Как происходит управление двигателем постоянного тока. Типовые схемы управления электроприводами с двигателями постоянного и переменного токов Управление двигателем постоянного тока на микроконтроллере

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.

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 двигателя	HU(1)	HV(2)	HW(3)	U	V	W
0	0	0	1	0	-	+
	1	0	1	+	-	0
	1	0	0	+	0	-
	1	1	0	0	+	-
	0	1	0	-	+	0
360/N	0	1	1	-	0	+

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 состояние	U	V	W	Следующее состояние
1	-		+	2
2		-	+	3
3	+	-	Ожидание пересечения средней точки из + в -	4
4	+	Ожидание пересечения средней точки из - в +	-	5
5	Ожидание 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.

Там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента электромотора в широких пределах, необходима схема управления двигателем постоянного тока

Сегодня получили распространение две основные схемы управления электродвигателем такого типа: преобразователь-двигатель (тиристорный ТП-Д и транзисторный ТрП-Д варианты) и генератор-двигатель (Г-Д).

В обоих случаях управление моментом и угловой скоростью по направлению и абсолютному значению происходит с помощью регулирования приложеной разности потенциалов к якорю электродвигателя. Напряжение на якоре двигателяв системе Г-Д настраивают изменением силы тока в обмотке возбуждения генератора Iвг. Для этой цели в роли возбудителя генератора используют силовые магнитные усилители, тиристорные или транзисторные преобразователи. В системах ТП-Д U якоря изменяют методом фазового управления коммутацией тиристоров, а в системах ТрП-Д регулируют скважность питающего U пит, то есть с помощью способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Основой транзисторных схем является широтно-импульсный преобразователь (ШИП), состоящий из четырех IGBT транзисторов. В диагональ такого IGBT моста подсоединена нагрузка, то есть якорь двигателя. Запитан ШИП от источника постоянного тока.

Существует несколько способов управления ШИП преобразователем по цепи якоря. Самый простой из них – это симметричный метод. При таком управлении в состоянии переключения находятся все четыре IGBT, и на выходе ШИП мы наблюдаем знакопеременные импульсы, длительность которых настраивается входным сигналом. Сам принцип переключения показан на следующем рисунке. Достоинством симметричного метода является его простота, но двухполярное U на двигателе, вызывающее токовые пульсации в якоре, является серьезным минусом. На практике, такие схемы с симметричным управлением используются в основном для управления маломощными двигателями.

Несимметричный способ управления является более совершенным. Он обеспечивает на выходе преобразователя однополярное U вых. Поэтому, в соответствии со схемой выше, переключаются два транзистора Т3 и Т4, при этом Т1 постоянно открыт, а Т2 наоборот закрыт. Для того, чтобы U среднее на выходе преобразователя было нулевым, необходимо чтобы нижний переключающийся транзистор был закрыт. Такой подход тоже не совсем верен, т.к верхние ключи загружены по гораздо больше, чем нижние. При больших нагрузках это может привести к перегреву и повреждению схемы.

Но и с этим недостатком справились, придумав метод поочередного управления двигателем постоянного тока. Здесь как при движении в любую сторонубудут переключаться все ключи. Обязательным условием работы схемы является нахождение в противофазе управляющих напруг IGBT Т1 и Т2 для одной группы и Т3 и Т4 для другой.

В основе этой радиолюбительской разработки лежит принцип работы следящего привода с одноконтурной системой регулирования. Схема управления двигателем постоянного тока состоит из следующих основных частей: - СИФУ - Регулятор - Защита

СИФУ - Система Импульсно Фазового Управления осуществляет синусоидальное преобразование напряжения сети в последовательность прямоугольных импульсов, следующих на регулирующие выводы силовых тиристоров. При включении схемы переменное напряжение номиналом 14 - 16 вольт проходит на мостовой выпрямитель и преобразуется в пульсирующее, служащее не только для питания конструкции, но и для синхронизации работы устройства. Диод D2 не дает сглаживать импульсы емкости С1. Затем импульсы следуют на «детектор нуля» выполненный на операционном усилителе LM324 элементе DA1.1, включенного в режиме компаратора. Пока импульсы отсутствуют, напряжения на прямом и инверсном входах ОУ примерно одинаковые и компаратор сбалансирован.

