Управление коллекторным электродвигателем

В статье описывается схема автоматического поддержания скорости вращения коллекторного электродвигателя (ЭД) постоянного тока (рис.1), не требующая специального датчика скорости. Ее особенность состоит в том, что скорость вращения ЭД определяется по величине напряжения на вращающемся по инерции якоре (с нагрузкой на валу) в моменты кратковременных регулярно повторяющихся отключений от источника питания.

Регулирование скорости осуществляется широтно-импульсным способом путем использования упомянутого выше напряжения в качестве отрицательной обратной связи для схемы управления. Скорость вращения ЭД автоматически поддерживается внутри зоны, имеющей установленные максимум и минимум, и задается внешним напряжением от ручного или программного задатчика скорости. Ширина зоны регулирования равна:

Источник: Журнал Радиомир № 2 за 2009

Управление коллекторным электродвигателем

Массовый ежемесячный научно-технический журнал

——

Журнал Радиомир № 2 за 2009Управление коллекторным электродвигателем
Управление коллекторным электродвигателем

единицу времени при номинальном напряжении питания якоря U2.

При изменении напряжения питания U2, как и величины нагрузки, скорость оборотов вала ЭД автоматически удерживается внутри установленной зоны регулирования.

Структурно схему управления можно представить в виде двух блоков: регулятора и ключевого усилителя А1 (рис.2). На рис.1 показан электродвигатель М1 с возбуждением от постоянного магнита. Если в ЭД применена обмотка возбуждения, то напряжение ее питания должно быть стабильным.

Если это напряжение нестабильно, то регулирование скорости при изменении нагрузки все же происходит, но каждому напряжению обмотки возбуждения соответствует своя автоматически поддерживаемая при изменении нагрузки скорость ЭД.

Изменению нагрузки и питающему якорь напряжению соответствует обратно пропорциональная возмущающему воздействию скорость ЭД внутри установленной зоны регулирования. По классификации в автоматике это — пропорциональное автоматическое регулирование.

Ширина зоны регулирования уменьшается с уменьшением установленной скорости вращения и наоборот, так как зависит от положения движка переменного резистора R1 (т.е. от сопротивления R1'), а значит, и скорости ЭД. Таким образом, отношение ширины зоны регулирования к скорости вращения ЭД остается постоянным при задании любой скорости.

Это полезное свойство не будет соблюдаться при работе от внешнего источника управляющего напряжения с постоянным выходным сопротивлением. Источник питания для выбранного ОУ (±U1) можно использовать и для питания задат-чика скорости ЭД (R1), но тогда он должен быть стабильным.

Якорь ЭД питается от отдельного источника U2. Если напряжение U2=U1, резистор R6 не устанавливается, а вместо R5 запаивается перемычка. Напряжение U2 должно быть всегда немного больше номинального напряжения питания выбранного ЭД для возможности поддержания неизменной скорости при задании ее максимального значения. При этом оно не требует стабилизации.

Рассмотрим работу регулятора. Считаем, движок переменного резистора R1 установлен примерно в среднее положение. Операционный усилитель DA1, цепочки C1-R3

и R4-R1' образуют генератор прямоугольных импульсов. При положительных импульсах с выхода DA1 якорь М1 через ключевой усилитель А1 получает питание от источника U2 и вращается, диод VD1 в это время заперт обратным напряжением, конденсатор С1 заряжается через резистор R3.

Когда напряжение на С1 превысит напряжение на неинвертирующем входе DA1, его выход переключается в отрицательную полярность, ключ А1 отключает М1 от источника U2, но его якорь вместе с нагрузкой продолжает вращаться по инерции (кратковременное отключение ЭД только незначительно уменьшает его скорость).

Если при этом напряжение на якоре ЭД окажется ниже напряжения на С1, то этот конденсатор через открывшийся диод VD1 подключается к якорю ЭД, и напряжение на них (с учетом падения напряжения на VD1) уравнивается. Выход генератора переходит в положительную фазу цикла генерации, начиная с этого напряжения.

При этом ЭД набирает обороты.

Резисторы R1, R4 образуют делитель напряжения, снимаемого с выхода DA1, и создают положительную обратную связь, которая обеспечивает условия генерации и гистерезис выходного напряжения ОУ при его переключении. Зона регулирования скорости ЭД эквивалентна этому напряжению. Наличие установленной зоны регулирования не означает, что скорость ЭД будет "рыскать" от максимума до минимума внутри этой зоны.

Она будет поддерживаться постоянной до тех пор, пока нагрузка или напряжение питания не изменят свои значения. Тогда скорость ЭД установится на новом стабильном уровне, но не выйдет из зоны. Регулирование внутри зоны получается плавное.

Частота работы схемы управления зависит от постоянной времени цепочки C1-R3, напряжения питания U2, нагрузки ЭД, установлен-

ной скорости и гистерезиса ОУ, момента инерции якоря ЭД совместно с нагрузкой, и является сложной функцией. Однако выбором постоянной времени C1-R3 и сопротивления R4 несложно установить режим, при котором скорость ЭД будет находиться в зоне регулирования с желаемой частотой коммутации при реальных изменениях нагрузки ЭД и отклонениях напряжения его питания U2. Это и определяет общую настройку регулятора под выбранный ЭД.

Элементы схемы и их параметры не критичны. DA1 может быть также 140УД12. В случае применения однополярного источника питания U1 можно взять сдвоенный ОУ AS339N (LM339N, К140СА1, КР110СА2).

Он имеет выход с открытым коллектором, который надо подгрузить резистором (в схеме используется один ОУ). Помимо ключа, схема которого показана на рис.2, можно применить оптоэлектронные реле [2, 3] и МДП-транзисторы.

Для подавления помех в сети при работе регулятора, возможно, потребуются дополнительные меры, например, шунтирование якоря ЭД RC-цепочкой.

На работу схемы управления она практически не повлияет.

Скорость вращения ЭД можно измерять без применения тахометра, измеряя напряжение на якоре стрелочным вольтметром (инерция его подвижной системы сгладит пульсации напряжения).

-

В.ГУСАРОВ, г.Минск.

Управление коллекторным электродвигателем
Управление коллекторным электродвигателем
Схемы источники питания

Управление коллекторным электродвигателем

Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика