5.4. Регулируемый электропривод с обратными связями по току и скорости и суммирующим усилителем

 

Регулируемый электропривод с отрицательной обратной связью по скорости. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо повышать жесткость механических характеристик и вводить в систему электропривода отрицательную обратную связь по скорости. Наличие главной обратной связи по скорости является наиболее характерной чертой электропривода с большим диапазоном регулирования скорости.

Схема регулируемого электропривода представлена на рис. 14.11. Двигатель М получает питание от силового преобразователя U. Скорость двигателя регулируется вниз от номинальной посредством изменения напряжения якоря U_я.

На валу двигателя установлен тахогенератор BR, напряжение которого поступает на регулятор скорости AR, который может работать в качестве П– или ПИ–регулятора.

Структурная схема регулируемого электропривода представлена на рис. 14.12. Пунктиром показана обратная связь, которая в этом варианте привода не используется.

Рис. 14.11. Схема регулируемого электропривода

с обратной связью по скорости

Рис. 14.12. Структурная схема регулируемого электропривода с обратной связью по скорости (цепь обратной связи по току показана пунктиром)

 

Составим уравнение, описывающее динамические процессы в приводе. Скорость двигателя постоянного тока зависит от напряжения якоря и момента сопротивления

.

На этом основании для разомкнутой цепи регулируемого ЭП и

,

но напряжение U_oc связано со скоростью двигателя .

Подставив это значение в предыдущую формулу и решив ее относительно скорости, будем иметь

 

Регулируемый электропривод с обратной связью по скорости и току якоря. Кроме основной обратной связи по скорости в регулируемом электроприводе используют обратную связь по току якоря. Ток якоря пропорционален моменту, поэтому, управляя током, мы по сути дела управляем моментом ЭД и формируем силовое воздействие на механическую систему. Можно считать, что обратная связь по скорости определяет точность регулируемого электропривода, а обратная связь по току – его быстродействие.

Схема регулируемого электропривода с обратными связями по скорости и току представлена на рис. 14.13. Во многом эта схема совпадает со схемой, изображенной на рис. 14.11. Отличие заключается в том, что в цепи якоря установлен датчик тока ВА, сигнал которого поступает на регулятор А. В регуляторе (суммирующем усилителе) происходит алгебраическое суммирование задающего сигнала и сигналов обратной связи по току и скорости.

Воспользуемся структурной схемой, приведенной на рис. 14.13. с учетом пунктирной линии, образующей обратную связь по току.

Рис. 14.13. Схема регулируемого электропривода с обратными связями

по скорости и току

 

Регулируемый электропривод с обратной связью по скорости и по току с отсечкой. В электроприводе станков и ПР широко применяют системы привода, в которых действует отрицательная обратная связь по току с отсечкой. Нелинейная обратная связь по току (рис. 4.22, а) действует следующим образом: до тех пор, пока ток якоря не превышает величины тока отсечки , сигнал обратной связи равен нулю. Если же

, то вводится в действие сильная отрицательная обратная связь по току, которая ограничивает величину тока якоря на заданном уровне.

При постоянном магнитном потоке ограничение тока якоря эквивалентно ограничению момента. Поэтому механическая характеристика такого привода состоит из двух участков (рис. 14.14, б).

Рис. 14.14. Схема (а) и механическая характеристика (б)

электропривода с отсечкой по току

 

На первом участке в приводе действует только отрицательная обратная связь по скорости и жесткость механических характеристик велика. При больших моментах «срабатывает» отсечка по току и добавляется сильная отрицательная обратная связь по току, которая уменьшает выходное напряжение преобразователя и снижает жесткость механических характеристик. Наклон механических характеристик на втором участке резко увеличивается. Такие характеристики называют экскаваторными. Привод с отсечкой по току может работать на жесткий упор при

= 0. Ток якоря при нулевой скорости привода называют током стопорения.

В схемах отсечки по току (рис. 4.23, а) напряжение, снимаемое с шунта, включенного в цепь якоря двигателя , сравнивается с опорным напряжением u_оп, пропорциональным току отсечки.

Рис. 14.15. Схемы отсечки по току: а – с диодом в качестве порогового элемента; б – со стабилитроном; в, г – с упреждающим токоограниченнем

 

Опорное напряжение запирает диод VD. В результате ток в цепи может протекать только при . Этот ток создает падение напряжения на резисторе R, которое и является напряжением обратной связи. Величину тока отсечки регулируют путем изменения опорного напряжения.

