Главная Лечение вирусов

Модуль управления двигателем постоянного тока. Схемы автоматического управления пуском и торможением двигателей постоянного тока. Импульсное управление двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением

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).

(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 И 2]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;

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 +Е и 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, R x = 3.3 кОм; R 2 = 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.

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.

Электродвигатели это очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических комплексах. Без них наша современная жизнь была бы не такой уж и современной. Они используются во многих сферах потребительской техники и промышленной автоматизации, начиная от небольших двигателей, вращающих барабан стиральной машинки, и заканчивая огромными махинами, приводящими в движение заводские конвейеры и шахтные подъемники.

Традиционно электродвигатели делят на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока . Последние в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, приобретают все большую популярность. Но двигатели постоянного тока (ДПТ) тоже имеют свои преимущества, и они еще долгое время будут крутить свои валы в режиме нещадной эксплуатации в различных технических областях, поэтому сегодня речь пойдет именно о ДПТ, точнее об управлении коллекторными электродвигателями постоянного тока.

Такие агрегаты были первыми двигателями, нашедшими широкое применение в промышленном оборудовании, и их до сих пор используют там, где требуется невысокая стоимость конечного устройства, простая установка и управление. На роторе этих двигателей располагается обмотка (1 на рисунке 1), а на статоре — электромагниты (2 на рисунке 1). Щеточные контакты (3 на рисунке 1), которые устанавливаются по окружности вала ротора, применяются для переключения полярности напряжения, прикладываемого к обмотке ротора. Они же создают основную проблему эксплуатации коллекторного ДПТ — ненадежность, поскольку претерпевают сильный износ и требуют периодической замены. Также между щетками и коммутаторными контактами в ходе работы возникают искры, что может привести к возникновению сильных электромагнитных помех. Кроме того, при неправильной эксплуатации всегда имеется риск создать электрическую дугу в коллекторе или, как еще это называют, круговой огонь. В этом случае якорь двигателя гарантированно отживает свой срок.

Рисунок 1 - двигатель постоянного тока

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

Рисунок 2 - силовые схемы электроприводов постоянного тока а) Г-Д, б) ТП-Д или ТрП-Д

На рисунке 2 показаны две схемы управления ДПТ с независимым возбуждением. В обоих случаях управление угловой скоростью и моментом по абсолютному значению и направлению осуществляют путем регулирования напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре двигателя Д в системе Г-Д регулируют путем изменения силы тока в обмотке возбуждения генератора (ВГ). Для этой цели служит возбудитель генератора ВГ, в качестве которого используют силовые магнитные усилители (системы МУ-Г-Д, хотя это прошлый век, и в современных системах такого не встретишь), тиристорные (ТВ-Г-Д) или транзисторные (ТрВ-Г-Д) преобразователи. В системах ТП-Д напряжение на якоре двигателя регулируют путем фазового управления коммутацией тиристоров, а в системах ТрП-Д путем изменения скважности пульсирующего питающего напряжения, то есть с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Популярность Г-Д, а также ТП-Д с каждым годом падает из-за их громоздкости, аппаратной избыточности и сложности в управлении, по сути, они в основном применяются в промышленности для управления крупными двигателями.А ТрП-Д все чаще применяется в различных технических системах благодаря своей простоте, дешевизне и удобству управления. Также за счет обилия на рынке различных моделей MOSFET и IGBT-транзисторов и драйверов управления их затворами системы ТрП-Д применяются для управления как маломощными, так и крупными двигателями. Думаю, это стоит того, чтобы познакомиться с такими системами ближе.

Итак, сердцем ТрП-Д является широтно-импульсный преобразователь (ШИП), который состоит из четырех транзисторов (рисунок 3). В диагональ такого транзисторного моста включается нагрузка, то есть якорь двигателя. Питается ШИП от источника постоянного тока.

Рисунок 3 - схема транзисторного ШИП

Есть несколько способов управления ШИП по цепи якоря. Самый простой - это симметричный способ . При таком управлении в состоянии переключения находятся все четыре транзистора, и выходное напряжение ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. Сам принцип переключения показан на рисунке 4. Логично предположить, если относительная продолжительность включения будет равна 50%, то на выходе ШИП получим 0 В. Преимуществом симметричного способа является простота реализации, но двухполярное напряжение на нагрузке, вызывающее пульсации тока в якоре, является его недостатком. По сути, он используется для управления маломощными ДПТ.

Рисунок 4 - симметричный способ управления ДПТ

Более совершенным является . Как мы видим на рисунке 5, он обеспечивает на выходе ШИП однополярное напряжение. В данном случае переключаются лишь два транзистора Т3 и Т4, при этом Т1 постоянно открыт, а Т2 постоянно закрыт. Для того, чтобы среднее напряжение на выходе ШИП было равно нулю, достаточно чтобы нижний переключающийся транзистор оставался в закрытом состоянии. Такой подход тоже не очень хорош тем, что верхние ключи загружены по току больше, чем нижние. При больших нагрузках это может привести к перегреву и выходу транзисторов из строя.

Рисунок 5 - несимметричный способ управления ДПТ

Но и с этим недостатком справились, придумав способ поочередного управления (рисунок 6). Здесь как при движении как в одну сторону, так и в другую будут переключаться все четыре транзистора. Обязательным условием является нахождение в противофазе управляющих напряжений транзисторов Т1 и Т2 для одной группы и Т3 и Т4 для другой.

Рисунок 6 - поочередный способ управления ДПТ

Из рисунка видим, что при определенном знаке сигнала задания на скорость длинные импульсы с разницей в полпериода подаются на диагонально противоположные ключи (в данном случае Т1 и Т4). Соответственно, также со сдвигом полпериода на ключи противоположной диагонали подаются короткие импульсы. Таким образом, нагрузка подключается к источнику во время отсутствия коротких импульсов, а во время их присутствия закорачивается либо на питание, либо на землю. При изменении знака задания транзисторы управляются противоположным образом.

