ШИМ регулятор скорости двигателя постоянного тока

• Все статьи блога
• Радиолюбителю — конструктору

Регулировать скорость вращения небольших двигателей постоянного тока очень удобно посредством широтно-импульсной модуляции — ШИМ или PWM (pulse-width modulation). Предлагаемая схема управления очень проста и собрана всего на одном распространенном и дешевом чипе LM324. Эта микросхема содержит четыре одинаковых операционных усилителя в одном корпусе. Для реализации схемы ШИМ в общем случае необходим генератор напряжения треугольной формы и компаратор. два из четырех ОУ микросхемы LM324 работают в генераторе, третий ОУ включен как компаратор. Четвёртый ОУ не используется. Никто не мешает вам использовать в этой схеме три одиночных операционных усилителя общего применения, например TL071 или один сдвоенный и один одинарный ОУ, к примеру, TL072 + TL071. В этом случае размер устройства, конечно, будет больше, чем в случае использования одно счетверенного ОУ.

Генератор напряжения треугольной формы собран на ОУ N1 и N2 по известной схеме «интегратор-компаратор». На выходе компаратора на N2 (14) формируются прямоугольные импульсы частотой около 1.6 кГц, которые по цепи обратной связи подаются на инвертирующий вход (2) интегратора, собранного на ОУ N1 через резистор R1. С выхода интегратора (1) снимается сигнал треугольной формы с той же частотой 1.6 кГц. Треугольная волна поступает на неинвертирующий вход (5) компаратора, реализованного на ОУ N3. Одновременно на инвертирующий вход N3 поступает образцовое напряжение с движка потенциометра VR1, который входит в делитель напряжения R4, R5, VR1.

При указанных номиналах делителя напряжения и напряжении питания ∓12В, образцовое напряжение может принимать значения от -6 до +6 вольт, в зависимости от угла поворота оси потенциометра VR1. Компаратор N3 сравнивает треугольный сигнал на выводе 5 N3 с образцовым напряжением на выводе 6. если напряжение на выводе 5 больше напряжения на выводе 6, то на выходе N3 (7) появится высокий уровень напряжения около +12В. Когда напряжение на выводе 5 N3 станет меньше образцового на выводе 6, на выходе 7 N3 появится низкий уровень около -12В. Таким образом, при поступлении на вход 5 напряжения треугольной формы на выходе 7 будут формироваться прямоугольные импульсы с длительностью, зависящей от образцового напряжения на выводе 6 N3. Иными словами, мы сможем регулировать скважность прямоугольного сигнала на выходе N3, поворачивая движок потенциометра VR1.

Наглядно процесс показан на графике ниже. Зеленая линия — это образцовое напряжение. Прямоугольный сигнал синего цвета — это выходной сигнал компаратора.

ШИМ сигнал с выхода N3 подается га затвор MOSFET транзистора Т1. двигатель постоянного тока включен в цепь стока этого транзистора. Во время действия высокого уровня напряжения полевой транзистор открывается и подключает двигатель к источнику питания. Во время действия напряжения низкого уровня транзистор закрыт и мотор обесточен.

Поскольку это происходит со сравнительно высокой частотой, средний ток, протекающий через мотор зависит от скважности (длительности) прямоугольных импульсов. поступающих на затвор транзистора. Чем больше длительность импульса, тем больше будет средний ток, проходящий через двигатель и наоборот. таким образом происходит регулировка частоты вращения мотора.

Для работы схемы требуется двухполярный источник питания напряжением ∓12В. Схема может быть модифицированна для использования с двигателями постоянного тока, рассчитанными на напряжение от 6 до 24 вольт.м

circuit engineeringComparatorPWMкомпараторсхемотехникаШИМ

Способы управления двигателями

Управление коллекторными электродвигателями постоянного тока

Из уравнения скорости электродвигателя постоянного тока видно, что частота вращения коллекторного электродвигателя постоянного тока напрямую связана с величиной напряжения питания прикладываемого к двигателю и момента нагрузки.

• где — угловая частота, рад/с,
• U — напряжение питания, В,
• – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
• M — момент электродвигателя, Н∙м,
• — механическая жесткость двигателя.

Таким образом скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока изменяется посредством изменения величины напряжения питания.

Управление универсальными двигателями

Универсальный коллекторный двигатель может быть подключен как к сети постоянного тока, так и к сети переменного тока. Так же как и у коллекторного двигателя постоянного тока, скорость универсального двигателя управляется величиной напряжения питания, а не его частотой.

Управление бесщеточными электродвигателями переменного тока

Электроприводы с электродвигателем переменного тока наиболее часто используются в составе: насосов, вентиляторов, компрессоров, станков и других механизмов, для которых важно поддерживать скорость вращения вала двигателя, либо определенный технологический параметр.

