Zení stejnosměrných motorů. Část 1

Elektromotory jsou pravděpodobně jedním z nejoblíbenějších elektrotechnických produktů. Jak nám říká vševědoucí Wikipedie, elektromotor je elektrický stroj (elektromechanický měnič), ve kterém se elektrická energie přeměňuje na mechanickou energii. Za počátek jeho historie lze považovat objev, který v roce 1821 učinil Michael Faraday a který stanovil možnost rotace vodiče v magnetickém poli. První víceméně praktický elektromotor s rotujícím rotorem si ale na svůj vynález počkal až do roku 1834. Během působení v Königsbergu jej vynalezl Moritz Hermann von Jacobi, u nás známější jako Boris Semenovich. Elektromotory se vyznačují dvěma hlavními parametry – rychlostí otáčení hřídele (rotoru) a kroutícím momentem vyvinutým na hřídeli. Obecně řečeno, oba tyto parametry závisí na napětí dodávaném do motoru a proudu v jeho vinutí. V současné době existuje poměrně mnoho druhů elektromotorů, a protože, jak poznamenala naše slavná literární postava Kozma Prutkov, je nemožné uchopit jejich nezměrnost, zastavíme se u úvah o vlastnostech ovládání stejnosměrných motorů (dále jen jako elektromotory).

Existují dva typy stejnosměrných motorů: známé kartáčované motory a bezkomutátorové (krokové) motory. V prvním je střídavé magnetické pole, které zajišťuje rotaci hřídele motoru, tvořeno vinutími rotoru, která jsou napájena přes kartáčový komutátor – komutátor. Interaguje s konstantním magnetickým polem statoru a otáčí rotorem. Pro provoz takových motorů nejsou nutné externí komutátory, jejich roli hraje kolektor. Stator může být tvořen buď soustavou permanentních magnetů nebo elektromagnetů. U druhého typu elektromotoru tvoří vinutí pevnou část motoru (stator) a rotor je vyroben z permanentních magnetů. Zde je spínáním statorových vinutí generováno střídavé magnetické pole, které je prováděno externím řídicím obvodem. Krokové motory („krokový motor“ v angličtině) jsou mnohem dražší než komutátorové motory. Jedná se o poměrně složitá zařízení s vlastními specifickými vlastnostmi. Jejich úplný popis vyžaduje samostatnou publikaci a přesahuje rámec tohoto článku. Pro získání úplnějších informací o motorech tohoto typu a jejich řídicích obvodech se můžete podívat např. na [1].

Kartáčované motory (obrázek 1) jsou levnější a obecně nevyžadují složité řídicí systémy. Pro jejich provoz stačí přivést napájecí napětí (usměrněné, konstantní!). Problémy začnou vznikat, když je nutné upravit rychlost otáčení hřídele takového motoru nebo použít speciální režim řízení točivého momentu. Existují tři hlavní nevýhody těchto motorů – nízký točivý moment při nízkých otáčkách (proto je často vyžadována převodovka, což ovlivňuje náklady na konstrukci jako celek), vytváření vysoké úrovně elektromagnetického a rádiového rušení (kvůli kluzný kontakt v komutátoru) a nízká spolehlivost (přesněji nízký zdroj; důvod je ve stejném kolektoru). Při použití komutátorových motorů je nutné počítat s tím, že odběr proudu a rychlost otáčení jejich rotoru závisí na zatížení hřídele. Kartáčované motory jsou všestrannější a šířeji používané, zejména v levných aplikacích, kde je určujícím faktorem cena.

)	b)

Protože rychlost otáčení rotoru komutátorového motoru závisí především na napětí přiváděném do motoru, je přirozené používat pro jeho řízení obvody, které mají schopnost nastavovat nebo upravovat výstupní napětí. Takovými řešeními, která lze nalézt na internetu, jsou obvody založené na nastavitelných stabilizátorech napětí, a protože doba diskrétních stabilizátorů již dávno pominula, je vhodné použít levné integrované kompenzační stabilizátory, například LM317 [2]. Možné možnosti pro takové schéma jsou uvedeny na obrázku 2.

Schéma je primitivní, ale zdá se velmi úspěšné a hlavně levné. Podívejme se na to z pohledu inženýra. Za prvé, je možné omezit točivý moment nebo proud motoru? To lze vyřešit instalací přídavného odporu. Na obrázku 2 je označen jako R_LIM. Jeho výpočet je zahrnut ve specifikaci, ale zhoršuje charakteristiku obvodu jako stabilizátoru napětí (více níže). Za druhé, která možnost regulace rychlosti je lepší? Možnost na obrázku 2a poskytuje pohodlnou lineární regulační charakteristiku, a proto je populárnější. Možnost na obrázku 2b má nelineární charakteristiku. Ale v prvním případě, když je kontakt v proměnném odporu přerušen, získáme maximální rychlost a ve druhém případě minimální. Co si vybrat, záleží na konkrétní aplikaci. Nyní se podívejme na jeden příklad pro motor s typickými parametry: provozní napětí 12 V; maximální provozní proud je 1 A. IC LM317 má v závislosti na příponách maximální výstupní proud od 0.5 A do 1.5 A (viz specifikace [2]; existují podobné IO s vyšším proudem) a vyvinutou ochranu (proti přetížení a přehřátí ). Z tohoto pohledu je pro náš úkol ideální. Problémy se skrývají jako vždy v maličkostech. Pokud je motor uveden na maximální výkon, což je pro naši aplikaci velmi reálné, pak na IC i při minimálním přípustném rozdílu mezi vstupním napětím V_IN a víkend V_OUTrovnající se 3 V, výkon bude rozptýlen minimálně

