Как управлять двигателем постоянного тока

Безопасное управление двигателем постоянного тока

Речь о том, как управлять включением и скоростью двигателя постоянного тока на примере сервопривода MC50 так, чтобы сервопривод не сгорел. Несмотря на то, что MC50 был разработан для управления BLDC моторами, он также хорошо подходит и для управления коллекторными двигателями постоянного тока мощностью до 600 Вт. Правда для этого пришлось сделать некоторые незначительные модификации.

Все статьи по открытому проекту MC50 здесь:

• Схема и плата контроллера
• Первые шаги по программированию контроллера
• Развёртывание промежуточного программного обеспечения
• Отладка взаимодействия с интернетом
• 6-шаговая коммутация BLDC моторов
• Разработка сервопривода с BLDC мотором
• Разработка робастного управления сервоприводом

Во-первых, сопротивление шунтов в измерителях тока фаз было уменьшено до 1 мОм.
Во-вторых, MOSFET транзисторы CSD18540Q5BT в 3-фазном мосте были заменены на более продвинутые и недавно выпущенные STL320N4LF8. Эти транзисторы отличает уникально низкое сопротивление открытого канала — всего 0.8 мОм, при таком же быстродействии и даже выше чем у CSD18540Q5BT. Благодаря этому на мощностях до 400 Вт и чуть выше сервоприводу не нужен вентилятор. А когда мощность требует вентилятора, то его можно подключить между оставшейся свободной фазой W и клеммой GND.

В текущей версии программы мотор можно включать и выключать в ручном режиме с платы используя ручной энкодер, из управляющей программы Freemaster и по интерфейсу CAN. Для управления скоростью вращения коллекторные двигатели вместо 3-фазных датчиков холла оборудуются 2-фазными датчиками с квадратурным сигналом.

В программе при выборе типа приложения DC traction motor будет проводится измерение скорости с квадратурного энкодера подключённого к линиям W и V. Сам мотор подключается к клеммам U и V. В данном случае получается полный мост и мотор можно вращать в обоих направлениях.

Осторожно с модуляцией!

Скоростью мотора управляем изменяя коэффициент заполнения ШИМ. Когда хотим получить полную мощность ШИМ отключаем и оставляем статические включённые транзисторы. В традиционных драйверах такое могло привести к падению напряжения в бустерах верхних ключей и их закрытию, поскольку они подзаряжаются только при наличии ШИМ. Но в нашей схеме применена микросхема драйвера 3-фазного моста TMC6200, которая сама создаёт нужное напряжение для верхних ключей без необходимости ШИМ. Это плюс.

Но есть другая проблема — мёртвое время. Мёртвое время обеспечиваемое микросхемой TMC6200 слишком мало для мощных MOSFET применяемых на плате. Дополнительное мёртвое время создаётся в ШИМ генераторах микроконтроллера. Это стандартная фича. Нестандартно здесь будет обеспечить переход из ШИМ в статические сигналы и обратно.
Когда плавно повышаем ШИМ до 100%, то в конце процесса нужно выставить статический сигнал, чтобы в одном плече все время был открыт верхний транзистор, а в другом плече нижний.

Тут может оказаться, что микроконтроллер не справляется с такой задачей без установления на доли микросекунды одновременного высокого уровня на верхнем и нижнем транзисторах использую штатные возможности таймеров. Также следует рассмотреть выход из статических сигналов на формирование ШИМ и ситуации переключения из одной статической конфигурации сигналов к противоположной. Есть опасность коротких (наносекундных), но очень мощных сквозных токов.

В случае нашего микроконтроллера Renesas Synergy выход был найден в быстром переключении функции портов с периферийной функции на функцию общего ввода вывода с явной очерёдностью установки уровней сигналов.

Выглядит это так, на примере одной фазы:

