Схема электродвигателя постоянного: Двигатель постоянного тока: схемы включения

AB-026: Бездатчиковый стабилизатор скорости для двигателя постоянного тока

Бездатчиковый стабилизатор скорости для двигателя постоянного тока

Введение

Скорость двигателя – это параметр двигателя постоянного тока, который часто измеряется и регулируется, обычно с помощью дополнительных датчиков и с обратной связью по замкнутому контуру. Для этого метода управления скоростью требуется какой-либо датчик скорости, обычно устанавливаемый на валу двигателя. Некоторые из наших двигателей постоянного тока и мотор-редукторов имеют задние валы специально для этой цели, например, 212-109.

Эта блок-схема представляет собой типичную систему управления с обратной связью, которая может быть разработана для работы в аналоговом или цифровом режиме.

-го обычно используются с цифровыми контроллерами, в то время как аналоговые схемы часто используют тахогенераторы. С помощью ШИМ-управления можно достичь хорошей точности, гибкости и снизить потери мощности. Однако это происходит за счет дополнительного компонента и, возможно, модификации механической конструкции, если вы планируете использовать его в существующем продукте.

Для щеточных двигателей постоянного тока можно измерять и регулировать скорость без каких-либо датчиков на двигателе, используя основную характеристику – напряжение обратной ЭДС, зависящее от скорости.

Бессенсорное аналоговое измерение скорости двигателя

Двигатель постоянного тока моделируется как последовательное соединение внутреннего сопротивления и источника напряжения обратной ЭДС. Напряжение на клеммах двигателя складывается из обратной ЭДС и падения напряжения, превышающего сопротивление катушки.

Связаться

Поговорите с членом нашей команды.

Каталог двигателей

Ищете нашу продукцию?

Надежные и экономичные миниатюрные механизмы и двигатели, отвечающие вашим требованиям.

Падение напряжения на внутреннем сопротивлении якоря зависит от тока двигателя (и, следовательно, от момента нагрузки). Невозможно измерить скорость напрямую, измеряя только напряжение на клеммах двигателя.

Сопротивление обмотки Ra обычно постоянно – хотя оно имеет небольшую температурную зависимость, мы можем компенсировать его, чтобы падение напряжения на якоре двигателя было пропорционально току двигателя.

Поскольку невозможно измерить обратную ЭДС напрямую, нам необходимо рассчитать ее по следующему уравнению: 𝑉𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 + (𝐼𝑎 × 𝑅𝑎)

К сожалению, напрямую измерить напряжение якоря также невозможно – однако мы можем подключить дополнительный (внешний) резистор последовательно с двигателем. Измерение падения напряжения на этом последовательном резисторе позволяет нам определить обратную ЭДС.

Если мы установим значение последовательного резистора равным сопротивлению в двигателе, мы гарантируем, что любое изменение падения напряжения на последовательном резисторе будет равно падению напряжения в якоре: 𝑉𝑎 = 𝐼𝑎 × 𝑅𝑎𝑉𝑠 = 𝐼𝑎 × 𝑅𝑠𝑅𝑠 = 𝑅𝑎𝑉𝑠 = 𝑉𝑎

Итак, сначала нам нужно узнать или измерить сопротивление якоря двигателя.Это можно сделать путем измерения сопротивления на клеммах двигателя с помощью омметра или путем измерения тока остановки с известным напряжением питания. При использовании последнего предпочтительнее использовать низкое напряжение питания, чтобы избежать повреждения из-за перегрузки по току.

Например, при питании двигателя 1,2 В и измерении 100 мА во время остановки сопротивление якоря рассчитывается как: = 𝐼𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙 × 𝑅𝑎𝑅𝑎 = 𝑉𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦𝐼𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑅𝑎 = 1,2𝑉100𝑚𝐴𝑅𝑎 = 12 Ом

При использовании омметра для измерения оконечного сопротивления снимите среднее значение нескольких показаний при различных положениях ротора.

Напряжение питания будет равно напряжению последовательного резистора, напряжению сопротивления якоря и напряжению обратной ЭДС. = 𝑉𝑠 + 𝑉𝑎 + 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓

Напряжение обратной ЭДС можно рассчитать, вычтя удвоенное падение напряжения на последовательном резисторе из напряжения питания. = 𝑉𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦– (2 × 𝑉𝑠)

Чтобы уменьшить потери мощности, мы можем использовать более низкое значение последовательного сопротивления, но резистор в конечном итоге снизит напряжение, воспринимаемое двигателем. Используя мостовую схему, мы можем сохранить высокую чувствительность измерения и компенсировать потери мощности в двигателе:

Правая опора моста состоит из последовательно включенного двигателя M и резистора Rs .Левая ножка – последовательное соединение резисторов R1 и R2 , каждая ножка подключена к источнику питания. Напряжение обратной ЭДС измеряется между точками A и B .

Rload представляет входное сопротивление нашей измерительной цепи. Поскольку он будет состоять из операционного усилителя, его входное сопротивление будет намного больше, чем другие сопротивления в этой схеме (идеальные операционные усилители имеют бесконечное входное сопротивление).

Нам необходимо убедиться, что напряжение между точками A, и B не зависит от тока двигателя и напряжения питания и зависит только от скорости двигателя и входного сопротивления измерительной цепи ( Rload ).

Начнем с анализа цепи без обратной ЭДС, т.е. когда двигатель остановлен. Для балансировки моста напряжение между точками A, и B должно быть равно нулю. Это происходит до тех пор, пока соотношение между R1 и R2 такое же, как Rs и Ra : 𝑅2𝑅1 = 𝑅𝑎𝑅𝑠

ч – коэффициент усиления нашего моста: ℎ = 𝑅1𝑅2 = 𝑅𝑠𝑅𝑎

Если мы выведем двигатель из состояния остановки, напряжение обратной ЭДС пропорционально скорости: 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑘𝑒 × 𝑛

, где ke – электрическая постоянная для нашего двигателя, а n – скорость двигателя.

Если двигателю разрешено вращаться со скоростью холостого хода, для идеального двигателя мы ожидаем, что Ia равно 0. Это потому, что идеальные двигатели игнорируют сопротивление воздуха и трение подшипников. Напряжение на скорости холостого хода: = 𝑘𝑒 × 𝑛𝑁𝐿

Отсюда Vbemf можно подписать как: 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑉𝑟𝑝𝑚𝑁𝐿 × 𝑛𝑛𝑁𝐿 = 𝑉𝑟𝑝𝑚𝑁𝐿 × 𝐾

Где K – коэффициент пропорциональности между Vbemf и V_rpm в нашей схеме.

Теперь мы можем составить систему уравнений для нашей схемы:

Решение для I5 : 𝐼5 = ℎ (ℎ + 1) 𝑉𝑟𝑝𝑚𝑁𝐿 × 𝐾2ℎ (𝑅𝑎 + 𝑅2) + (ℎ + 1) 2 × 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑

Таким образом, выходное напряжение равно: 𝑉𝑟𝑝𝑚 = 𝐼5 × 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 = ℎ (ℎ + 1) × 𝑉𝑟𝑝𝑚𝑁𝐿 × 𝐾2ℎ (𝑅𝑎 + 𝑅2) + (ℎ + 1) 2 × 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 × 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑

А для работы без нагрузки: 𝑉𝑟𝑝𝑚 = ℎℎ + 1 × 𝑉𝑟𝑝𝑚𝑁𝐿 × 𝐾

Выходное напряжение между точками A, и B не зависит от источника питания и тока двигателя как без нагрузки, так и при работе под нагрузкой.Он зависит от х , и при увеличении выходное напряжение также увеличивается.

Как упоминалось ранее, сопротивление якоря будет изменяться в зависимости от температуры – дисбаланс моста и влияние на выход В об / мин . Чтобы свести к минимуму этот эффект, мост следует настраивать, когда двигатель находится при рабочей температуре.

Этот метод стабилизации скорости был популярным решением для контроллеров скорости вращения ротора регулятора, используемых в магнитофонах, использующих аналоговую электронику.В эпоху магнитофонов многие компании производили микросхемы для управления двигателем постоянного тока, чтобы лента двигалась с постоянной скоростью. Это было интересное решение, потому что оно работало линейно и не создавало шума, как контроллеры на основе ШИМ.

Общие микросхемы включают LA5586, TDA7274, BA6220 и AN6550. К сожалению, производство большинства из них было снято с производства, и теперь их можно приобрести только на вторичном рынке. Схемы в микросхемах немного отличались, но принцип работы по-прежнему основан на мостовой схеме, описанной выше.

Обратите внимание, что эквивалентная схема нарисована с источниками тока и постоянным коэффициентом тока. Коэффициент текущей ликвидности составляет от 20 до 40, в зависимости от конкретной ИС, и обозначен как K . В интегральных схемах легко сделать два источника тока с одинаковыми температурными параметрами.

Двигатель подключен к одной ветви моста, а вторая ветвь содержит резистор со значением K, в раз превышающим внутреннее сопротивление двигателя.

В установившемся режиме ток двигателя в K в раз больше, чем ток через Rt . Отрицательный вход операционного усилителя подключен к источнику напряжения, поэтому падение напряжения на резисторе Rt всегда будет ниже, чем напряжение двигателя. Разница составит Vref . Напряжение в точке A (относительно земли) всегда будет выше, чем напряжение в точке B .

Без Rs , ток через Rt в 40 раз меньше тока двигателя. Когда нагрузка двигателя увеличивается, напряжение в точке B увеличивается, а также увеличивается выходное напряжение усилителя. Более высокое напряжение усилителя вызывает более высокий ток двигателя, что увеличивает крутящий момент двигателя. Регулировка скорости может быть достигнута путем добавления шунтирующего резистора – напряжение между точками A, и B всегда равно опорному напряжению, поэтому легко контролировать дополнительный ток, добавленный к Rt .