В схеме на рис. 4.23, б отсечка по току осуществляется с помощью стабилитрона V. При напряжении происходит пробой стабилитрона и на нагрузочном сопротивлении возникает напряжение обратной связи.

Отсечка по току позволяет стабилизировать момент двигателя не только в статическом режиме при работе на упор, но и в динамическом режиме. Переходные процессы в таком приводе происходят с почти постоянным динамическим моментом. В приводах с малоинерционными тиристорными преобразователями токоограничение имеет особенно важное значение.

 

Приводы постоянного тока

Приводы постоянного тока.

Приводы постоянного тока Parker Hannifin обеспечивают работу в широком диапазоне выходного тока, поддерживают работу с датчиками обратной связи различного типа; доступно множество пользовательских приложений
и программное обеспечение для конфигурирования; возможна работа с большинством стандартных протоколов полевой связи.

Приводы постоянного тока Parker Hannifin используются для управления движением электродвигателей постоянного тока, от 1 А до 2700 А.

• Широкий диапазон величины выходного тока: до 2700 А.
• Поддержка различных датчиков обратной связи, например, аналоговый тахометр, различные виды оптических энкодеров,  стандартный энкодер.
• Управление вращением двигателей постоянного тока.
• Цифровое и аналоговое управление.
• Возможность работы во всех четырех квадрантах.
• Гибкая возможность настройки с помощью комплектного ПО.
• Поддержка широкого диапазона протоколов связи, например, CanOpen, DeviceNet, Ethernet, Profibus, …

Серия 506/7/8.

Серия включает однофазные аналоговые приводы постоянного тока, предназначенные для работы в 1 квадранте с диапазоном величины выходного тока от 3 А до 12 А.

Данная серия обеспечивает экономически эффективное управление скоростью или крутящим моментом двигателей постоянного тока с постоянными магнитами или параллельным возбуждением и однофазным питанием. Типичные приложения для применения данной серии являются: конвейеры, упаковочное оборудование, задачи, связанные с базовым управлением скоростью вращения.

 

• Экономически эффективное решение;
• Степень защиты IP20;
• Компактные габариты и возможность установки на DIN-рейку;
• Обратная связь: тахометр или по величине напряжения якоря;
• Ток, номинальный: до 12 А;
• Работа в 1 квадранте;
• Питание: 1 х 110 В AC, 1 х 230 В AC.

Серия 512C.

Изолированная схема управления, множество пользовательских устройств и линейный контур управления делают 512C подходящим решением для управления одним двигателем или для использования в системе с несколькими приводами в приложениях с низким энергопотреблением.

Данная серия обеспечивает управление скоростью или крутящим моментом двигателей постоянного тока с постоянными магнитами или катушечными двигателями постоянного тока с однофазным питанием.

Типичные приложения для применения данной серии являются: центробежные вентиляторы и насосы, экструдеры и смесители, малогабаритные машины для переработки бумаги.

 

• Полностью изолированные электрические цепи управления;
• Степень защиты IP20;
• Работа в 2 квадрантах;
• Мульти вход для уставки по скорости или по току;
• Ток, номинальный: до 32 А;
• Питание: 1 х 110-415 В AC.

Серия 514C.

Регенеративный тиристорный привод постоянного тока серии 514C обеспечивает полное управление в 4 квадрантах двигателями постоянного тока с однофазным питанием. Таким образом, он обеспечивает управление в приложениях, где требуется быстрое и точное замедление. Приводы данной серии являются подходящим решением для управления одним двигателем или для использования в системе с несколькими приводами в приложениях с низким энергопотреблением.

Данная серия обеспечивает управление скоростью или крутящим моментом двигателей постоянного тока с постоянными магнитами или катушечными двигателями постоянного тока с однофазным питанием.

 

Типичными приложениями для применения данной серии являются: шпиндели, намоточные машины, волочильные машины.

 

• Полностью изолированные электрические цепи управления;
• Степень защиты IP20;
• Работа в 4 квадрантах;
• 3 входа для уставки по скорости или по току;
• Ток, номинальный: до 32 А;
• Питание: 1 х 100-500 В AC.

Серия 590P.

Благодаря своей современной 32-битной архитектуре управления привод Parker Hannifin серии DC590+ обеспечивает высокофункциональное и гибкое управление, подходящее для целого ряда промышленных приложений, связанных с применением двигателей постоянного тока.