/*----------------------------------------------------------------------------------------------------- Установка состояния на выходе фазы U 3-фазного инвертера val = 0 - нижний ключ постоянно открыт, верхний постоянно закрыт val = 100 - нижний ключ постоянно закрыт, верхний постоянно открыт val = -1 - нижний ключ постоянно закрыт, верхний постоянно закрыт 0 < val < 100 - На выходе сигнал ШИМ с коэфициентом заполнения равным val в процентах Установка ШИМ буфферизирована, и вступит в действие после окончания текущего цикла ШИМ -----------------------------------------------------------------------------------------------------*/ void Phase_U_mode(int32_t val) < if (val >= 100) gpt0_out_mode = FL_PHASE_PULL_UP; else if (val == 0) gpt0_out_mode = FL_PHASE_PULL_DOWN; else if (val < 0) gpt0_out_mode = FL_PHASE_Z_STATE; else < val =(gpt_pwm_cycle_set * (100 - val)) / 100; // Не даем прекратиться PWM и не даем импульсу стать слишком коротким if (val < MIN_PWM_COMPARE_VAL) < val = MIN_PWM_COMPARE_VAL; >else if ((gpt_pwm_cycle_set - val) < MIN_PWM_COMPARE_VAL) < val = gpt_pwm_cycle_set - MIN_PWM_COMPARE_VAL; >R_GPTA0->GTCCRC = val; gpt0_out_mode = FL_PHASE_PWM_ON; > > /*----------------------------------------------------------------------------------------------------- Функция вызываемая из обработчика прерывания для приведения выходов к заданному задачей управления состоянию \param mode -----------------------------------------------------------------------------------------------------*/ void Set_output_U(uint8_t mode) < uint32_t tmp_H = R_PFS->P415PFS; uint32_t tmp_L = R_PFS->P414PFS; switch (mode) < case FL_PHASE_PULL_UP : // Для фазы U устанавливаем P415 (UH) в 1, P414 (UL) в 0 tmp_H = tmp_H & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16)); tmp_H = tmp_H | BIT(2) | BIT(0); tmp_L = tmp_L & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16) | BIT(0)); tmp_L = tmp_L | BIT(2); R_PFS->P414PFS = tmp_L; // Записываем состояние выхода в порт данного выхода __DSB(); // Оператор Data Synchronization Barrier (DSB) необходим для гарантии установления состояния выхода // до того как начнет выполняться следующая инструкция R_PFS->P415PFS = tmp_H; __DSB(); break; case FL_PHASE_PULL_DOWN : // Для фазы U устанавливаем P415 (UH) в 0, P414 (UL) в 1 tmp_H = tmp_H & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16) | BIT(0)); tmp_H = tmp_H | BIT(2); tmp_L = tmp_L & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16)); tmp_L = tmp_L | BIT(2) | BIT(0); R_PFS->P415PFS = tmp_H; __DSB(); R_PFS->P414PFS = tmp_L; __DSB(); break; case FL_PHASE_Z_STATE : // Для фазы U устанавливаем P415 (UH) в 0, P414 (UL) в 0 tmp_H = tmp_H & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16) | BIT(0)); tmp_H = tmp_H | BIT(2); tmp_L = tmp_L & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16) | BIT(0)); tmp_L = tmp_L | BIT(2); R_PFS->P414PFS = tmp_L; __DSB(); R_PFS->P415PFS = tmp_H; __DSB(); break; case FL_PHASE_PWM_ON : // Для фазы U переключаем P415 (UH) и P414 (UL) в режим управления периферией // Перепрограммирвать режим портов только если он не был уже в заданном состоянии if (((tmp_H >> 24) & 0x1F) != PSEL_03) < // Если выход H был установлен в 1, то предварительно установить его в 0 if (tmp_H & BIT(0)) < tmp_H = tmp_H & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16) | BIT(0)); tmp_H = tmp_H | BIT(2); R_PFS->P415PFS = tmp_H; __DSB(); > // Если выход L был установлен в 1, то предварительно установить его в 0 if (tmp_L & BIT(0)) < tmp_L = tmp_L & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(16) | BIT(0)); tmp_L = tmp_L | BIT(2); R_PFS->P414PFS = tmp_L; __DSB(); > tmp_H = tmp_H & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(0)); tmp_H = tmp_H | BIT(16) | BIT(2) | LSHIFT(PSEL_03,24); tmp_L = tmp_L & ~(LSHIFT(0x1F,24) | BIT(0)); tmp_L = tmp_L | BIT(16) | BIT(2) | LSHIFT(PSEL_03,24); R_PFS->P414PFS = tmp_L; __DSB(); R_PFS->P415PFS = tmp_H; __DSB(); > break; > > 

Осторожно с разгоном!

Подавать напряжение на двигатель постоянного тока надо с осторожностью. При резкой подаче даже половинного от номинального напряжения возникает импульс тока через мотор почти в два раза превышающий его максимальный рабочий ток.

Если увеличить напряжение ещё на 10%, то ток уже достигает величины на пределе безопасной работы силовых элементов драйвера.

Отсюда следует, что запускать мотор постоянного тока следует плавно. Причём даже увеличивая по шагам заполнение ШИМ всего на 1%, можно наблюдать импульсы тока на моторе величиной около 1 А. Поэтому график мощности потребления и тока, показанный ниже, имеет странную пилообразную структуру.

Осторожно с торможением!

Если мотор удалось без происшествий разогнать, то теперь задача его остановить. Резкая остановка закорачиванием обмоток работает неплохо, но вызывает сильный удар способствующий ускоренному разрушению ведущего вала при наличии инерционной нагрузки. Поэтому применяют контролируемое замедление снижением напряжения (уменьшая коэффициент заполнение ШИМ). И здесь поджидает обратная ЭДС.

Если мы попытаемся останавливать быстрее чем останавливается мотор при свободном выбеге (когда все транзисторы в драйвере отключаются), то можем получить обратную ЭДС амплитудой превышающей выносливость питающего источника или пробить силовые транзисторы.

