Стабилизатор частоты вращения двигателя током

Стабилизация частоты вращения коллекторных двигателей

Исторически сложилось, что самыми первыми по времени появления и до сих пор самыми распространенными электродвигателями постоянного тока являются коллекторные двигатели.

Они используются в детских игрушках, вибраторах мобильных телефонов, бытовых электроинструментах, вспомогательном оборудовании автомобилей и в качестве тяговых двигателей тепловозов. Основной их недостаток – коллекторный (щеточный) узел, подверженный износу. Кроме того, продукты износа – пыль от щеток – загрязняют двигатель и окружающее пространство и иногда становятся причинами короткого замыкания.

В этой статье мы не будем рассматривать разные способы возбуждения таких двигателей, ограничившись одним из них – возбуждением от постоянных магнитов. Подвижный якорь такого двигателя содержит несколько обмоток и пластины коллектора, а в корпусе неподвижно закреплены постоянные магниты статора и две щетки, обеспечивающие скользящий контакт. В случае мощных двигателей, например в электростартерах автомобилей, используются четыре щетки.

Во многих случаях, при эксплуатации подобных электрических машин, возникает необходимость стабилизации частоты вращения и/или измерения этой частоты. Дело в том, что частота вращения зависит от двух параметров: напряжения, подводимого к двигателю и нагрузки на вал. В меньшей степени частота вращения зависит от температуры двигателя, поскольку при изменении температуры меняется сопротивление обмоток и, соответственно, величина текущего через них тока. А именно ток, а не напряжение, создает магнитное поле, которое и вращает вал.

Задача стабилизации скорости вращения одной из первых возникла при конструировании лентопротяжных механизмов магнитофонов, поскольку даже при незначительном изменении скорости движения ленты возникают существенные искажения воспроизводимого звука. Самый простой способ стабилизировать обороты – использовать двигатель с большим запасом по мощности – в этом случае незначительные колебания нагрузки мало сказываются на частоте вращения. Более точный и надежный метод – использование обратной связи. В этом случае большой запас по мощности не требуется, но появляется необходимость установки дополнительного датчика числа оборотов (таходатчик, энкодер), что не всегда возможно и, вдобавок, удорожает конструкцию. Однако, любой коллекторный двигатель уже содержит в своем составе «датчик оборотов» — его функцию выполняют щетки, переключающие ток в обмотках якоря. Остается только воспользоваться этой информацией. Информационным сигналом в данном случае является сигнал датчика тока, который присутствует в любом контроллере двигателей, как минимум, для обеспечения защиты. Сигнал датчика тока проходит через фильтр, очищающий его от коммутационных помех и в виде последовательности импульсов, частота следования которых пропорциальна скорости вращения умноженной на число пластин коллектора, поступает на управляющую схему (микроконтроллер), которая отслеживает изменение скорости и компенсирует отклонения за счет изменения напряжения, приложенного к двигателю.

Аналогичный способ, кстати, используется в некоторых доводчиках стекол, входящих в состав автомобильных сигнализаций. Такие доводчики, подсчитывая импульсы, запоминают положение стекла перед постановкой на охрану и после снятия с охраны возвращают стекла в исходное положение.

Таким образом, используя пульсацию тока, вызванную переключением обмоток якоря, мы получаем возможность, не используя дополнительные датчики, в некоторых пределах стабилизировать обороты двигателя и приблизительно оценивать количество сделанных оборотов. Кроме этого, оценивая величину тока при каждом переключении можно распознать такую часто встречающуюся неисправность коллекторных двигателей, как наличие короткозамкнутых витков в обмотках якоря (по разности токов в соседних обмотках).