При прохождении синусойды через точку нуля, на инверсном входе компаратора появляются импульсы, переключающие компаратор, в результате чего на выходе DA1.1 генерируются прямоугольные синхроимпульсы, период следования которых зависит от точки нуля. Посмотрите на осциллограммы, чтоб понять принцип работы. Сверху вниз: КТ1, КТ2, КТ3.

Управление двигателем постоянного тока схема была промоделирована в программе . В архиве с полным вариантом рассматриваемой конструкции имеется файл проекта для этой программы. Можно его открыть и наглядно посмотреть как работает данный узел, а соответственно сделать окончательные выводы об управление двигателем постоянного тока, до начала сборки радиолюбительской самоделки.

Вернемся к работе - синхроимпульсы следуют на интегратор с транзисторным ключом (С4, Q1), где и генерируется пилообразное U. В момент прохождения фазы через точку нуля синхроимпульс отпирает первый транзистор, который разряжает емкость С4. После спада импульса транзистор запирается и осуществляется заряд емкости до прихода следующего синхроимпульса, в результате чего на коллекторе транзистора (осциллограмма КТ4) образуется линейно нарастающее пилообразное напряжение, стабилизированное генератором стабильного тока на униполярном транзисторе T1.

Амплитуда пилообразного напряжения около 9 вольт задается подстроечным сопротивлением RP1. Эта напруга прикладывается к прямому входу компаратора DA1.2. Напряжение задания следует на инверсный вход компаратора DA1.2 и в момент времени, когда амплитуда пилообразного напряжения превышает величину напряжения на инверсном входе, компаратор перебрасывается в противоположное состояние и на его выходе генерируется импульс (осциллограмма КТ4).

Импульс дифференцируется через цепочку пассивных радиокомпонентов R14, C6 и следует на базу второго биполярного транзистора, который благодаря этому открывается и на импульсном трансформаторе образуются импульсы открытия силовых тиристоров. Увеличивая или уменьшая U задания, можно регулировать скважность импульсов в КТ5.

Но никаких импульсов на осциллограмме КТ5 мы не увидим, пока не нажмем тумблер S1. Когда он не нажат, напряжение питания +12в через фронтовые контакты S1 через R12, D3 следует на инверсный вход DA1.2. Так как это U выше U пилы, компаратор закрывается, и импульсы открывающие тиристоры не генерируются.

Для предотвращения аварийных ситуаций и поломки электродвигателя, в случае если не выставлен на «0» регулятор оборотов, в схеме имеется узел разгона на элементах C5, R13 предназначенный для плавного разгона двигателя.

При нажатии тумблера S1 контакты размыкаются и емкость С5 начинает плавно заряжаться, а напряжение на отрицательной обкладке конденсатора приближается к нулю. Напряжение на инвертирующем входе DA1.2 возрастает до величины напряжения задания, и компаратор начинает генерировать импульсы для открытия силовых тиристоров. Время заряда определяется радиокомпонентами C5, R13.

Если в процессе работы двигателя понадобится отрегулировать его обороты в схему добавлен узел разгона и торможения R21, C8, R22. При увеличении или уменьшении напряжения задания, емкость С8 плавно заряжается или разряжается, что исключает резкий «наброс» напряжения на инверсном входе и как следствие исключает резкий бросок оборотов двигателя.

Регулятор применяется для поддержания постоянных оборотов в зоне регулирования. Регулятор выполнен на основе дифференциального усилителя с суммированием двух напряжений: задания и обратной связи. Напряжение задания формируется сопротивлением RP1 и следует через фильтр на компонентах R20, C8, R21, выполняющий функции узла разгона и торможения, поступает на инверсный вход DA1.3. С ростом напряжения задания на выходе DA1.3 линейно снижается U вых.