В нашем случае свободный выбег мотора без нагрузки от максимальной скорости длился чуть менее 3 сек. Поэтому линейное контролируемое замедление длящееся не менее 3 сек. не вызовет перенапряжения в шине питания.

Никогда не забываем о температуре.

На итальянском моторе может быть такая надпись: SERVIZIO S3 25%. На других моторах символы S3 могут встретиться также. Это говорит о том, что мотор не предназначен для постоянной работы. Если его держать с номинальной скоростью в течении, скажем, часа, то он просто сгорит. Поэтому на мотор тоже надо ставить термосенсор. Можно, конечно, следить в программе сколько там процентов времени проработал мотор, но это скорее всего приведёт к недобору ресурса по температуре и более частым отказам в исполнении команд. В нашем сервоконтроллере есть специальный вход для подключения NTC резистора 10 КОм.

Далее можно столкнуться с перегревом самого сервоконтроллера. На плате установлен измерительный термистор рядом с силовыми транзисторами. Кроме этого термосенсор интегрирован в самом микроконтроллере и присутствует защита от перегрева в микросхеме драйвера TMC6200. Следует помнить, что длительный перегрев хуже всего влияет на электролитические конденсаторы, которые быстро теряют свой ресурс при 100 и более град.
Установленные конденсаторы типа EEE-FT1H331AP имеют ресурс 2000 часов при 105 град. С. Несмотря на то, что наш двигатель называется двигателем постоянного тока, его ток потребления при постоянном напряжении все равно импульсный. И амплитуда импульсов достигает десятка ампер. Поэтому импульсная нагрузка на конденсаторы не намного меньше чем в 6-шаговом управлении BLDC моторами. Т.е. конденсаторы греются не только через плату от транзисторов и шунтов, но и сами по себе. В программе реализовано управление вентилятором с клеммы W и задаётся таймаут отключения вентилятора после остановки мотора.

Все исходные тексты проекта находятся здесь. В проекте сохранена также функциональность всех предыдущих демонстраций серво управления BLDC и все промежуточное программное обеспечение включая RTOS и сетевые стеки. Переключение между управлением BLDC и DC моторами производится в энергонезависимых настройках. Кроме того добавлено дистанционное управление по CAN с одного сервоконтроллера другим сервоконтроллером.

• Севопривод
• DC motor control
• Renesas Synergy
• azure rtos
• DC motor

• Разработка робототехники
• Программирование микроконтроллеров
• Схемотехника
• Производство и разработка электроники
• DIY или Сделай сам

Методы управления двигателем постоянного тока в САУ

Управление двигателем постоянного тока в САУ подразумевает либо изменение скорости вращения пропорционально некоторому сигналу управления, либо поддержание этой скорости неизменной при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Используются 4 основные метода управления, реализующие перечисление выше принципы:

• реостатно-контакторное управление;
• управление по системе «генератор-двигатель» (Г-Д);
• управление по системе «управляемый выпрямитель –Д» (УВ-Д);
• импульсное управление.

Подробное исследование этих способов – предмет ТАУ и курса «Основы электропривода». Мы рассмотрим только основные положения, имеющие непосредственное отношение к электромеханике.

Реостатно-контакторное управление

Обычно используются 3 схемы:

• при регулировке скорости n от 0 до nном в цепь якоря включают реостат (якорное управление);
• при необходимости получить n > nном реостат включают в цепь ОВ (полюсное управление);
• для регулирования скорости n < nном и n >nном реостаты включают как в цепь якоря, так и в цепь ОВ.

Перечисленные схемы применяются при ручном управлении. Для автоматического управления используют ступенчатое переключение R ра и R рв с помощью контакторов (реле, электронных коммутаторов).

Если требуется точное и плавное регулирование скорости, число коммутируемых резисторов и элементов коммутации должно быть большим, из-за чего увеличиваются габариты системы, стоимость и снижается надежность.

Управление по системе Г-Д

Регулирование частоты вращения от 0 до по схеме рис. производится регулировкой R в (U гизменяется от 0 до n ном). Для получения скорости двигателя больше nном — изменением R вд (уменьшение тока ОВ двигателя уменьшает его основной поток Ф, что и приводит к увеличению скорости n).

Переключатель S1 предназначен для реверса двигателя (изменения направления вращения его ротора).

Поскольку управление Д осуществляется путем регулирования сравнительно малых токов возбуждения Г и Д, оно легко адаптируется к задачам САУ.

Недостаток такой схемы – большие габариты системы, масса, низкий КПД, поскольку здесь имеется трехкратное преобразование преобразование энергии (электрической в механическую и обратно, и на каждом этапе имеются потери энергии).