Эта схема будет сбалансирована, когда напряжение двигателя равно сумме напряжений на Rt и Rs ( Vref ). Уравнение установившегося состояния: × 𝑅𝑚 + 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑅𝑇 × 𝐼𝑠 + 𝑅𝑇 × 𝐼𝑠 + 𝐼𝑚𝐾 + 𝑉𝑟𝑒𝑓

Отсюда уравнение для обратной ЭДС: 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 + (1 + 1𝐾) × 𝑅𝑇 × 𝐼𝑠 + 𝑅𝑇𝐾 – 𝑅𝑚 × 𝐼𝑚

Принятие: 𝐾 × 𝑅𝑚 = 𝑅𝑇

, то количество оборотов, определяемое Vbemf , составляет: 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 + 𝑅𝑇 × (1 + 1𝐾) × 𝐼𝑠

Важно, чтобы во всех случаях значение Rt было меньше K x Rm , в противном случае цепь будет чрезмерно компенсированной и нестабильной.

Аналоговый регулятор скорости с отрицательным сопротивлением

Увеличение нагрузки на двигатель приводит к увеличению потребляемого тока и падению скорости. Также уменьшается обратная ЭДС и напряжение на двигателе, этот метод управления известен как регулятор отрицательного вывода.

В этом случае мы используем операционный усилитель для управления скоростью, поэтому наша R_load будет на тысячи больше, чем другое сопротивление в этой цепи, и снова может быть опущена.

Из предыдущего раздела мы знаем, что напряжение источника питания не изменилось на В об / мин , что позволяет нам запитать нашу схему от мощного операционного усилителя или добавить транзистор к выходу стандартного операционного усилителя. .Подключив инвертирующий вход к ножке моста между двигателем и последовательным резистором, мы можем управлять источником питания моста с помощью напряжения, подключенного к неинвертирующему выходу.

Входное напряжение подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а инвертирующий вход подключается непосредственно к клемме двигателя. Мы пока не можем контролировать скорость с помощью схемы, в связи с чем наш усилитель работает как буфер (или повторитель напряжения) с коэффициентом усиления равным 1.По сути, входное напряжение определяет напряжение двигателя.

Можно изменить скорость двигателя, установив напряжение Vin, но это не поддерживает постоянную скорость при изменении нагрузки. При постоянном входном напряжении двигатель будет вращаться быстрее при малых нагрузках и медленнее при увеличении нагрузки. Нам нужно еще несколько компонентов для стабилизации скорости двигателя.

Падение напряжения на Rs пропорционально падению напряжения на сопротивлении якоря двигателя, мы будем использовать это напряжение для компенсации падения напряжения на сопротивлении якоря.Это можно сделать, добавив модификацию схемы к приведенной ниже – добавив R1 и R2 и подключив их среднюю точку к неинвертирующему входу операционного усилителя.

Соотношение R1 и R2 должно быть таким же, как Rs и Ra для обеспечения стабилизации скорости. На изображении выше показана полная схема и ее эквивалент для руководства, управляющее напряжение должно быть таким же, как напряжение обратной ЭДС при желаемой скорости.

Коэффициент компенсации определяется значением Rs , но удобнее использовать стандартное значение сопротивления, а затем изменить R1 или R2 соответственно.

Если скорость двигателя уменьшается при приложении нагрузки, следует увеличить значение R2 (или уменьшить R1 ). Если скорость двигателя начинает колебаться (или имеет тенденцию к увеличению) при приложении нагрузки, следует уменьшить R2 или ( R1 следует увеличить).

Чтобы спроектировать эту схему, нам нужно знать, какое значение обратной ЭДС на желаемой скорости:

1. Чтобы найти напряжение обратной ЭДС на желаемой скорости, вал двигателя может быть установлен на бурильщик и приведен в движение. После достижения желаемой скорости (проверенной тахометром) измерьте напряжение на клеммах двигателя с помощью высокоомного вольтметра.
2. Измерьте внутреннее сопротивление обмотки с помощью омметра на клеммах двигателя. Хорошо взять среднее значение из нескольких различных измерений положения ротора.
3. Выберите значение Rs из стандартных значений, оно может быть меньше сопротивления двигателя.
4. Выберите R1 и R2 , чтобы соотношение было таким же, как соотношение между Rs и Ra . Фактические значения резистора должны быть больше Rs и Ra для экономии тока. Поскольку эквивалентное сопротивление плеч моста будет другим, операционный усилитель должен быть с низким входным током.
5. Подайте управляющее напряжение, равное желаемой обратной ЭДС.
6. Проверьте скорость и соответствующим образом компенсируйте (указано в абзаце перед этим списком).

Для температурной компенсации можно выбрать Rs с тем же температурным коэффициентом, что и обмотки двигателя – для меди это 3400 частей на миллион. Этот резистор следует размещать как можно ближе к двигателю, чтобы поддерживать тот же температурный режим.

Простая схема стабилизации скорости двигателя также может быть выполнена только на транзисторах:

В этой схеме T2 работает как выходной каскад, а T1 как усилитель ошибки.Сигнал на коллекторе T1 является выходным сигналом, эмиттер работает как инвертирующий вход, а база как неинвертирующий вход.

Сигнал напряжения на двигателе подключен к неинвертирующему входу, потому что выходной каскад инвертирует этот сигнал, что означает, что больший сигнал на коллекторе вызывает меньший ток двигателя.

Диоды D1 и D2 создают опорное напряжение, напряжение на эмиттере T1 всегда ниже, чем напряжение на выводах двигателя.Напряжение компенсации берется из R3 и вычитается из напряжения питания моста, которое измеряется делителем напряжения R4 , R5 и R1 .

R7 и C2 – это схема запуска, помогающая преодолеть статическое трение, а C1 – конденсатор компенсации частоты, предотвращающий высокочастотные колебания.

Поскольку нам необходимо точное измерение обратной ЭДС, которое зависит от контактного сопротивления между коммутатором и щетками, лучше всего использовать двигатели с металлическими щетками.Большинство двигателей Precision Microdrive имеют металлические щетки и подходят для этого метода управления скоростью.

Регулятор скорости со специализированным IC

Эта схема основана на AN6651, специализированном контроллере двигателя, который ранее был популярен в магнитофонах.

AN6651 работает по тому же принципу, что и описанный выше LA5586. Контакты 2 и 4 являются выходами источника тока, соотношение между управляющим выходом (контакт 2) и выходом двигателя (контакт 4) составляет 40: 1.

Сопротивление R1 , подключенное между контактом 2 и источником питания, должно быть в 40 раз больше внутреннего сопротивления двигателя для того же падения напряжения на R1 , что и на внутреннем сопротивлении двигателя: 𝐾 = 40𝑅1 = 𝐾 × 𝑅𝑚

AN6651 работает по тому же принципу, что и описанный выше LA5586.Контакты 2 и 4 являются выходами источника тока, соотношение между управляющим выходом (контакт 2) и выходом двигателя (контакт 4) составляет 40: 1.

Сопротивление R1 , подключенное между контактом 2 и источником питания, должно быть в 40 раз больше внутреннего сопротивления двигателя для того же падения напряжения на R1 , что и на внутреннем сопротивлении двигателя: 𝐾 = 40𝑅1 = 𝐾 × 𝑅𝑚

Например, используя стандартное значение 390 Ом для R1 (меньшее значение снижает склонность к возникновению колебаний), нам нужно найти значения для последовательного соединения R2 и R3.Давайте возьмем двигатель постоянного тока 132-100 и установим целевую скорость 2400 об / мин. Для начала нам нужны некоторые технические детали:

• Сопротивление двигателя, = 10 Ом
• Входное напряжение без нагрузки при скорости 2400 об / мин, 𝑉𝑚 = 3,87𝑉
• Ток без нагрузки при скорости 2400 об / мин, 𝐼𝑚 = 23𝑚𝐴

Мы можем рассчитать падение напряжения на внутреннее сопротивление как: 23𝑚𝐴 × 10Ω = 0,23𝑉

, и мы также можем рассчитать Vbemf как: 3,87𝑉 − 0,23𝑉 = 3,65𝑉

В установившемся режиме, когда цепь сбалансирована, уравнение цепи имеет следующий вид: 𝐼𝑚 × 𝑅𝑚 + 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑅1 × (𝐼𝑅2𝑅3 + 𝐼𝑅2𝑅3 + 𝐼𝑚𝐾 + 𝑉𝑟𝑒𝑓

Из этого уравнения мы можем вычислить обратную ЭДС: 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 + 𝑅1 × (1 + 140) × 2𝑅3

Как мы знаем из даташита Vref = 1V, поэтому: 𝐼𝑅2𝑅3 = 𝑉𝑏𝑒𝑚𝑓 – 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑅1 × (1 + 140)

Для нашего мотора имеем: 𝐼𝑅2𝑅3 = 3.64–1390 × (1 + 140) 𝐼𝑅2𝑅3 = 0,0051𝐴 = 5,1𝑚𝐴

С помощью этого значения мы можем рассчитать последовательное сопротивление R2 и R3 : 𝐼𝑅2𝑅3 = 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑅2 + 𝑅3𝑅2 + 𝑅3 = 𝑉𝑟𝑒𝑓𝐼𝑅2𝑅3𝑅2 + 𝑅3 = 195 Ом

Мы можем использовать постоянный стандартный резистор 150 Ом плюс потенциометр 100 Ом, что дает нам диапазон для точной настройки. Расчетные значения являются приблизительными, в реальной цепи ток внутреннего источника опорного напряжения также является значительным (между 0,8 – 2 мА для AN6651), это приведет к изменению тока двигателя.