Выходное напряжение регулятора следует на инверсный вход компаратора СИФУ DA1.2 где, суммируясь с импульсами "пилы", превращается в серию прямоугольных импульсов следующих на электроды тиристоров. При увеличении или уменьшении напряжения задания увеличивается или уменьшается и выходное напряжение на выходе силового узла. На графике отображена зависимость оборотов двигателя от напряжения задания.

Делитель напряжения на резисторах R22, R23 подсоединенный на прямой вход регулятора DA1.3 предназначен для исключения аварийной ситуации при обрыве обратной связи.

При включении привода, тахогенератор генерирует напряжение, пропорциональное оборотам электромотора. Это напряжение идет на вход прецизионного детектора DA1.4, DA2.1 построенного по классической двухполупериодной схеме. С его выхода напряжение следует через фильтр на пассивных компонентах C10, R30, R33 на масштабирующий усилитель ОС DA2.2. Усилитель используется для подгонки напряжения ОС идущего с тахогенератора. Напряжение с выхода DA2.2 попадает на вход DA1.3 и на схему защиты DA2.3.

Сопротивлением RP1 генерируются обороты электродвигателя. При работе без нагрузки, U вых масштабирующего усилителя меньше напряжения на шестом выводе DA1.3, поэтому привод работает как регулятор.

С возрастанием нагрузки на валу, снижается напряжение, снимаемое с тахогенератора и в результате снижается напряжение с выхода, масштабирующего усилителя. Когда этот уровень будет меньше чем на ноге 5 ОУ DA1.3 привод войдет в зону стабилизации тока. Снижение напряжения на неинвертирующем входе DA1.3 снизит напряжения на его выходе, а так как он работает на инвертирующий усилитель DA1.2, это увеличит угол открытия тиристоров и, следовательно, к возрастанию уровня на якоре электродвигателя.

Защита от превышения оборотов собрана на операционном усилителе DА2.3, включенного как компаратор. На его инверсный вход поступает опорное напряжение с делителя R36, R37, RP3. Сопротивлением RP3 регулируется уровень срабатывания защиты. Напряжение с выхода усилителя DA2.2 идет на прямой вход DA2.3.

При превышении оборотов выше номинальных, на прямом входе компаратора превышается порог уставки защиты, определяемой сопротивлением RP3 и компаратор переключиться.

Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи R38 приводит к «защелкиванию» компаратора, а диод VD12 не дает сбросится компаратору. При срабатывании защиты, с выхода компаратора через диод VD14 следует на инверсный вход 13 DA1.2 СИФУ, а так как напряжение защиты выше уровня «пилы» произойдет мгновенный запрет выдачи управляющих импульсов на электроды силовых тиристоров.

Напряжение с выхода компаратора защиты DA2.3 отпирает транзистор VT4, из-за чего включается реле Р1.1 и загорается светодиод сигнализирующий об аварии. Снять защиту получится если полностью отключить привод, и, выдержав паузу в 5 - 10 секунд вновь подать на него питание.

Схема управления, а точнее силовая часть управляющего блока представлена на рисунке ниже:

Трансформатор Tr1 используется для питания схемы блока управления. Выпрямитель собран по полумостовой схеме и включает два силовых диода D1,D2 и два силовых тиристора Т1, Т2, а также защитный диод D3. Обмотка возбуждения питается от своего отдельного трансформатора и выпрямителя. Если на двигателе нет тахогенератора, то ОС, для контроля оборотов, можно реализовать следующим образом:

Если применяется токовый трансформатор, то перемычку P1 на схеме блока управления двигателем постоянного тока нужно установить в положение 1-3.

Еще можно применить датчик якорного напряжения:

Датчик якорного напряжения это фильтр – делитель подсоединенный непосредственно к клеммам якоря. Настройка привода осуществляется следующим образом. Сопротивления "Задание" и "Масштабирование Uoc" выкручиваются в среднее положение. Сопротивление R5 датчика якорного напряжения выкручивается на минимум. Включаем привод и выставляем напругу на якоре около 110 вольт. Измеряя напряжение на якоре, начинаем вращать сопротивление R5. В определенный момент изменения, напряжение на якоре начнет падать, это говорит о том, что сработала ОС.

