Електричен мотор е машина која ја претвора електричната енергија во механичка енергија. Првите електрични мотори се појавија во средината на 19 век. Успехот во нивниот развој е поврзан со имињата на такви извонредни физичари и инженери како Н. Тесла, Б. Јакоби, Г. Ферарис, В. Сименс.
Постојат електрични мотори со директна и наизменична струја. Предноста на првото е можноста за економично и непречено регулирање на брзината на вратилото. Предноста на второто е високата густина на моќност по единица тежина. Во практиката на микроконтролерите, често се користат нисконапонски DC мотори, кои се користат во вентилаторите за домаќинство и компјутери (Табела 2.13). Има и дизајни со мрежни мотори.
Табела 2.13. Параметри на навивачите на Sunon
Намотката на моторот треба да се смета како калем со висока индуктивност, така што може да се вклучи со конвенционални транзисторски прекинувачи (сл. 2.78, a...t). Главната работа не е да се заборави за заштита од самоиндукција ЕМП.
Кај моторите со еднонасочна струја, можно е да се смени насоката на вртење на роторот во зависност од поларитетот на работниот напон. Во такви случаи, мостовите кола „H-мост“ се широко користени (сл. 2.79, a...i).
(почеток):
а) регулирање на брзината на протокот на воздух на вентилаторот М1. Кондензаторот C/ ги намалува RF пречките. Диодата VD1 го штити транзистор VT1 од напонски бранови. Отпорникот R1 го одредува степенот на заситеност на транзисторот G77, а отпорникот R2 го затвора кога MK ќе се рестартира. Фреквенцијата на пулсот PWM на излезот MK мора да биде најмалку 30 kHz, т.е. надвор од аудио опсегот за да се елиминира непријатното „свирче“. Елементите C/ и R2 може да бидат отсутни;
б) непречена контрола на брзината на вртење на вратилото на моторот M1 преку каналот PWM. Кондензаторот C/ е примарен, а кондензаторот C2 е секундарен филтер на PWM сигналите; ЗА
Ориз. 2.78. Дијаграми за поврзување на електрични мотори преку транзисторски прекинувачи
(продолжение):
в) транзисторите VT1, VT2 се поврзани паралелно за да се зголеми вкупната струја на колекторот. Отпорниците R1, R2 обезбедуваат еднообразно оптоварување на моќноста на двата транзистори, што се должи на ширењето на нивните коефициенти I2]E и карактеристиките на струја-напон на спојниците на база-емитер;
г) моторот M1 (Airtronics) има „дигитален“ контролен влез, кој ви овозможува директно да го поврзете MK со него. Транзисторските прекинувачи (возачи) се наоѓаат во внатрешноста на моторот;
д) две одделни напојувања може значително да го намалат влијанието врз МК на електричниот шум што го создава моторот М1. Системот ќе работи постабилно. GB1 е литиумска батерија со мала моќност, GB2, GB3 се галвански ќелии од типот прст со вкупен напон од 3,2 V и доволна моќност за стартување и работа на моторот M1\
ѓ) паралелните отпорници R2, R3 служат како ограничувачи на струјата што тече низ моторот М1. Покрај тоа, тие ја стабилизираат струјата во оптоварувањето ако транзисторот VT1 е во активен режим или на работ да влезе во режим на заситеност;
е) МК го вклучува/исклучува моторот М1. Отпорникот R3 ја прилагодува брзината на неговото вратило. Стабилизаторот е чип „магнетофон“ DA1 од Panasonic. Со негова помош, на приклучоците на моторот М1 се одржуваат константни параметри, кои практично се независни од флуктуациите на температурата и напонот на напојување;
ж) ги задушува L7, L2 и кондензаторите C7, C2 филтер за радио пречки што ги емитува моторот. За истата цел, моторот се поставува во заземјено заштитено куќиште;
Ориз. 2.78. Дијаграми за поврзување на електрични мотори преку транзисторски прекинувачи
(продолжение):
з) вибрациониот мотор М1 е извор на моќни електромагнетни и радиофреквентни пречки. Елементите L/, L2, C1 служат како филтри. Отпорникот R2 ја ограничува почетната струја преку два отворени транзистори VT1 Диоди VD1, UA2 ги отсекуваат врвовите на пулсот.