Добавление потенциометра позволяет установке регулировать скорость, и ее следует откалибровать через некоторое время, чтобы двигатель прогрелся до рабочей температуры, чтобы минимизировать результирующий сдвиг сопротивления.

Регулятор скорости с дискретным операционным усилителем

Это улучшенная версия схемы операционного усилителя, описанной выше, с использованием специальной ИС.Основное улучшение – это работа при низком напряжении, благодаря использованию опорного сигнала с малой шириной запрещенной зоны. Использование этого дискретного компонента минимизирует размер схемы, что идеально подходит для современных небольших корпусов.

В этой схеме компенсационное напряжение снимается с последовательного резистора R8 , значение которого меньше внутреннего сопротивления двигателя для уменьшения потерь мощности. Вторая опора моста образована из R6 и R7 . Соотношение этих резисторов должно быть таким же, как R8 и сопротивление обмотки двигателя.В качестве типичного значения можно выбрать R8 , тогда для компенсации внутреннего падения напряжения следует выбрать R6 и R7 . Для стабильной работы коэффициент R7 / R6 должен быть больше Rm / R8 .

Эта схема должна подходить для небольших двигателей с номинальным напряжением 1 В ~ 2 В.

Регулятор скорости на транзисторах

Эта недорогая схема построена на транзисторах для управления скоростью двигателя, хотя она не обеспечивает такой же точности, как операционный усилитель, ее можно сделать очень маленькой и полезной для недорогих приложений.

В этой схеме опорное напряжение составляет 1,2 В, и D1 работает как опорное напряжение. Обратная ЭДС двигателя больше опорного напряжения – в зависимости от делителя напряжения R2 , R3 и R4 :

1. Во-первых, нам нужно установить коэффициент делителя напряжения, наше опорное напряжение составляет 1,2 В, а когда желаемая обратная ЭДС составляет 3,6 В, делитель напряжения R2 , R3 и R4 должен иметь коэффициент: 3.61,2 = 3
2. Итак, у нас есть максимальный диапазон для точной настройки схемы, это нужно делать, когда потенциометр ( R3 ) находится в среднем положении. Теперь нам нужно разделить оставшееся значение между каждым из других резисторов.
3. Когда мы знаем наш коэффициент делителя напряжения, выбрать R6 и R8 легко. У нас должно быть одинаковое соотношение между делителем напряжения R6 , R8 и внутренним сопротивлением двигателя.

Этот контур разработан для одной постоянной скорости, и изменение скорости с помощью триммера влияет на компенсацию скорости.Таким образом, триммер следует использовать только для настройки этой схемы в диапазонах очень низких скоростей. Чтобы использовать эту схему с широким диапазоном настройки скорости, нам необходимо внести некоторые изменения:

Эта схема работает по тем же правилам, что и предыдущая версия с двумя транзисторами, но основным улучшением является увеличение коэффициента усиления для опорного напряжения транзистором Q2 . Это позволяет нам использовать опорное напряжение с микромощной запрещенной зоной, которое более стабильно, чем стандартные диоды.Еще одно улучшение от добавления Q2 – это температурная компенсация Vbe между транзисторами Q1 и Q2 .

Расчет этой схемы начинается с задания напряжения обратной ЭДС. В этой схеме опорное напряжение равно LM385 – 2,5 В и напряжение Vbe для Q2 : 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑏𝑔𝑟𝑒𝑓 + 𝑉𝑏𝑒 = 1,2𝑉 + 0,7𝑉 = 1,9𝑉

Если нам нужно, чтобы Vbemf составляло 3,8 В, коэффициент делителя напряжения R2 , R4 и R3 должен быть 2: 1.Потенциометр ( R3 ) предназначен для точной настройки этого напряжения, но в этой схеме изменение скорости с помощью триммера вызовет изменение компенсации. Таким образом, R3 предназначен только для окончательной настройки скорости в небольшом диапазоне, скажем, 5% или меньше, и должен использоваться только для компенсации допуска других значений компонентов.

После установки этого делителя напряжения выбрать значение R6 и R7 легко, когда мы знаем внутреннее сопротивление двигателя. Эквивалентное параллельное соединение R6 , R7 и сопротивление двигателя должны иметь такое же соотношение, что и делитель напряжения R2 , R3 и R4 (с потенциометром R3 , установленным в среднее положение).

Аналоговый регулятор скорости переключения режимов

В этой статье описывается простая реализация аналогового регулятора скорости двигателя, основанная на измерении обратной ЭДС и управляющем сигнале ШИМ.

При использовании ШИМ с двигателем постоянного тока все еще можно управлять скоростью двигателя без каких-либо датчиков. Используя типичный недорогой драйвер с одним полевым МОП-транзистором, можно измерить обратную ЭДС, когда двигатель вращается, а транзистор выключен.

Этот контроллер состоит из модулятора ШИМ, выходного транзистора и схемы «выборки и удержания» (иногда известной как схемы «слежения и удержания»). Модулятор PWM имеет управляющий вход, который позволяет изменять рабочий цикл. Если вы не знакомы, это может показаться сложным, но общая идея довольно проста:

• , когда транзистор включен, напряжение питания подключено к клеммам двигателя, ток двигателя Im протекает через двигатель, заставляя его ускоряться.
• , когда транзистор выключен, двигатель действует как генератор, а Vm равно до Vbemf , который пропорционален скорости двигателя.Срабатывает схема выборки и удержания, которая сохраняет выборку Vbemf в конденсаторе

Узел суммирования затем вычисляет разницу между желаемой скоростью и текущей скоростью, поскольку обе представлены напряжением (желаемое напряжение и Vbemf соответственно). Это напряжение ошибки используется для управления скоростью двигателя путем увеличения или уменьшения рабочего цикла модулятора ШИМ.

Из-за индуктивного характера двигателей постоянного тока измерение обратной ЭДС невозможно сразу после выключения транзистора.Когда транзистор переключается, генерируется сильный индуктивный всплеск, и индуктивный рециркуляционный ток Ir течет через реверсивный диод. Необходима небольшая задержка, пока напряжение обратной ЭДС не станет стабильным:

Этот метод управления может быть выполнен с использованием только аналоговых компонентов или с помощью цифрового микроконтроллера. Практическая реализация контроллера, основанного на этом методе и использующего двигатель постоянного тока 132-100, показана ниже:

В этой схеме напряжение на R2 представляет желаемую скорость, IC1A работает как усилитель ошибки и ПИД-регулятор.

Схема ШИМ-модулятора построена на IC1B и IC2 , где IC1B работает как генератор треугольных волн с частотой, определяемой R12 и C4 .

IC2 действует как компаратор, который сравнивает напряжение треугольного сигнала с выхода IC2 с установочным напряжением от потенциометра R15 . Когда напряжение сигнала треугольника ниже, чем напряжение от R15 , выход компаратора высокий, и двигатель запитан.

Схема выборки и удержания состоит из C3 , R10 , D2 , Q1 , R13 . Когда двигатель запитан от T1 , Q2 включен, а узел R13 и D2 закорочен на землю, что не позволяет ему сделать выборку, когда на двигатель подается напряжение Vcc. Диод D2 предотвращает разряд C3 при включенном Q1 .

Когда T1 выключен, Q2 также выключен, и Vbemf может заряжать конденсатор C3 .Напряжение на C3 находится на неинвертирующем входе усилителя ошибки, IC1A . Этот усилитель вычитает текущее напряжение скорости из желаемого напряжения скорости (устанавливается потенциометром R2 ). Когда обратная ЭДС увеличивается, выходное напряжение на IC1A также увеличивается – это смещает уровень сигнала треугольника вверх пропорционально ошибке скорости. Если уровень сигнала треугольника увеличивается, то время, когда выходной транзистор включен, уменьшается, и коэффициент заполнения ШИМ также уменьшается.

Этот усилитель ошибки работает как схема ПИД-регулирования, где коэффициент усиления определяется как 5𝑅5 + 10, а постоянная времени определяется как R5 и C2 .

Схема выборки и хранения очень проста, потому что время выборки равно состоянию выключения в рабочем цикле ШИМ, поэтому напряжение выборки напрямую зависит от рабочего цикла. Кроме того, это менее важно, если схема используется для управления приложением, которое не использует полный диапазон скорости двигателя.Его также можно уменьшить по выбору, изменив значения R10 , C3 и R13 , которые позволяют изменять время заряда / разряда C3 .

Диапазон изменения рабочего цикла ШИМ (от приложенного напряжения ошибки) определяется соотношением R7 до R8 || R9 , однако, поскольку схема Sample & Hold настолько проста, этот диапазон не должен быть очень широким.

Эта схема предназначена для работы в малом диапазоне ШИМ, максимальная нагрузка ШИМ снижается за счет задержки индуктивной нагрузки двигателя, и с ограничением схемы выборки и удержания этот метод не следует использовать для широкого диапазона. диапазон регулирования скорости.

Это демонстрирует принцип работы, поэтому для практического использования настоятельно рекомендуется улучшить простую схему выборки и хранения. Например, схема на основе недорогого LF398 может обеспечить время выборки 10 мкс.

По сравнению с аналоговой схемой отрицательной обратной связи этот метод:

• снижает потери мощности
• может быть более стабильным, так как температура не влияет на напряжение обратной ЭДС (за счет изменения сопротивления обмотки)

Однако это также:

• не подходит для двигателей с высокой индуктивностью
• имеет узкий диапазон регулирования скорости
• имеет тенденцию к колебаниям

Информационный бюллетень

Подпишитесь, чтобы получать новые блоги, тематические исследования и ресурсы – прямо на ваш почтовый ящик.