Чертеж печатной платы управления двигателем постоянного тока выполнен в программе и вы легко сможете изготовить печатную плату своими руками методом

Управление двигателем настройка конструкции: начнем с проверки напряжений питания на операционном усилителе DA1, DA2. Микросхемы рекомендуется устанавливать в панельки. Затем проверяем осциллограммы в контрольных точках КТ1, КТ2, КТ3. В точке КТ4. мы должны увидеть пилообразные импульсы, при разомкнутой кнопке.

Подстроечным сопротивлением RP1 выставляем размах «пилы» около 9 вольт. В контрольной точке КТ3 длительность импульса около 1.5 - 1.8ms, если мы этого не видем, то уменьшением сопротивления R4 добиваемся требуемой длительности.

Вращая рычаг RR1 схемы управления двигателем в контрольной точке КТ5 контролируем изменение скважности импульсов от максимума до полного их исчезновения при минимальном сопротивлении RR1. При этом должна изменятся яркость лампочки подключенной к силовому блоку которую мы подключили в качестве нагрузки.

Затем подсоеденяем блок управления к двигателю и тахогенератору. Устанавливаем регулятором RR1 напругу на якоре 40-50 вольт. Сопротивление RP3 должен быть в среднем положение. Измеряя напругу на якоре двигателя, вращаем сопротивление RP3. В определенный момент настройки U на якоре начнет падать, это говорит о том, что сработала обратная связь.

Если используется обратная связь в схеме управления двигателем по току якоря требуется токовый трансформатор, включенный в цепь питания выпрямителя. Схема калибровки трансформатора тока рассмотрена ниже. Подбором сопротивления получить на выходе трансформатора переменное напряжение 2 ÷ 2.5v. Мощность нагрузки RN1 должна равняться мощности двигателя

Помните, что токовый трансформатор без нагрузочного резистора включать не рекомендуется.

Подключаем трансформатор тока к цепи ОС P1 и P2. На время регулировки рекомендуется выпаять диод D12, чтобы не было ложного срабатывания защиты. Осциллограммы в контрольных точках КТ8, КТ9, КТ10 показаны на рисунке ниже.

Дальнейшая регулировка такая же как и в случае с использования тахогенератора.

Данный блок управление двигателем постоянного тока изготавливался своими рукми для расточного станка. Фотографии смотри в архиве по зеленой ссылке выше.

Схема показанная на рисунке ниже способна запускать вращение "L в обоих направлениях, как вперед, так и назад. При разомкнутых контактах переключателей, напряжение на обеих клеммах одинаковое, поэтому он не будет вращаться, тоже самое произойдет если нажать одновременно кнопки.

В настоящее время двигатели постоянного тока нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Двигатели постоянного тока используются там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента в широких пределах. В этой статье я расскажу о создании блока управления для двигателя постоянного тока, который позволял бы изменять частоту вращения вала двигателя и стабилизировал обороты на определенном уровне, вне зависимости от нагрузки на валу двигателя.
В основе разработки положен принцип работы следящего привода с одноконтурной системой регулирования.
Блок управления состоит из следующих узлов:
- СИФУ (Система Импульсно - Фазового Управления)
- Регулятор
- Защита
Принципиальная схема привода приведена ниже.

Крупнее
Рассмотрим схему поподробнее.
Итак, СИФУ (Система Импульсно - Фазового Управления) - преобразует синусоидальное напряжение сети в серию прямоугольных импульсов, идущих на управляющие электроды силовых тиристоров. При включении блока управления переменное напряжение величиной 14-16в поступает на мостовой выпрямитель D1, где преобразуется в пульсирующее напряжение, служащее не только для питания схемы, но и для синхронизации работы привода. Диод D2 препятствует сглаживанию импульсов конденсатором С1. Далее импульсы поступают на «детектор нуля» - DA1.1, собранного на одном ОУ микросхемы LM324, работающего в режиме компаратора. Пока нет импульса, напряжения на прямом и инверсном входах примерно равны и компаратор находиться в сбалансированном состоянии. При прохождении фазы через «0», на инверсном входе компаратора DA1.1 играющего роль «детектора нуля» появляются импульсы, переключающие компаратор, в результате чего на выходе DA1.1 вырабатываются прямоугольные синхроимпульсы, период следования которых жестко привязан к похождению фазы через «0».
Ниже представлены осциллограммы, поясняющие принцип работы.