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Стабилизатор — частота

Стабилизатор частоты реагирует на ее изменения и стремится вернуть ее к начальному значению. Например, частота клистрона может сравниваться с резонансной частотой объемного резонатора. При изменении частоты клистрона возникает сигнал ошибки, лолярность которого определяется знаком девиации. Этот сигнал ошибки усиливается и подается на отражатель клистрона в качестве добавки к его напряжению таким образом, чтобы вернуть частоту клистрона к первоначальному значению. В настоящем параграфе описываются некоторые практические методы реализации этого принципа. Стабилизировать частоту клистрона с точностью, большей 1 — 10 — 6, трудно. [1]

Стабилизатор частоты работает следующим образом. [2]

Стабилизатор частоты вращения двигателя представляет собой ключ на транзисторе 7 3, регулирующий ток, протекающий че, рез обмотки электродвигателя М, в зависимости от положения контактов центробежного регулятора. Для уменьшения уровня помех от двигателя использованы дроссели Др2, Др3 и конденсаторы Сзз, Сзз и См, Индикатор ИП в режиме записи показывает уровень сигнала, в режиме воспроизведения м — напряжение питания. [3]

Стабилизатор частоты вращения вала электродвигателя конструктивно собран на отдельной печатной плате и крепится непосредственно на ЛПМ. [5]

Выпускаются стабилизаторы частоты , представляющие собой системы ФАПЧ, в комплекте с соответствующими генераторами ММ диапазона с электронной перестройкой н стандартом частоты, обеспечивающие высокую стабильность частоты. [6]

Для стабилизаторов частоты необходимо изыскание материала, существенно превосходящего по характеристикам пьезокварц, который продолжает оставаться практическим монополистом как материал для высокодабротных резонаторов с крайне малыми ТК. Не вполне ясны перспективы использования синтетического берли-нита ( фосфата алюминия А1РО4), сочетающего достоинства кварца с большим коэффициентом электромеханической связи k, но трудного технологически. Совсем малоизучен в этом плане синтетический фосфат бора ВРО4, у которого также можно ожидать высокой добротности и стабильности характеристик в широком диапазоне температур. [7]

Блок стабилизатора частоты вращения вала электродвигателя ( АО) размещен в алюминиевом экране, общем с блоком ГСП, и имеет — доступ для регулировки скорости. [9]

Диапазон работы стабилизатора частоты вращения через раздвижную тягу может составлять до 40 — 50 % полного хода рычага подачи топлива на двигателях. Включение стабилизатора частоты вращения в неполном диапазоне управления увеличивает безопасность при его отказе. В то же время наличие ручного управления дает возможность летчику при резких изменениях режима полета вмешаться в управление и увеличивать диапазон, необходимый стабилизатору. При отказе одного из двигателей автомат выводит работающий двигатель на увеличенную мощность вплоть до взлетной и выше — в зависимости от режима полета. При наличии стабилизатора частоты вращения рукояткой коррекции летчик не пользуется, но ее целесообразно сохранить для работы при отказе автоматики. [10]

В [52, 99] описаны стабилизаторы частоты мощных СВЧ-генераторов на ЛОВ. [11]

В [57] описан стабилизатор частоты клистрона , выполненный полностью на транзисторах ( фиг. Используется модуляция напряжения отражателя, для чего выбрана частота 50 кгц. Усиление по постоянному току составляет около 1000; полоса пропускания 50 гц. Последний обеспечивает ток нагрузки 20 ма и пульсации не более 2 5 мв. [12]

Микросхемы представляют собой стабилизатор частоты вращения бесколлекторного двигателя постоянного тока ( БДПТ) и предназначены для выработки управляющих сигналов для поддержания выбранной скорости вращения БДПТ или аналогичных двигателей, имеющих частотно-фазовое управление. [13]

Микросхемы представляют собой стабилизатор частоты вращения бесколлекторного двигателя постоянного тока ( БДПТ) и предназначены для выработки управляющих сигналов для поддержания выбранной скорости вращения БДПТ или аналогичных двигателей, имеющих частотно-фазовое управление. [14]

Проектирование системы стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока

Страницы работы

Содержание работы

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Государственный Технологический Университет

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Электронные устройства автоматики»

на тему: «Проектирование системы стабилизации частоты вращения двигателя постотянного тока»

Исполнитель: Мельничёнок Е.А.

Руководитель: Оробей И.О.

