Управление двигателем постоянного тока

В рамках этого теоретического и практического занятия о управление двигателем постоянного тока, создадим радиолюбительское устройство которым можно было бы осуществлять регулировку частоты вращения вала и стабилизировать обороты на нужном нам уровне, вне зависимости от нагрузки на валу электродвигателя.

Управление двигателем постоянного тока немного теории

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.

Управление двигателем постоянного тока схема

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 Multisim. 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.

Управление двигателем постоянного тока. Работа схемы

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.

Управление двигателем постоянного тока. Схема защиты

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 Sprint Layout и вы легко сможете изготовить печатную плату своими руками методом ЛУТ

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 реверса двигателя постоянного тока

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.