей контактной тройкой рабочие контакты пронумерованы. Пара контактов 1 и 2 называется «нормально замкнутые». Пара 2 и 3 – «нормально разомкнутые». Состоянием «нормально» считается состояние, когда на обмотку реле НЕ подано напряжение.

Наиболее распространенные универсальные автомобильные реле и их контактные выводы со стандартным расположением ножек для установки в блок предохранителей или в выносную колодку выглядят так:

Герметичное реле из комплекта нештатного ксенона выглядит иначе. Залитый компаундом корпус позволяет ему надежно работать при установке вблизи фар, где водяной и грязевой туман проникают под капот через решетку радиатора. Цоколевка выводов – нестандартная, поэтому реле комплектуется собственным разъемом.

Для коммутации больших токов, в десятки и сотни ампер, используют реле иной конструкции, нежели описанные выше. Технически суть неизменна – обмотка примагничивает к себе подвижный сердечник, который замыкает контакты, но контакты имеют значительную площадь, крепление проводов – под болт от М6 и толще, обмотка – повышенной мощности. Конструктивно эти реле сходны со втягивающим реле стартера. Применяются они на грузовых машинах в качестве выключателей массы и пусковых реле того же стартера, на разной спецтехнике для включения особо мощных потребителей. Нештатно их используют для аварийной коммутации джиперских лебедок, создания систем пневмоподвески, в качестве главного реле системы самодельных электромобилей и т.п.

К слову, само слово «реле» переводится с французского как «перепряжка лошадей», и появился сей термин в эпоху развития первых телеграфных линий связи. Малая мощность гальванических батарей того времени не позволяла передавать точки и тире на дальние расстояния – все электричество «гасло» на длинных проводах, и доходившие до корреспондента остатки тока были неспособны шевельнуть головку печатающего аппарата. В результате линии связи стали делать «с пересадочными станциями» – на промежуточном пункте ослабевшим током активировали не печатающий аппарат, а слабенькое реле, которое уже, в свою очередь, открывало путь току из свежей батареи – и далее, и далее…

Что нужно знать о работе реле?

Напряжение, которое обозначено на корпусе реле, – это усредненное оптимальное напряжение. На автомобильных реле пропечатано «12V», но срабатывают они и при напряжении 10 вольт, сработают и при 7-8 вольтах. Аналогично и 14,5-14,8 вольт, до которых поднимается напряжение в бортсети при запущенном двигателе, им не вредит. Так что 12 вольт – это условный номинал. Хотя реле от 24-вольтовой грузовой машины в 12-вольтовой сети не заработает – тут уж разница слишком велика…

Второй главный параметр реле после рабочего напряжения обмотки – максимальный ток, который может пропустить через себя контактная группа без перегрева и пригорания. Указывается он обычно на корпусе – в амперах. В принципе, контакты всех автомобильных реле достаточно мощные, «слабаков» тут не водится. Даже самое миниатюрное коммутирует 15-20 ампер, реле стандартных размеров – 20-40 ампер. Если ток указывается двойной (например, 30/40 А), то это означает кратковременный и долговременный режимы. Собственно, запас по току никогда не мешает – но это касается в основном какого-то нештатного электрооборудования автомобиля, подключаемого самостоятельно.

Выводы автомобильных реле маркируются в соответствии с международным электротехническим стандартом для автопрома. Два вывода обмотки пронумерованы цифрами «85» и «86». Выводы контактной «двойки» или «тройки» (замыкающие или переключающие) обозначаются как «30», «87» и «87а».

Впрочем, гарантии маркировка, увы, не дает. Российские производители порой маркируют нормально замкнутый контакт как «88», а иностранные – как «87а». Неожиданные вариации стандартной нумерации встречаются и у безымянных «брендов», и у компаний уровня Bosch. А иногда контакты и вовсе маркируются цифрами от 1 до 5. Так что если тип контактов не подписан на корпусе, что нередко случается, лучше всего проверить распиновку неизвестного реле при помощи тестера и источника питания 12 вольт – подробнее об этом ниже.