1.. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.. 5

2.. РАСЧЕТ И СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.. 7

3.. РАСЧЕТ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 10

4.. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ.. 12

4.1 Разработка схемы ПИ–регулятора. 12

4.2 Разработка схемы исполнительного механизма. 13

4.3 Разработка схемы подключения усилителя. 14

4.4 Разработка схемы подключения триггера Шмидта. 15

4.5 Разработка схемы задатчика интенсивности (ЗИ) 16

4.6 Разработка схемы силовых цепей. 17

5.. РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА В КОНТУРЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 18

6.. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ИНДИКАЦИИ.. 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 22

Современное развитие электронной техники характеризуется значительным усложнением требований решаемых задач, что приводит к резкому увеличению числа элементов радиоэлектронной аппаратуры. При ограниченных показателях надежности элементов резко снижается надежность всей системы и увеличивается масса, объем и потребляемая энергия. В этих условиях исключительно большое значение приобретают проблемы повышения надежности и комплексной миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры.

В результате микроэлектроника приводит не только к изменению элементной базы, выражающемся в том, что на смену дискретным элементам приходит новые интегральные детали – интегральные схемы. Она затрагивает более глубокие аспекты разработки электронной аппаратуры, и требует изменения традиционных подходов к проектированию сложных систем.

Принципиально новые пути решения указанных проблем обеспечивает микроэлектроника как исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направлений.

Автоматизация технологических процессов на основе современных средств автоматизации и вычислительной техники составляет одно из основных направлений научно-технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства. Подходы к созданию средств измерений, контроля и управления оборудованием в технологическом процессе характеризуются от решения относительно простых задач автоматизации к разработке на микроэлектронной элементной базе приборов с программным управлением, которые обеспечивают автоматический режим работы как автономно, так и в сложных системах контроля и управления при большом объеме обрабатываемой информации.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Объектом управления является микроэлектродвигатель с возбуждение от постоянных магнитов типа ДПМ-20-Н1, Н2-13.

Для осуществления регулирования частоты вращения ДПТ в данном случае применяется ПИ-регулятор.

В качестве исполнительного механизма используем комплементарную пару транзисторов.

Первичный преобразователь частоты вращения двигателя выполнен на оптопаре, рабочий зазор которой перекрывается диском, жестко закрепленном на валу.

В качестве элемента, преобразующего частотно-моделированный сигнал оптопары, используем усилитель.

Из-за механических проблем и присутствия шума после усилителя оптопары необходимо установить триггер Шмидта, с шириной гистерезиса (0,5+0,001N)В, где N – число прорезей (N=90), тогда ширина гистерезиса будет равна 0,59В.

Структурная схема системы управления (СУ) стабилизатора частоты приведена на рисунке 1.1.

Р – регулятор (ПИ–регулятор);

ИМ – исполнительный механизм (комплементарная пара транзисторов);

ОУ – объект управления (двигатель);

ППЧ – первичный преобразователь частоты (оптопара);

ТШ – триггер Шмидта

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы управления стабилизатора частоты

Так как для регулирования частоты вращения двигателя ω используется ПИ–регулятор, то приведем его структурную схему на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Структурная схема стабилизатора частоты

– пропорциональная составляющая ПИ–регулятора;

– интегральная составляющая ПИ–регулятора.

Преобразуем структурную схему СУ к следующему виду

Рисунок 1.3 – Структурная схема

– передаточная функция объекта управления.

2. РАСЧЕТ И СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Запишем передаточную функцию объекта управления

(2.1)

где – электромагнитная постоянная времени, ;

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Урок 73. ПИД-регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока. Разработка аппаратной части.

Первый из серии уроков, посвященных разработке регулятора скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока. Рассматривается аппаратное подключение двигателя к плате Ардуино.

Игорь из Москвы заказал мне разработку контроллера- регулятора скорости вращения двигателя постоянного тока.

Это продолжение бесконечной разработки интеллектуального сверлильного станка. Сначала я написал для него общую управляющую программу. Затем мы создали электронный прицел для станка на OSD-генераторе. Пришла очередь до двигателя, который вращает шпиндель.