Узнать больше

Ресурсы и руководства

Ознакомьтесь с замечаниями по применению наших продуктов, руководствами по дизайну, новостями и тематическими исследованиями.

Примеры из практики

Изучите нашу коллекцию тематических исследований, примеры нашей продукции в различных областях применения.

Прецизионные микроприводы

Нужен ли вам компонент двигателя или полностью проверенный и протестированный сложный механизм – мы всегда готовы помочь. Узнайте больше о нашей компании.

7 фактов о контроллере двигателя постоянного тока

Что такое контроллер двигателя постоянного тока?

Контроллер двигателя постоянного тока (постоянный ток) – это особый тип электрического устройства, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Двигатели постоянного тока получают электроэнергию, используя постоянный ток, а затем преобразуют эту энергию в автоматическое вращение.

Двигатели постоянного тока есть почти везде.Они используют магнитное поле, создаваемое генерируемым током. Эти токи являются токами, которые приводят в движение ротор, закрепленный на выходном валу. Скорость и выходной крутящий момент зависят как от конструкции двигателя, так и от входной мощности.

Как работает контроллер двигателя постоянного тока?

различаются по мощности и размеру. Вы можете найти важные механизмы, используемые для подъема и подъемников, механических транспортных средств, и маленькие механизмы, найденные в игрушках. Но опять же, как работает двигатель постоянного тока? Двигатели постоянного тока состоят из двух основных частей: якоря и статора.Статор – это постоянная часть двигателя, а якорь – это вращающаяся часть.

постоянного тока в дополнение к катушке с проволокой используются стационарные наборы магнитов в статоре. В петле из проволоки протекает ток, который создает выровненное электромагнитное поле. Одна или несколько обмоток изолированного провода наматываются вокруг сердечника двигателя с целью концентрации магнитного поля.

Обмотки изолированного провода подключаются к поворотному электрическому переключателю (коммутатору), который подает электрический ток на обмотки катушки.Вращающийся электрический переключатель позволяет каждой катушке якоря получить питание, создавая крутящий момент или постоянное вращающее усилие.

При последовательном включении и выключении катушек создается магнитное поле, которое взаимодействует с различными участками неподвижных магнитов, создавая крутящий момент. Эти фундаментальные принципы работы позволяют двигателям постоянного тока преобразовывать электрическую энергию постоянного тока в механическую, которую можно использовать для силового оборудования. Все это за счет вращательного движения.

Кто изобрел контроллер двигателя постоянного тока?

Двигатель постоянного тока – это выдающееся электрическое устройство, которое произвело революцию в жизни людей во многих отношениях. Но кто был изобретателем двигателя постоянного тока? Как и во всех остальных нововведениях, есть множество людей, которые сыграли свою роль в разработке другого оборудования.

В США Томас Давенпорт был изобретателем первого электродвигателя. Давенпорт был первым человеком, который пошел дальше и подал заявку на патент на пригодный для использования электродвигатель.Это было еще в 1837 году. Однако Давенпорт не был первым человеком, который построил электродвигатель, поскольку другие изобретатели в Европе разработали более мощную версию ранее.

Причина, по которой он хвалил Давенпорта как первого изобретателя, заключается в том, что он ранее подал заявку на патент. В 1834 году Якоби Мориц уже представил очень мощный двигатель (в три раза более мощный), чем у Давенпорта. Год спустя Сибрандус Стратинг и Кристофер Беккер продемонстрировали практическое применение электродвигателя.

Типы контроллеров двигателей постоянного тока и управления двигателями постоянного тока

Стоит знать несколько типов двигателей постоянного тока. До сих пор в этом руководстве подробно объяснялось, что такое двигатели постоянного тока, их функции и история. На этом этапе мы рассмотрим типы двигателей постоянного тока. Короче говоря, существует четыре основных типа двигателей постоянного тока, как показано ниже:

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Они также известны как синхронные двигатели постоянного тока или двигатели с электронной коммутацией.Основное отличие этих типов двигателей от остальных в том, что в них отсутствует коммутатор. Однако он заменен сервомеханизмом, который может определять и впоследствии регулировать угол поворота ротора. Бесщеточные двигатели постоянного тока долговечны и безопасны.

Двигатели постоянного тока с щетками

Это оригинальные двигатели постоянного тока, разработанные компанией Sprague. Хотя они остаются популярными для бумагоделательных машин, кранов и прокатных станов, в последнее время их популярность уменьшается.

Параллельные двигатели постоянного тока

Это тип щеточных двигателей с подключением обмоток возбуждения параллельно якорю.У них меньший ток за счет параллельности обмоток. Шунтовые двигатели находят широкое применение в нескольких приложениях, где требуется постоянный крутящий момент. Больше всего от них полагаются смесители, конвейерные ленты и подъемники.

Это последняя разновидность. Последовательное соединение обмоток возбуждения отличает их от параллельных двигателей. Следовательно, это означает, что ток якоря действительно проходит через обмотку возбуждения, создавая гораздо более высокие скорости. Серийные двигатели постоянного тока идеально подходят для задач, требующих высокого пускового момента.

Наиболее распространенные методы управления двигателем постоянного тока:

Регулятор направления: H-мост

H мостовая схема является одним из простейших способов управления двигателем постоянного тока. Здесь вы найдете четыре переключателя, управляемых попарно. Когда любая из этих пар замыкается, они немедленно замыкают цепь и впоследствии приводят в действие двигатель. H-мост также может контролировать скорость.

Регулятор скорости: широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

PWM изменяют скорость двигателя, моделируя увеличение или уменьшение подачи напряжения.ШИМ легко и недорого применять, аспект, который позволяет непрерывно контролировать скорость двигателя. Здесь вы найдете контроллеры привода с регулируемой скоростью, которые работают, посылая на двигатель периодические импульсы. Когда индуктивность катушки с использованием обычного импульса дает некоторый эффект сглаживания привязки, электродвигатель работает как от высокого или низкого напряжения.

Контроллер якоря: переменное сопротивление

Это еще один способ воздействия на скорость двигателя постоянного тока. Здесь изменяется ток, подаваемый через якорь или катушку возбуждения.Если вам интересно, вы заметите, что скорость выходного вала изменяется при изменении тока катушек. Переменные резисторы могут изменять ток, чтобы вы могли увеличить скорость.

Что нужно знать при покупке двигателей постоянного тока

Купить двигатели постоянного тока очень просто. Все, что вам нужно сделать, это найти своего поставщика, заключить сделку, заплатить за нее и забрать товар, верно? Если вы так думаете, то ошибаетесь. Перед покупкой двигателей постоянного тока необходимо учесть несколько важных моментов.Вот несколько важных факторов, которые следует учитывать:

Чем выше энергия, тем выше крутящий момент. Энергия поддерживает чистый ток в одном направлении. Обязательно проверьте рекомендованное натяжение двигателя постоянного тока в инструкции по эксплуатации. Если таковой не хватает, отправляйтесь в другое место.

Текущий

Ток питает двигатель, и слишком большая его часть опасна, так как может повредить двигатель. Перед покупкой убедитесь, что вы знаете рабочий ток и ток остановки вашего контроллера двигателя постоянного тока.

Скорость

Скорость несколько сложна, когда дело касается двигателей. Двигатели эффективно работают на высоких скоростях, но это невозможно при необходимости переключения передач. Добавление передач не ограничивает эффективность двигателя. Следовательно, вам нужно также учитывать снижение крутящего момента и скорости.

Материал печатной платы в них

Тип материала печатной платы, используемого при производстве двигателей постоянного тока, имеет значение. Выбор двигателей постоянного тока, состоящих из печатных плат из некачественных материалов, сопряжен с риском для управления двигателями постоянного тока.

Почему выбирают двигатель постоянного тока?

Хотя у вас есть возможность использовать двигатели переменного тока, настоятельно рекомендуется использовать двигатель постоянного тока в качестве первого выбора. Но почему, спросите вы. Двигатели постоянного тока обладают рядом преимуществ по сравнению с двигателями переменного тока. Например, они отлично подходят, когда вам нужен высокий пусковой крутящий момент, направленный на движение высокоинерционных нагрузок. Кроме того, в отличие от двигателей переменного тока, легко контролировать скорость двигателей постоянного тока.

также идеальны, когда им требуется питание от источников постоянного тока низкого напряжения, таких как солнечные панели или аккумулятор.Если вы хотите быстро изменить направление вращения, вы найдете двигатели постоянного тока, идеально подходящие для ваших приложений. В отличие от двигателей переменного тока, вы можете быстро и легко запускать и останавливать двигатели постоянного тока.

Области применения контроллера двигателя постоянного тока

Поскольку сейчас на рынке представлены различные двигатели постоянного тока, мы широко их используем. Дома двигатели постоянного тока находят применение в игрушках, инструментах и ​​другой бытовой технике. В промышленном секторе их требования включают в себя переходы от поворотных столов к конвейерам и реверсирование, чтобы упомянуть лишь некоторые из них.Ниже приведены лишь некоторые области применения контроллеров двигателей постоянного тока:

Для насосов

используются для приведения в действие насосов благодаря их отличной реакции при движении и легкости регулирования скорости.

В вентиляторах

Им отдают предпочтение вентиляторы из-за их энергосберегающего механизма.

Для игрушек

При большом разнообразии напряжений игрушки с двигателем постоянного тока требуют различных типов движения и скорости.

Для электромобилей

, предназначенные для электромобилей, предпочтительнее из-за их долговечности и энергоэффективности.

Для электровелосипедов

Электровелосипеды имеют двигатели постоянного тока, расположенные в ступицах заднего и переднего колеса, чтобы обеспечить требуемые уровни мощности и крутящего момента.