Управление по системе «управляемый выпрямитель – двигатель»

Система «управляемый выпрямитель – двигатель» (см. рисунок) похожа на предыдущую, но вместо электромашинного источника регулируемого напряжения, состоящего из, например, трехфазного, двигателя переменного тока и Г=Т, используется управляемый, например, тоже трехфазный тиристорный электронный выпрямитель.

Сигналы управления формируются отдельным блоком управления и обеспечивают требуемый угол открывания тиристоров, пропорциональный сигналу управления Uу.

Достоинства такой системы — высокий КПД, малые габариты и масса.

Недостатком по сравнению с предыдущей схемой (Г-Д) является ухудшение условий коммутации Д из-за пульсаций его тока якоря, особенно при питании от однофазной сети.

Импульсное управление

На двигатель с помощью импульсного прерывателя подаются импульсы напряжения, модулированные (ШИМ, ВИМ) в соответствии с управляющим напряжением.

Таким образом, изменение скорости вращения якоря достигается не за счет изменения напряжения управления, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение. Очевидно, что работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения (см. рисунок).

Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки якоря, то скорость n не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений nном при разгоне или n = 0 при торможении, и устанавливается некоторая средняя скорость nср, величина которой определяется относительной продолжительностью включения.

Поэтому в САУ требуется схема управления, назначение которой – преобразование постоянного или изменяющегося сигнала управления в последовательность управляющих импульсов с относительной продолжительностью включения, являющейся заданной функцией величины этого сигнала. В качестве элементов коммутации используются силовые полупроводниковые приборы – полевые и биполярные транзисторы, тиристоры.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Как управлять двигателем постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока 12В и 24В.
Продажа в Санкт-Петербурге, Москве, поставки по России

Страница, которую вы запрашиваете, не существует

Возможно, она была удалена, или был введен неверный адрес. Попробуйте вернуться на главную страницу или воспользуйтесь навигацией.

Полюстровский проспект, дом 43 литера А — бизнес центр «Полюс»

Варшавское шоссе, д. 32, оф. 309

Коллекторные двигатели, источники питания, драйверы и контроллеры

Управление двигателем постоянного тока

Публикация в журнале «Компоненты и технологии» двух статей, посвященных шаговым двигателям, особенностям их конструкции и схемам управления [2], а также промышленным решениям [3], доступным для выбора таких двигателей, вызвала дискуссию и интерес читателей. В ходе обсуждения было высказано пожелание автору предложить столь же гибкие и простые практические решения в виде схем для управления коллекторными двигателями постоянного тока малой и средней мощности, поскольку в технических изданиях уделяется недостаточное внимание данному вопросу. Именно об этом и рассказывает настоящая статья. В материале рассмотрены практические решения и даны рекомендации в части управления коллекторными двигателями постоянного тока малой и средней мощности.

Как известно, коллекторные двигатели постоянного тока, если смотреть в общем плане, являются наиболее доступными и распространенными в использовании, находящими надлежащее место в самых разнообразных устройствах. Их достоинства несомненны — это цена и простота схем управления. Если с первым утверждением трудно не согласиться, то второе — часто вводит в заблуждение, и не только неопытного пользователя. Действительно, управление скоростью такого двигателя вроде бы и не вызывает особых сложностей — это могут быть как обычные аналоговые регуляторы напряжения, так и более сложные схемы на основе широтно-импульсных (ШИМ) регуляторов. Проблема, а вернее, проблемы скрываются в другом. Дело в том, что необходимо рассматривать вопрос управления коллекторным двигателем постоянного тока в контексте его реального применения с конкретной нагрузкой и в конкретных условиях, а именно — строить схему управления в зависимости от типа решаемой задачи.

Если стоит вопрос регулировки скорости коллекторного двигателя без ее стабилизации, то для этой цели используются как аналоговые, так и импульсные схемы прямого управления без обратной связи. Аналоговые регуляторы применяются для управления маломощными двигателями и выполняются, как правило, на основе схем стабилизации напряжения иногда с возможностью ограничения максимального тока для защиты двигателя и нагрузки. Но наиболее часто используются регуляторы с ШИМ. В отличие от аналоговых схемы управления с ШИМ обладают значительно более высоким КПД. Их цена в общем соизмерима, так как они не требуют дорогих радиаторов. Однако в некоторых применениях им необходима стабилизация напряжения питания, так как постоянная составляющая их выходного напряжения зависит не только от отношения длительности импульса к периоду импульсной последовательности τ/Τ, но и от амплитуды. Можно применить и понижающие импульсные DC/DC-преобразователи, если они обеспечивают соответствующий диапазон регулирования напряжения. Расчет таких преобразователей не особо сложен, для этого понадобится интерактивный программный калькулятор высокого уровня, описанный в [1]. Но при расчете DC/DC-преобразователей следует учитывать, что они должны обеспечить надежную работу не только в нужном диапазоне напряжений, но и токов, что не всегда просто оптимизировать. Именно поэтому рекомендуется не использовать непроверенные «готовые» схемные решения, а обратиться к расчетам и правильному выбору ИМС преобразователя.