Используется коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 500 Вт и номинальным напряжением 100 В. Необходимо задавать и стабилизировать его скорость вращения.

Тема показалась мне очень интересной, и я решил в качестве уроков описать последовательность своих действий по разработке контроллера двигателя. Тем более в интернете эта тема ограничивается теоретическими рассуждениями.

Должен получиться учебный материал на несколько разных тем:

• аппаратное подключение двигателя постоянного тока к Ардуино;
• измерение частоты и периода сигнала ;
• управление нагрузкой с помощью ШИМ;
• ПИД-регулятор;
• этапы разработки подобных устройств.

Кроме того, я надеюсь, что получится законченный аппаратно-программный блок – ПИД-регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока. Его можно будет использовать в различных приложениях.

У Игоря используется достаточно мощный мотор 500 Вт, с номинальным напряжением питания 100 В. У меня такого двигателя нет. Поэтому я проведу разработку и испытания на компьютерном вентиляторе с номинальным напряжением 12 В. Не сомневаюсь, что все написанное и разработанное будет справедливо и для гораздо более мощных устройств. По крайней мере, Игорь проверит контроллер на 500 ваттном моторе.

Аппаратное подключение двигателя постоянного тока к Ардуино.

Существуют две основные задачи:

• Необходимо управлять двигателем, изменяя на нем напряжение, а значит и мощность. Т.е. нужно создать регулирующий элемент, с помощью которого регулятор будет изменять состояние двигателя, увеличивать или уменьшать его скорость вращения.
• Надо измерять скорость вращения двигателя, чтобы регулятор мог ее контролировать.

Сошлюсь на Урок 39, раздел ”Общие сведения о регуляторах”. Там написано, что необходимо выделить:

• регулируемый параметр – что мы регулируем;
• регулирующий элемент – с помощью чего мы регулируем.

Аппаратную часть этих компонентов регулятора и будем разрабатывать в этом уроке.

Подключение двигателя к ШИМ Arduino.

Естественно для управления двигателем будем использовать ШИМ. Это значительно упростит схему, повысит КПД. Практически, независимо от мощности и напряжения мотора, для управления им достаточно одного ключа. Конечно, передельно-допустимые параметры ключа должны соответствовать двигателю. Для моего двигателя-вентилятора я выбрал такие элементы.

ШИМ с выхода Ардуино открывает и закрывает ключ, собранный на MOSFET-транзисторе. Можно, конечно, использовать и биполярный транзистор, но:

• полевым проще управлять;
• у него меньше падение напряжения в открытом состоянии, а значит он меньше греется;
• в отличие от биполярного транзистора, он работает на высоких частотах 100 кГц и выше.

Я выбрал MOSFET-транзистор IRF7341: N-канал, 55 В, 4 А. Кроме предельно-допустимых параметров необходимо учитывать то, что транзистор должен быть низкопороговым, т.е. открываться при небольшом напряжении (не более 5 В). Иначе необходимо использовать дополнительный элемент – драйвер.

Диод в схеме абсолютно необходим. Двигатель – это индуктивная нагрузка, а иногда и электрогенератор. Поэтому при закрытии транзистора на выводах двигателя могут возникать броски высокого напряжения. Они должны замыкаться через диод, чтобы не сжечь транзистор.

В некоторых подобных схемах используют низкочастотные выпрямительные диоды, например, 1N4007. Это допустимо только для дискретного управления двигателем: включить или выключить. При управлении с помощью ШИМ, особенно с высокой частотой, диод должен быть высокочастотным, лучше с барьером Шоттки.

При закрытом транзисторе диод находится в открытом состоянии, через него течет ток размагничивания обмотки двигателя. Затем транзистор открывается. А диод закрывается только через время восстановления обратного сопротивления. Даже у “быстрых” (FR307) диодов это время составляет 150-500 нс, у “супербыстрых” 35 нс, а у выпрямительных 1N4007 этот параметр не нормируется. Представьте себе, что при частоте ШИМ 100 кГц 100000 раз в секунду будет происходить короткое замыкание. Это приведет к жутким помехам, уменьшению КПД и нагреву диода и транзистора.

