Управление мощным двигателем постоянного тока – Системы «Импульсный преобразователь — двигатель постоянного тока». Импульсное управление двигателем постоянного тока.

Управление бесколлекторным двигателем по сигналам обратной ЭДС – понимание процесса

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем — понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.


Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.

Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина

Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.


                                                Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.


                                                       Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).


     Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.

Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.

Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.


      Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.


                                 Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).


                            Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение

Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.

Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.


      Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.

Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

 Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.








Плюс питанияМинус питанияОбмотка не подключена
WUV
WVU
UVW
UWV
VWU
VUW

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.
    Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).


                                    Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:


                                 Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности

Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.

Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.

На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.


                                       а.                                                                                              б.
                                      Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.


                                       а.                                                                                              б.
                     Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.

На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.


        Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.

Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.


        Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя

Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.

Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:

      1. По датчикам Холла

      2. По обратной ЭДС

Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.

Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла

Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.

Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.


                                Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.

Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

 Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.








Положение двигателяHU(1)HV(2)HW(3)UVW
00010+

101+0

100+0

1100+

010+0
360/N0110+

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).
                                                        Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС

Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).


                                                 Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:

   1. Обмотка подключена к 0

   2. Обмотка не подключена (свободная фаза)

   3. Обмотка подключена к питающему напряжению

   4. Обмотка не подключена (свободная фаза)

Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).


                            Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

 Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя








Текущее состояниеUVWСледующее состояние
1Ожидание пересечения средней точки из + в —+2
2Ожидание пересечения средней точки из — в ++3
3+Ожидание пересечения средней точки из + в —4
4+Ожидание пересечения средней точки из — в +5
5Ожидание пересечения средней точки из + в —+6
6+Ожидание пересечения средней точки из — в +1

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.
                                            Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя

Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.


                                        Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).


                                                   Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.
                                            Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой


                                                      Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:


                                          Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.

После прохождения сигнала через фильтр колебания сглаживается и получается ровное напряжение относительно которого можно детектировать пересечение обратной ЭДС.


                                       Рисунок 26. Напряжение после делителя и фильтра низких частот.

Средняя точка будет менять свое значение в зависимости от напряжения (скважности ШИМ), так же как и огибающая сигнала.

                               

Полученные сигналы с компараторов заводятся на микроконтроллер, который их обрабатывает по алгоритму выше.

Пока на этом все.

habr.com

Самые простые схемы управления вращением двигателя постоянного тока

Электрика для начинающих

Начинающим радиолюбителям наверняка интересен вопрос изоляции транзистора (одного или группы) на радиаторе. Если рассматривать

Интересное

Для изготовления приспособления, которое позволит бесконтактно включать и выключать свет в комнате, потребуется не

Своими руками

                Карманный автономный паяльник, работающий от одной литий ионной батарее,  удобное решение, как говорится,

Мужик в доме

Содержание1 Двигаемся навстречу воде 2 Рециркуляция 3 Высокое давление в скважине 4 Тандем водокачек

Аккумуляторы и батареи

Всем привет, мы давно не делали индикаторы разряда автомобильного аккумулятора. Но в этой статье

Аккумуляторы и батареи

Содержание1 Вариант 12 Вариант 23 Вариант 34 Итог Многие самодельные блоки имеют такой недостаток,

volt-index.ru

Устройство управления двигателем постоянного тока

Читать все новости

При включении и выключении двигателей постоянного тока (ДПТ), работающих в паре с пластмассовыми редукторами, возникает удар, который постепенно разрушает редуктор. Предлагаемое устройство позволяет плавно подавать и снимать нагрузку с редуктора, и может быть использовано для регулировки скорости в ДПТ, плавного пуска и остановки ДПТ, например, при закрытии/открытии жалюзи, подъема/опускания ролетов и в других т.п. устройствах.

Детский электрический автомобиль

Устройство разработано для детских электрических автомобилей с питанием от аккумуляторной батареи 6 В 10 А*ч. Автомобиль управляется по радиоканалу с пульта управления, находящимся в руках родителя, идущего рядом с автомобилем. Для того чтобы маленькие дети не пугались при движении с большой скоростью, устройство снабжено переключателем скоростей. Поскольку в устройстве применено питание двигателя импульсами ШИМ, то скорости переключаются подачей на ДПТ импульсов с заполнением 50%, 60%, 80% и 100%.