ѕ) елементите VD1, C1 и VD2, &2 го филтрираат шумот од напојувањето што го создава моторот M1 во правец на МК. Брзината на вратилото на моторот може непречено да се прилагоди преку каналот PWM MK, додека не е потребен посебен нископропусен филтер, бидејќи моторот има голема инерција и самиот ги измазнува пулсирањата на струјата HF што минуваат низ него;
л) употребата на прекинувач на транзистор со ефект на поле VT1 ја зголемува ефикасноста во споредба со прекинувачот на биполарен транзистор, поради помалиот отпор на одводниот извор. Отпорникот R1 ја ограничува амплитудата на пречки што може да „истекува“ од моторот што работи M1 во внатрешните кола на MK преку капацитивноста на портата-одвод на транзистор VT1;
л) транзистор VT2 е моќен прекинувач за напојување што го снабдува моторот ML со енергија, а транзисторот VT1 е амортизер што брзо ја забавува ротацијата на вратилото по исклучувањето. Отпорникот R1 го намалува оптоварувањето на излезот MK при полнење на капацитивностите на портата на транзисторите со ефект на поле VT1, VT2. Отпорникот R2 го исклучува моторот M1 кога MK се рестартира;
м) прекинувачот на транзисторите VT1, VT2 е составен според колото Дарлингтон и има голема добивка. За да се регулира брзината на вртење на вратилото на моторот M1, може да се користи методот PWM или пулс-фазната контрола. Системот нема повратни информации, затоа, кога брзината на ротација се намалува поради надворешно сопирање, работната моќност на вратилото ќе се намали;
Ориз. 2.78. Дијаграми за поврзување на електрични мотори преку транзисторски прекинувачи
(продолжение):
m) вградување на MK во веќе постоечката патека за контрола на брзината на вртење на вратилото на моторот Ml. Оваа патека ги вклучува сите елементи на колото освен отпорникот R2. Отпорникот R4 ја поставува „грубата“ брзина на ротација. Финото прилагодување се врши со импулси од излезот MK. Можно е да се организираат повратни информации кога МК следи кој било параметар и динамички ја прилагодува брзината на ротација во зависност од напонот на напојување или температурата;
o) брзината на вртење на вратилото на моторот М1 се одредува со работниот циклус на импулсите во каналот PWM генериран од долниот излез на MK. Главниот прекинувач е транзистор VT2.2, преостанатите транзисторски прекинувачи се вклучени во брзото запирање на моторот M1 со сигнал на високо ниво од горниот излез на MK;
н) непречено регулирање на брзината на вратилото на моторот М1 се врши со отпорник R8. Оп-засилувачот TS служи како стабилизатор на напон со двојна повратна информација преку елементите R1, R8, C2 и R9, R10, C1. Со користење на комбинација на нивоа од трите MK излези (DAC), можете постепено да ја менувате брзината на вртење на вратилото на моторот M1 (прецизен избор со отпорници R2…R4). MK линиите може да се префрлат во режим на влез без отпорник за повлекување за да се зголеми бројот на „чекор“ на DAC;
Ориз. 2.78. Шеми за поврзување на електрични мотори преку транзисторски прекинувачи (крај):
стр) фазно-пулсна контрола на AC моторот М1. Колку е подолг периодот на отворен транзистор со напон VT1, толку побрзо се ротира вратилото на моторот;
в) моќниот мотор на наизменична струја Ml се вклучува преку оптотиристори KS7, кој обезбедува галванска изолација од колата MK;
т) слично на сл. 2,78, стр, но со еден повратен прстен низ елементите C7, R6, R8. Отпорникот R4 непречено ја регулира брзината на вратилото на моторот Ml, а МК - дискретно.
Ориз. 2.79. Мостови кола за поврзување на електрични мотори со МК (почеток):
а) насоката на вртење на вратилото на моторот Ml се менува со мост „механичко“ коло на две групи релејни контакти KL1, K1.2. Фреквенцијата на префрлување на контактите на релето треба да биде мала, така што ресурсот не се исцрпува брзо. Пригушувачите L7, L2 ги намалуваат струите на префрлување при префрлување на релеите и, соодветно, нивото на зрачени електромагнетни пречки;
б) на ВИСОКО ниво на горното и НИСКО ниво на долниот излез на МК, се отвораат транзисторите K77...до TZ, а транзисторите KG4...KG6 се затвораат и обратно. Кога поларитетот на напојувањето на моторот Ml е обратен, неговиот ротор се ротира во спротивна насока. Сигналите од двата излеза на MC мора да бидат антифазни, но со кратка пауза на НИСКО ниво помеѓу импулсите за да се затворат двете рамења (елиминација на струи). Диодите VD1..VD4 ги намалуваат пренапоните на напонот, а со тоа ги штитат транзисторите од дефект;
в) слично на сл. 2.79, b, но со различни оценки на елементите, како и со хардверска заштита од истовремено отворање на транзистори од едната рака со помош на диоди VD3, VD4. Диодите VD1, KD2 го зголемуваат имунитетот на бучава на големо растојание до МК. Кондензаторот C/ ги намалува импулсните радио пречки на „искра“ генерирани од моторот Ml;
Ориз. 2.79. Мостови кола за поврзување на електрични мотори со МК (продолжение):
г) слично на сл. 2.79, б, но со отсуство на „блокирачки“ отпорници во основните кола на транзисторите VT2, VT4. Се пресметува дека намотката на моторот L// е прилично ниска отпорност, затоа, при рестартирање на МК, надворешниот шум на базите „виси во воздухот“ на транзисторите VT1 VT2, VT4, VT6 нема да може да го отворат нивниот колектор крстосници;
д) слично на сл. 2.79, б, но со максимално поедноставување на дијаграмот. Се препорачува за уреди кои вршат секундарни функции. Напонот на напојување е +E и мора да одговара на работниот напон на моторот M1\
ѓ) за разлика од претходните кола, транзисторите VT1...VT4 се поврзани според заедничко коло на емитер и се контролирани со ВИСОКО/НИСКО нивоа директно од излезите MK. Моторот M1 мора да биде дизајниран за работен напон од 3...3,5 V. Диодите VD1...VD4 ги намалуваат пренапоните на напонот. Филтерот LL C1 го намалува импулсниот шум во напојувањето од моторот М1, што може да доведе до дефекти на МК. Пронајдени делови за замена: VT1 VT3- KT972; VT2, VT4- KT973; VD1…VD4- KD522B, R x = 3,3 kOhm; R 2 = 3,3 kOhm;
е) мост коло со четири контролни транзистори VT1 VT2, VT4, VT5 од структурата p-p-p. Отпорникот за тример R4 го регулира напонот на моторот Ml, а со тоа и брзината за две насоки на ротација на роторот одеднаш;
Ориз. 2.79. Мостови кола за поврзување на електрични мотори со МК (крај):
ж) мост коло за управување со моќен мотор Ml (24 V, 30 A). Промената на поларитетот на напонот на моторот се врши со антифазни нивоа на средните излези на MK, а брзината на ротација се врши со методот PWM на горните и долните излези на MK;
з) транзисторите VT2, VT5 го снабдуваат напојувањето на контролното коло на моторот на мостот Ml. Паралелирањето со нив ви овозможува да поврзете друго слично коло со диодата VD1.