Proto je potřeba radiátor. Opět otázka zní: jaký je ztrátový výkon? Při 3 W? Ale ne. Pokud si uděláme čas na výpočet grafu zatížení IO v závislosti na výstupním napětí (to je snadné udělat v Excelu), pak dostaneme, že v našich podmínkách bude maximální výkon na IC rozptýlen, nikoli na maximum výstupní napětí regulátoru, ale při výstupním napětí 7.5 V (viz obrázek 3), a to bude téměř 5.0 W!

Jak vidíte, výsledkem je něco, co už není levné, ale velmi objemné. Tento přístup je tedy vhodný pouze pro motory s nízkým výkonem s provozním proudem ne větším než 0.25 A. V tomto případě bude výkon na řídicím IC na úrovni 1.2 W, což již bude přijatelné.

Východiskem je použití metody pulzně šířkové modulace (PWM) pro řízení. Je skutečně nejběžnější. Jeho podstatou je přivádění unipolárních pravoúhlých pulzů modulovaných v trvání do motoru. Podle teorie signálu má struktura takové sekvence konstantní složku úměrnou poměru τ/T, kde: τ je doba trvání impulsu a T je perioda sekvence. Je to ona, kdo řídí otáčky motoru, což ji odlišuje jako integrátora v tomto systému. Vzhledem k tomu, že koncový stupeň regulátoru na bázi PWM pracuje ve spínacím režimu, zpravidla nevyžaduje velké radiátory k odvodu tepla ani při relativně vysokých výkonech motoru a účinnost takového regulátoru je nesrovnatelně vyšší než u předchozího. jeden. V některých případech je možné použít step-down nebo step-up DC/DC měniče, které však mají řadu omezení, například z hlediska hloubky regulace výstupního napětí a minimální zátěže. Proto jsou zpravidla běžnější jiná řešení. „Klasický“ návrh obvodu takového regulátoru je znázorněn na obrázku 4 [3]. Používá se jako škrticí klapka (regulátor) v profesionální modelové železnici.

Na prvním operačním zesilovači je namontován generátor a na druhém komparátor. Signál z kondenzátoru C1 je přiváděn na vstup komparátoru a úpravou prahové hodnoty odezvy je generován obdélníkový signál s požadovaným poměrem τ/T (obrázek 5).

Obrázek 5.	Schéma ovládání kartáčovaného motoru na bázi PWM. Horní křivka je napětí na kondenzátoru C1; střední (kříží horní) – řídicí signál (napětí na motoru rezistoru RV2); nižší – napětí na motoru.

Rozsah nastavení se nastavuje trimovacími odpory RV1 (rychlejší) a RV3 (pomalejší) a vlastní nastavení rychlosti se provádí odporem RV2 (rychlost). Chtěl bych čtenáře upozornit na skutečnost, že podobný obvod s chybami v hodnotách děliče, který nastavuje práh komparátoru, koluje na internetu na ruskojazyčných fórech. Motor je přímo řízen přes spínač pomocí výkonného tranzistoru s efektem pole typu BUZ11 [4]. Vlastnosti tohoto tranzistoru typu MOSFET jsou vysoký provozní proud (30 A konstantní a až 120 A pulzní), ultranízký odpor otevřeného kanálu (40 mOhm) a tedy minimální výkonové ztráty v otevřeném stavu.

Na co byste měli při používání takových schémat nejprve věnovat pozornost? První je provedení řídicího obvodu. Zde je ve schématu malá chyba (obrázek 4). Pokud časem nastanou problémy s pohyblivým kontaktem proměnného rezistoru, dosáhneme úplného, ​​téměř okamžitého zrychlení motoru. Mohlo by dojít k poškození našeho zařízení. Jaký je protijed? Nainstalujte další vysokoodporový rezistor, například 300 kOhm, od kolíku 5 IC ke společnému vodiči. V tomto případě, pokud regulátor selže, motor se zastaví.

Dalším problémem u takových regulátorů je koncový stupeň nebo budič motoru. V takových obvodech může být vyroben s použitím jak tranzistorů s efektem pole, tak bipolárních; ty druhé jsou nesrovnatelně levnější. Ale v první i druhé možnosti je nutné vzít v úvahu některé důležité body. Pro ovládání MOSFETu je nutné nabít a vybíjet jeho vstupní kapacitu, která může činit tisíce pikofaradů. Pokud není použit sériový odpor hradla (R6 na obrázku 4) nebo je jeho hodnota příliš malá, operační zesilovač může selhat při relativně vysokých frekvencích měniče. Pokud použijete R6 velké hodnoty, pak tranzistor zůstane déle v aktivní zóně své přenosové charakteristiky a máme tedy nárůst ztrát a zahřívání spínače.