Контактные выводы реле, к которым подключается электропроводка, могут быть «ножевого» типа (для установки реле в разъем колодки), а также под винтовую клемму (обычно у особо мощных реле или реле устаревших типов). Контакты бывают «белыми» или «желтыми». Желтые и красные – латунь и медь, матовые белые – луженая медь или латунь, блестящие белые – сталь, покрытая никелем. Луженые латунь и медь не окисляются, но голая латунь и медь – лучше, хотя и склонны темнеть, ухудшая контакт. Никелированная сталь также не окисляется, но сопротивление её высоковато. Неплохо, когда силовые выводы – медные, а выводы обмотки – никелированные стальные.

Чтобы реле сработало, на его обмотку подается питающее напряжение. Полярность его – безразлична для реле. Плюс на «85» и минус на «86», или наоборот – без разницы. Один контакт обмотки реле, как правило, постоянно подсоединен к плюсу или минусу, а на второй приходит управляющее напряжение с кнопки или какого-либо электронного модуля.

В прежние годы чаще использовалось постоянное подключение реле к минусу и плюсовой управляющий сигнал, сейчас более распространен обратный вариант. Хотя это не догма – бывает по-всякому, в том числе и в рамках одного автомобиля. Единственный вариант исключения из правил – реле, в котором параллельно обмотке подключен диод – тут уже полярность важна.

Если напряжение на обмотку реле подает не кнопка, а электронный модуль (штатный или нештатный – например, охранное оборудование), то при отключении обмотка дает индуктивный всплеск напряжения, который способен повредить управляющую электронику. Чтобы погасить всплеск, параллельно обмотке реле включается защитный диод.

Как правило, внутри электронных узлов эти диоды уже есть, но иногда (в особенности в случае различного допоборудования) требуется реле со встроенным внутри диодом (в этом случае его символ маркирован на корпусе), а изредка применяется выносная колодка с диодом, припаянным со стороны проводов. И если вы устанавливаете какое-то нештатное электрооборудование, нуждающееся, согласно инструкции, в таком реле, требуется строго соблюдать полярность при подключении обмотки.

Обмотка реле потребляет мощность около 2-2,5 ватт, из-за чего его корпус во время работы может достаточно сильно греться – это не криминально. Но нагрев допускается у обмотки, а не у контактов. Перегрев же контактов для реле губителен: они обугливаются, разрушаются и деформируются. Такое случается чаще всего в неудачных экземплярах реле российского и китайского производства, у которых плоскости контактов порой не параллельны друг другу, контактная поверхность из-за перекоса недостаточна, и при работе идет точечный токовый разогрев.

Реле не выходит из строя мгновенно, но рано или поздно перестает включать нагрузку, или наоборот – контакты привариваются друг к другу, и реле перестает размыкаться. К сожалению, выявить и предупредить такую проблему не совсем реально.

Проверка реле

При ремонте неисправное реле обычно временно подменяют исправным, а затем заменяют на аналогичное, и дело с концом. Однако мало ли какие задачи могут возникнуть, к примеру, при установке дополнительного оборудования. А значит, полезно будет знать элементарный алгоритм проверки реле с целью диагностики или уточнения цоколевки – вдруг попалось нестандартное? Для этого нам понадобятся источник питания с напряжением 12 вольт (блок питания или два провода от аккумулятора) и тестер, включенный в режиме измерения сопротивления.

Предположим, что у нас реле с 4 выводами – то есть, с парой нормально разомкнутых контактов, работающих на замыкание (реле с переключающей контактной «тройкой», проверяется аналогичным образом). Сперва касаемся щупами тестера поочередно всех пар контактов. В нашем случае это 6 комбинаций (изображение условное, чисто для понимания).

На одной из комбинаций выводов омметр должен показать сопротивление около 80 ом – это обмотка, запомним или пометим её контакты (у автомобильных 12-вольтовых реле наиболее распространенных типоразмеров это сопротивление бывает в диапазоне от 70 до 120 ом). Подадим на обмотку напряжение 12 вольт от блока питания или АКБ – реле должно отчетливо щелкнуть.