Основным элементом современного электропривода является система управления электродвигателем: частотный преобразователь или сервопривод.

Преобразователь частоты позволяет управлять моментом и скоростью вращения электродвигателя и исполнительного механизма.
Сервопривод позволяет точно управлять угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма.

При этом современные высокопроизводительные методы управления двигателями переменного тока используемые в современных частотных преобразователях и в сервоприводах имеют единую концепцию управления — векторное управление.

Скалярное управление

Скалярный метод управления обеспечивает постоянное отношение амплитуды напряжений обмоток статора к частоте. Такой метод позволяет контролировать скорость вращения электродвигателя в диапазоне до 1:10. Метод прост в реализации и подходит для большинства задач управления двигателем, где не требуется высокая динамика работы. Медленный отклик при переходном процессе связан с тем, что данный метод контролирует величину напряжения и частоты вместо управления фазой и величиной тока.

Векторное управление

Векторное управление позволяет управлять не только амплитудой и частотой, но и фазой управляющих напряжений. Таким образом данный метод обеспечивает максимальное быстродействие и регулирование во всем диапазоне скоростей, что невозможно выполнить с помощью скалярного управления. Недостатками данного метода является сложность реализации и более высокая цена, связанная с необходимостью использования более мощного микроконтроллера. Данный способ управления используется в таких задачах, как: робототехника, беспилотные аппараты, электрические транспортные средства, устройства автоматики и др.

Управление скоростью двигателя постоянного тока с помощью ATtiny85

В предыдущих двух уроках этой серии мы видели, как изменять интенсивность (яркость) светодиодов с помощью ШИМ-выхода ATtiny85. В этом руководстве мы будем использовать выход ШИМ для изменения скорости двигателя постоянного тока.

Скорость двигателя постоянного тока изменяется при изменении положения потенциометра. Как мы узнали из предыдущего урока, потенциометр дает аналоговый выход от 0 до 5 В. ATtiny85 использует этот аналоговый вход и генерирует выход ШИМ для изменения скорости двигателя постоянного тока. Давайте посмотрим, как это делается.

Если вы не следуете этой серии руководств с самого начала, вам следует пройти следующие два руководства, объясняющие и демонстрирующие, как работать с ATtiny85, и пошаговое руководство по созданию приветственного мира (светодиод мигает). ) приложение.
Как работать с ATtiny85
Мигание светодиода при использовании ATtiny85

Схема соединений

Соединения цепей
9 0016 Схема построена всего из 3-4 компонентов. Потенциометр (потенциометр) имеет три контакта, а средний (ползунковый) вывод подключен к контакту 2 аналогового входа A1. Две другие клеммы потенциометра соединены с 5V и Gnd, как показано на рисунке. Выходной контакт ШИМ PB0 управляет двигателем постоянного тока с помощью транзистора Дарлингтона TIP122. Он подключен к базовому входу TIP122 через токоограничивающий резистор сопротивлением 220 Ом. Выход коллектора TIP122 приводит в действие двигатель постоянного тока, а эмиттер подключен к земле. На двигатель подается питание 12 В, а на ATtiny85 подается питание 5 В, как показано на рисунке.

Работа схемы
При изменении потенциометра выдается аналоговое выходное напряжение от 0 до 5В. Это показано как аналоговый вход для ATtiny85. Встроенный АЦП ATtiny85 преобразует это в цифровое, давая цифровое значение от 0 до 1023 (из-за 10-битного разрешения). На основе этого значения он будет генерировать выход ШИМ на контакте PB0 для изменения скорости двигателя постоянного тока.

Программа
Программа написана в программном обеспечении Arduino IDE с использованием языка программирования C. Он компилируется и создается HEX-файл, который загружается во внутреннюю флэш-память ATtiny85 9.0003

Логика программы
Логика программы проста. Во-первых, ATtiny85 считывает аналоговое напряжение на аналоговом входном контакте A1 и получает значение от 0 до 1023. Это значение будет генерировать ШИМ-выход на контакте 5 (PB0) путем деления этого значения на 4. Значение делится на четыре, потому что значение ШИМ находится в диапазоне от 0 до 255, в то время как входной диапазон составляет от 0 до 1023.

В следующем уроке мы научимся генерировать разные цвета с помощью RGB-светодиода.