Сверху вниз: КТ1, КТ2, КТ3.
Схема была просимулированна в программе Multisim 11. Вот файл проекта . Можно скачать, запустить и посмотреть как работает данный узел.
Далее синхроимпульсы поступают на интегратор с транзисторным ключом (С4, Q1), где и вырабатывается пилообразное напряжение. В момент прохождения фазы через «0» синхроимпульс открывает транзистор Q1, который разряжает конденсатор С4. После спада импульса транзистор закрывается и происходит заряд конденсатора до прихода следующего синхроимпульса, в результате чего на коллекторе Q1 (осцил. КТ4). формируется линейно нарастающее пилообразное напряжение, стабилизированное генератором стабильного тока выполненного на полевом транзисторе T1. Амплитуда „пилы“ равное 9в выставляется подстроечным резистором RP1. Напряжение „пилы“ поступает на прямой вход компаратора DA1.2.
Напряжение задания поступает на инверсный вход компаратора DA1.2 и в момент, когда пилообразное напряжение превышает величину напряжения на инверсном входе компаратора, компаратор переключиться и на выходе компаратора формируется импульс (осцил. КТ4). Импульс дифференцируется через цепочку R14, C6 и поступает на базу транзистора Q2. Транзистор открывается и на импульсном трансформаторе Tr1 формируются импульсы открытия силовых тиристоров. Увеличивая (уменьшая) напряжение задания, меняется скважность импульсов в КТ5.
Вот осциллограммы.


Но никаких импульсов в КТ5 мы не увидим до тех пор, пока не нажмем кнопку „Пуск“ - S1. Когда кнопка не нажата, напряжение питания +12в через нормально замкнутые контакты S1 по цепочке R12, D3 поступает на инверсный вход DA1.2 и равно около 11в. Так как это напряжение превышает напряжение „пилы“ равное 9в, компаратор запирается, и управляющие импульсы открытия тиристоров не формируются. Для предотвращения аварии и выхода из строя двигателя, в случае если оператор не вывел на «0» регулятор оборотов, в схеме предусмотрен узел разгона C5, R13 служащий для плавного разгона двигателя. В режиме «Пуск», схема работает следующим образом: при нажатии кнопки «Пуск» нормально закрытые контакты размыкаются и конденсатор С5 по цепочке - «земля», R13, - С5 начинает плавно заряжаться и напряжение на отрицательной обкладке конденсатора плавно стремиться к нулю. Одновременно, напряжение на инвертирующем входе DA1.2 плавно возрастает до величины, определяемой напряжением задания, и компаратор начинает вырабатывать управляющие импульсы силовых тиристоров. Время заряда определяется номиналами C5, R13. Если в процессе работы двигателя необходимо изменить его обороты, чтобы избежать резких бросков оборотов - в схеме предусмотрен узел «разгона - торможения» R21, C8, R22. При увеличении (уменьшении) напряжения задания, конденсатор С8 плавно заряжается (разряжается) что предотвращает резкий «наброс» напряжения на инверсном входе усилителя и как следствие предотвращает резкий бросок оборотов двигателя.
Теперь рассмотрим принцип работы регулятора оборотов .
Регулятор предназначен для поддержания постоянных оборотов двигателя в зоне регули-рования. Регулятор представляет собой дифференциальный усилитель с суммированием двух напряжений: напряжения задания и напряжения обратной связи. Напряжение задания задается резистором RP1 и поступает через фильтр R20, C8, R21, выполняющий одновременно функции узла «разгона - торможения», поступает на инверсный вход регулятора ОУ DA1.3. При увеличении напряжения задания на выходе ОУ DA1.3 линейно уменьшается выходное напряжение.
Выходное напряжение регулятора поступает на инверсный вход компаратора СИФУ DA1.2 где, суммируясь с импульсами пилообразного напряжения, преобразуется в серию прямоугольных импульсов идущих на управляющие электроды тиристоров. При увеличении (уменьшении) напряжения задания увеличивается (уменьшается) и выходное напряжение на выходе силового блока.
На этом графике представлена зависимость оборотов двигателя от напряжения задания.