Соответственно, два других вывода должны показывать бесконечное сопротивление – это наши нормально разомкнутые рабочие контакты. Подключаем к ним тестер в режиме прозвонки, а на обмотку одновременно подаем 12 вольт. Реле щелкнуло, тестер запищал – все в порядке, реле работает.

Если же вдруг на рабочих выводах прибор показывает замыкание даже без подачи напряжения на обмотку, значит, нам попалось редкое реле с НОРМАЛЬНО ЗАМКНУТЫМИ контактами (размыкающимися при подаче напряжения на обмотку), либо, что более вероятно, контакты от перегрузки оплавились и сварились, замкнувшись накоротко. В последнем случае реле отправляется в утиль.

Н-мост и схема работы для управления двигателями

В различных электронных схемах часто возникает необходимость менять полярность напряжения, прикладываемого к нагрузке, в процессе работы. Схемотехника таких устройств реализуется с помощью ключевых элементов. Ключи могут быть выполнены на переключателях, электромагнитных реле или полупроводниковых приборах. Н-мост на транзисторах позволяет с помощью управляющих сигналов переключать полярность напряжения поступающего на исполнительное устройство.

Что такое Н-мост

В различных электронных игрушках, некоторых бытовых приборах и робототехнике используются коллекторные электродвигатели постоянного тока, а также двухполярные шаговые двигатели. Часто для выполнения какого-либо алгоритма нужно с помощью электрического сигнала быстро поменять полярность питающего напряжения с тем, чтобы двигатель технического устройства стал вращаться в противоположную сторону. Так робот-пылесос, наткнувшись на стену, мгновенно включает реверс и задним ходом отъезжает от препятствия. Такой режим реализуется с помощью Н-моста. Схема Н-моста позволяет так же изменять скорость вращения электродвигателя. Для этого на один из двух ключей подаются импульсы от широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

Схемой управления режимами двигателя является h-мост. Это несложная электронная схема, которая может быть выполнена на следующих элементах:

• Биполярные транзисторы
• Полевые транзисторы
• Интегральные микросхемы

Основным элементом схемы является электронный ключ. Принципиальная схема моста напоминает латинскую букву «Н», отсюда название устройства. В схему входят 4 ключа расположенных попарно, слева и справа, а между ними включена нагрузка.

На схеме видно, что переключатели должны включаться попарно и по диагонали. Когда включен 1 и 4 ключ, электродвигатель вращается по часовой стрелке. 2 и 3 ключи обеспечивают работу двигателя в противоположном направлении. При включении двух ключей по вертикали слева или справа произойдёт короткое замыкание. Каждая пара по горизонтали закорачивает обмотки двигателя и вращения не произойдёт. На следующем рисунке проиллюстрировано, что происходит, когда мы меняем положение переключателей:

Если мы заменем в схеме переключатели на транзисторы, то получим такой вот (крайне упрощенный) вариант:

Для того чтобы исключить возможное короткое замыкание h-мост на транзисторах дополняется входной логикой, которая исключает появление короткого замыкания. В современных электронных устройствах мостовые схемы изменения полярности дополняются устройствами, обеспечивающими плавное и медленное торможение перед включением реверсного режима.

Н-мост на биполярных транзисторах

Транзисторы в ключевых схемах работают по принципу вентилей в режиме «открыт-закрыт», поэтому большая мощность на коллекторах не рассеивается, и тип применяемых транзисторов определяется, в основном, питающим напряжением. Несложный h-мост на биполярных транзисторах можно собрать самостоятельно на кремниевых полупроводниковых приборах разной проводимости.

Такое устройство позволяет управлять электродвигателем постоянного тока небольшой мощности. Если использовать транзисторы КТ816 и КТ817 с индексом А, то напряжение питания не должно превышать 25 В. Аналогичные транзисторы с индексами Б или Г допускают работу с напряжением до 45 В и током не превышающим 3 А. Для корректной работы схемы транзисторы должны быть установлены на радиаторы. Диоды обеспечивают защиту мощных транзисторов от обратного тока. В качестве защитных диодов можно использовать КД105 или любые другие, рассчитанные на соответствующий ток.