Моторы, работающие на постоянном токе редко встречаются в домашнем хозяйстве. Но они всегда стоят во всех детских игрушках, работающих от батареек, которые ходят, бегают, ездят, летают и т. п. Двигатели постоянного тока (ДПТ) устанавливаются в автомобилях: в вентиляторах и различных приводах. Они почти всегда используются на электротранспорте и реже в производстве.

Преимущества ДПТ по сравнению с асинхронными моторами:

Хорошо поддаются регулировке.
Отличные пусковые свойства.
Частоты вращения могут быть более 3000 об/мин.

Недостатки ДПТ:

Низкая надежность.
Сложность изготовления.
Высокая стоимость.
Большие затраты на обслуживание и ремонт.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

Устройство двигателя аналогично синхронным двигателям переменного тока. Повторяться не буду, если не знаете, тогда смотрите в этой нашей .

Любой современный электромотор работает на основе закона магнитной индукции Фарадея и «Правила левой руки». Если к нижней части обмотки якоря подключить электрический ток в одном направлении, а к верхней- в обратном- он начнет вращаться. Согласно правилу левой руки, проводники, уложенные в пазах якоря, будут выталкиваться магнитным полем обмоток корпуса ДПТ или статора.

Нижняя часть будет выталкиваться вправо, а верхняя – влево, поэтому якорь начнет вращаться до момента пока части якоря не поменяются местами. Для создания непрерывного вращения необходимо постоянно менять местами полярность обмотки якоря. Чем и занимается коллектор, который при вращении коммутирует обмотки якоря. Напряжение от источника тока подается на коллектор при помощи пары прижимных графитовых щеток.

Принципиальные схемы электродвигателя постоянного тока

Если двигатели переменного тока довольно просто подключаются, то с ДПТ все сложнее. Вам необходимо знать марку мотора, и затем в интернете узнавайте про его схему включения.

Чаще всего у средних и мощных моторов постоянного тока есть в клеммной коробке отдельные выводы от якоря и от обмотки возбуждения (ОВ). Как правило, на якорь подаётся полное напряжение электропитания, а на обмотку возбуждения -регулируемый ток реостатом или переменным напряжением. От величины тока ОВ и будут зависеть обороты ДПТ. Чем он выше, тем быстрее скорость вращения.

В зависимости от того как подключен якорь и ОВ , электродвигатели бывают с независимым возбуждением от отдельного источника тока и с самовозбуждением, которое может быть параллельным, последовательным и смешанным.

На производстве применяются двигатели с независимым возбуждением ОВ, которая подключается к отдельному от якоря источнику питания. Между обмотками возбуждения и якоря нет электрической связи.

Схема подключения с параллельным возбуждением по своей сущности аналогична схеме с независимым возбуждением ОВ. С той лишь разницей, что отпадает необходимость в использовании отдельного источника питания. Двигатели при включении по обоим этим схема обладают одинаковыми жесткими характеристиками, поэтому применяются в станках, вентиляторах и т. п.

Моторы с последовательным возбуждением применяются, когда необходим большой пусковой ток, мягкая характеристика. Они применяются а трамваях, троллейбусах и электровозах. По этой схеме обмотки возбуждения и якоря подключаются между собой последовательно. При подаче напряжения токи в обоих обмотках будут одинаковы. Главный недостаток заключается в том, что при уменьшении нагрузки на вал меньше 25% от номинала, происходит резкое увеличение частоты вращения, достигающее опасных для ДПТ значений. Поэтому для безотказной работы необходима постоянная нагрузка на вал.

Иногда применяются ДПТ со смешанным возбуждением , при котором одна обмотка ОВ соединяется последовательно якорной цепи, а другая параллельно. В жизни редко встречается.

Реверсирование двигателей постоянного тока

Что бы изменить направление вращение ДПТ с последовательным возбуждением необходимо поменять направления тока в ОВ или обмотке якоря. Практически, это делается изменением полярности: меняем плюс с минусом местами. Если же поменять одновременно полярность в цепях возбуждения и якоря, тогда направление вращения не изменится. Аналогично делается реверс и для моторов, работающих на переменном токе.

Реверсирование ДПТ с параллельным или смешанным возбуждением лучше производить изменением направления электрического тока в обмотке якоря. При разрыве обмотки возбуждения, ЭДС достигает опасных величин и возможен пробой изоляции проводов.

Регулирование оборотов двигателей постоянного тока

ДПТ с последовательным возбуждением проще всего регулировать переменным сопротивлением в цепи якоря. Регулировать можно только на уменьшение числа оборотов в соотношении 2:1 или 3:1. При этом происходят большие потери в регулировочном реостате (R рег). Данный метод используется в кранах и электрических тележках, у которых бывают частые перерывы в работе. В других случаях используется регулировка оборотов вверх от номинала при помощи реостата в цепи обмотки возбуждения, как показано на правом рисунке.

ДПТ с параллельным возбуждением так же можно регулировать частоту оборотов вниз при помощи сопротивления в цепи якоря, но не более 50 процентов от номинала. Опять же будет нагрев сопротивления из-за потерь электрической энергии в нем.

Увеличить же обороты максимум в 4 раза позволяет реостат в цепи ОВ. Самый простой и распространенный метод регулировки частоты вращения.

На практике в современных электромоторах данные методы регулировки из-за своих недостатков и ограниченности диапазона регулирования редко применяются. Используются различные электронные схемы управления.

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.

Статьи по теме