Ještě jedna poznámka k zapojení na obrázku 4. Použití přídavné diody D2 postrádá smysl, protože struktura tranzistoru BUZ11 již má vlastní vnitřní vysokorychlostní ochrannou diodu s lepšími charakteristikami než navrhovaná. Dioda D1 je také zjevně nadbytečná, tranzistor BUZ11 umožňuje hradlo-zdroj napětí ± 20 V a přepólování v řídicím obvodu s unipolárním napájením, stejně jako napětí nad 12 V, je nemožné.

Pokud použijete bipolární tranzistor, pak nastává problém s generováním dostatečného proudu báze. Jak je známo, k nasycení spínače na bipolárním tranzistoru musí být jeho základní proud alespoň 0.06 zatěžovacího proudu. Je jasné, že operační zesilovač nemusí poskytnout takový proud. K tomuto účelu používá v podstatě podobný regulátor, jaký se používá například v oblíbené minirytce PT-5201 od Pro’sKit, tranzistor TIP125, což je Darlingtonův obvod. Je tu zajímavý bod. Tyto minirytce občas selžou, ne však kvůli přehřátí tranzistoru, jak by se dalo předpokládat, ale kvůli přehřátí IC LM358 (maximální provozní teplota +70 °C) výstupním tranzistorem (maximální přípustná teplota +150 °C ). V produktech, které autor článku použil, byl přitlačen těsně k tělu IC a nalepen na lepidlo, které nepřijatelně zahřívalo IC a téměř zablokovalo chladič. Pokud narazíte na takový design, je lepší „odlepit“ tranzistor od IC a ohnout jej co nejdále. Za toto know-how byl autor článku oceněn Pro’sKit sadou nástrojů. Jak vidíte, vše je potřeba řešit komplexně – podívejte se nejen na obvody, ale věnujte velkou pozornost i návrhu regulátoru jako celku.

Existuje několik zajímavějších obvodů jednodušších PWM regulátorů. Například dva obvody založené na jediném operačním zesilovači s budičem jsou publikovány v [5] (jeden z nich je znázorněn na obrázku 6a). Existují také obvody založené na populárním časovači řady 555 [6] (obrázek 6b). Tato levná řešení by vás neměla oklamat svou zdánlivou jednoduchostí. Vzpomeňme na A.S. Puškin: „Ty, knězi, bys neměl honit za laciností.“ Nebo Francouzi: „Za každé potěšení musíte zaplatit.“ Oba tyto obvody generují náhradní PWM signál se změnou referenční frekvence. Obvody operačního zesilovače z [5] tedy mění řídicí frekvenci během regulace ze 170 Hz na 500 Hz a obvod časovače se mění ze 150 Hz na 1000 Hz a jeho rozsah nastavení (horní rozsah) je omezen pracovním cyklem. ze dne 9.5. Pro některé aplikace to může být nepřijatelné, protože při vysokých frekvencích se motor nemusí rozběhnout nebo nemusí produkovat požadovaný točivý moment. To je způsobeno skutečností, že proud ve vinutí motoru, který je indukčností, se nenastaví okamžitě, ale exponenciálně stoupá a klesá. Správnější obvody založené na časovači a jediném operačním zesilovači jsou znázorněny na obrázku 7.

Regulátory s podobnou strukturou mohou být postaveny na digitálních logických prvcích, ale mají nízkou zatížitelnost a vyžadují samostatné napájení, proto s nimi v tomto článku není uvažováno. Použití časovače 555 je zajímavé tím, že frekvence generátoru vyrobeného na jeho základě je prakticky nezávislá na napájecím napětí. Navíc většina v současnosti vyráběných zahraničních analogů vyrobených pomocí bipolární technologie umožňuje výstupní proud až 200 mA nebo více. To znamená, že snadno zvládnou jak kapacitní odpor hradla MOSFET, tak i vysoce výkonné bipolární tranzistorové spínače. Sovětsko-ruský analog blízký časovači 555 je IC (KR) 1006VI1. Maximální výstupní proud pro verze časovače KR1006VI1 a CMOS je 100 mA.

Literatura:

1. Rentyuk V. „Krokové motory a vlastnosti jejich aplikace.“ Komponenty a technologie, č. 10, 2013
2. LM117/LM317A/LM317-N Třísvorkový nastavitelný regulátor, Texas Instruments Inc., leden. 2014
3. speakelectronics.com/EMR-2/SimplePWMThrottle.pdf
4. BUZ11 N-Channel Power MOSFET 50V, 30A, 40 mΩ, Fairchild Semiconductor Corp., 2001
5. Dva 12voltové obvody PWM regulátoru.
6. PWM regulátor otáček motoru 12 voltů na časovači NE555.