Сводка

Без сомнения, не будет конца и конца того, когда прекратится использование контроллеров двигателей постоянного тока. Они продолжают находить применение в нескольких приложениях, несмотря на жесткую конкуренцию со стороны современных и интеллектуальных устройств. На рынке представлены четыре типа двигателей постоянного тока. Все они содержат печатные платы.Без печатных плат контроллеры двигателей постоянного тока не будут работать должным образом. Печатные платы являются сердцем контроллеров двигателей постоянного тока.

Вы ищете лучшие печатные платы для контроллеров двигателей постоянного тока? Не смотрите дальше, чем произведенные WellPCB. У нас есть одни из лучших на рынке печатных плат для контроллеров двигателей постоянного тока. Позвоните нам сегодня, чтобы узнать, как мы можем вам помочь.

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока состоит из тех же основных элементов, что и электрический генератор постоянного тока: и.е. , многооборотная катушка, которая может свободно вращаться в постоянном магнитном поле. Кроме того, вращающаяся катушка подключена к внешней цепи. точно так же, как и в генераторе постоянного тока: , т.е. , через разъемное кольцо коммутатор, который меняет полярность катушки относительно внешняя цепь всякий раз, когда катушка проходит через перпендикулярную плоскость к направлению магнитного поля. Предположим, что внешний источник постоянного напряжения (, например, , аккумулятор или генератор постоянного тока) ЭДС подключается к двигателю.Источник напряжения управляет постоянным током вокруг внешнего цепь, и через мотор. Поскольку ток течет по катушке, магнитное поле оказывает на катушку крутящий момент, который заставляет ее вращаться. Предположим, что двигатель в конце концов достигает установившегося вращения. частота . Вращающаяся катушка генерирует обратную ЭДС, величина прямо пропорциональна частоте вращения [см. (222)].

На рисунке 44 показана рассматриваемая схема. Мотор смоделирован как резистор, который представляет внутреннее сопротивление мотор, включенный последовательно с противо-ЭДС. Конечно, обратная ЭДС действует в направлении, противоположном внешней ЭДС. Применение Ома закон вокруг цепи дает

Предположим, что двигатель постоянного тока подвергается небольшой внешней нагрузке, так что только должен выполнять механическую работу с относительно низкой скоростью.В этом случае, мотор будет раскручиваться до тех пор, пока его противо-ЭДС не станет немного меньше чем внешняя ЭДС, так что через двигатель [согласно формуле. (229)], и, следовательно, механический выходная мощность двигателя относительно низка [согласно формуле. (230)]. Если нагрузка на двигатель увеличится, тогда двигатель замедлится, так что его уменьшается противоэдс, увеличивается ток, протекающий через двигатель, и, следовательно, механическая выходная мощность двигателя увеличивается до тех пор, пока он соответствует новой нагрузке.Обратите внимание, что текущий текущий через двигатель постоянного тока обычно ограничивается обратной ЭДС, а не внутреннее сопротивление мотора. Фактически, обычные двигатели постоянного тока спроектированы в предположении, что противо-ЭДС всегда будет ограничивать ток, протекающий через мотор на сравнительно небольшую стоимость. Если мотор заклинивает, так что катушка останавливается вращаясь, и обратная ЭДС падает до нуля, тогда ток, который потоки через двигатель, как правило, настолько велики, что могут сжечь двигатель если позволить течь в течение любого значительного периода времени.По этой причине, мощность электродвигателя всегда следует немедленно отключать, если двигатель заклинивает. Когда двигатель постоянного тока запускается, катушка сначала вращается недостаточно быстро, чтобы генерируют значительную обратную ЭДС. Таким образом, есть небольшой промежуток времени, сразу после включения двигателя, при котором двигатель тянет относительно большой ток от его источника питания. Это объясняет, почему огни в доме иногда временно тускнеет, когда большой двигатель, такой как двигатель кондиционера включен.

Предположим, что двигатель постоянного тока подвергается постоянной, но относительно небольшой нагрузке. Как было сказано выше, мотор будет раскручиваться до тех пор, пока его обратная ЭДС почти не соответствует внешней ЭДС. Если внешняя ЭДС увеличена, то мотор будет расти дальше, пока его обратная ЭДС не будет соответствовать новому внешнему ЭДС. Точно так же, если внешняя ЭДС уменьшается, двигатель замедляется. Видно, что скорость вращения двигателя постоянного тока контролируется ЭДС источника постоянного тока, к которому подключен двигатель.Чем выше ЭДС, тем выше скорость вращения. Таким образом, относительно легко изменить скорость двигателя постоянного тока, в отличие от двигателя. Двигатель переменного тока, который по сути является двигателем с фиксированной скоростью.

– MagLab

Электродвигатели превращают электричество в движение за счет использования электромагнитной индукции.

Ниже показан простой двигатель постоянного тока (DC).

Двигатель оснащен постоянным подковообразным магнитом (называемым статором , потому что он закреплен на месте) и вращающейся катушкой с проволокой, называемой якорем (или ротором , потому что он вращается). Якорь, по которому проходит ток, обеспечиваемый батареей , является электромагнитом, потому что провод с током создает магнитное поле; невидимые силовые линии магнитного поля циркулируют по всему проводу якоря.

Ключ к созданию движения – это размещение электромагнита в магнитном поле постоянного магнита (его поле проходит от северного полюса к южному). Якорь испытывает силу, описываемую правилом левой руки. Это взаимодействие магнитных полей и движущихся заряженных частиц (электронов в токе) приводит к крутящему моменту (обозначенному зелеными стрелками), который заставляет якорь вращаться. Используйте кнопку Flip Battery , чтобы увидеть, что происходит, когда ток меняется на противоположное.Воспользуйтесь преимуществами ползунка Applet Speed ​​ и кнопки Pause , чтобы лучше визуализировать эти силы.

Один поворот на 180 градусов – это все, что вы получили бы от этого двигателя, если бы не коммутатор с разъемным кольцом – круглое металлическое устройство, разделенное на половины (показано здесь красным и синим цветом), которое соединяет якорь к цепи. Электричество течет от положительного полюса батареи по цепи, проходит через медную щетку к коммутатору, а затем к якорю.Но этот поток меняется на противоположный в середине каждого полного оборота благодаря двум зазорам в коммутаторе. Это хитрый трюк: в первой половине каждого оборота ток течет в якорь через синюю часть коммутатора, заставляя ток течь в определенном направлении (обозначенном черными стрелками). Однако во второй половине вращения электричество проходит через красную половину коммутатора, заставляя ток течь в якорь и через него в противоположном направлении.Это постоянное реверсирование по существу превращает источник питания постоянного тока батареи в переменный ток, позволяя якорю испытывать крутящий момент в нужном направлении в нужное время, чтобы поддерживать его вращение.

Посмотреть анимационный видеоролик о двигателях постоянного тока.

Принципиальная схема двигателя постоянного тока

Параболическая антенна на базе серводвигателя постоянного тока автоматически позиционируется с использованием техники управления для отслеживания спутника путем поддержания желаемой прямой видимости для качественной передачи и приема сигналов электромагнитных волн в телекоммуникационных и радиовещательных приложениях.Несмотря на то, что в литературе предлагается несколько методов управления положением параболической антенны, все еще существует потребность в улучшении ошибки слежения и устойчивости системы управления при наличии помех. В этой статье представлено управление позиционированием антенны на базе серводвигателя постоянного тока с использованием настраиваемого компенсатора (ТК) пропорционально-интегрально-производной (ПИД). Компенсатор был разработан с использованием диспетчера инструментов управления и оценки (CETM) MATLAB на основе метода проектирования настройки PID с использованием надежной техники настройки времени отклика с интерактивным (регулируемая производительность и надежность) режимом проектирования с полосой пропускания 40.3 рад / с. Компенсатор был добавлен в контур управления положением спутниковой антенной системы на базе серводвигателя постоянного тока. Моделирование проводилось в среде MATLAB для четырех отдельных случаев путем применения единичного принудительного ввода для изучения различных ступенчатых реакций. В первом и втором случаях моделирование проводилось без компенсатора (PID TC) в контуре управления, предполагая нулевое входное возмущение и входное возмущение агрегата. Результаты, полученные в отношении параметров отклика во временной области, показали, что с введением единичного возмущения время нарастания улучшилось на 36% (0.525-0,336 с), в то время как время пика, процентное превышение пика и время установления ухудшаются на 16,3% (1,29-1,50 с), 43,5% (34,7-49,8%) и 7,6% (4,35-4,68 с), соответственно. С введением PIDTC для третьего случая произошло улучшение общих параметров переходной характеристики системы. Таким образом, чтобы предоставить дополнительную информацию об улучшенных характеристиках компенсатора, был проведен анализ процентного улучшения. Учитывая, что система с компенсацией допускает нулевые помехи, рабочие характеристики системы во временной области улучшились на 94.1, 94,7, 73,1 и 97,1% с точки зрения времени нарастания (525-30,8 мс), времени пика (1290-67,9 мс), пикового процентного отклонения (34,7-9,35%) и времени установления (4,35-0,124 с), соответственно. В четвертом случае способность компенсатора обеспечивать устойчивую работу при наличии возмущения была исследована путем сравнения рабочих параметров переходной характеристики некомпенсированной системы с единичным входным возмущением с рабочими параметрами переходной характеристики компенсированной системы, помеченными: с ПИД-регулятором TC + единичное возмущение.Результат показывает, что PID TC обеспечивает улучшенную производительность переходного процесса во временной области для обработки возмущений системы на 91,0, 95,4, 80,0 и 93,1% с точки зрения времени нарастания (336-30,5 мс), пикового времени (1500-69,1 мс). ), пиковое процентное превышение (34,7-10,0) и время установления (4,68-0,325 с) соответственно. Разработанный компенсатор обеспечил улучшенные характеристики надежности и отслеживания при соблюдении заданных рабочих параметров во временной области в присутствии помех.