Кога почнав да развивам контролна единица за мотор без четки (мотор на тркала), имаше многу прашања за тоа како да се спореди вистински мотор со апстрактно коло од три намотки и магнети, што, како по правило, го објаснува принципот на контролирање на мотори без четки .
Кога имплементирав контрола со помош на сензорите на Хол, сè уште не разбирав што се случува во моторот надвор од апстрактните три намотки и два пола: зошто 120 степени и зошто контролниот алгоритам беше токму таков.
Сè дојде на свое место кога почнав да ја разбирам идејата за контрола без сензор на мотор без четки - разбирањето на процесот што се случува во вистинско парче хардвер помогна да се развие хардверот и да се разбере контролниот алгоритам.
Подолу ќе се обидам да го опишам мојот пат кон разбирање на принципот на контролирање на DC мотор без четки.
За да работи мотор без четкички, неопходно е постојаното магнетно поле на роторот да биде внесено од ротирачкото електромагнетно поле на статорот, како кај конвенционалниот DC мотор.
Ротацијата на магнетното поле на статорот се врши со префрлување на намотките со помош на електронска контролна единица.
Дизајнот на моторот без четки е сличен на дизајнот на синхрониот мотор ако го поврзете моторот без четкички со трифазна AC мрежа што ги задоволува електричните параметри на моторот, тој ќе работи.
Одредено префрлување на намотките на моторот без четки овозможува да се контролира од извор на еднонасочна струја. За да разберете како да креирате табела за комутација за мотор без четки, треба да ја земете предвид контролата на синхроната машина со наизменична струја.
Синхрона машина
Синхроната машина се контролира од трифазна мрежа на наизменична струја. Моторот има 3 електрични намотки, поместени за 120 електрични степени.
Откако ќе го вклучите трифазен мотор во режим на генератор, постојаното магнетно поле ќе предизвика EMF на секоја од намотките на моторот, намотките на моторот се распределуваат рамномерно, на секоја од фазите ќе се индуцира синусоидален напон и овие сигнали ќе се поместат меѓу себе за 1/3 од периодот (слика 1). Обликот на EMF се менува според синусоидален закон, периодот на синусоидот е 2P (360), бидејќи се работи за електрични големини (EMF, напон, струја), да го наречеме електрични степени и да го измериме периодот во нив.
Кога се напојува трифазен напон на моторот, во секој момент од времето ќе има одредена вредност на струјата на секое намотување.
Слика 1. Бранова форма на трифазен извор на наизменична струја.
Секоја ликвидација генерира вектор на магнетно поле пропорционален на струјата во намотката. Со додавање на 3 вектори можете да го добиете добиениот вектор на магнетно поле. Бидејќи со текот на времето струјата во намотките на моторот се менува според синусоидалниот закон, големината на векторот на магнетното поле на секоја намотка се менува, а добиениот вкупен вектор го менува аголот на ротација, додека големината на овој вектор останува константна.
Слика 2. Еден електричен период на трифазен мотор.
Слика 2 покажува еден електричен период на трифазен мотор. Да поставиме 3 намотки на моторот поместени за 120 електрични степени еден во однос на друг (Слика 3).
Слика 3. Момент 1. Вектори на магнетно поле на секое намотување (лево) и на добиениот вектор на магнетно поле (десно).
По должината на секоја фаза, се конструира вектор на магнетно поле создаден од намотката на моторот. Насоката на векторот се определува со насоката на директната струја во ликвидацијата ако напонот што се применува на ликвидацијата е позитивен, тогаш векторот е насочен во спротивна насока од ликвидацијата, ако е негативен, тогаш по должината на ликвидацијата. Големината на векторот е пропорционална на напонот на фазата во даден момент.
За да се добие добиениот вектор на магнетно поле, потребно е да се додадат векторските податоци според законот за собирање на вектор.
Конструкцијата е слична во вториот и третиот момент на времето.
Слика 4. Момент 2. Вектори на магнетно поле на секое намотување (лево) и вектор на магнетно поле што се добива (десно).
Така, со текот на времето, добиениот вектор непречено ја менува својата насока.
Слика 5. Приказ на ротирачкото магнетно поле генерирано од намотките на статорот на моторот.
Овој вектор на електричното магнетно поле го следи магнетното поле на постојаните магнети на роторот во секој момент од времето (Слика 6).
Слика 6. Постојан магнет (ротор) ја следи насоката на магнетното поле генерирано од статорот.
Вака функционира синхроната машина со наизменична струја.
Имајќи извор на директна струја, неопходно е самостојно да се формира еден електричен период со промена на насоките на струјата на три намотки на моторот. Бидејќи моторот без четкички е ист во дизајнот како и синхрониот мотор и има идентични параметри во режимот на генератор, неопходно е да се изгради на Слика 5, која го покажува генерираното ротирачко магнетно поле.
Постојан напон
DC изворот има само 2 жици „плус моќност“ и „минус моќност“, што значи дека е можно да се напојува напон само на две од трите намотки. Потребно е приближно да се приближи Слика 5 и да се истакнат сите моменти во кои е можно да се поврзат 2 фази од три.
Бројот на пермутации од множеството 3 е 6, затоа, постојат 6 опции за поврзување на намотките.
Да ги прикажеме можните опции за префрлување и да ја истакнеме низата во која векторот ќе ротира понатаму чекор по чекор додека не стигне до крајот на периодот и не започне одново.
Ќе го броиме електричниот период од првиот вектор.
Слика 7. Приказ на шесте вектори на магнетно поле кои можат да се создадат од извор на директна струја со префрлување на две од трите намотки.
Слика 5 покажува дека при контролирање на трифазен синусоидален напон, има многу вектори кои непречено ротираат со текот на времето, а при префрлување со еднонасочна струја, можно е да се добие ротирачко поле од само 6 вектори, односно префрлување на следното чекор мора да се случува на секои 60 електрични степени.