Недостатком такой схемы является то, что нельзя подавать на оба входа высокий потенциал, так как открытие обоих ключей одновременно вызовет короткое замыкание источника питания. Для исключения этого в интегральных мостовых схемах предусматривается входная логика, полностью исключающая некорректную комбинацию входных сигналов.

Схему моста можно изменить, поставив в неё более мощные транзисторы.

Н-мост на полевых транзисторах

Кроме использования биполярных транзисторов в мостовых схемах управления питанием, можно использовать полевые (MOSFET) транзисторы. При выборе полупроводниковых элементов обычно учитывается напряжение, ток нагрузки и частота переключения ключей, при использовании широтно-импульсной модуляции. Когда полевой транзистор работает в ключевом режиме, у него присутствуют только два состояния – открыт и закрыт. Когда ключ открыт, то сопротивление канала ничтожно мало и соответствует резистору очень маленького номинала. При подборе полевых транзисторов для ключевых схем следует обращать внимание на этот параметр. Чем больше это значение, тем больше энергии теряется на транзисторе. При минимальном сопротивлении канала выше КПД моста и лучше его температурные характеристики.

Дополнительным негативным фактором является зависимость сопротивления канала от температуры. С увеличением температуры этот параметр заметно растёт, поэтому при использовании мощных полевых транзисторов следует предусмотреть соответствующие радиаторы или активные схемы охлаждения. Поскольку подбор полевых транзисторов для моста связан с определёнными сложностями, гораздо лучше использовать интегральные сборки. В каждой находится комплементарная пара из двух мощных MOSFET транзисторов, один из которых с P каналом, а другой с N каналом. Внутри корпуса также установлены демпферные диоды, предназначенные для защиты транзисторов.

В конструкции использованы следующие элементы:

• VT 1,2 – IRF7307
• DD 1 – CD4093
• R 1=R 2= 100 ком

Интегральные микросхемы с Н-мостом

В ключах Н-моста желательно использовать комплементарные пары транзисторов разной проводимости, но с одинаковыми характеристиками. Этому условию в полной мере отвечают интегральные микросхемы, включающие в себя один, два или более h-мостов. Такие устройства широко применяются в электронных игрушках и робототехнике. Одной из самых простых и доступных микросхем является L293D. Она содержит два h-моста, которые позволяют управлять двумя электродвигателями и допускают управление от ШИМ контроллера. Микросхема имеет следующие характеристики:

• Питание – + 5 В
• Напряжение питания электромотора – + 4,5-36 В
• Выходной номинальный ток – 500 мА
• Ток в импульсе – 1,2 А

Микросхема L298 так же имеет в своём составе два h-моста, но гораздо большей мощности. Максимальное напряжение питания, подаваемое на двигатель, может достигать + 46 В, а максимальный ток соответствует 4,0 А. Н-мост TB6612FNG допускает подключение двух коллекторных двигателей или одного шагового. Ключи выполнены на MOSFET транзисторах и имеют защиту по превышению температуры, перенапряжению и короткому замыканию. Номинальный рабочий ток равен 1,2 А, а максимальный пиковый – 3,2 А. Максимальная частота широтно-импульсной модуляции не должна превышать 100 кГц.

Мостовые устройства управления электродвигателями часто называют драйверами. Драйверами так же называют микросхемы, только обеспечивающие управление мощными ключевыми каскадами. Так в схеме управления мощным электродвигателем используется драйвер HIP4082. Он обеспечивает управление ключами, собранными на дискретных элементах. В них используются MOSFET транзисторы IRF1405 с N-каналами. Компания Texas Instruments выпускает большое количество интегральных драйверов предназначенных для управления электродвигателями разных конструкций. К ним относятся:

• Драйверы для шаговых двигателей – DRV8832, DRV8812, DRV8711
• Драйверы для коллекторных двигателей – DRV8816, DRV8848, DRV8412/32
• Драйверы для бесколлекторных двигателей – DRV10963, DRV11873, DRV8332

На рынке имеется большой выбор интегральных мостовых схем для управления любыми электродвигателями. Сделать конструкцию можно и самостоятельно, применив качественные дискретные элементы.

Пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений

Рисунок 1. Схема пуска двигателя параллельного возбуждения с помощью пускового реостата (а) и пусковых сопротивлений (б)

Для двигателей с параллельным возбуждением самым распространенным является пуск с помощью пускового реостата или пусковых сопротивлений (рисунок 1).
При этом вместо выражения (5), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока» имеем

(2)

а в начальный момент пуска, при n = 0,

(3)

где R_п – сопротивление пускового реостата, или пусковое сопротивление. Значение R_п подбирается так, чтобы в начальный момент пуска было I_а = (1,4 – 1,7) I_н [в малых машинах до (2,0 – 2,5) I_н].

Рассмотрим подробнее пуск двигателя параллельного возбуждения с помощью реостата (рисунок 1, а).

Перед пуском (t < 0) подвижный контакт П пускового реостата стоит на холостом контакте и цепь двигателя разомкнута. В начальный момент пуска (t = 0) подвижный контакт П с помощью рукоятки переводится на контакт 1, и через якорь пойдет ток I_а, определяемый равенством (3). Цепь обмотки возбуждения ОВ подключается к неподвижной контактной дуге д, по которой скользит контакт П, чтобы во время пуска цепь возбуждения все время была под полным напряжением. Это необходимо для того, чтобы i_в и Ф_δ при пуске были максимальными и постоянными, так как при этом, согласно выражению (8), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при данных значениях I_а развивается наибольший момент М. С этой же целью регулировочный реостат возбуждения ставится при пуске в положение R_п.в = 0.

При положении контакта П пускового реостата на контакте 1 (t = 0) возникают токи I_а и i_в, а так же момент М, и если М больше М_ст, то двигатель придет во вращение и скорость n будет расти со значения n = 0 (рисунок 2). При этом в якоре будет индуктироваться электродвижущая сила (э. д. с.) E_а ∼ n и, согласно выражениям (2) и (8), представленных в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», I_а и M, а также скорость нарастания n будут уменьшаться. Изменение этих величин при M_ст = const происходит по экспоненциальному закону.

Когда I_а достигнет значения I_{а мин} = (1,1 – 1,3) I_н, контакт П пускового реостата переведется на контакт 2. Вследствие уменьшения R_п ток I_а ввиду малой индуктивности цепи якоря почти мгновенно возрастет, M также увеличится, n будет расти быстрее и в результате увеличения E_а значения I_а и M снова будут уменьшаться (рисунок 2). Подобным же образом развивается процесс пуска при последовательном переключении реостата в положения 3, 4 и 5, после чего двигатель достигнет установившегося режима работы со значениями I_а и n, определяемыми условием M = M_ст [смотрите равенства (8) и (9), в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»].

При пуске на холостом ходу M_ст = M. Ток I_а = I_а0 в этом случае мал и составляет обычно 3 – 8 % от I_н.

Заштрихованные на рисунке 2 ординаты представляют собой, согласно выражению (2), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», значения избыточного, или динамического, момента

под воздействием которого происходит увеличение n.

Число ступеней пускового реостата и значения их сопротивлений рассчитываются таким образом, чтобы при надлежащих интервалах времени переключение ступеней максимальные и минимальные значения I_а на всех ступенях получилось одинаковыми.

По условиям нагрева ступени реостата рассчитываются на кратковременную работу под током.

Остановка двигателя производится путем его отключения от сети с помощью рубильника или другого выключателя. Схема рисунка 1 составлена так, чтобы при отключении двигателя цепь обмотки возбуждения не размыкалась, а оставалась замкнутой через якорь. При этом ток в обмотке возбуждения после отключения двигателя уменьшается до нуля не мгновенно, а с достаточно большой постоянной времени. Благодаря этому предотвращается индуктирование в обмотке возбуждения большой э. д. с. самоиндукции, которая может повредить изоляцию этой обмотки.