Если существует проблема не просто регулирования, а стабилизации скорости, она решается при помощи сложных систем с контуром обратной связи. Одним из элементов такой обратной связи являются датчики, дающие информацию о скорости вращения. Информация снимается или с вала ротора двигателя, или с конечного исполнительного механизма. Стабилизация скорости осуществляется либо путем использования фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) вращения, либо традиционными для автоматики специальными регуляторами. Обычно применяются пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы, как более универсальные, или пропорционально-интегральные (ПИ), как более простые. В любом случае оба решения достаточно сложны как для расчета, так и для исполнения, поскольку они привязаны не только к конкретному типу двигателя, но и ко всей системе привода в целом. Причем характеристики регулирования в данных системах определяются экспериментально. Ознакомиться с подобными регуляторами можно во втором томе [7]. Все изложенное выше касается построения петли управления. Но в любом случае в качестве конечных каскадов в таких системах предусмотрены либо аналоговые регуляторы, либо регуляторы с ШИМ.

Но есть задачи и другого типа. Например, нам необходимо осуществить управление прецизионной переменной нагрузкой, не допускающей рывков и чувствительной к остановке и пуску двигателя. Другими словами, требуется обеспечить плавный старт, равномерное вращение двигателя под не прогнозированно меняющейся нагрузкой на его валу и его плавную остановку при неком заданном увеличении момента на валу двигателя. Пример такой задачи — управление приемным узлом магнитного регистратора. Понятно, что рывки при вращении двигателя в этом применении совершенно недопустимы, а старт и остановка двигателя должны быть «мягкими». Особенно остро эта проблема стоит при использовании малоинерционных двигателей, то есть миниатюрных двигателей с малой собственной массой ротора. Простая подача некоторого фиксированного напряжения на такой двигатель приводит к его мгновенному старту и рывку магнитного носителя, а в момент его окончания (если конец носителя жестко зафиксирован) — возникает удар уже из-за накопленной массы и инерционности такой нагрузки на валу двигателя (сказывается собственная масса накопленного носителя в приемном узле). Один из наиболее подходящих вариантов решения подобной проблемы, который использовался автором в серийном изделии, представлен на рис. 1.

Рис. 1. Схема управления для маломощных двигателей, работающих на прецизионную нагрузку с переменным моментом

Естественно, можно подобрать стандартные ИМС регуляторов, но данное решение более гибко и легко адаптируется к конкретному применению. Оно особенно удобно в случаях, когда важна не скорость вращения, а необходимый момент, который должен развиваться двигателем. Причем он точно не определен или меняется в зависимости от обстоятельств, например от внешнего воздействия, изменения нагрузки или напряжения питания. Схема представляет собой регулятор напряжения с внешним управлением запуском и ограничением по току, то есть он имеет падающую выходную характеристику — зависимость выходного напряжения от тока, потребляемого двигателем. Выходное напряжение регулятора при номинальной нагрузке двигателя (задается делителем R6, R8 и для варианта, приведенного на рис. 1) может быть установлено в пределах от 10,8 до 2,3 В. В среднем положении ротора подстроечного резистора R8 выходное напряжение регулятора при изменении питающего напряжения от 9 до 15 В равно (4,4 ±0,1) В. Первичная характеристика управления ограничением по току задается номиналом сопротивления R3 и устанавливается подстроечным резистором R4 (с учетом резистора R5). Максимальный выходной ток может быть с приемлемой точностью рассчитан по формуле:

где 6,6 — это максимальное напряжение на эмиттере транзистора VT1 регулятора в режиме короткого замыкания в нагрузке.

В приведенной схеме, в отличие от остальных схем регуляторов, напряжение в режиме короткого замыкания мало зависит от установленного выходного напряжения регулятора. В предложенной схеме реальный максимальный выходной ток равен примерно 3,3 А, а минимальный ток ограничения составляет приблизительно 40 мА. Как можно видеть, диапазон регулировки тока достаточно широк, что не под силу многим другим схемам регуляторов, в которых нет внутреннего усилителя, дополняющего токовый сенсор. Ток ограничения в среднем положении ротора подстроечного резистора R4 лежит на уровне 340 мА во всем диапазоне выходных напряжений при изменении питающего регулятор напряжения от 9 до 15 В. Максимальный ток достигается в левом положении движка (рис. 1), минимальный — в правом. Как уже упоминалось, выходное напряжение, а следовательно, и скорость вращения двигателя при минимальной нагрузке ротора устанавливается подстроечным резистором R8 («скорость»), а подстройка необходимого уровня ограничения по току осуществляется подстроечным резистором R4 («огр. тока»).