Резултатите од Слика 7 се сумирани во Табела 1.
Табела 1. Резултирачката низа на префрлување на намотките на моторот.
Изгледот на добиениот контролен сигнал во согласност со Табела 1 е прикажан на слика 8. Каде што -V е префрлување на минус на напојувањето (GND), а +V е префрлување на плус на изворот на енергија.
Слика 8. Приказ на контролни сигнали од DC извор за мотор без четкички. Жолта – W фаза, сина – U, црвена – V.
Сепак, вистинската слика од фазите на моторот ќе биде слична на синусоидалниот сигнал од Слика 1. Сигналот формира трапезоидна форма, бидејќи во моментите кога намотката на моторот не е поврзана, постојаните магнети на роторот предизвикуваат EMF на него ( Слика 9).
Слика 9. Приказ на сигналот од намотките на мотор без четкички во режим на работа.
На осцилоскоп изгледа вака:
Слика 10. Поглед на прозорецот на осцилоскопот при мерење на една моторна фаза.
Дизајнерски карактеристики
Како што беше кажано претходно, за 6 префрлувања на намотките се формира еден електричен период од 360 електрични степени.
Неопходно е да се поврзе овој период со вистинскиот агол на ротација на роторот. Моторите со еден пар столбови и статор со три заби се користат исклучително ретко моторите имаат N парови.
Слика 11 прикажува моторни модели со еден пар столбови и два пара столбови.
А. б.
Слика 11. Модел на мотор со еден (а) и два (б) пара столбови.
Мотор со два пара столбови има 6 намотки, секоја намотка е пар, секоја група од 3 намотки е поместена за 120 електрични степени. На слика 12б. Еден период е одложен за 6 намотки. Намотките U1-U2, V1-V2, W1-W2 се поврзани едни со други и во дизајнот претставуваат 3 фазни излезни жици. За да се поедностави сликата, врските не се прикажани, но запомнете дека U1-U2, V1-V2, W1-W2 се исти.
Слика 12, врз основа на податоците во Табела 1, ги прикажува векторите за еден и два пара полови.
А. б.
Слика 12. Дијаграм на вектори на магнетно поле за мотор со еден (а) и два (б) пара полови.
Слика 13 ги прикажува векторите создадени со 6 комутации на намотките на моторот со еден пар полови. Роторот се состои од постојани магнети, во 6 чекори роторот ќе ротира за 360 механички степени.
Сликата ги прикажува конечните позиции на роторот во интервалите помеѓу две соседни позиции, роторот се врти од претходната кон следната состојба. Кога роторот ќе ја достигне оваа конечна положба, треба да се случи следното префрлување и роторот ќе се стреми кон новата поставена положба, така што неговиот вектор на магнетно поле ќе се усогласи со векторот на електромагнетното поле на статорот.
Слика 13. Крајните позиции на роторот за време на шест-брзинска комутација на мотор без четкички со еден пар полови.
Кај моторите со N парови на столбови, потребни се N електрични периоди за да се заврши механичката револуција.
Мотор со два пара полови ќе има два магнети со столбови S и N и 6 намотки (Слика 14). Секоја група од 3 намотки се поместени едни од други за 120 електрични степени.
Слика 14. Конечни позиции на роторот за време на шест-брзинска комутација на мотор без четкички со два пара полови.
Одредување на положбата на роторот на мотор без четка
Како што беше кажано претходно, за да работи моторот, неопходно е да се поврзе напонот со потребните намотки на статорот во вистинско време. Потребно е да се примени напон на намотките на моторот во зависност од положбата на роторот, така што магнетното поле на статорот секогаш го води магнетното поле на роторот. Електронска контролна единица се користи за да се одреди положбата на роторот на моторот и прекинувањето на намотката.
Следењето на положбата на роторот е можно на неколку начини:
1. Со сензори на Хол
2. Со заден ЕМП
Како по правило, производителите го опремуваат моторот со сензори Хол при издувните гасови, така што ова е најчестиот метод за контрола.
Префрлувањето на намотките во согласност со задните EMF сигнали ви овозможува да ги напуштите сензорите вградени во моторот и да ја користите како сензор анализата на слободната фаза на моторот, на која задниот EMF ќе биде индуциран од магнетното поле.
Контрола на моторот без четкички со сензори Hall
За да ги префрлите намотките во вистинско време, неопходно е да се следи положбата на роторот во електрични степени. За ова се користат сензори за сала.
Бидејќи има 6 состојби на векторот на магнетното поле, потребни се 3 Хол сензори, кои ќе претставуваат еден апсолутен сензор за положба со трибитен излез. Сензорите на сала се инсталираат на ист начин како намотките, поместени едни од други за 120 електрични степени. Ова им овозможува на магнетите на роторот да се користат како елемент за активирање на сензорот.
Слика 15. Сигнали од сензорите на Хол за едно електрично вртење на моторот.
За да се ротира моторот, неопходно е магнетното поле на статорот да биде пред магнетното поле на роторот, позицијата кога векторот на магнетното поле на роторот е истовремено насочен со векторот на магнетното поле на статорот е конечна за ова префрлување, тоа е во овој момент дека префрлувањето на следната комбинација треба да се случи за да се спречи роторот да виси во неподвижна положба
Ајде да ги споредиме сигналите од сензорите на Хол со комбинацијата на фази што треба да се префрлат (Табела 2)
Табела 2. Споредба на сигналите на сензорот Хол со прекинување на фазата на моторот.
| Положба на моторот | HU (1) | HV(2) | HW (3) | У | В | В |
| 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 | + |
Кога моторот се ротира подеднакво, сензорите добиваат сигнал поместен за 1/6 од периодот, 60 електрични степени (Слика 16).
Слика 16. Приказ на сигналот од сензорите на Хол.