При высоком напряжении все значительно усугубиться. В общем рекомендации по выбору диода:

• Лучше всего диод Шоттки.
• Если высокое напряжение (более 150 В) не позволяет использовать диод Шоттки, то лучшим вариантом будет карбидокремиевые диоды Шоттки.
• Следующим приемлемым вариантом могут быть HEXFRED-диоды с ограничением обратного тока обратного восстановления;
• На крайний случай остаются супербыстрые и ультрабыстрые диоды.

У меня напряжение всего 12 В. Я выбрал диод Шоттки SS16.

Наверное, понятно, что меняя коэффициент заполнения ШИМ, мы будем изменять среднее напряжения на двигателе, я значит, и его мощность. Частоту ШИМ определим экспериментально.

Измерение скорости вращения.

Традиционным компонентом для измерения числа оборотов мотора служит датчик Холла. Это датчик, который показывает наличие магнитного поля, например, присутствие рядом с ним постоянного магнита. Для наших целей необходимы цифровые или дискретные датчики Холла. В отличие от аналоговых они срабатывают при превышении магнитным полем определенного порога и имеют гистерезис.

Конструкции измерителей скорости могут быть самыми разными. Можно закрепить на валу двигателя металлический диск с радиальными прорезями и использовать автомобильный датчик Холла.

Диск будет прерывать магнитное поле между датчиком Холла и постоянным магнитом. На прорезях магнитное поле будет проходить к датчику и таким образом, при вращении, будут формироваться импульсы.

Я поступил проще. Использовал дешевый, миниатюрный датчик Холла TLE4905L. В самых дорогих магазинах он стоит до 50 руб, а на АлиЭкспресс от 25 руб.

Это цифровой датчик Холла, настроенный на определенный порог магнитного поля. Он прекрасно срабатывает на расстоянии 8 мм от миниатюрного магнита диаметром 5 мм и толщиной 1 мм.

Конструкция измерителя очевидна. Я приклеил 2 магнита к диску вентилятора и над линией, по которой они двигаются при вращении, расположил датчик Холла.

Когда магниты проходят под датчиком, на его выходе формируются импульсы. Измерив частоту этих импульсов можно определить скорость вращения двигателя. На один оборот вырабатываются 2 импульса. Я использовал 2 магнита для того чтобы не нарушить балансировку вентилятора. Возможно, хватило бы и одного.

Как у датчика, так и у магнитов есть полярности. Поэтому перед тем, как устанавливать эти компоненты надо проверить в каком положении срабатывает датчик.

Датчик TLE4905L имеет выход с открытым коллектором. Он не формирует напряжение на выходе, а только замыкает или размыкает выход на землю. Со стороны приемника необходим внешний подтягивающий резистор.

Подключение датчика необходимо производить отдельными проводами. Все связи должны соединяться непосредственно на плате Ардуино. С точки зрения помехозащищенности это самое узкое место в системе.

Для задания скорости будем использовать переменный резистор. Подключим его к аналоговому входу платы Ардуино. Добавим еще сигнал включения/выключения двигателя и выход для тестовых импульсов. С помощью него будем проверять работу устройства без мотора.

С учетом всего вышесказанного окончательная схема контроллера-регулятора оборотов двигателя будет выглядеть так.

В реальных приложениях обороты можно задавать напряжением на аналоговом входе A0. Получится стандартный аналоговый интерфейс 0…5 В. Если необходим диапазон 0…10 В, то достаточно добавить резисторный делитель напряжения.

Состояние контроллера для отладки ПИД-регулятора будем передавать на компьютер через последовательный порт. Я разработаю программу верхнего уровня с регистрацией данных и отображением их в графическом виде. Регистратор значительно облегчает настройку любого ПИД-регулятора.

В следующем уроке начнем “оживлять” контроллер.