Типичные приложения: перерабатывающие машины, намоточные машины, автомобильная отрасль, конвейеры.

 

Программируемые функциональные блоки.

Гибкая структура управления, которая позволяет легко реализовать практически бесконечное сочетание пользовательских функций. Каждая управляющая функция (например, вход, выход, ПИД) представлена ​​в виде программного блока, который может быть свободно связан со всеми другими блоками для обеспечения любого желаемого действия.

В качестве альтернативы возможно использование предустановленных макросов, а также создать свою собственную схему управления, при этом устраняя необходимость во внешнем ПЛК и, следовательно, снижая затраты.

 

Интерфейсные опции.

DC590+ имеет ряд коммуникационных возможностей и возможностей ввода / вывода, которые позволяют приводу непосредственно управлять приложением или интегрироваться в более крупную систему. В сочетании с программированием функций, существует возможность создания  пользовательских функций, предлагая пользователю гибкую и универсальную платформу для управления двигателем постоянного тока.

 

Программирование / Управление.

Благодаря интуитивно понятной структуре меню эргономичная панель оператора обеспечивает быстрый и легкий доступ ко всем параметрам и функциям привода через яркий, легко читаемый дисплей с подсветкой и тактильной клавиатурой. Кроме того, он обеспечивает локальное управление пуском / остановкой, скоростью и направлением вращения, что значительно облегчает ввод в эксплуатацию.

 

Связь.

Какова бы ни была сложна схема управления, DC590+ имеет подходящий для нее интерфейс. В качестве стандарта достаточно аналогового и цифрового ввода-вывода для самых сложных приложений. В качестве альтернативы существует возможность добавления соответствующего «технологического блока».

DC590+ был разработан так, чтобы легко и без компромиссов встраиваться в любую среду управления.

 

• Цифровой привод;
• Работа в 4 квадрантах;
• Аналоговые и цифровые входы и выходы;
• Датчики обратной связи: аналоговый тахометр, различные виды оптических энкодеров, стандартный энкодер;
• Протоколы связи: Profibus, CanOpen, RS422/485, DeviceNet, Modbus, Ethernet, ControlNet;
• Ток, номинальный: до 2700 А;
• Питание: 3 х 110-690 В AC.

Двигателями постоянного тока по скорости — Студопедия

Замкнутые схемы управления электроприводов с

Замкнутые электропривода с подчиненным регулированием координат

Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току

Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоянного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току

Замкнутые схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока по скорости

Вопросы

Замкнутые схемы управления АЭП с ДПТ

Лекция 11

Характеристики разомкнутых ЭП, построенных по системе «преобразователь—двигатель» (П — Д), имеют относительно невысокую жесткость из-за влияния внутреннего сопротивления преобразователя. Для получения значительных диапазонов и высокой точности регулирования скорости требуется иметь более жесткие характеристики, которые можно получить лишь в замкнутой системе П—Д. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечивают точного регулирования (или ограничения) тока и момента, что также требует перехода к замкнутой системе.

Рисунок 1 — Схема замкнутой системы П—Д с отрицательной обратной связью по скорости

Замкнутая система П—Д с отрицательной обратной связью по скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Основу структурной схемы составляет разомкнутая схема П — Д. На валу ДПТ находится датчик скорости — тахогенератор (ТГ) (рис. 1), выходное напряжение которого пропорциональное скорости ДПТ и является сигналом обратной связи. Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента обратной связи по скорости и может регулироваться за счет изменения тока возбуждения ТГ .

Сигнал обратной связи U_тг=γω=U_о.с сравнивается с задающим сигналом скорости U_з.с , и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки)

U_вх=U_з.с— γω

подается на вход дополнительного усилителя У, который с коэффициентом k_у усиливает сигнал рассогласования U_вх и подает его в виде сигнала управления U_у на вход преобразователя П.

Рисунок 2 – Механические характеристики ДПТ в замкнутой системе регулирования с отрицательной обратной связью (ООС) по скорости

Жесткость получаемых характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе (рисунок 2). Сами характеристики, представляют собой прямые параллельные линии 2, 4, 5, расположение которых определяется уровнем задающего сигнала по скорости и соответственно скоростью холостого хода ω₀. Здесь же для сравнения приведена характеристика ДПТ в разомкнутой (прямая 3) системе.