Алгоритм работы

Предлагаемое устройство разрабатывалось с условием минимального изменения в электрической схеме автомобиля.

Устройство разработано на микроконтроллере РIС16F676. Алгоритм работы программы микроконтроллера показан на рис.1. После пуска и инициализации микроконтроллера определяется установленная скорость и включается флаг выбранной скорости. Далее определяется направление движения: прямой ход, реверсивный ход, либо отсутствие движения — стоп, и устанавливаются соответствующие флаги направления.

Рис. 1

Если направление движения не выбрано, то сигнала «Пуск» нет, и программа переходит на ожидание прерывания. Если «Пуск» включен, то по флагу определяется направление движения и отрабатывается прямой ход или обратный.

Длительность управляющего импульса пуска при прямом и обратном ходе формируется одинаково, но на разные выходы. Один выход, который включает «земляной» провод двигателя, включается сразу, а на втором выходе длительность импульса включения увеличивается после каждого прерывания. Чем большее число прерываний произошло с момента начала пуска, тем на большее значение увеличивается длительность импульса.

Реализовано это с помощью подпрограммы задержки 37 мкс, умноженное на число регистра «сек», имеющего переменное значение, и изменяющееся после каждого прерывания. Прерывание по переполнению таймера ТМR0 происходит через 4 мс, делится делителем на 10 и увеличивает счетчик «сек». Таким образом, счетчик «сек» увеличивается на единицу через 40 мс. Значение этого счетчика при пуске выбрано равным 55, но может быть изменено пользователем в любую сторону. При данном значении счетчика «сек» время пуска равно 2,25 с, а длительность импульса плавно увеличивается до 75% полной мощности двигателя.

После отработки части пуска ожидается прерывание, и, если пуск еще не завершен, программа возвращается на определение скорости и направления. Если пуск выполнен, то программа отрабатывает выбранную скорость с частотой ШИМ, равной 125 Гц. Отработка скорости выполняется аналогично отработке пуска, но с постоянным временем задержки. Но если при пуске время задержки увеличивает длительность выходного импульса, то при работе время задержки определяет длительность паузы. Это необходимо для того, чтобы при отработке «стопа» еще больше увеличивать время паузы, сокращая таким образом длительность выходного импульса.

Если включен флаг «стопа», то при прерывании изменяются значения делителей. Делитель на 10 становится делителем на 1, а значение регистра «сек» может принимать значение либо 50, либо 70. Это зависит от включенного флага скорости. При скорости 50% регистр «сек» принимает значение 50, так как при больших значениях происходит перерегулировка и длительность паузы становится больше длительности импульса работы. При этом вместо того, чтобы уменьшать значение длительности импульса, она начинает возрастать. При таких значениях регистра «сек» время остановки двигателя равно 0,2 с (оно может быть изменено пользователем в любую сторону уменьшением или увеличением до 255 значения регистра «сек»), а длительность выходного импульса плавно уменьшается до нуля.

После отработки длительности импульса скорости или стопа программа повторяется с определения скорости.

Работа устройства

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис.2. Выходы микроконтроллера DD1 RC0-RC3 управляют ключами VT1-VT4, которые открывают полевые транзисторы VT5-VT8, подающие напряжение в необходимой полярности на двигатель постоянного тока М1. На входы RA4, RA5 ИМС DD1 через переключатели SA1, SA2 подается лог. «0», определяя выбранную скорость. Программно входы RA4, RA5 подтянуты внутренними резисторами микроконтроллера к плюсу питания. Значения выбранных скоростей в зависимости от состояния входов приведены слева внизу на рис.2.