Управление двигателем постоянного тока с помощью H-образного моста

Управление двигателем постоянного тока с помощью H-образного моста

В этом эксперименте мы будем управлять двигателем с помощью расширения PWM.Для этого мы будем использовать микросхему H-Bridge и посылать ей соответствующие управляющие сигналы с помощью расширения PWM, затем H-Bridge позаботится о запуске двигателя. Попутно мы узнаем, как именно работают H-Bridges, и создадим больше классов, которые воспользуются преимуществами уже созданных ранее. Чтобы расширить это, мы подключим три переключателя и запрограммируем Omega на управление скоростью и направлением двигателя в зависимости от их положения.

Если вам нужно напомнить, как работает ШИМ (или широтно-импульсная модуляция), вы можете найти объяснение в первом описании диммирования светодиода.

Как работают двигатели постоянного тока

Самый простой из всех двигателей, двигатели постоянного тока вращаются, когда на них подается постоянное напряжение. Такой двигатель можно найти в дронах, электроинструментах и ​​роботах. Двигатель постоянного тока может изменять скорость и направление в зависимости от того, какая мощность подается на него и в каком направлении.

Двигатель постоянного тока использует магнитное поле, создаваемое электромагнитом, для поворота якоря двигателя. Электромагнит активируется подачей напряжения, поэтому при включении питания магнитное поле, которое он генерирует, заставляет якорь (катушку с проволокой) генерировать собственное нагметическое поле, эти поля отталкивают друг друга и заставляют якорь вращаться.

Чтобы двигатель вращался в обратном направлении, нам нужно изменить подаваемое напряжение на противоположное, что означает, что ток через двигатель будет обратным. К сожалению, переключить направление тока с контроллера, такого как Omega, сложно. В процессорах используются малые токи и напряжения, к тому же они обычно отключаются от двигателя, чтобы индукционная обратная связь не мешала их работе.

Если бы только было какое-то устройство, которое могло бы помочь нам контролировать мощность, которую мы подаем на наши двигатели постоянного тока…

Обратите внимание, что подача тока на обе клеммы может привести к повреждению двигателя.

Как работают H-мосты

H-мост – это схема, которая позволяет приложить напряжение к нагрузке в любом направлении. Электрический ток течет от источника к земле, и многие компоненты необходимо ориентировать в соответствии с направлением тока, чтобы они работали должным образом. H-мост – это схема, построенная для изменения направления напряжения и, следовательно, тока, протекающего к нагрузке.

С точки зрения электричества, нагрузка – это любая часть цепи, которая потребляет электроэнергию для выполнения определенных задач – нагрева, включения, зажигания и т. Д.

H-мост состоит из четырех переключателей: двух последовательно и двух параллельно, причем нагрузка помещается между переключателями. В этой конфигурации схема имеет Н-образную форму.

Для изменения направления подаваемого напряжения H-мост управляет переключателями, которые подают питание на нагрузку ( S1 ). Глядя на диаграмму, если мы закроем S1 и S4 , оставив остальные открытыми, напряжение будет подаваться на двигатель слева направо.Если вместо этого замыкаются S2 и S3 , а остальные открываются, напряжение будет подаваться справа налево.

Эта конфигурация может вызвать короткое замыкание, поэтому большинство H-мостов не позволяют напрямую управлять этими переключателями.

Типичные приложения

Некоторые из типичных применений схем H-Bridge: * Создайте переменный ток (переменный ток) из источника постоянного тока, используя сигнал ШИМ для управления H-мостом. Это процесс, известный как инверсия мощности.* Обеспечивает возможность обратного тока через двигатель постоянного тока, позволяя вращение в любом направлении.

Кроме того, H-мосты позволяют питать нагрузки независимо от управляющих сигналов, которые ими управляют, обеспечивая изоляцию цепи.

ШИМ-сигнал управляет двигателем за счет очень быстрого включения и выключения источника питания. Обычно это можно сделать, отправив сигнал ШИМ на транзистор, и транзистор переключит источник питания. Изменяя ширину импульса сигнала ШИМ, можно управлять скоростью двигателя.H-мост может заменить транзистор и добавить функциональность, позволяя легко изменять направление тока. Мы по-прежнему отправляем пульсирующий сигнал на H-мост, чтобы контролировать скорость, за исключением того, что теперь мы можем переключать направление тока, изменяя, какие переключатели разомкнуты.

В нашей схеме мы будем использовать микросхему H-мостовой интегральной схемы ( IC ), поэтому нам не нужно самостоятельно подключать внутренние компоненты и предотвратить короткие замыкания, которые могли бы возникнуть, если бы мы напрямую управляли этими переключателями.

Если вы хотите начать строительство прямо сейчас, переходите к следующему разделу. Если вы хотите узнать, как сигналы нашего кода будут управлять двигателем, читайте дальше!

Чип SN754410 H-Bridge

Микросхема SN754410 содержит два H-моста, что дает нам четыре выхода, что позволяет нам управлять двумя двигателями постоянного тока. А пока мы будем управлять одним двигателем.

Таким образом, вместо переключателей 1/2/3/4 мы будем переключать 1A и 2A (как показано в таблице данных).В этом руководстве мы будем использовать один из двух H-мостов для управления мощностью, подаваемой на два входа вашего двигателя постоянного тока. В частности, пара входов и выходов ( 1A , 2A и 1Y , 2Y ) на левой стороне микросхемы.

На микросхеме 1A контролирует полярность 1Y , то же самое касается 2A и 2Y . На очень высоком уровне эта микросхема H-моста изменяет выходное напряжение (на контакты с меткой Y ) в соответствии с входным напряжением, подаваемым на контакты с меткой A .Например, отправка высокого уровня на номер 1A отправит то же самое на номер 1Y . Разница в том, что сигнал, отправляемый на контакты Y , использует напряжение, подаваемое на контакт 8 , независимо от входного напряжения.

Напряжение действует как водопад – оно всегда посылает ток, текущий от источника напряжения (вверху) на землю (внизу). Вы можете представить себе источник как HIGH и заземленный как LOW . Таким образом, если вы подключите двигатель к 1Y и 2Y , он будет двигаться только в том случае, если они будут посылать различных сигналов .

Штырь 1,2EN просто включает или выключает H-мост. Если 1,2EN видит «высокий», то все, что мы рассмотрели выше, происходит как обычно, если он выключен, то на выходы ничего не будет отправлено, независимо от того, какие установлены 1A и 2A к.

За счет внедрения H-моста таким образом – с двумя переключателями вместо четырех независимых – микросхема удобно справляется с ситуациями короткого замыкания и упрощает работу H-моста.

Создание схемы

Эта цепь подключает Omega к двигателю постоянного тока. Сначала Omega будет подключен к модулю расширения PWM, модуль расширения PWM будет посылать сигналы на H-мост, который будет подавать питание на двигатель постоянного тока в соответствии с сигналами. ШИМ будет сигнализировать, с какой скоростью должен вращаться двигатель, а H-мост действует как переключатель, включающий или выключающий напряжение питания в соответствии с сигналом ШИМ.

На рисунках вы видите несколько более коротких проводов, которые мы использовали вместо перемычек, чтобы вы могли лучше понять, что происходит.Чтобы легче было видеть вращение мотора, мы обмотали его изолентой.

Примечание : Как видно выше, микросхема является примерно зеркальной. Верхний правый и нижний левый контакты являются источником питания для выходов ( контакт 8 ) и микросхемы ( контакт 16 ) соответственно. Разница между двумя выводами питания заключается в том, что напряжение, подаваемое на выходы, может достигать 36 В, в то время как напряжение, подаваемое на микросхему, рекомендуется в пределах 2 ~ 5 В.Если вы хотите запитать большой двигатель, вы должны запитать двигатель от внешнего источника через контакт 8 и подать примерно 3 В на контакт 16 .

Вот диаграмма, к которой можно вернуться, если что-то пойдет не так:

Что вам понадобится

Вам может понадобиться пара резинок и блок, чтобы удерживать двигатель постоянного тока во время его работы. В целом, вот что вы будете использовать для создания схемы:

• 1x Omega2 подключен к док-станции расширения
• 1x PWM Expansion, подключенный к Expansion Dock выше
• 1x двигатель постоянного тока
• 1x H-мост (имеет «SN754410» наверху микросхемы)
• 1x Макетная плата
• 3x переключателя SPDT
• Перемычки

Подключение компонентов

При работе с ИС установка направляющих на макетной плате может быть очень полезной для уменьшения беспорядка.В этом случае мы сначала сделаем это, чтобы сократить количество необходимых проводов.

1. Соедините отрицательные ( - ) шины с обеих сторон платы вместе на одном конце (обычно это конец от большей части проводки) с помощью перемычки M-M, которую мы назовем шиной GND .
2. Сделайте то же самое с положительными рельсами ( + ), в этом случае мы назовем эти рельсы Vcc .

Теперь давайте настроим нашу схему:

1. Возьмите H-мост, выберите место на макете и подключите H-мост через канал в середине макета.Он должен располагаться поперек, одной стороной в столбце E, а другой – в столбце F, при этом полукруг с вырезом направлен к концу макета. Мы выбрали строки с 5 по 12 на нашей макетной плате.