В замкнутой системе может быть получена абсолютно жесткая характеристика, которая изображена на рисунке 2 в виде штриховой линии 1.

Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки М_с. Так как развиваемый ДПТ момент стал меньше момента нагрузки, его скорость начнет снижаться и соответственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости. Это, в свою очередь, вызовет увеличение сигналов рассогласования U_вх и управления U_y и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно, напряжения и скорости ДПТ.

При уменьшении момента нагрузки обратная связь действует в другом направлении, приводя к снижению ЭДС преобразователя. Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя и тем самым подводимого к ДПТ напряжения, за счет чего получаются более жесткие характеристики ЭП. В разомкнутой системе при изменении момента нагрузки ЭДС преобразователя не изменяется, в результате чего жесткость характеристик электропривода оказывается меньше.

Для получения жестких характеристик в системе П — Д кроме обратной связи по скорости используются также отрицательная обратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току двигателя и их сочетания.

Управление разомкнутой и замкнутой системами

Управление разомкнутой и замкнутой системами

В этом разделе описываются методы блока управления приводом разомкнутого контура и замкнутого цикла.

Блок управления приводом разомкнутого контура

Регулирование без обратной связи (также известный как скалярное управление или управление Вольтами/Гц) является популярным методом блока управления приводом, который можно использовать, чтобы запустить любой электродвигатель переменного тока. Это — простой метод, для которого не нужна никакая обратная связь от двигателя. Чтобы сохранить магнитный поток статора постоянным, мы сохраняем амплитуду напряжения питания пропорциональной ее частоте.

Этот рисунок показывает систему регулирования без обратной связи. Силовая цепь состоит из напряжения PWM питаемый инвертор, предоставленный источником постоянного тока. Система не использует сигнала обратной связи для реализации управления. Это использует задающую скорость, чтобы определить частоту напряжений статора. Система вычисляет величину напряжения, столь же пропорциональную отношению номинального напряжения и оцененной частоты (обычно известный как отношение Вольт/Гц), так, чтобы поток остался постоянным.

где:

1. λm расчетный поток двигателя в Wb.

2. Vs напряжение статора электродвигателя переменного тока в Вольтах.

3. fs частота напряжения статора электродвигателя переменного тока в Гц.

В системе разомкнутого контура скорость для электродвигателя переменного тока описывается как:

где:

• Speed(rpm) механическая скорость электродвигателя переменного тока в об/мин.

• fs частота напряжения статора и токи электродвигателя переменного тока в Гц.

• p количество пар полюса двигателя.

Можно использовать предыдущее выражение, чтобы определить частоту ссылочных напряжений для необходимой скорости (для данной машины).

Используйте эту частоту, чтобы сгенерировать ссылочные напряжения PWM для инвертора. Вычислите величину напряжений путем поддержания отношения Вольт/Гц как:

При использовании системного представления на модуль система регулирования без обратной связи рассматривает _Vrated как основное количество, которое обычно соответствует 1PU или 100%-й рабочий цикл. В зависимости от метода модуляции (или Синусоидальный PWM или Вектор Пробела PWM), вам, возможно, понадобится дополнительное усиление ((23) для синусоидального PWM). На более низких скоростях системе нужно минимальное напряжение вольтодобавки (15% или 25% номинального напряжения), чтобы преодолеть эффект падения напряжения сопротивления статора.

Можно использовать регулирование без обратной связи в приложениях, где динамический ответ не является беспокойством, и экономичное решение требуется. Блок управления приводом разомкнутого контура не имеет способности рассмотреть внешние условия, которые могут влиять на частоту вращения двигателя. Поэтому система управления не может автоматически откорректировать отклонение между желаемым и фактическими частотами вращения двигателя.

Примечание

Скалярная реализация управления не рассматривает компенсацию падения напряжения из-за сопротивления статора и полевого ослабления.

Блок управления приводом с обратной связью

Управление с обратной связью принимает системную обратную связь во внимание для управления. Управление с обратной связью двигателя рассматривает обратную связь моторных сигналов как ток и положение. Система управления использует сигналы обратной связи отрегулировать напряжение (применился к двигателю) сохранить моторный ответ в ссылочном значении.

Ориентированное на поле управление (FOC) (или векторное управление) является популярной системой с обратной связью, которая используется в приложениях блока управления приводом. Метод FOC используется, чтобы реализовать крутящий момент с обратной связью, скорость и управление положением двигателей. Этот метод также предусматривает хорошую возможность управления по полному крутящему моменту и областям значений скорости. Для реализации FOC нужно преобразование токов статора от стационарной системы координат до системы координат потока ротора.