Применяются также несколько видоизмененные по сравнению с рисунком 1, а схемы пусковых реостатов, без контактной дуги д. Конец цепи возбуждения при этом можно присоединить, например, к контакту 2, и при работе двигателя последовательно с обмоткой возбуждения будут включены последние ступени реостата. Поскольку их сопротивление по сравнению с R_в = r_в + R_р.в мало, то это не оказывает большого влияния на работу двигателя.

Автоматизировать переключение пускового реостата неудобно. Поэтому в автоматизированных установках вместо пускового реостата используют пусковые сопротивления (рисунок 1, б), которые поочередно шунтируются контактами К1, К2, К3 автоматически работающих контакторов. Для упрощения схемы и уменьшения количества аппаратов число ступеней принимается минимальным (у двигателей малой мощности обычно 1 – 2 ступени).

Ни в коем случае нельзя допускать разрыва цепи параллельного возбуждения.

В этом случае поток возбуждения исчезает ни сразу, а поддерживается индуктируемыми в ярме вихревыми токами. Однако этот поток будет быстро уменьшаться и скорость n, согласно выражению (7), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», будет сильно увеличиваться («разнос» двигателя). При этом [смотрите равенство 8, в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»] ток якоря значительно возрастет и возникнет круговой огонь, вследствие чего возможно повреждение машины, и поэтому, в частности, в цепях возбуждения не ставят предохранителей и выключателей.

Выбор контроллера мотора

Контроллеры двигателей можно выбрать только после того, как вы выбрали свои двигатели, приводы. Кроме того, номинальный ток двигателя связан с крутящим моментом, который он может обеспечить. Так как маленький двигатель постоянного тока не потребляет много тока, но не может обеспечить большой крутящий момент. Тогда как большой двигатель может обеспечить более высокий крутящий момент, но для этого потребуется более высокий ток.

Управление двигателем постоянного тока

Первое соображение — это номинальное напряжение двигателя. Устройства управления электродвигателями постоянного тока обычно предлагают диапазон напряжения. Например, ваш двигатель работает с номиналом 3 В. Следовательно вам не следует выбирать контроллер двигателя, который может управлять двигателем только между 6 и 9 В. Это поможет вам исключить некоторые контроллеры двигателя из списка.

Итак, вы нашли ряд контроллеров, которые могут приводить в действие двигатель с соответствующим напряжением. Следующим соображением будет постоянный ток, который контроллер должен будет подавать. Вам нужно найти контроллер двигателя, который будет обеспечивать ток, равный или превышающий номинальный ток, потребляемый двигателем.

Если вы выберете контроллер двигателя 5А для двигателя 3A, то двигатели будут потреблять столько тока, сколько потребуется. С другой стороны, двигатель на 5А, скорее всего, выведет контроллер на 3A. Многие производители двигателей обеспечивают ток выключения двигателя постоянного тока. В результате это не дает вам четкого представления о контроллере двигателя, который вам понадобится. То есть вы не можете найти постоянный рабочий ток двигателя. В этом случае простым правилом является оценка постоянного тока двигателя примерно на 20-25% меньше тока останова.

Все контроллеры двигателя постоянного тока обеспечивают максимальный ток. Убедитесь, что этот показатель примерно в два раза выше, чем номинальный ток двигателя. Обратите внимание, что, когда двигателю требуется больше крутящего момента (например, движение вверх по склону), он требует большего тока. Выбор контроллера двигателя со встроенным охлаждением и тепловой защитой — очень хороший выбор. Еще одним важным соображением является метод управления.

ШИМ управление моторами

Устройства управления электродвигателями используют следующие методы:

• аналоговое напряжение
• I2C (интерфейсная шина IIC )
• PWM (широтно-импульсная модуляция — ШИМ)
• R / C (Radio Control, радиоуправление)
• UART (универсальный асинхронный приемопередатчик)

Если вы используете микроконтроллер, проверьте, какие типы соединений у вас имеются, и какие двигатели являются совместимыми для вас. Если ваш микроконтроллер имеет последовательные контакты, вы можете выбрать контроллер последовательного двигателя. Для PWM вам, вероятно, потребуется один канал PWM на двигатель.