1. Обратите внимание на номер каждого вывода на схеме выше – если вы заблудились, всегда ищите небольшой вырез в виде полукруга на микросхеме, обозначающий «верх» H-образной перемычки, чтобы правильно сориентировать его.
   • Это важно, вы можете повредить H-мост, если он подключен неправильно!
2. Давайте сначала подключим все заземляющие соединения – контакты 4 , 5 , 12 и 13 на H-мосте – это все контакты заземления, поэтому давайте подключим их к шине GND на их соответствующие стороны с помощью четырех перемычек MM.Мы использовали короткие провода, чтобы вы могли видеть, что происходит.

1. Теперь пришло время подключить двигатель к H-мосту. Двигатель должен иметь два провода с штыревыми разъемами, один красный и один черный. Они будут подключены к контактам H-образного моста через макетную плату.
   • Подключите белый провод к 1Y H-образного моста (ряд 7 на нашей макетной плате).
   • Подключите черный провод к 2Y H-образного моста (ряд 10 на нашей плате).

1. Далее мы настроим переключатели – мы будем использовать их для управления цифровыми сигналами, отправляемыми на модуль расширения PWM и, в свою очередь, на двигатель через H-мост:
   • Выберите три набора из трех рядов (мы использовали ряды с 14 по 24)
   • Подключайте переключатели в ряды, по три ряда на переключатель – для каждого переключателя требуется зазор в половину ряда между следующим переключателем, если вы хотите разместить их рядом.
2. С помощью 6 перемычек M-M подключите крайний левый ряд каждого переключателя к шине GND , а крайний правый ряд каждого переключателя – к шине Vcc .

Теперь, когда схема H-моста готова, давайте подключим все это к вашему Omega, чтобы он мог управлять двигателем:

1. Мы заземлим схему, подключив шину GND к контакту GND на канале S0 на расширении PWM с помощью одной перемычки M-F.
2. Используя 3 перемычки M-M, подключите центральный ряд каждого переключателя к Omega GPIO0, GPIO1 и GPIO2 на разъемах расширения. Убедитесь, что вы помните, что есть что, поскольку они будут управлять вашим двигателем позже!
3. Возьмите одну перемычку M-M и подключите 1,2EN на ИС (ряд 5 на нашей плате) к шине Vcc .
4. Используя две перемычки M-F,
   • Подключите 1A или строку 6 на нашей плате к каналу S0 .
   • Подключите 2A или ряд 11 к каналу S1 .
5. И последнее, но не менее важное: мы установим питание на шину Vcc, подключив свободный конец перемычки Vcc (красный) к контакту Vcc канала S0 расширения PWM.

Вот как это выглядит, когда все подключено:

Меры предосторожности при подключении

Возможно, вы заметили, что мы подключили все компоненты макетной платы и соединения GPIO сначала с до , подключив основную линию питания.Мы делаем это, чтобы свести к минимуму риск ошибок при подключении и подачи питания в цепь, которая потенциально может повредить компоненты или Omega. Это хорошая практика, и мы будем строить схемы таким образом на протяжении всех экспериментов.

Если вы действительно хотите убедиться, что ваши компоненты в безопасности перед проведением эксперимента, вы можете оставить Omega выключенным, прежде чем подключать питание к цепи. Как только все будет подключено, вы можете снова включить Omega.

Есть причина, по которой мы используем контакты GND и Vcc на PWM Expansion вместо контактов заголовка от док-станции. Если он подключен к контактам заголовка, двигатель будет передавать напряжение на док-станцию ​​расширения. Это может вызвать цикл загрузки или другое непредсказуемое поведение омеги. Выводы Vcc / GND расширения PWM имеют диоды отключения цепи для предотвращения этого.

Написание кода

Давайте добавим определение класса двигателя постоянного тока, управляемого H-мостом, к двигателям .py , который мы создали в предыдущем эксперименте. Это определение класса будет специально управлять двигателем постоянного тока, подключенным к H-мосту. Он основан на абстракциях класса OmegaPwm и заботится о деталях при эксплуатации двигателя.

Откройте motors.py из эксперимента Dimming LEDs и добавьте следующее:

  H_BRIDGE_MOTOR_FORWARD = 0
H_BRIDGE_MOTOR_REVERSE = 1

класс hBridgeMotor:
    "" "Класс, состоящий из двух цифровых сигналов и сигнала ШИМ для управления H-мостом" ""

    def __init __ (self, pwmChannel, fwdChannel, revChannel):
        # обратите внимание на каналы
        себя.pwmChannel = pwmChannel
        self.fwdChannel = fwdChannel
        self.revChannel = revChannel

        # настраиваем объекты
        self.pwmDriver = OmegaPwm (self.pwmChannel)
        self.pwmDriver.setDutyCycle (0)
        self.fwdDriver = OmegaPwm (self.fwdChannel)
        self.fwdDriver.setDutyCycle (0)
        self.revDriver = OmegaPwm (self.revChannel)
        self.revDriver.setDutyCycle (0)

        # устанавливаем ограничения
        self.minDuty = 0
        self.maxDuty = 100

    def setupMinDuty (self, duty):
        "" "Установить минимально допустимый рабочий цикл для ШИМ" ""
        себя.minDuty = долг

    def setupMaxDuty (self, duty):
        "" "Установить максимально допустимый рабочий цикл для ШИМ" ""
        self.maxDuty = долг

    def сброс (сам):
        "" "Установите PWM на 0%, отключите оба элемента управления H-Bridge" ""
        ret = self.pwmDriver.setDutyCycle (0)
        ret | = self.fwdDriver.setDutyCycle (0)
        ret | = self.revDriver.setDutyCycle (0)

        возвратиться

    def spin (себя, направление, долг):
        "" "Установите ШИМ на указанную нагрузку и в указанном направлении" ""
        ret = 0

        # 0 - вперед, 1 - назад
        если (направление == H_BRIDGE_MOTOR_FORWARD):
            себя.revDriver.setDutyCycle (0)
            self.fwdDriver.setDutyCycle (100)
        elif (direction == H_BRIDGE_MOTOR_REVERSE):
            self.fwdDriver.setDutyCycle (0)
            self.revDriver.setDutyCycle (100)
        еще:
            ret = -1

        если (ret == 0):
            # проверяем минимальное и максимальное значение pwm
            если долг  self.maxDuty:
                обязанность = self.maxDuty

            # запрограммировать рабочий цикл
            ret = self.pwmDriver.setDutyCycle (обязанность)
        возвратиться

    def spinForward (self, duty):
        ret = self.spin (H_BRIDGE_MOTOR_FORWARD, долг)
        возвратиться

    def spinReverse (self, duty):
        ret = self.spin (H_BRIDGE_MOTOR_REVERSE, долг)
        возврат ret  

Теперь давайте напишем код эксперимента. Этот код заставит мотор делать что-то с помощью класса hBridgeMotor, который мы создали выше. Сценарий попросит вас ввести некоторые числа и запустит двигатель в зависимости от вашего ввода!

Создайте файл с именем MAK03-hBridgeExperiment.py и вставьте в него следующий код:

  от Motors import hBridgeMotor
импортировать лукGpio
время импорта

# настроить каналы расширения PWM, подключенные к H-Bridge IC
H_BRIDGE_1A_CHANNEL = 0
H_BRIDGE_2A_CHANNEL = 1
H_BRIDGE_12EN_CHANNEL = 2

# создаем экземпляры объектов gpio для наших входов переключателя
directionGPIO = onionGpio.OnionGpio (0)
speed1GPIO = onionGpio.OnionGpio (1)
speed2GPIO = onionGpio.OnionGpio (2)

# создать словарь функций, по которым будет проверяться ввод пользователя
# это в основном таблица диспетчеризации для сопоставления вызовов функций с разными именами
motorCommands = {
    '000': (лямбда-мотор: мотор.сброс настроек()),
    '001': (лямбда-двигатель: motor.spinForward (50)),
    '010': (лямбда-двигатель: motor.spinForward (60)),
    '011': (лямбда-двигатель: motor.spinForward (70)),
    '100': (лямбда-двигатель: motor.reset ()),
    '101': (лямбда-двигатель: motor.spinReverse (50)),
    '110': (лямбда-двигатель: motor.spinReverse (60)),
    '111': (лямбда-двигатель: motor.spinReverse (70)),
}

def main ():
    # создать экземпляр моторного объекта
    мотор = hBridgeMotor (H_BRIDGE_12EN_CHANNEL, H_BRIDGE_1A_CHANNEL, H_BRIDGE_2A_CHANNEL)
    команда = '000';

    # цикл навсегда
    в то время как (Истина):
        # спит ненадолго, чтобы разместить переключатели
        время.сон (0,5)

        # получает сигналы, проходящие через переключатели
        commandNew = directionGPIO.getValue () [0]
        commandNew = commandNew + speed1GPIO.getValue () [0]
        commandNew = commandNew + speed2GPIO.getValue () [0]

        # переводит команду в формат motorCommands
        commandNew.replace ('\ п', '')

        # проверяем ввод пользователя по словарю, запускаем соответствующую функцию
        # но только если команда изменилась, нет необходимости продолжать вызывать ту же команду
        если (команда! = commandNew):
            command = commandNew
            motorCommands [команда] (двигатель)


если __name__ == '__main__':
    основной ()  

Чего ожидать

При запуске сценарий запускает генератор ШИМ, а затем устанавливает выход, который должен быть включен (канал от 0 до 100% нагрузки).Затем скрипт попросит вас ввести набор из 3 цифр, первая из которых задает направление двигателя, следующие две цифры задают скорость. Программа будет повторно запрашивать ввод и соответственно регулировать скорость и направление.

Вот он в действии:

Как вы, наверное, видели раньше, здесь мы используем бесконечный цикл, и вы можете прервать его, нажав Ctrl-C .

Примечание : Мы рекомендуем установить двигатель на 000 перед разрывом контура, чтобы не повредить двигатель. Напоминаем, что вы можете просто позвонить по номеру pwm-exp -s , чтобы остановить двигатель через терминал или ssh.