Значения оборотов двигателя даны для примера.
Делитель напряжения R22, R23 включенный на прямой вход регулятора DA1.3 служит для предотвращения аварии двигателя при обрыве обратной связи (при обрыве обратной связи двигатель идет в разнос).
При включении привода, тахогенератор начинает вырабатывать напряжение, пропорциональное оборотам двигателя. Это напряжение поступает на вход прецизионного детектора DA1.4, DA2.1 собранного по двухполупериодной схеме. Напряжение, снимаемое с выхода точного детектора DA1.4, DA2.1, поступает через фильтр C10, R30, R33 на масштабирующий усилитель обратной связи DA2.2. Усилитель служит для подгонки напряжения обратной связи поступающего с тахогенератора. Напряжение с выхода ОУ DA2.2. поступает как на вход регулятора DA1.3 так и на схему защиты DA2.3.
Резистором RP1 задаются обороты двигателя. При работе двигателя без нагрузки, напряжение на выходе масштабирующего усилителя ниже напряжения на выводе 6 ОУ DA1.3. ≈ +5v, поэтому привод работает как регулятор. При увеличении нагрузки на валу двигателя, уменьшается напряжение, получаемое с тахогенератора и как следствие уменьшение напряжения с выхода, масштабирующего усилителя.
Когда это напряжение будет меньше напряжение на выводе 5 ОУ DA1.3 привод входит в зону стабилизации тока. Уменьшение напряжения на неинвертирующем входе ОУ DA1.3 приводит к уменьшению напряжения на его выходе, а так как он работает на инвертирующий усилитель DA1.2, это приводит к большему углу открытия тиристоров и, следовательно, к увеличению напряжения на якоре двигателя.
СХЕМА ЗАЩИТЫ
Защита от превышения оборотов предназначена для защиты двигателя от аварии, в случае резкого превышения установленных оборотов двигателя. Схема собрана на ОУ DА2.3, включенного по схеме компаратора. На инверсный вход компаратора подается опорное напряжение с делителя R36, R37, RP3. Резистором RP3 устанавливается порог срабатывания защиты. Напряжение с выхода масштабирующего усилителя DA2.2 поступает на прямой вход компаратора защиты DA2.3. При превышении оборотов двигателя выше номинальных, напряжение на прямом входе компаратора превышает порог уставки защиты, определяемой RP3 - компаратор переключиться. Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи R38 приводит к «за-щелкиванию» компаратора, а наличие диода VD12 препятствует сбросу компаратора. При срабатывании защиты, напряжение с выхода компаратора защиты (≈ +11v) через диод VD14 поступает на инверсный вход 13 DA1.2 СИФУ, а так как напряжение защиты превышает напряжение «пилы» (= 9v) - происходит мгновенный запрет выдачи управляющих импульсов на управляющие электроды тиристоров. Напряжение с выхода компаратора защиты DA2.3 открывает транзистор VT4, что приводит к срабатыванию реле Р1.1 и зажиганию светодиода VL1 сигнализирующего об аварийной ситуации. Снять защиту можно, только полностью обесточив привод, и, выдержав паузу 5 - 10 секунд вновь включив его.
Силовая часть блока управления.
Схема силовой части представлена ниже


Трансформатор Tr1 предназначен для питания схемы блока управления. Управляемый выпрямитель собран по полумостовой симметричной схеме и содержит два силовых диода D1,D2
и два силовых тиристора Т1, Т2, и защитный диод D3. Обмотка возбуждения питается от своего отдельного трансформатора и выпрямителя.
Если на двигателе отсутствует тахогенератор, то обратную связь, для контроля оборотов, можно выполнить следующим образом:
1. Применить трансформатор тока, включенный в цепь питания управляемого выпрямителя


Если используется трансформатор тока, то перемычку P1 на схеме блока управления поставить
в положение 1-3, это необходимо потому, что при увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться, следовательно напряжение, снимаемое с трансформатора тока тоже будет увеличиваться, поэтому напряжение обратной связи необходимо подавать на инвертирующий
вывод микросхемы DA1.3. Так же можно поставить стандартный токовый шунт, но только в цепь якоря двигателя, после выпрямителя и снимать сигнал обратной связи с него.
2. Использовать датчик якорного напряжения. Схема приведена ниже.