Рис. 2

На входы RC4, RC5 также подается напряжение от БУ автомобиля, определяя выбранное направление движения. Поскольку при полностью заряженной аккумуляторной батарее (АКБ) автомобиля напряжение на ней превышает максимально допустимое для входов микроконтроллера, то установлены делители напряжения R2, R9 и R3, R8.

Вначале был изготовлен вариант устройства с питанием от АКБ автомобиля, но при уменьшении напряжения на АКБ вследствие ее разряда полевые транзисторы открывались не полностью, и их внутреннее сопротивление увеличивалось. Увеличивалось и падение напряжения на транзисторах, и они грелись. Поэтому для питания микроконтроллера и ключевых транзисторов была установлена дополнительная батарея GB1 с напряжением 9 В. Стабилизатор напряжения DA1 необходим только для питания ИМС микроконтроллера DD1. Потребляемый ток от батареи GB1 составляет 15…25 мА. Меньшее потребление тока будет при максимальной скорости вращения двигателя.

Конструкция и детали

Схема подключения устройства в сеть автомобиля показана на рис.3. Пунктиром показано штатное соединение. Под сиденьем автомобиля имеется ниша для второго АКБ и много свободно го места. Сняв сиденье и крышку ниши АКБ, увидите пару проводов, идущих от АКБ, и пару прово­дов, идущих к двигателю. Один провод, как правило, черный — «минусовой», а второй провод — красный (может быть и желтым, белым) — «плюсо­вой». В назначении проводов можно убедиться, по­смотрев на клеммы АКБ. Провод, идущий от БУ к двигателю, необходимо отпаять от двигателя и припаять к плате. Поскольку провод толстый, то лучше предварительно припаять к нему тонкие провода, которые легко паять к плате. Провода пи­тания, идущие от АКБ к плате и от платы на двига­тель, необходимо брать сечением не менее 1 мм2. Выключатель напряжения SA3 лучше установить на крышке ниши АКБ под сиденьем или сзади корпу­са автомобиля. Разводку 9 В питания можно выпол­нить любым монтажным проводом. Батарею GB1 и плату можно закрепить в любом удобном месте.

Рис. 3

Печатная плата устройства и схема расположения элементов показаны на рис.4 и рис.5 соответственно.

Рис. 4

Рис. 5

МОSFЕТ-транзисторы \/Т5-\/Т8 могут быть любыми импортными с буквенным индексом L, с током стока не менее 10 А или отечественные с аналогичными параметрами. Чем больше допустимый

ток стока, тем меньших размеров нужен радиатор для транзистора. При 10-кратном запасе по току, радиатор может вообще не понадобиться. Конечно, это при условии, что транзистор открывается полностью. Большую нагрузку испытывают транзисторы, работающие в ключевом режиме, т.е. VT7, VТ8.

Транзисторы VT1-VT4 могут быть любыми структуры n-р-n. Переключатели скоростей SА1, SА2 лучше заменить одним движковым и установить его на передней панели автомобиля. В качестве батареи GB1 лучше применить 2 батареи типа 3R12, которых хватит на весь сезон.

Работа с устройством

Перед подачей напряжения на БУ автомобиля, необходимо подать напряжение на плату устройства. Напряжение питания 6 В и 9 В на плату должно подаваться одновременно. При движении вперед и переключении назад сначала отрабатывается время стопа, затем время пуска в выбранном направлении. При выключении движения отрабатывается время стопа, а при включении — время пуска.

Скачать файлы abtou.asm и abtou.hex, а также печатная плата в формате .lay

Автор:   Николай Заец, г. Азов, Ростовской обл.

Источник: Радиоаматор №5,  2015

Возможно, Вам это будет интересно:

meandr.org

Управление мотором постоянного тока с помощью одного транзистора [Амперка / Вики]

В данной статье рассматривается наиболее простой способ подключения мотора постоянного тока к Arduino.

Введение

Моторы постоянного тока нельзя подключать напрямую к Arduino. Это обусловлено тем, что пины не способны выдавать ток более 40 мА. Мотору же, в зависимости от нагрузки, необходимо несколько сотен миллиампер. Потому возникает потребность увеличения мощности. Делается это, как-правило, с помощью транзисторов.