Учитывая особенности приведенной схемы, ее настройка производится следующим образом: выход схемы управления закорачивается амперметром, и подстроечным резистором R4 устанавливается необходимый ток ограничения; затем подключается двигатель на минимальной нагрузке ротора и резистором R8 устанавливается соответствующее выходное напряжение, обеспечивающее заданную скорость вращения двигателя. Схема с высокой точностью (в описываемом режиме не хуже чем в 2%) удерживает выходное напряжение на заданном уровне до достижения 65% нагрузки (максимального выходного тока, установленного резистором R4). Далее напряжение на двигателе начинает плавно уменьшаться, тем самым ограничивая развиваемый им момент. График изменения тока и напряжения в зависимости от нагрузки двигателя (рабочее напряжение 5 В, сопротивление обмотки 2 Ом) приведен на рис. 2.

Рис. 2. График выходного тока (Iout) и выходного напряжения (V_out) регулятора (рис. 1) в зависимости от нагрузки при токе ограничения 200 мА

Управление включением/выключением двигателя осуществляется командой CTRL — логической единицей от любой цифровой микросхемы или подачей на этот вывод напряжения уровнем не ниже +1,5 В. При включении схемы (из-за ограничения тока и, следовательно, момента) рывка в управлении внешней нагрузкой не происходит. После разгона двигатель переходит в стационарный режим с током потребления ниже установленного схемой ограничения. При увеличении нагрузки двигателя более установленного уровня выходной ток регулятора остается на уровне, заданном схемой ограничения, а напряжение на двигателе плавно уменьшается (рис. 2) и при закорачивании его ротора вследствие полной остановки становится равным падению напряжения на активном сопротивлении обмотки ротора при заданном максимальном выходном токе. График, показывающий изменение мощности двигателя (условия аналогичные для графика, приведенного на рис. 2) в зависимости от нагрузки, показан на рис. 3.

Рис. 3. График зависимости мощности, развиваемой двигателем от нагрузки, при токе ограничения 200 мА

Как видно из графика (рис. 3), мощность, в случае если нагрузка на двигатель превышает 70%, начинает ограничиваться и плавно уменьшаться. При принудительной остановке двигателя она составит всего 12% от максимально установленной, тем самым защищая двигатель от перегрузки и исключая его резкое торможение. Ток ограничения регулятора рекомендуется выбирать на 20-25% выше номинального рабочего тока в заданном режиме эксплуатации двигателя при минимально допустимом рабочем напряжении двигателя. При проектировании устройств с использованием описанного принципа необходимо обязательно учитывать мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе VT1 (возможно, потребуется радиатор), а в ряде случаев и мощность, рассеиваемую на резисторе R3. Кроме особенностей схемы, описанных выше, данное решение продлевает срок службы двигателя и упрощает общую конструкцию приемного узла, так как она уже не требует большого количества компенсирующих неравномерность приема магнитного носителя роликов. А в отличие от вариантов с использованием ШИМ данное решение практически не оказывает дополнительного влияния на общий уровень электромагнитных и радиопомех устройства в целом.

Может возникнуть резонный вопрос: зачем такая сложность, когда можно использовать схему на основе интегрального стабилизатора с ограничением тока? В качестве примера рассмотрим «похожий» вариант на базе ИМС регулируемого стабилизатора напряжения с опцией ограничения его выходного тока LM317T [6]. Такая схема представлена на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенный вариант аналогового регулятора на базе ИМС LM317T

Расчет такой схемы предельно прост. Для рассматриваемого случая выходное напряжение на холостом ходу определяется по формуле:

где V_ref — напряжение внутреннего опорного источника, согласно спецификации [6] типовое значение V_ref = 1,25 В.

Ток ограничения задается резистором R_lim и равен:

Условия оставим без изменений: выходное напряжение 5 В, ток ограничения 200 мА. Результаты расчетов номиналов элементов указаны на схеме рис. 4.

Теперь, чтобы развеять сомнения и снять вопросы по использованию подобных решений, на рис. 5 и 6 приведены графики зависимостей для схемы рис. 4 в аналогичных условиях схемы рис. 1.

Рис. 5. График выходного тока (I_out) и выходного напряжения (V_out) регулятора (рис. 4) в зависимости от нагрузки при токе ограничения 200 мА

Рис. 6. Графики зависимости мощности и напряжения на двигателе от нагрузки при токе ограничения 200 мА для варианта схемы на рис. 4

Заметна разница? Мощность на двигателе упала в два раза, и схема уже не является стабилизатором напряжения. Токоограничивающий резистор будет иметь номинал на уровне 6 Ом, и об оперативной подстройке тока можно будет забыть. При этом учтите, что напряжение холостого хода необходимо будет выставить не 5 В, а 6,4 В. Выйти из такой ситуации можно последовательным соединением двух каскадов на ИМС LM317T. Первый включается в режим стабилизатора тока на 200 мА, второй — в режим стабилизатора напряжения на 5 В. Но даже в таком варианте вы не получите ту гибкость в регулировке и управлении (в частности, управление включением/выключением малым током), которую дает предлагаемая схема на рис. 1.

