Регулятор стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя с МК
Широкое применение в устройствах электропривода, находят коллекторные двигатели с независимым возбуждением. Их преимущество перед другими двигателями обусловлено в первую очередь простотой схемы управления, т. к. здесь нет необходимости использовать громоздкие и сложные в обслуживании системы на основе датчиков положения ротора и тахогенераторов. Кроме того данные двигатели обеспечивают значительный крутящий момент, при возможности регулирования частоты вращения ротора в широких пределах (от максимальной рабочей частоты, вплоть до нуля).
По принципу действия схемы управления коллекторными двигателями с независимым возбуждением можно разделить на две основные группы:
- Схемы с широтно-импульсным регулированием частоты вращения ротора двигателя;
- Схемы с фазовым регулированием частоты вращения ротора двигателя.
Принцип действия заложенный в первую из них, обеспечивает наилучшие параметры. Схема работает на частотах 1-20 Кгц, в качестве ключевых элементов здесь используются мощные транзисторы. Однако, на практике, данная схема не обеспечивает должной надежности, из-за неустойчивой работы транзисторов при импульсных токах.
Значительно более надежной зарекомендовала себя методика с фазовым управлением частотой вращения, где в качестве регулирующих элементов используются тиристоры. Однако промышленные схемы в которых используется указанный принцип, достаточно громоздки. В результате анализа некоторых из указанных схем выяснилось, что можно добиться значительного их упрощения без всякого ухудшения технических характеристик устройства.
Вариант реализованной, с учетом этих соображений, схемы приведен на рисунке. В основу работы схемы положен описанный выше принцип фазовой регулировки частоты вращения коллекторного двигателя, с использованием обратных связей по току и напряжению. Таким образом указанная схема позволяет обеспечить стабильные обороты двигателя при значительных колебаниях нагрузки на валу, а также питающего напряжения. Возможно так же реализовать режим когда при увеличении нагрузки обороты двигателя будут увеличиваться.
В описываемой конструкции реализовано микропроцессорное управление схемой, однако можно использовать и аналоговое регулирование просто с помощью переменного резистора как это описано например в [1].
На микроконтроллере ATMEGA8515 реализованы следующие функции:
- Задание частоты вращения двигателя с помощью кнопок «-» (SA1) и «+» (SA2)
- Отображение установленных значений на двухразрядном семисегментном цифровом индикаторе (значения от 00 до 99)
- Автоматическое сохранение заданных настроек в энергонезависимую память
- Проигрывание мелодии при включении питания
- Формирование звуковых сигналов при нажатии на кнопки
- Автоповтор при длительном удержании кнопок задания.
Выходное напряжение для управления частотой вращения двигателя формируется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В устройстве ШИМ реализована программно, что позволяет нарастить число каналов ШИМ регулирования до пяти, а также реализовать некоторые дополнительные функции.
Устройство питается от выпрямленного пульсирующего напряжения 36-48В. Стабилизированное сглаженное напряжение для питания ОУ DA1, формируется стабилизатором собранным на транзисторе VT1, резисторах R3, R8, R19, конденсаторах C1, C2, C7 и стабилитроне VD6. Диод VD3 разделяет пульсирующее напряжение необходимое для работы тиристора VS1, и сглаженное - стабилизатора напряжения. Светодиод HL1, служит для индикации подачи напряжения питания и работоспособности стабилизатора.
Опорное напряжение для цепи задания скорости вращения двигателя, формирует стабилитрон VD7. Напряжение задания снимается с резистора R21 и через резистор R22 и фильтр на элементах C5, R24, поступает на прямой вход ОУ DA1 (вывод 3), где складывается с напряжением обратной связи по току. Данное напряжение снимается с резистивного шунта R2 и через делитель на резисторах R4, R6 и фильтр R8, C4, R20 поступает на указанный вход ОУ. Элементы VD10, VD11, R28 служат для ограничения напряжения токовой обратной связи до необходимого уровня.
На инвертирующем входе 11ОУDA1, напряжение снимаемое через резисторы R9, R22, R23 с якоря двигателя М1, суммируется с опорным, поступающим также, со стабилитрона VD9, через резисторы R8, R20.
Напряжение с выхода интегратора DA1 управляет формирователем импульсов на однопереходном транзисторе VT2 определяющем угол открытия тиристора VS4. Таким образом осуществляется фазовое регулирование частоты вращения ротора двигателя, с обратными связями по току и напряжению. Для управления тиристором VS4, используется оптрон U1, включенный в цепи формирователя импульсов (C7, R14, R15, VD8).
Перед настройкой прибора необходимо организовать стенд, позволяющий оперативно контролировать частоту вращения ротора двигателя и менять нагрузку на валу. Наиболее простым и удобным таходатчиком может служить обычная магнитофонная головка, отработавшая свой ресурс. Ее фиксируют на расстоянии нескольких миллиметров от вала двигателя. На валу надежно закрепляют (например с помощью изоленты), небольшой кусочек магнита, таким образом чтобы он пересекал магнитный зазор головки, при вращении вала двигателя. Выходные контакты головки подключают к осциллографу. Изменение нагрузки на валу для двигателей мощностью до 200Вт, можно производить прижимая к нему кусок плотной резины. Кроме того для настройки необходим регулируемый источник переменного напряжения 24-48В.
Методика настройки следующая: вначале вместо постоянного резистора R29 устанавливают подстроячный (для двигателей КПА-563, КПК-564 или аналогичных 470 Ом при напряжении питания 42В). Переменный резистор оперативного регулирования частоты R17, устанавливают в крайнее верхнее положение, соответствующее минимальному напряжению задания. После подачи напряжения питания, подстроячным резистором R20, добиваются полной остановки якоря двигателя и отсутствия на нем напряжения. Затем изменяя положение движка подстроячного резистора R19, добиваются начала вращения вала двигателя. После этого переменный резистор R17 устанавливают в среднее положение и добившись устойчивого положения сигнала на экране осциллографа, нагружают вал двигателя. Изменением сопротивления резистора R29, добиваются постоянства оборотов двигателя (сигнал на экране осциллографа не должен «уплывать») при изменении нагрузки на валу. Далее выпаивают подстроячный резистор R29, измеряют установленное на нем значение сопротивления и вместо него впаивают постоянный резистор, соответствующего номинала.
Для настройки узла стабилизации по напряжению, входное напряжение схемы, с помощью ЛАТРА уменьшают на 10-20%, и изменением подстроячного резистора R22, добиваются постоянства оборотов двигателя. После этого резистор R17 вновь устанавливают в крайнее верхнее по схеме положение, и подстроячным резистором R19 добиваются требуемых начальных оборотов двигателя. В процессе работы оперативную регулировку частоты вращения двигателя осуществляют переменным резистором R17.
Литература [1] Журнал РАДИО 2002 №9 стр. 42 В.Е.Тушнов
Стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя.
По вопросам связанным с увеличением числа каналов регулировки (может быть реализовано до 5), доработки программы и адаптации схемы к различным типам двигателей можно обращаться к автору
Автор публикации В. Е. Тушнов
г. Луганск Украина