В статье «Транзисторы» можно ознакомиться с основными типами транзисторов и их принципами работы.

Так же рекомендуется посмотреть: Видеоуроки по Arduino, 5-я серия — Моторы и транзисторы. В данном уроке Джереми Блюм рассказывает о подключении мотора постоянного тока к Arduino через биполярный транзистор.

Необходимые компоненты

Мы рассмотрим вариант взаимодействия с полевым транзистором. Принципы подключения мотора будут разобраны на конкретном железе: DC-мотор, плата Arduino, N-канальный полевой транзистор, резистор на 10 кОм (R1), резистор на 220 Ом (R2).

Вы же в своих экспериментах вольны использовать то, что есть в наличии. Важны лишь 3 условия:

  • Максимальный ток потребления мотора (ток при блокировке) не должен превышать максимальный ток стока полевого транзистора.

  • Затвор транзистора должен отпираться при напряжении 5 В.

  • Транзистор должен обладать встроенным диодом обратной цепи (flyback диод).

Схема подключения

По-сути, обмотка мотора представляет собой катушку индуктивности. В момент подачи напряжения возникнет обратная электродвижущая сила, которая может вывести из строя транзистор. Flyback диод устанавливается в обратном направлении и предотвращает утечку тока с мотора на транзистор. Поэтому, если в транзисторе нет flyback диода, его необходимо установить дополнительно: анод на исток, катод на сток.

Транзистор IRF530N является мощным и поставляется в корпусе TO-220. Ниже приведена его распиновка.

В данной схеме транзистор будет работать в ключевом режиме: по одной команде (установка уровня HIGH на затворе) от Arduino транзистор будет подключать мотор к источнику питания (отпираться), по другой команде (установка уровня LOW на затворе) — отключать мотор от источника питания.

Резистор R1 подтягивает к земле затвор транзистора. Номинал не принципиален — можно использовать любые резисторы в диапазоне от 1 до 10 кОм.
Резистор R2 служит для защиты пина микроконтроллера. Диапазон, примерно, от 10 до 500 Ом.

Чтобы запитать данную схему, можно подключить к Arduino внешний источник питания на 6-9 В, либо подать питание непосредственно на макетную плату ( синяя шина — минус, красная шина — плюс).

Программинг

Для наибольшей простоты воспользуемся, пожалуй, самым известным скетчем из готовых примеров — Blink.

Blink.ino
int led = 13;
 
 
void setup() 
{                
  // Инициализация цифрового пина 13 на вывод
  pinMode(led, OUTPUT);     
}
 
 
void loop()
{
  digitalWrite(led, HIGH);   // Включение светодиода и мотора
  delay(1000);               // Задержка на 1 секунду
  digitalWrite(led, LOW);    // Выключение светодиода и мотора
  delay(1000);               // Задержка на 1 секунду
}

Посмотрим, что получилось.

Цифровой пин 13 раз в секунду меняет своё состояние. Когда на выходе устанавливается значение HIGH — загорается светодиод и начинает вращаться мотор. Когда устанавливается LOW — светодиод гаснет, а мотор останавливается.

Результаты

Была получена возможность подключать к выводам Arduino мощные устройства, в частности, моторы постоянного тока.

Использование ШИМ для регулировки скорости мотора

Если мотором управлять ничуть не сложнее, чем светодиодом, то, наверное можно изменять яркость скорость вращения мотора точно так же, как при работе со светодиодами? Именно так! С точки зрения Arduino абсолютно не важно с чем мы имеем дело.

Как вы уже, наверно, могли догадаться, для изменения скорости вращения мотора нам понадобится скетч Fade.