Рассмотрим еще один пример — управление без применения ШИМ относительно мощным коллекторным двигателем, который управляет массивной инерционной нагрузкой, требующей относительно точного позиционирования при ее остановке и, главное, реверса. Скажем, это некоторая массивная поворотная платформа с исполнительным механизмом. Каковы особенности данного варианта управления? Как видим, здесь, кроме обеспечения защиты уже самого двигателя от перегрузки, необходимо обеспечить его реверс и достаточно точную остановку в заданном положении приводимой им в движение массивной платформы. Обычные регуляторы, основанные на анализе тока через обмотки двигателя (в момент стопорения его ротора), здесь не эффективны, поскольку нагрузка на двигатель и без того высока, соответственно, «выловить» увеличение тока в момент остановки практически невозможно. Иными словами, вычислить, что это — влияние нагрузки или остановка двигателя из-за остановки его ротора по изменению тока в обмотке, — невозможно. Решение такой задачи потребовалось автору статьи при разработке схемы управления коллекторным двигателем постоянного тока для поворота платформы с исполнительным механизмом робототехнического оборудования с массой в 50 кг. Для разгрузки самого двигателя использовался редуктор с передаточным числом 810:1. Ясно, что если не принять специальных мер, то платформа не только не начнет движение и не остановится в заданной позиции, но при старте или принудительной остановке двигателя механическим стопором произойдет разрушение его редуктора. Это же может произойти и при вероятной аварийной остановке. Из-за относительно большой мощности примененного двигателя Como Drills 91908101 4,5-15 В 21,2 Вт (номер по RS-каталогу [5] 321-3170) использование управления аналогично решению, приведенному на рис. 1, и широко используемым вариантам управления с ШИМ является явно нецелесообразным и невозможным. Как отмечалось выше, здесь требуется реверс двигателя и достаточно точная его остановка в условиях инерционной нагрузки. Удобное и, главное, гибкое решение для реализации данной задачи представлено на рис. 7. Автор статьи применяет данное устройство на практике как в качестве тестового модуля, так и в несколько измененном виде в составе серийного изделия.

Рис. 7. Схема управления для коллекторных двигателей средней мощности, работающих на инерционную нагрузку

Основа схемы — микросхема драйвера LMD18245T (ранее National Semiconductor Corp., в настоящее время Texas Instruments Inc.), обычно используемого для шаговых двигателей [4] в нестандартном, не документированном в спецификации включении без импульсного управления. Учитывая допустимое использование этой ИМС в долговременном режиме прерывания подачи импульсов управления, предложенный вариант ее включения нельзя считать запрещенным. Подробно особенности данной ИМС описаны в [2]. Напомним кратко: максимальный ток драйвера задается резистором, включенным в цепь контакта 13 ИМС LMD18245T (резистор R4, рис. 4), и двоичным кодом на контактах цепи управления выходным током (выводы 8, 7, 6, 4). Формула для расчета максимального выходного тока драйвера приведена в спецификации [4], и для рассматриваемого случая он будет равен:

где V_{DAC ref} — опорное напряжение ЦАП (в рассматриваемой схеме V_{DAC ref} = 5 В); D — задействованные разряды ЦАП (в рассматриваемой схеме используются все 16 разрядов, «лог. 1» подана на все четыре входа программирования М1, М2, М3, М4); R_S — номинал токоограничивающего резистора (R4 = 15 кОм).

Соответственно (поскольку задействованы все 16 разрядов ЦАП), ток ограничения драйвера при использовании токоограничивающего резистора R_S номиналом 15 кОм (R4) составит 1,33 А. Для выбора и установки режима можно воспользоваться и таблицей, имеющейся в последнем выпуске спецификации [4].

Достоинством ИМС LMD18245T является то, что токоограничивающий резистор R4 не включен непосредственно в цепь питания двигателя, имеет достаточно большой собственный номинал (в рассматриваемом случае это 15 кОм), а значит, и маленькую рассеиваемую мощность и (главное!) совершенно не влияет на КПД схемы управления. Ограничение тока осуществляется таким образом, что для большинства применений нет надобности в охлаждающем радиаторе. При включении ключи выбранных плеч моста полностью открыты, а при достижении максимальной (заданной по входам «М» и номиналом резистора R4) величины тока осуществляется его «нарезка» (так называемый чоппинг, от англ. chopping). Эта «нарезка» не является неким подобием ШИМ и осуществляется с заданными пользователем импульсами. Они не имеют крутых фронтов, длительность импульсов «нарезки» задается параллельной RC-цепочкой, подсоединенной к выводу 3 драйвера (элементы R5, C6), и равна 1,1 R5C6 в секундах. Это позволяет в некоторой мере упростить решение вопросов электромагнитной совместимости. Еще одним большим достоинством этой ИМС является то, что ее выходной каскад питается отдельно от цепей управления — таким образом можно легко установить требуемое напряжение для двигателя конкретного типа.