Регулировка скорости и управление крутящим моментом являются обычно используемыми режимами управления в FOC. Режим управления положения реже используется. Большинство приложений тяги использует режим управления крутящего момента, в котором система блока управления приводом следует за ссылочным значением крутящего момента. В режиме регулировки скорости моторный контроллер следует за значением задающей скорости и генерирует ссылку крутящего момента для управления крутящим моментом, которое формирует внутреннюю подсистему. Принимая во внимание, что в режиме управления положения контроллер скорости формирует внутреннюю подсистему.

Вам нужна обратная связь в реальном времени текущего положения и положения ротора, чтобы реализовать алгоритм FOC. Можно использовать датчики, чтобы измерить ток и положение ротора. Можно также использовать бездатчиковые методы, которые используют предполагаемые значения обратной связи вместо фактических основанных на датчике измерений.

Управление с обратной связью использует положение в реальном времени и статор текущая обратная связь, чтобы настроить контроллер скорости и токовый контроллер и изменить рабочие циклы инвертора. Это гарантирует, что откорректированное трехфазное предоставление напряжения (который запускает двигатель) корректирует моторное отклонение обратной связи от требуемого значения.

Разомкнутый контур к переходам с обратной связью

Некоторые приложения требуют, чтобы двигатель начал использовать регулирование без обратной связи. Когда двигатель достигает минимальной необходимой устойчивости в регулировании без обратной связи, система управления переключается на систему с обратной связью.

В системе, определение положения в которой осуществляется с помощью квадратурного энкодера, двигатель запускается в разомкнутом цикле и переходит к системе с обратной связью, когда детектируется сигнал полного поворота.

При бездатчиковом способе управления положением двигатель начинает вращаться на 10% от номинальное скорости в разомкнутом цикле. После того, как значение превышает 10% от номинальной скорости, системы управления от разомкнутого цикла переходит к системе с обратной связью.

Для обеспечения плавности перехода от разомкнутого цикла до системы с обратной связью, ПИ-контроллеры сбрасываются и начинают с того же начального условия, как выходные значения разомкнутой системы.

Привод постоянного тока с однофазным входом 220V

Универсальная серия компактных аналоговых приводов постоянного тока Sprint Electric с креплением на DIN-рейку для двигателей постоянного тока с постоянными магнитами или с параллельным возбуждением.

Компактный дизайн, позволяющий экономить место и производить монтаж на DIN-рейку вместе с другими компонентами. Легкодоступные настроечные элементы управления и быстросъемная клеммная колодка делает эти устройства легкими для быстрой установки и запуска в работу. Два диапазона питающих напряжений и переключатель выбора типа обратной связи (по напряжению якоря или датчику обратной связи) только некоторые, из многих стандартных функций.

Не изолированные — 340, 680, 1220 модели обеспечивают базовую функциональность по привлекательной цене.

Приводы постоянного тока Sprint Electric работают как с обычными двигателями c щеточным узлом, так и с двигателями, у которых в ротор встроены постоянные магниты. Приводы могут работать как с обратной связью по напряжению якоря, так и по сигналу от присоединенного к валу двигателя тахогенератора. Встроенный точный контур тока обеспечивает полную защиту привода и двигателя. Данные модели приводов имеют неизолированные от высокогонапряжения компоненты.

Скорость. Работа с полным моментом в диапазоне скоростей от 0 до 100% в зависимости от номинала электродвигателя, полное регулирование
нагрузки – 0,2% (с датчиком обратной связи) и 2% (обратной связью по напряжению якоря).

Настройки
Максимальная скорость (Max spd):	от 40 до 200В или от 10 до 50В (для модели -LV).
Минимальная скорость (Min spd):	от 0 до 30% от максимальной скорости.
Время разгона (Ramp):	от 1 до 20 секунд (плавное задание потенциометром)
IR компенсация (IR comp):	от 0 до 30%
Выходной ток (I max):	от 0 до 100% лимита по току.

Управление скоростью производится с помощью потенциометра с номиналом 10 кОм. Подача команд старт/стоп производится с помощью внешнего сухого контакта.

Методы управления
Контур скорости:	Полное P+I управление с обратной связью по напряжению якоря.
Контур тока:	Полное P+I управление с обратной связью по току.