Вам также может понравиться:

• Учебные пособия по микроконтроллерам ATtiny85, часть 5: управление яркостью светодиодов с помощью ATtiny85
• Учебные пособия по микроконтроллерам ATtiny85, часть 3. Создание приложения для мигания светодиодов с использованием…
• Учебные пособия по микроконтроллерам ATtiny85, часть 4. Поиск светодиодов с использованием ATtiny85
• Руководства по микроконтроллерам ATtiny85, часть 1: введение
• Руководства по микроконтроллерам ATtiny85, Часть 2: Работа с ATtiny85

Рубрики: Учебники
С тегами: Arduino, ATtiny85
 

Методы управления скоростью двигателя постоянного тока

Скорость двигателя постоянного тока

Обратная ЭДС E _b двигателя постоянного тока представляет собой не что иное, как ЭДС индукции в проводниках якоря из-за вращения якоря в магнитном поле. Таким образом, величина E _b может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.
E _b = ^PØNZ / _60A
(где P = количество полюсов, Ø = поток/полюс, N = скорость в об/мин, Z = количество проводников якоря, A = параллельные пути)

E _b также можно представить как
E _b = V-I _a R _a

таким образом, из приведенных выше уравнений
N = ^{E _b 60А} / _{П ØZ}

, но для двигателя постоянного тока A, P и Z являются константами

Следовательно, N ∝ K ^{E _b} / _Ø           (где K = константа)

Показывает скорость двигатель постоянного тока прямо пропорционален противо-ЭДС и обратно пропорционален потоку на полюс.

Регулятор скорости шунтового двигателя

1. Метод контроля потока

Выше уже объяснялось, что скорость двигателя постоянного тока обратно пропорциональна потоку на полюс. Таким образом, уменьшая поток, можно увеличить скорость и наоборот.

Для управления потоком последовательно с обмоткой возбуждения добавляется реостат, как показано на принципиальной схеме. Добавление большего сопротивления последовательно с обмоткой возбуждения увеличит скорость, так как уменьшит магнитный поток. В параллельных двигателях, поскольку ток возбуждения относительно очень мал, I _ш ² Р потеря небольшая. Поэтому этот метод достаточно эффективен. Хотя скорость может быть увеличена выше номинального значения за счет уменьшения потока с помощью этого метода, он накладывает ограничение на максимальную скорость, поскольку ослабление потока поля сверх установленного предела отрицательно повлияет на коммутацию.

2. Метод управления якорем

Скорость двигателя постоянного тока прямо пропорциональна противо-ЭДС E _b и E _b = V — I _a R _a . Это означает, что при напряжении питания V и сопротивлении якоря R _и поддерживаются постоянными, тогда скорость прямо пропорциональна току якоря I _и . Таким образом, если добавить сопротивление последовательно с якорем, I _a уменьшится, а значит, уменьшится и скорость. Чем больше сопротивление последовательно с якорем, тем больше падение скорости.

3. Метод контроля напряжения

a) Управление несколькими напряжениями :
В этом методе шунтирующее поле подключается к фиксированному возбуждающему напряжению, а на якорь подается разное напряжение. Напряжение на якоре изменяется с помощью подходящего распределительного устройства. Скорость приблизительно пропорциональна напряжению на якоре.

b) Система Ward-Leonard :
Эта система используется там, где требуется очень чувствительное управление скоростью двигателя (например, электрические экскаваторы, лифты и т. д.). Устройство этой системы показано на рисунке справа.
M ₂ — двигатель, для которого требуется регулирование скорости.
M ₁ может быть любым двигателем переменного или постоянного тока с постоянной скоростью.
G представляет собой генератор, напрямую соединенный с M ₁ .
В этом методе выходной сигнал генератора G подается на якорь двигателя M ₂ , скорость которого необходимо контролировать. Выходное напряжение генератора G может изменяться от нуля до максимального значения с помощью его регулятора поля и, следовательно, напряжение якоря двигателя М ₂ изменяется очень плавно. Следовательно, этим способом может быть получено очень плавное управление скоростью двигателя постоянного тока .

Регулятор скорости серийного двигателя

1. Метод управления потоком

• Полевой отвод : Переменное сопротивление подключается параллельно последовательному полю, как показано на рис. (а). Этот переменный резистор называется отклоняющим, так как через этот резистор можно отвести желаемую величину тока и, следовательно, можно уменьшить ток через катушку возбуждения. Таким образом, поток можно уменьшить до желаемой величины и увеличить скорость.
• Переключатель якоря : Переключатель подсоединяется к якорю, как показано на рис. (b).
  При заданном постоянном крутящем моменте нагрузки, если ток якоря уменьшается, тогда поток должен увеличиться, как Ta ∝ ØIa
  Это приведет к увеличению тока, потребляемого от источника питания, и, следовательно, увеличится поток Ø и, следовательно, скорость двигателя уменьшится.
• Управление полем с ответвлениями : Как показано на рис. (c), катушка возбуждения имеет отводы, делящие число витков. Таким образом, мы можем выбрать другое значение Ø, выбрав другое количество витков.
• Параллельные катушки возбуждения : В этом методе можно получить несколько скоростей путем перегруппировки катушек, как показано на рис.