Включение двигателя осуществляется кнопкой «ПУСК» (В1). Никаких внешних генераторов не требуется. Выходной каскад LMD18245T выполнен по мостовой схеме и содержит все необходимые защитные элементы — быстродействующие диоды, установленные параллельно выходным ключам. Таким образом, можно легко осуществлять реверс двигателя без помощи мощных реле, дополнительных схем управления и защитных элементов. Реверс выполняется подачей логической единицы переключателем «направление» (S1). Кроме того, данная ИМС позволяет легко реализовать и режим принудительного торможения двигателя в момент остановки. Это делается замыканием обмотки ротора двигателя. Остановка с торможением после снятия команды ПУСК осуществляется подачей логической единицы на вывод 10 (вход BRAKE), и обмотка двигателя закорачивается внутренними ключами драйвера. В указанной схеме реализован двойной режим управления остановкой двигателя: во-первых, это ограничение тока до нуля путем подачи логических нулей на входы программирования уровня максимального тока (выводы 8, 7, 6, 4); во-вторых, подачей логической единицы на вход торможения BRAKE (вывод 10). Такой подход обеспечивает надежную остановку механизма в целом в заданном положении без использования упорных стопоров. Необходимо отметить, что в общем случае принудительная подача нулей на разряды ЦАП не является строго необходимой, все это предусмотрено внутренней структурой логики ИМС LMD18245T, и ИМС D1 (рис. 7) можно было бы считать излишеством, если бы не требовалось устранить дребезг контактов кнопки включения двигателя.

В реальном изделии команда на остановку подается от внешних сенсоров (в оригинальной конструкции используются датчики Холла), расположенных в точке остановки поворотной платформы. То есть не нужно использовать концевые механические выключатели и стопоры. Сенсоры или датчики Холла — это более удобный вариант решения, поскольку датчики могут быть размещены с некоторым опережением по траектории движения платформы. Это опережение учитывает время остановки двигателя и системы в целом. Предотвращение разрушения редуктора, как уже отмечалось выше, осуществляется ограничением тока и выбором соответствующего максимального развиваемого двигателем момента. При необходимости может быть реализовано и частичное предварительное торможение двигателя (сброс скорости) путем ограничения тока подачей соответствующих комбинаций логических единиц на входы управления выходным током драйвера (выводы 8, 7, 6, 4). Зависимость тока в обмотке от кода на выводах программирования тока и резистора токового сенсора для опорного напряжения ЦАП V_ref = 5 В приведена в [6, таблица «Table 1. D to A winding current thresholds for VREF DAC = 5.00V»].

Питание схемы, приведенной на рис. 7, осуществляется от любого источника постоянного тока, рассчитанного на ток не менее 2 А с напряжением 12 В (внешний контакт цилиндрического разъема должен быть минусом, внутренний — плюсом). Кажущимся недостатком схемы является относительная дороговизна ИМС драйвера LMD18245T, но, как говорят французы, «за каждое удовольствие необходимо платить». Если сравнивать это решение с «традиционными», то проигрыш в цене окажется не таким уж и существенным, а в ряде случаев (реализация реверса, торможения, отсутствие радиаторов, дополнительных стабилизаторов напряжения, компактность и пр.) его просто не будет.

В заключение необходимо напомнить, что все коллекторные двигатели представляют собой источник электромагнитных и радиопомех. При их использовании необходимо принимать меры по обеспечению требований по электромагнитной совместимости. А именно использовать развязку «земель» и помехоподавляющие элементы — низко-импедансные электролитические конденсаторы (так называемые Low ESR), керамические конденсаторы с малой собственной индуктивностью и помехоподавляющие элементы, которые могут работать на выбранных максимальных токах без насыщения.

На рис. 8 и 9 приведены практические конструкции с использованием решения, приведенного на рис. 7.

Рис. 8. Плата управления коллекторным двигателем на базе ИМС LMD18245T

Рис. 9. Механизм в сборе: на кольцевидной платформе установлена полезная нагрузка

1. Рентюк В. Проектирование в WEBENCH Design Center // Компоненты и технологии. 2013. № 6.
2. Рентюк В. Шаговые двигатели и особенности их применения // Компоненты и технологии. 2013. № 10.
3. Рентюк В. Шаговые двигатели: промышленные решения // Компоненты и технологии. 2014. № 7.
4. LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, Texas Instruments Inc., April 2013.
5. http://ru.rsdelivers.com
6. LM117/LM317A/LM317-N Three-Terminal Adjustable Regulator, Texas Instruments Inc., Jan. 2014.
7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд.: Пер. с нем. М.: ДМК-Пресс, 2007.