Методы контроля

На практике остается выбрать какой контроллер двигателя нужен — одиночный или двойной. Двойной контроллер постоянного тока может управлять скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока независимо. Наконец часто экономит ваши деньги (и время).

Двигатели не обязательно должны быть идентичными. Хотя для мобильного робота приводные двигатели должны быть в большинстве случаев одинаковыми. Вам нужно выбирать двойной контроллер двигателя на основе более мощного двигателя постоянного тока.

Обратите внимание, что контроллеры двух двигателей имеют только одну входную мощность. Потому что если вы хотите контролировать один двигатель на 6 В, а другой на 12 В, это будет невозможно. Обратите внимание, что действующее напряжение всегда поддерживается на каждом канале. Стандартные сервомоторы предназначены для использования определенных напряжений для максимальной эффективности. Большинство из них работают от 4,8 В до 6 В, а их потребление тока аналогично, шаги для выбора несколько упрощены.

Тем не менее вы можете найти сервомотор, который работает при напряжении 12 В. При этом важно, чтобы были дополнительные сведения о контроллере, если ваш сервомотор не считается «стандартным». Также большинство хобби-сервомоторов используют стандартный сервопривод R / C. Это три провода, которые являются землей, напряжением и сигналом.

Теперь нужно выбрать метод управления. Некоторые контроллеры сервомоторов позволяют вам управлять положением сервопривода вручную с помощью набора кнопок / переключателей. Другие — с помощью команд UART (последовательных) или других средств. Определите количество сервоприводов, которые нужно контролировать.

Контроллеры могут управлять многими сервоприводами (обычно 8, 16, 32, 64 и выше). Вы, конечно же, можете выбрать контроллер серводвигателя, способный управлять большим количеством сервомеханизмов, чем вам потребуется. Как и контроллеры двигателя постоянного тока, метод управления является важным фактором.

Управление шаговым двигателем

Какой вы выбрали двигатель — однополюсный или двухполюсный? Выберите тип контроллера шагового двигателя соответственно, хотя почти все устройства управления электродвигателями могут управлять обоими типами. Количество проводов обычно помогает определить тип двигателя. Если двигатель имеет 4 провода, то он является двухполюсным. Если он имеет 6 или более контактов, то он является однополюсным. Выберите диапазон напряжения контроллера двигателя, чтобы он соответствовал номинальному напряжению вашего двигателя.

шаговый двигатель

Определите, сколько тока требуется для каждого мотора, и узнайте, сколько тока (на катушку) контроллер шагового двигателя может обеспечить. Если вы не можете найти ток катушки, то большинство производителей указывает сопротивление катушки, R. Используя Закон Ома (V = IR), вы можете рассчитать ток (I). Как и для контроллера двигателя постоянного тока, метод управления является важным фактором.

Управление линейным приводом

Линейные приводы имеют три основных метода управления: DC, R / C или обратная связь. Большинство линейных приводов постоянного тока используют редукторный двигатель постоянного тока. Поэтому обычно необходим контроллер постоянного тока.

Однако некоторые линейные приводы принимают сервопривод R / C, поэтому вы выбираете контроллер серводвигателя. Если управляемый R / C линейный привод работает с более высоким напряжением, чем диапазон контроллера, привод может включать в себя отдельные провода для более высокого требуемого напряжения питания.

линейный привод

Другие приводы — это многочисленные электромеханические устройства. Например, искусственные мышцы из проволоки или соленоиды также должны управляться с помощью контроллеров двигателей. Ниже приведены некоторые вопросы для того, чтобы определить, нужен ли вашему приводу контроллер двигателя.

• Более высокие требования к току: любое устройство, требующее более 0,1A, обычно нуждается в собственном контроллере.
• Более высокие требования к напряжению: если привод работает выше напряжения микроконтроллера (обычно 5 В или 3,3 В) он обычно не может быть напрямую подключен к микроконтроллеру.