Датчик якорного напряжения представляет собой фильтр – делитель и подключается непосредственно к клеммам якоря электродвигателя. Настройка привода производиться следующим образом. Резисторы “Задание” и “Масштабирование Uoc” выставляется в среднее положение. Резистор R5 датчика якорного напряжения выводиться в нижнее к “земле” положение. Включаем привод и выставляем напряжение на якоре двигателя примерно 110 вольт. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор R5. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь.
Теперь перейдем к конструкции и наладке блока управления.
Блок управления был выполнен на печатной плате (файл печатной платы)




Плата проводом МГТФ соединена с разъемом, для удобства демонтажа при ремонте.
Настройка
На время настройки была собрана силовая часть навесным монтажем, в качестве нагрузки была использована обычная лампа накаливания.


Наладку начинаем с проверки напряжений питания и напряжения питания на операционных усилителях DA1, DA2. Микросхемы желательно ставить в панельки. Потом контролируем осциллограммы в контрольных точках КТ1, КТ2, КТ3 (осциллограммы в этих точках приведены в начале описания СИФУ). Теперь, осциллограф ставим в контрольную точку КТ4. Должны быть пилообразные импульсы, как на осиллограмме выше (кнопка «Пуск» в этот момент должна быть разомкнута). Подстроечным резистором RP1 необходимо выставить размах «пилы» равным 9 вольт, это очень важный момент, так как от него зависит дальнейшая работа схемы. Так как разброс параметров полевых транзисторов бывает весьма значительный, возможно диапазона регулировки RP1 может не хватить, тогда подбором номинала резистора R10 добиться нужного размаха. В контрольной точке КТ3 длительность импульса должна быть 1.5 - 1.8ms, если нет, то подбором резистора R4 (в сторону уменьшения) добиться необходимой длительности.
Вращая регулятор RR1 в контрольной точке КТ5 проконтролировать изменение скважности импульсов от максимума до полного их исчезновения при нижнем положении движка RR1. При этом должна изменятся яркость лампочки подключенной к силовому блоку.
Далее подключаем блок управления к двигателю и тахогенератору. Выставляем регулятором RR1
напряжение на якоре около 40-50 вольт. Резистор RP3 должен быть установлен в среднее положение. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор RP3. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь. Для желающих поэкспериментировать: для увеличения жесткости привода можно также увеличить сопротивление R24, увеличив тем самым коэффициент усиления регулятора либо увеличить резистор R32.
Если используется обратная связь по току якоря двигателя.
Для этого, как говорилось выше, необходим трансформатор тока, включенный в цепь питания
управляемого выпрямителя. Схема калибровки трансформатора тока дана ниже. Подбором резистора получить на выходе трансформатора переменное напряжение ≈ 2 ÷ 2.5v. Мощность нагрузки RN1 должна соответствовать мощности двигателя.


Внимание! Трансформатор тока без нагрузочного резистора не включать.
Подключаем трансформатор тока к цепи обратной связи P1 и P2. На время настройки «Регулятора» желательно выпаять диод D12, чтобы исключить ложное срабатывание защиты.
Осциллограммы в контрольных точках КТ8, КТ9, КТ10 должны быть как на рисунке ниже.