Управление электродвигателями

Исследования Мирового Энергетического Совета в 2013 году, говорят о том, что около 45% глобального потребления электроэнергии приходится на электродвигатели. Они являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Электродвигатели можно встретить в бытовой технике, инструментах, электромобилях, поездах, на нефтяных платформах и дамбах.

Со времен промышленной революции мы постоянно сокращаем трудозатраты и время, внедряя электродвигатели во всевозможное оборудование. Масса устройств с электроприводом сделала наши домашние дела проще и удобнее, а наши рабочие места стали более эффективными и рентабельными. Но какой ценой?

Энергопотребление и окружающая среда

В современном мире, где сокращаются запасы ископаемых видов топлива, где внимательно следят за экологией и окружающей средой, производителям любых изделий с моторами приходится нелегко. Пока не существует достойной альтернативы по получению электроэнергии из возобновляемых источников, проблема усугубляется стремительным увеличением спроса в связи с экономическим ростом в Африке, Азии и Южной Америке и быстрорастущей численностью мирового населения. Во всем мире правительства все более активно внедряют законодательные меры, направленные на сокращение потребления энергии. В ответ на это промышленные заказчики стараются инвестировать в более эффективное оборудование. Не желают отставать и дальновидные розничные потребители, которые ищут изделия с низким энергопотреблением.

Компактные двигатели

Помимо сокращения энергопотребления, инженеры также сталкиваются с необходимостью сокращения размеров моторов, приводов и их контроллеров. Так, например, для потребителя большой объем барабана в стиральной машинке является дополнительным критерием выбора, но тем не менее машинка по-прежнему должна соответствовать стандартным размерам. Сокращение пространства для электронных компонентов усложняет терморегулирование и охлаждение и порождает некоторые трудности для инженеров-разработчиков. Добавление механизмов охлаждения только увеличивает потребление энергии, поэтому двигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выделять меньше тепла.

Архитектура систем управления двигателями

Системы управления двигателем

На приведенной выше схеме показаны стандартные блоки системы управления двигателем в зависимости от типа двигателя, области его применения, уровня управления и мониторинга.

Контроллер – это устройство управления, микроконтроллер или ЦСП, который воспринимает такие команды, как направление, скорость и крутящий момент. Он необходим для генерации одного или нескольких сигналов для приведения в действие мотора. Управление обычно осуществляется посредством ШИМ. Контроллер также может быть снабжен обратной связью в виде измерения тока и положения, чтобы обеспечить более точное управление, защиту двигателя и обнаружение неисправности.

Привод — в большинстве случаев привод необходим для усиления сигналов, образуемых контроллером для обеспечения достаточной мощности двигателя.

Датчики — шунты и датчики с эффектом Холла могут использоваться для измерения фактического тока, тем самым обеспечивая обратную связь. Получение данных о положении двигателя осуществляется через индуктивный датчик, датчик Холла или энкодер. Затем эта обратная связь может использоваться для реализации более сложного управления «замкнутым контуром» и получения актуальной информации об условиях работы электродвигателя, что обеспечивает улучшенный контроль над выходными параметрами электродвигателя.

Фильтрация — используется в системах управления двигателями для подавления источников электромагнитных помех. Обычно такими элементами фильтрации выступают ферритовые сердечники и катушки индуктивности.

Изоляция — гальваническая развязка часто используется для изоляции контроллера двигателя от остальной системы, которая может быть чувствительна к импульсным помехам, а также иметь различный потенциал земли.

Двигатель с замкнутым и разомкнутым контуром

Разомкнутые системы управления характеризуются тем, что в них задается необходимое значение регулируемой величины, но в процессе работы значение регулируемой величины не контролируется, и система не реагирует на отклонение регулируемой величины от заданного значения. Другими словами, разомкнутая система управления не имеет обратной связи.

В замкнутых системах производится непрерывный контроль выходной величины, и система управления при помощи цепи обратной связи реагирует на отклонение выходного сигнала от заданной величины. Хорошим примером этого является позиционный двигатель на телескопе, который будет постоянно перестраиваться, чтобы отслеживать требуемые координаты.

Бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ)

Автор: Эльвир Кахриманович, старший системный инженер-разработчик компании Infineon.