Контрола со помош на заден EMF сигнал
Постојат мотори без четкички без сензори за положба. Позицијата на роторот се одредува со анализа на EMF сигналот во слободната фаза на моторот. Во секој момент, „+“ се поврзува со една од фазите со другото „-“ напојување, една од фазите останува слободна. Додека се ротира, магнетното поле на роторот предизвикува EMF во слободното намотување. Како што се случува ротација, напонот на слободната фаза се менува (Слика 17).
Слика 17. Промена на напонот на фазата на моторот.
Сигналот од намотката на моторот е поделен на 4 моменти:
1. Намотување поврзано на 0
2. Намотувањето не е поврзано (слободна фаза)
3. Намотката е поврзана со напонот за напојување
4. Намотувањето не е поврзано (слободна фаза)
Со споредување на сигналот од фазите со контролниот сигнал, јасно е дека моментот на премин во следната состојба може да се открие со пресекот на средната точка (половина од напонот на напојување) со фазата што моментално не е поврзана (слика 18).
Слика 18. Споредба на контролниот сигнал со сигналот на фазите на моторот.
Откако ќе откриете раскрсница, мора да паузирате и да ја вклучите следната состојба. Врз основа на оваа слика, беше составен алгоритам за префрлување на состојби на намотување (Табела 3).
Табела 3. Алгоритам за прекинувачки намотки на моторот
| Тековен статус | У | В | В | Следна состојба |
| 1 | - | + | 2 | |
| 2 | - | + | 3 | |
| 3 | + | - | Се чека средната точка да премине од + на - | 4 |
| 4 | + | Се чека средната точка да премине од - на + | - | 5 |
| 5 | Се чека средната точка да премине од + на - | + | - | 6 |
| 6 | - | + | Се чека средната точка да премине од - на + | 1 |
Пресекот на средната точка е најлесно за откривање со компаратор, напонот на средната точка се испорачува на еден влез на компараторот, а тековниот фазен напон се снабдува на вториот.
Слика 19. Откривање на средна точка со компаратор.
Компараторот се активира кога напонот поминува низ средната точка и генерира сигнал за микроконтролерот.
Обработка на сигнали од моторни фази
Сепак, сигналот од фазите при регулирање на брзината на PWM се разликува по изглед и има импулсна природа (Слика 21), во таков сигнал е невозможно да се открие пресек со средната точка.
Слика 20. Тип на фазен сигнал при регулирање на брзината на PWM.
Затоа, овој сигнал треба да се филтрира со RC филтер за да се добие плик, а исто така да се подели според барањата на компараторот. Како што се зголемува работниот циклус, сигналот PWM ќе се зголемува во амплитудата (Слика 22).
Слика 21. Коло на разделник на сигнал и филтер од фазата на моторот.
Слика 22. Обвивка на сигналот при промена на работниот циклус на PWM.
Дијаграм на средна точка
Слика 23. Поглед на виртуелната средна точка. Сликата е преземена од avislab.com/
Сигналите се отстрануваат од фазите преку отпорници со ограничување на струјата и се комбинираат, а ова е сликата што ја добиваме:
Слика 24. Приказ на виртуелниот осцилограм на напон на средната точка.
Поради PWM, напонот на средната точка не е константен, сигналот исто така треба да се филтрира. Напонот на средната точка по измазнувањето ќе биде доста голем (во регионот на напонот за напојување на моторот), мора да се подели со делител на напон до половина од напонот за напојување.
Откако сигналот ќе помине низ филтерот, осцилациите се измазнуваат и се добива рамен напон во однос на кој може да се открие пресекот на задниот EMF.
Слика 26. Напон по делител и нископропусен филтер.
Средната точка ќе ја промени својата вредност во зависност од напонот (напорниот циклус на PWM), како и од обвивката на сигналот.
Примените сигнали од компараторите се испраќаат до микроконтролерот, кој ги обработува според горенаведениот алгоритам.
Тоа е се за сега.
Електричните мотори со еднонасочна струја се широко користени во индустријата, транспортот и други области. Контролните единици за четкани мотори AWD10 и AWD15 - развиени од домашната компанија Electronics Laboratory - ви овозможуваат да ја контролирате брзината и насоката на вртење на мотор со работен напон до 90 V.
АД „Лабораторија за електроника“, Москва
Пламен мотор
Кој изум од последните два-три века би го издвоиле како судбоносен, главниот на кој се темели сета наша современа техничка благосостојба? Можеби дланката треба да се даде на парната машина. Многу работи за кои луѓето сонувале илјадници години речиси веднаш оживеале откако бил направен фундаментален чекор - измислено е срцето за механизмите, моторот, моторот. Со него, бродовите влегоа во потполна смиреност, човекот научи да лета, парните локомотиви со „огнен мотор“ проголтаа огромни растојанија, стана можно брзо да се обработи голема парцела ...
Друга работа е што моторите даваат непријатни нуспојави - ја зголемуваат температурата, го загадуваат воздухот со отровни гасови и прават бучава. Сепак, ќе се фокусираме на најеколошки, а со тоа и релевантната разновидност денес - електричните мотори. Поточно, ќе ги разгледаме контролните единици за DC електрични мотори, кои ви овозможуваат да ја контролирате нивната брзина на ротација и вртежен момент. Токму овие уреди ќе бидат разгледани во статијата.
DC мотори
Сите електрични мотори се поделени на два вида: наизменична и директна струја. Моторите со наизменична струја се широко користени во индустријата - тие возат тешки машински алати и големи и тешки инсталации. Директната струја е погодна за помали и понежни механизми (на пример, електрониката може да работи само на директна струја). Моторите со еднонасочна струја, особено, напојуваат безжични уреди како што се електрични алати или машини на батерии, вклучително и модерни електрични возила. Без DC мотори е невозможно да се замислат многу видови транспорт: електрични возови, електрични локомотиви, трамваи, тролејбуси, метро. Сепак, тие наоѓаат примена и во индустријата - на пример, се користат за ракување со машини за сечење метал, опрема за заварување и многу други уреди.