Fade.ino
int led = 9;           // Пин, к которому подключён затвор транзистора
int brightness = 0;    // Теперь эта переменная отвечает за скорость вращения
int fadeAmount = 5;    // Шаг изменения скорости
 
void setup()
{ 
  // Настраиваем цифровой пин 9 на вывод
  pinMode(led, OUTPUT);
} 
 
void loop()
{ 
  // Устанавливаем скорость вращения мотора
  analogWrite(led, brightness);    
 
  // Увеличиваем текущее значение скорости вращения
  brightness = brightness + fadeAmount;
 
  // Когда скорость становится максимальной/минимальной — начинаем её снижать/повышать 
  if (brightness == 0 || brightness == 255)
  {
    fadeAmount = -fadeAmount ; 
  }     
  // Пауза 30 миллисекунд    
  delay(30);                            
}

Схема подключения

Чтобы использовать возможности функции analogWrite(..), нам придётся перейти на один из пинов (3/5/6/9/10/11), поддерживающих аппаратный ШИМ. Поскольку, по умолчанию, в скетче Fade задействован 9-й пин, остановим свой выбор на нём.

Результат

Была получена возможность изменять скорость вращения мотора, используя аппаратный ШИМ Arduino.

На чём данная статья подходит к завершению. Теперь вы смело можете использовать моторы постоянного тока в своих проектах!

wiki.amperka.ru

Транзисторное управление двигателями в схемах на микроконтроллере

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

Системы «Импульсный преобразователь — двигатель постоянного тока». Импульсное управление двигателем постоянного тока.

Суть его заключается в том, что частоту вращения двигателя регулируют не величиной постоянно подводимого напряжения, а длительностью питания двигателя номинальным напряжением. Одна из возможных схем импульсного управления приведена на рис. 2.7,а. Там же (рис. 2.7,б) показаны графики скорости при различных t.

В период, когда электронный ключ открыт, питающее напряжение полностью подается на двигатель, ток якоря увеличивается, двигатель развивает положительный момент и частота вращения возрастает; когда электронный ключ закрыт, ток под действием запаса электромагнитной энергии продолжает протекать в том же направлении но через обратный диод. При этом он уменьшается, момент двигателя уменьшается, угловая скорость вращения падает.

 

 

 

Рис. 2.7. Схема импульсного управления (а), графики скорости вращения (б) при разных τ. (τ2 > τ1)

 

Система «Тиристорный преобразователь — двигатель переменного тока». Тиристорные регуляторы напряжения.

Скорость асинхронного двигателя можно регулировать измене­нием напряжения, подводимого к статору, при этом частота на­пряжения на двигателе не изменяется и равна стандартной часто­те сети 50 Гц.

Для регулирования напряжения на статоре АД в настоящее время наибольшее распространение получили тиристорные регу­ляторы напряжения (ТРН), которые обладают большим быстро­действием, высоким КПД, небольшой стоимостью, простотой обслуживания. Трехфазная схема ТРН для регулирования напря­жения на статоре АД, построенная на основе однофазных схем ТРН представлена на рис. 6.1, а. Она состоит из шести тиристоров VS1…VS6. В каждую фазу трехфазного ТРН включаются два тири­стора по встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает про­текание тока в нагрузке в оба полупериода напряжения сетиU1. Тиристоры получают импульсы управления Ua от системы импульсно-фазового управления (СИФУ), которая обеспечивает их сдвиг на угол управления а в функции внешнего сигнала Uу Изменяя угол управления а от 0 до 180°, можно регулировать напряжение на статоре от полного напряжения сети U1 до нуля.

Регулирование напряже­ния на статоре не приводит к изменению скорости холостого хода w0 и не влияет на критическое скольжениеSК, но существенно изменяет значение критического (максимального) моментаМк. Это связано с тем, что критический момент асинхронного электро­двигателя пропорционален квадрату напряжения: Мк ~ U^2.

 

Принципы построения систем подчинённого управления. Функциональная схема. Структурная схема.


Варианты оптимизации контура регулирования тока в системах подчинённого управления.

Последовательная оптимизация контуров управления

Ограничение координат в системах подчинённого управления. Задатчик интенсивности.

Оптимизация контура регулирования скорости в системах подчинённого управления.

cyberpedia.su