Дальнейшая настройка такая же как и в случае с использования тахогенератора.
Если используется обратная связь по напряжению якоря двигателя.
Как отмечалось выше, можно применить обратную связь по якорному напряжению, для этого собирается датчик якорного напряжения. Настройка блока управления производиться следующим образом. Резисторы “Задание” и “Масштабирование Uoc” выставляется в среднее положение. Резистор R5 датчика якорного напряжения выводиться в нижнее к “земле” положение. Включаем привод и выставляем напряжение на якоре двигателя примерно 110 вольт. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор R5. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь.
Данный блок управления изготавливался для расточного станка. Вот фото этого монстра




На этом станке вышел из строя электромашинный усилитель, который и управлял двигателем постоянного тока перемещения стола.
Вот такой электромашинный усилитель.


Заместо него и делался данный блок управления.
Вот фото самого двигателя постоянного тока.


Блок управления был собран на изоляциоонном основани, где размещены все основные элементы.

Силовые диоды и тиристоры установлены на теплоотводы. Так же была сделана панель с разъемами, куда были выведены сигналы с контрольных точек схемы. Это делалось для удобство настройки и ремонта непосредственно на станке.
Вот смонтированный блок управления в силовом шкафу станка






На другой стороне силового шкафа был установлен маленький пульт управления.


На нем расположены:
-тумблер включения блока
-тумблер режима работы. Так как для установочных перемещений стола станка, точный контроль и стабилизация оборотов не нужны, то на это время цепь обратной связи шунтируется.
-ручки регулировки количества оборотов. Было поставлено два переменных резистора, один для грубой регулировки, второй - многооборотный - для точной установки нужных оборотов при черновой и чистовой расточке детали.
Кому интересно, ниже представлено видео работы станка. Сперва, показывается расточка отверстия в стальной плите толщиной 20мм. Потом показывается с какой частотой вращается винт подачи стола станка. С этой скорость подается деталь на резец, а такую частоту вращения подающего винта обеспечивает двигатель постоянного тока, для которого, собственно, все это и делалось.

Блок управления показал себя хорошо, сбоев и аварий не было.

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).

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.

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

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 для робота.

Коллекторные двигатели постоянного тока получили широкое распространение за счет своей дешевизны и высокого КПД. Чаще всего такие двигатели используются в старт/стоп режиме и не требуют для своего подключения никакой пускорегулирующей аппаратуры, кроме обыкновенного выключателя. Однако, часто требуется регулировка скорость вращения, момент на валу или положение механизма, приводимого в движение двигателем. В таких случаях применяют микропроцессорные блоки управления коллекторными двигателями постоянного тока. Простейшим регулятором оборотов двигателя является источник питания с изменяемым выходным напряжением или ШИМ регулятор (именно его продают на Aliexpress). Это простые и недорогие решения, но такой регулятор не имеет обратной связи - обороты двигателя с таким регулятором зависят от нагрузки на валу. Для решения этой проблемы в регуляторы вводят обратную связь по скорости вращения. Простейшим вариантом получения информации о скорости вращения двигателя является установка на его валу тахогенератора или импульсного датчика. Такие решения позволяют решить проблему стабилизации скорости вращения двигателя, но усложняет конструкцию изделия и увеличивает его стоимость. Современные микропроцессорные технологии позволяют использовать в качестве тахогенератора сам электродвигатель (почти все электрические машины обратимы), измеряя ЭДС, генерируемую двигателем в момент кратковременного отключения от него питающего напряжения. Такое решение представляется оптимальным по соотношению цена/качество.

Вторым важным параметром регулирования коллекторных двигателей является момент на валу двигателя. В большинстве случаев ограничение момента требуется для исключения повреждения самого двигателя или механизма. Часто необходим режим стабилизации именно выходного момента двигателя, например, для управления электроприводом скутера или для регулировки силы натяжения у станка для перетяжки теннисных ракеток. В качестве сигнала выходного момента чаще всего используется мгновенное значение тока якоря двигателя.

И третий параметр управления –положение или координата механизма, приводимого в действие двигателем постоянного тока. Управление скоростью, моментом и положением позволяет создавать полноценные сервоприводы на основе коллекторных двигателей. Сигнал обратной связи по положению может быть получен от аналогового потенциометрического датчика или энкодера на валу двигателя. Для задания требуемого положения может использоваться аналоговый сигнал, цифровой интерфейс или входы step/dir как в блоках управления шаговыми двигателями.