Моторите со еднонасочна струја може да бидат комутатор, вентил или степер, во зависност од тоа кое од магнетните полиња е константно. Вентил и степер припаѓаат на класата без четкички. Моторите со инвертер обично имаат висока цена поради употребата на скапи постојани магнети во структурата на роторот. Степерните мотори обично имаат слаби енергетски перформанси и низок вртежен момент при големи брзини.
Да ги наведеме предностите на моторите со комутатори:
Развиен голем вртежен момент со релативно мали вкупни димензии;
Широк опсег на контрола на брзината на ротација;
Голем почетен вртежен момент;
Висока ефикасност, достигнувајќи 90%.
Недостатоците го вклучуваат следново:
Потребата од грижа и следење на комутаторот и четките во текот на целата работа на таков електричен мотор;
Емисија на електромагнетни пречки предизвикани од искрење помеѓу четките и комутаторот;
Релативно голема маса и инерција на арматурата, што доведува до намалување на брзината на електричниот мотор.
Контролни единици за четкани мотори AWD10 и AWD15
Контролните единици за комутаторски мотори произведени од Лабораторија за електроника АД AWD10 и AWD15 го имаат истиот принцип на работа, заснован на модулација на ширина на импулсот (PWM) и се дизајнирани да ја контролираат брзината и насоката на ротација на мотор со работен напон од до 90 V.
Ориз. 1.Контролна единица AWD10
Компанијата ЗАО Лабораторија за електроника е основана во 2005 година од дипломирани студенти на Московскиот државен технички универзитет. N. E. Бауман. Основната насока на нејзината активност е развој и производство на контролна и инструментална опрема за индустријата. Контролните единици AWD10 (слика 1), AWD6 и AWD8 беа развиени во 2006 година како контролни модули за еднонасочна струја што се користат во уредите произведени во куќата. Во 2007 година, по опсежно тестирање во реални услови, овие уреди беа пуштени во производство. Контролната единица AWD15 (слика 2) беше развиена на крајот на 2009 година како замена за нереверзибилните контролни единици AWD6 и AWD8.
Ориз. 2.Контролна единица AWD15
Многуте поставки на единицата AWD10 ви овозможуваат флексибилно да ја прилагодите на различни задачи. Контролер со пропорционален интегрален дериват (PID) со прилагодливи коефициенти имплементирани на микроконтролер ви овозможува да ја стабилизирате брзината на ротација на моторот со какви било оптоварувања, вклучително и променливи. Како повратна информација од контролорот за контролната единица AWD10, може да се избере заден EMF сигнал на моторот кога работи во режим на генератор, пулсен сигнал од енкодер или сензор за хала или аналоген сигнал од 0 до 5 V контролорот е имплементиран на микроконтролерот на контролната единица AWD15, а само задниот EMF на моторот се користи како повратна информација. Ова овозможува да се стабилизира брзината на ротација (на ниво од 1-5%) или движењето на објектот без употреба на дополнителни елементи за повратни информации, што овозможува да не се комплицира дизајнот на уредот, што не наметнува строги барања за стабилизација на брзината.
Мотор со еднонасочна струја помага да се претвори еднонасочната енергија во механичка работа.
Денес, практичната контрола се врши не само во согласност со традиционалните кола, туку и во согласност со прилично оригинални или малку познати решенија за кола.
Наједноставниот начин за прилагодување на брзината на ротација на моторот е да се користи модулација на ширина на пулсот (PWM) или PWM.
Овој метод се заснова на напојување на напонот на моторот во форма на импулси со стабилна фреквенција на повторување, но со различно времетраење.
Целиот PWM сигнален систем има многу важен критериум претставен со стандардниот циклус на работа.
Оваа вредност одговара на односот на времетраењето на пулсот до неговиот период:
D = (t/T) × 100%
Наједноставното коло за спроведување на DPT контрола се карактеризира со присуство на дел од транзистор со ефект на поле со систем за сигнал PWM што се доставува до портата. Во такво коло, транзисторот претставува специјален електронски прекинувач, со кој еден од терминалите на моторот се префрла на заземјување. Во овој случај, отворањето на полупроводничката триода се случува токму во моментот на траењето на пулсот.
Дизајн на DC мотор
При ниски фреквенции и во услови на незначителен коефициент на сигнал PWM, уредот за конвертирање работи непредвидливо.
Високата PWM фреквенција од неколку стотици Херци промовира континуирано ротирање на моторот, а брзината на ротационото движење во овој случај варира строго пропорционално со факторот на полнење.
Постојат многу познати шематски решенија кои генерираат PWM сигнал, но едно од наједноставните е „555 тајмер коло“, кое бара минимален број на компоненти и не бара посебна конфигурација.
Контрола на моторот со помош на биполарен транзистор
Користењето на биполарен транзистор како сигурен прекинувач е еден од начините за контрола на моторот. Изборот на пасивен елемент на електричното коло, или R, претпоставува дека протокот на струја не ги надминува максималните вредности на струјата во микроконтролерот.
Полупроводничката триода мора да има соодветна колекторска струја и оптимални максимални вредности, како и излезна моќност:
P = Uke × Ik.
Еден од проблемите што се среќаваат при користење на биполарни полупроводнички триоди е вишокот на базна струја.
Контролно коло
Вообичаено, тековниот однос помеѓу излезниот сигнал и влезниот транзистор е 100 hfe. Функционирањето на елементот во услови на сатурација предизвикува силно намалување на коефициентот.
Најдобрата опција е комбинацијата на транзистор, или високоефикасниот Дарлингтон транзистор, кој се карактеризира со голема засилување на струјата и мала работна брзина.