Подробный взгляд на код

В этом опыте мы объединили знания из предыдущих опытов для управления двигателем постоянного тока с помощью Python. Теперь принимает пользовательский ввод в интерактивном режиме, что позволяет нам изменять вывод в режиме реального времени.3 = 8 различных состояний системы переключения. Это означает, что нам действительно нужно учитывать только 8 отдельных случаев ввода.

К сожалению, это не всегда так просто, и хорошей практикой является предположение, что могут быть получены все виды различных входных данных. Здесь хорошая проверка ошибок происходит прямо в начале взаимодействия, ограничивая количество доступных состояний ввода – у нас есть только три переключателя. Если бы мы позволили пользователям вводить произвольные команды, нам пришлось бы проводить гораздо больше проверки.

Таблицы поиска

Вы можете заметить, что ввод, введенный пользователем в основном цикле, всегда проверяется по переменной motorCommands – эта переменная хранит набор известных значений, которые нужно проверить. В нашем случае таблица содержит допустимый вход переключателя, соответствующий его соответствующему выходу – также известному как пара ключ-значение – и сценарий отправляет выходные данные контроллеру PWM, если вход, полученный от пользователя, совпадает с любым значением в таблице.

Проверяя ввод по таблице поиска перед отправкой команд, мы можем гарантировать, что ошибочные команды не будут отправлены.Добавьте к этому правильную калибровку, и мы сможем значительно снизить риск удаленного управления оборудованием.

Пределы управления двигателем с ШИМ

постоянного тока для работы полагаются на приложенное напряжение, а использование ШИМ означает, что двигатель фактически «откручивается» серией импульсов. Это все равно, что толкать ящик, чтобы он сдвинулся с места, а не постукивать по нему очень быстро. Точно так же, как требуется минимальное усилие, необходимое для нажатия, чтобы привести коробку в движение, существует предел того, насколько коротким может быть каждое нажатие, прежде чем двигатель не среагирует на него.

То есть, если ширина импульса ниже определенного порога, двигатель не запустится. При тестировании ширина импульса, необходимая для запуска двигателя, составляет около 10 мс – около 50% нагрузки при 50 Гц.

Попробуйте различные настройки двигателя и посмотрите, как он себя ведет. Если вы тестируете проект с двигателями и хотите замедлить его для отладки, помните об ограничениях ШИМ-управления двигателями, чтобы сэкономить много времени!

В следующий раз мы напишем текст на экран.

Dc Motor – обзор

Трехфазные асинхронные двигатели

2

In d.c. В двигателях, описанных в главе 21, проводники вращающегося якоря проходят через стационарное магнитное поле. В трехфазном асинхронном двигателе магнитное поле вращается, и это имеет то преимущество, что не требуется выполнять внешние электрические соединения с ротором. В результате получается двигатель, который: (i) дешев и надежен, (ii) является взрывозащищенным из-за отсутствия коммутатора или контактных колец и щеток с их искрообразованием, (iii) требует небольшого или не требует квалифицированного обслуживания, и (iv) имеет самозапускаемые свойства при переключении на питание без дополнительных затрат на вспомогательное оборудование.Основным недостатком трехфазного асинхронного двигателя является то, что его скорость не может быть легко отрегулирована.

3

Создание вращающегося магнитного поля. Когда трехфазный источник питания подключен к симметричным трехфазным обмоткам статора, токи, протекающие в обмотках, создают магнитное поле. Это магнитное поле имеет постоянную величину и вращается с постоянной скоростью, как показано ниже, и называется синхронной скоростью .

Со ссылкой на рисунок 22.1 обмотки представлены тремя одноконтурными проводниками, по одному на каждую фазу, обозначенными R _S R _F , Y _S Y _F и B _s B _F , S и F означает начало и конец. На практике каждая фазная обмотка состоит из множества витков и распределена вокруг статора; однопетлевой подход предназначен только для ясности.

Рисунок 22.1.

Когда обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания, ток, протекающий в каждой обмотке, изменяется со временем, как показано на рисунке 22.1 (а). Если значение тока в обмотке положительное, предполагается, что он течет от начала до конца обмотки, т.е. если это красная фаза, ток течет от R _s к R _F ,

то есть от зрителя в R _s и к зрителю в R _F . Когда значение тока отрицательное, предполагается, что он течет от конца к началу, то есть к зрителю по S-образной обмотке и от зрителя по F-обмотке.

В момент времени t ₁ , показанного на рисунке 22.1 (a), ток, протекающий в красной фазе, является максимально возможным значением. В то же время, t ₁ , токи, протекающие в желтой и синей фазах, в 0,5 раза превышают максимальное значение и являются отрицательными. Таким образом, распределение тока в обмотках статора показано на рисунке 22.1 (b), на котором ток течет от наблюдателя (обозначен X) в R _s , поскольку он положительный, но к наблюдателю (обозначен как ˙) в Y _S и B _s , поскольку они отрицательны.Результирующее магнитное поле, как показано, является результатом действия «соленоида» и применения правила штопора.

Немного позже, в момент времени t ₂ , ток, протекающий в красной фазе, упал примерно в 0,87 раза от своего максимального значения и является положительным, ток в желтой фазе равен нулю, а ток в синей фазе примерно в 0,87 раза больше максимального значения и является отрицательным. Следовательно, токи и результирующее магнитное поле показаны на Рисунке 22.1 (c). В момент времени t ₃ токи в красной и желтой фазах равны 0.5 их максимальных значений, а ток в синей фазе – максимальное отрицательное значение. Токи и результирующее магнитное поле показаны на Рисунке 22.1 (d).

Схемы, подобные рисунку 22.1 (b), (c), (d), могут быть получены для всех значений времени, и они покажут, что магнитное поле проходит один оборот за каждый цикл напряжения питания, приложенного к обмоткам статора. Рассматривая значения магнитного потока, а не текущие значения, можно показать, что вращающееся магнитное поле имеет постоянное значение магнитного потока.

4

Вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазными обмотками, могло быть создано вращением северного и южного полюсов постоянного магнита с синхронной скоростью (обозначенные как N и Sat концы векторов потока на рисунке 22.1 (b)) , (в) и (г)). По этой причине он называется 2-полюсной системой, а асинхронный двигатель, использующий только трехфазные обмотки, называется 2-полюсным асинхронным двигателем.

Если используются шесть обмоток, смещенных одна относительно другой на 60 °, как показано на рисунке 22.2 (b), путем построения диаграмм тока и результирующего магнитного поля при различных значениях времени можно показать, что один цикл подачи тока на обмотки статора заставляет магнитное поле перемещаться на половину оборота. Распределение тока в обмотках статора показано на рисунке 22.2 (b), для времени t показано на рисунке 22.2 (a).

Рисунок 22.2.

Можно видеть, что для шести обмоток статора создаваемый магнитный поток такой же, как и при вращении двух северных полюсов постоянного магнита и двух южных полюсов постоянного магнита с синхронной скоростью.Это называется 4-полюсной системой, а асинхронный двигатель с шестью фазными обмотками называется 4-полюсным асинхронным двигателем. Увеличивая количество фазных обмоток, количество полюсов может быть увеличено до любого четного числа. В общем, f – это частота токов в обмотках статора и намотки статора, эквивалентная p парам полюсов, скорость вращения вращающегося магнитного поля, то есть синхронная скорость, n _s определяется по:

5

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Статор трехфазного асинхронного двигателя – это неподвижная часть, соответствующая ярму d.c. машина. Он намотан для создания 2-полюсного, 4-полюсного, 6-полюсного… вращающегося магнитного поля, в зависимости от требуемой скорости ротора. Ротор, соответствующий якорю постоянного тока. Станок изготовлен из ламинированного железа для уменьшения вихревых токов.

В наиболее широко используемом типе, известном как ротор с короткозамкнутым ротором, медные или алюминиевые стержни вставляются в прорези, вырезанные в многослойном чугуне, концы стержней привариваются или спаиваются в тяжелое проводящее кольцо (см. Рисунок 22.3 (а)). Поперечный разрез трехфазного асинхронного двигателя показан на рисунке 22.3 (б).

Рисунок 22.3.

Когда к обмоткам статора подключено трехфазное питание, создается вращающееся магнитное поле. Поскольку магнитный поток режет стержень на роторе, э.д.с. в нем индуцируется, и поскольку он соединен через концевые токопроводящие кольца с другим стержнем, находящимся на расстоянии одного шага полюса, в стержнях течет ток. Магнитное поле, связанное с этим током, протекающим в стержнях, взаимодействует с вращающимся магнитным полем, и создается сила, стремящаяся повернуть ротор в том же направлении, что и вращающееся магнитное поле (см. Рисунок 22.4).

Рисунок 22.4.

6

Скольжение

Сила, создаваемая стержнями ротора, заставляет ротор вращаться в направлении вращающегося магнитного поля. По мере увеличения скорости ротора скорость, с которой вращающееся магнитное поле режет стержни ротора, становится меньше, и частота наведенных ЭДС в стержнях ротора меньше. Если ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, в роторе не индуцируются ЭДС, следовательно, на них нет силы и крутящего момента на роторе.Таким образом ротор замедляется. По этой причине ротор никогда не может работать с синхронной скоростью.

Когда на ротор нет нагрузки, силы сопротивления из-за ветра и трения в подшипниках малы, и ротор вращается почти с синхронной скоростью. Когда ротор нагружен, скорость падает, и это вызывает увеличение частоты наведенных ЭДС в стержнях ротора и, следовательно, возрастает ток, сила и крутящий момент ротора. Разница между скоростью ротора n _r и синхронной скоростью n _s называется скоростью скольжения, т.