Индуктивни оптоварувања
- При изборот на индуктивно оптоварување претставено со мотор, не е секогаш лесно да се реши проблемот со непречена контрола на индикаторите за моќност на моторот, што зависи од неколку презентирани фактори:
- индикатори за моќност на моторот;
- инерција на нивото на оптоварување на вратилото;
- реактивни индикатори за намотување;
активни индикатори за намотување.
Најдобрата опција за решавање на скоро сите проблеми наведени погоре е употребата на фреквентни инвертери.
Индуктивниот тип на коло за контролирање на DC мотор не е особено сложен во споредба со контролата на фреквенцијата, а исто така е способен да обезбеди сосема прифатливи перформанси.
Аспекти на проблеми при контролирање на PT мотор
Во некои случаи, висококвалитетната контрола на оптоварувањето не бара потенциометар, но може да се користи со помош на микроконтролер.
Прикажани се најважните проблеми со управувањето:
- задолжително присуство на галванска изолација;
- непречена контрола на индикаторите за моќност;
- недостаток на старт-стоп тип на контрола;
- контролирање на транзицијата Нула - Крст;
- некои карактеристики на изборот на RC филтер за отчукување против алиасирање.
Важно е да се запамети дека овој дизајн на кола се карактеризира со мала сложеност, во која иницијализацијата на микроконтролерот бара доволно време, што се должи на специфичните задачи што се решаваат кога излезните сигнали се во трета состојба.
Контрола со помош на транзистор MOSFET
Класично преклопно коло MOSFET во режим на клуч
Овој тип на канал обично се поврзува на таков начин што одводот има најмногу негативни отчитувања на напон во споредба со изворот.
МОСФЕТ-овите со голема моќност се доста популарни поради нивните исклучително високи брзини на префрлување при ниски нивоа на моќност на погонот на портата.
Контрола на реле
Процесот на контролирање на прилично моќен DC мотор се изведува со помош на модул за реле со двоен тип. Процесот на поврзување на моторот со релето бара да се земе предвид присуството на три излезни дупки:
- НЕ (Нормално отворен) - нормално отворен тип;
- COM (Заеднички) - општ тип;
- NC (Нормално затворен) - нормално затворен тип.
Контрола на насоката на ротација на DC моторот
Контактната група на уред кој конвертира секаков вид енергија во механичка работа е поврзана со заеднички релејни контакти (COM).
„Плус“ на батеријата е поврзан со контактите на нормално отворено реле (NO), а „минусот“ е фиксиран на групата контакти на нормално затворено реле (NC).
Спроведувањето на целосна контрола на мостот на моторот се врши со соодветно вклучување и исклучување на релето.
Контролата на моторот преку H-мост со контролни логички сигнали на влезовите и ротацијата во две насоки се врши со неколку опции за H-мостови:
- транзистор H-мост, лесен за производство и доста моќен. Недостатоците го вклучуваат ризикот од краток спој кога се доставуваат на два влеза;
- двоен H-мост составен на чип со мала моќност. Недостатоците на оваа опција се претставени со премногу мала моќност и потребата да се поврзе пинот E на напојувањето со „плус“;
- единечен H-мост составен на микроспој, кој обезбедува едно снабдување на два влеза и може да предизвика моторно сопирање.
Транзистор H-мост
Наједноставната опција би била да се состави H-мост користејќи MOSFET транзистори.Токму овој метод ги комбинира леснотијата на имплементација и доволно индикатори за моќност, но не вклучува истовремено снабдување на две единици.
Постојат многу опции за микроциркути кои се користат за контрола на моторот, вклучувајќи ги и TLE4205 и L298D, како и стандардните електромагнетни релеи, но методите наведени погоре се меѓу најпристапните.
Контрола на чекор мотор
За да се контролира чекор моторот, неопходно е да се напојува константен напон на делот за намотување во согласност со најточната низа, со што се обезбедува точноста на аголот на ротација на оската.
Со постојани магнети
Степерните мотори со постојани магнети најчесто се користат во апаратите за домаќинство, но може да се најдат во уреди од индустриски тип. Достапните мотори имаат низок вртежен момент и мала брзина на ротација, што ги прави идеални за компјутери.
Контрола на чекор мотор
Производството на степер мотори базирани на постојани магнети не е комплицирано и е економски изводливо само за големи производни волумени, а ограничената употреба се должи на релативната инертност и неприфатливост на употреба во услови на прецизно временско позиционирање.
Во присуство на променлив магнетен отпор
Моторите од типот на чекор, кои имаат магнетна отпорност во отсуство на стабилен магнет, се карактеризираат со слободно ротирачко вртење без ротација на преостанат вртежен момент. Таквите мотори обично се инсталираат во компактни единици, вклучително и системи за микро-позиционирање.
Главните предности на таквото коло се неговата чувствителност на поларитетот на струјата.
Хибридните мотори моментално се меѓу најпопуларните единици во индустријата.Опцијата се карактеризира со многу успешна комбинација на принципот на работа на моторите со променливи и постојани магнети.
Значителен број хибридни мотори имаат класична двофазна структура.
Заклучок
Потребата за промена на поларитетот на напонот може да се појави за време на контролата на моторот или кога се користи мостно коло на конвертор на напон. Во овој случај, клучевите најчесто се претставени со релеи, теренски и биполарни транзистори, како и H-мостови вградени во микроциркулата.
: Најважната машина за „дрвен“ моделар.
Како прво, за што е тоа? Речиси секој моделар има домашна или индустриска електрична алатка управувана од четкан DC мотор. Сепак, обично таквата алатка нема контролер за брзина или има едноставно прилагодување на чекорот. Нема да докажам уште еднаш дека присуството на контролер за брзина во електрична алатка ви овозможува оптимално да го изберете режимот за секоја операција, особено кога користите различни додатоци. Покрај тоа, моделарите често користат нисконапонски грејачи - рачки за лемење, уреди за свиткување дрвени летви итн. Во овој случај, користејќи го регулаторот, можете да ја добиете оптималната температура на грејачот. Моделот понекогаш мора да примени галванизација, што бара регулирано напојување со еднонасочна струја. Сите овие функции може да ги врши уредот опишан подолу.
При дизајнирање на вежба, се појави прашањето за избор на коло за контролер на брзина. Реостатските кола за регулирање на брзината на ротација на комутаторските DC мотори, вклучувајќи ги и оние кои користат енергетски транзистори на кои дел од напонот паѓа, имаат мала ефикасност при мали и средни брзини. Значајна топлинска моќ се троши на баластните транзисторски прекинувачи, што ги заострува барањата за нивниот систем за ладење. Затоа, изборот на систем за контрола на брзината на ротација падна на импулсни кола со промени во ширината на правоаголните напонски импулси доставени до намотката на моторот (модулација на ширина на пулсот - PWM). Принципот на PWM е како што следува: напонот се напојува на оптоварувањето со импулси со постојана амплитуда, а односот помеѓу ширината на пулсот и паузата (фактор на должност) се прилагодува, што е еквивалентно на промена на напонот на напојување на товарот. Предноста на оваа шема е неговата висока ефикасност и сигурност. Транзисторот што го контролира оптоварувањето може да биде целосно вклучен или исклучен, така што практично не се загрева и може да се инсталира без ладилник.
По анализирање на различни регулатори, колото објавено во списанието (бр. 4/2001, репринт од „Хоби електроника“ бр. 7/01, автор Иштван Кекеш) беше избрано за основна. Регулаторот (види дијаграм) содржи триаголен главен генератор на напон со фреквенција од 2 kHz (DA1.1, DA1.4), електронски прекинувач VT1 и регулатор на работниот циклус (DA1.2, DA1.3, R8). Сликата подолу покажува графикони на напон во типични точки во колото.
Овде напонот на излезот од триаголниот напонски генератор (пин 1 од DA1) е прикажан со сина боја, напонот за контрола на брзината од потенциометарот R8 е прикажан со црвено, а напонот на моторот е зелен. Многу јасно се гледа дека напонот на товарот се вклучува и исклучува во моментот кога напонот на главниот генератор и напонот на контролниот потенциометар се совпаѓаат. Колку е поголем контролниот напон, толку е поширок пулсот низ товарот.
Колото обезбедува можност за вклучување на моторот со помош на ножната педала SA2. Во мојата верзија, обичен прекинувач за ограничување за кратко фрлање со нормално затворени контакти (популарно -) што лежи на подот работи како педала. Кога SA1 е исклучен, моторот работи постојано, кога е вклучен, само кога ќе се притисне педалата. Благодарение на присуството на кондензаторот C2, моторот започнува непречено, што понекогаш може да биде корисно (со наведената капацитивност C2 за околу 1 секунда). Прекинувачот SA4 се користи за превртување на моторот. Диодата D3 го стабилизира напојувањето на регулаторот. Напојувањето се снабдува преку трансформаторот ТВ1 и исправувачот Д4. Параметрите на трансформаторот зависат од користениот електричен мотор. Како прво приближување, напонот на секундарното намотување на трансформаторот треба да биде еднаков на номиналниот напон на електричниот мотор плус 5 волти паднати преку исправувачот и преклопниот транзистор. За да можете да работите во принуден режим, можете да додадете уште 20-30 проценти. Пресметаната струја на секундарното намотување на трансформаторот, исправувачките диоди и клучниот транзистор мора да биде поголема од струјата што ја троши електричниот мотор, а за оперативна сигурност подобро е да се даде маргина од 3-5 пати. Кога напонот за напојување е помал од 20 V, диодата D3 може да се испушти. Напоните наведени во дијаграмот одговараат на мотор од 27V 30W.
Повеќето од елементите на колото се монтирани на печатено коло со димензии 65x40 mm. (на потенката линија е прикажан скокачот) Плочката е поставена во куќиштето на две цевчести држачи со завртки M2.5 (видете го и распоредот на елементите и шаблонот за дупчење дупки). Во куќиштето се монтирани трансформатор, кондензатор C4 и исправувач D4. Регулаторот за брзина R8, прекинувачите и конекторите за поврзување на моторот и педалите се монтирани на предната плоча, отпорниците R13 и R14 се монтирани на R8.
Како DA1 може да се користи каков било универзален четири оперативен засилувач. Оригиналот означуваше TL064, TL075, TL084, јас користев LM324. Клучниот транзистор се користи KT829A (100V, 8A), за помоќни мотори можете да користите KT827A (100V, 20A). Диодите D1 и D2 го штитат VT1 од напонски бранови при индуктивно оптоварување.
При поставувањето, R13 и R14 не се инсталирани жиците од таблата се залемени директно на R8. Со правилна инсталација и делови што се сервисираат, колото почнува да работи веднаш. Завртете го R8 за да го проверите прилагодувањето на брзината од нула до максимум. Ако вторите не се совпаѓаат со екстремните позиции на R8, потребно е да се изберат R13 и R14 така што максимумот и минимумот се совпаѓаат со екстремните позиции на регулаторот. Можно е колото да не работи поради фактот што главниот осцилатор не се вклучува. Во овој случај, можете да се обидете малку да ја зголемите вредноста на R4. За да го промените времето на меко стартување, можете да го промените капацитетот C2.
Како заклучок, со само 10 долари и малку слободно време, можете значително да ги подобрите перформансите на вашиот електричен алат. Ве молиме контактирајте со нас за какви било прашања во врска со производството и поставувањето на овој уред.