От аккумуляторных электроинструментов до средств промышленной автоматизации, от электрических велосипедов до дистанционно управляемых «беспилотников», в настоящее время бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ) пользуются все большей популярностью. Для решений БДПТ требуется более сложное устройство привода, такие моторы обладают рядом эксплуатационных преимуществ, включая высокую эффективность и удельную мощность. Это позволяет использовать меньшие по размеру, более легкие и менее дорогие двигатели. Уменьшается механический износ, что приводит к повышению надежности, увеличению срока службы, а также исключает необходимость постоянного техобслуживания. Двигатели БДПТ работают с более низким звуковым и электрическим шумом, чем их щеточные аналоги.

Обычный БДПТ имеет трехфазный статор, который осуществляет вращение ротора через систему электронного управления. Такая система включает в себя трехфазный инвертор напряжения. Она постоянно переключает токи в обмотках статора синхронно с положением ротора, которое может быть установлено с помощью датчиков или посредством расчетов, основанных на обратной электродвижущей силе (ЭДС) в конкретный момент. Поток, генерируемый в статоре, взаимодействует с потоком ротора, который определяет крутящий момент и скорость двигателя.

При разработке средств БДПТ инженеры выбирают между использованием дискретных компонентов и интегрированных решений, которые объединяют ряд важных функций привода и управления в одном устройстве.

Более подробную информацию можно найти в материалах компании Infineon: «Потери мощности и оптимизированный выбор MOSFET в конструкциях инверторов двигателей БДПТ» на сайте DesignSpark.

Робот от Infineon Technologies побил рекорд по сборке кубика Рубирка

Компоненты для бесщеточных двигателей

Компоненты для систем управления двигателями

Постройте компактный, надежный и эффективный моторный привод с использованием встроенных силовых модулей от компании ON Semiconductor.

Типы двигателей и как подобрать нужный двигатель

Существует две основные категории двигателей: переменного тока (AC) и постоянного тока (DC).

Двигатели постоянного тока были изобретены первыми и по-прежнему являются самым простым видом двигателей. DC двигатели приводятся в движение путем пропуска тока через проводник внутри магнитного поля. Основными типами электродвигателей постоянного тока являются щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Энергия щеточных двигателей генерируется подключением противоположных полюсов источника питания для подачи отрицательных и положительных зарядов в коммутатор при его физическом контакте с щетками. Такие электродвигатели отличаются своей простотой и низкой стоимостью, но требуют частого техобслуживания, так как щетки нуждаются в регулярной чистке и замене. Для того, чтобы работа приборов была более надежной, эффективной и менее шумной, используют бесщеточные двигатели постоянного тока. Они легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности, практически не требуют техобслуживания, но значительно дороже.

Двигатели переменного тока можно разделить на два основных типа: асинхронные и синхронные. Выделяют ещё один, менее распространенный тип — линейные AC двигатели.

Можно сказать, что AC двигатели состоят из двух основных частей: внешняя часть (статор) и внутренняя (ротор). Статор – это стационарная часть двигателя с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. А ротор соединен с валом, который создает другое вращающееся магнитное поле. Линейные двигатели схожи с вращающимися двигателями, но в них движущиеся и неподвижные части расположены по прямой линии, и в итоге они создают линейное движение.

Индукционные (асинхронные) электродвигатели называются таковыми, поскольку крутящий момент создается с помощью электромагнитной индукции. Они известны также как двигатели с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Синхронные двигатели отличаются от асинхронных тем, что они работают с точной синхронизацией с частотой сети. Напротив, асинхронные двигатели используют индуктивный ток для создания магнитного поля и требуют некоторого «скольжения» (немного более медленного вращения), чтобы вызвать ток.

На что следует обратить внимание при выборе электродвигателя?

Тип электродвигателя:	Двигатель постоянного тока (DC) или переменного тока (AC).
Скорость:	На какой скорости должен работать ваш двигатель? От этого напрямую зависит регулирование числа оборотов. Вам требуется выбор из нескольких режимов времени набора оборотов двигателя?
Крутящий момент:	Это показатель, характеризующий силу вращения, обычно измеряется в Н·м (Ньютон-метр).
Встроенный редуктор:	Встроенные редукторы снижают скорость и увеличивают крутящий момент.
Требования по нагрузке:	Какая нагрузка вам требуется – предельная нагрузка, нормальная нагрузка или легкий режим нагрузки?
Номинальная мощность:	Как правила, указывается в Ваттах (Вт) или лошадиных силах (л. с.). Проверьте характеристики при нормальной работе и перегрузках.
Питание:	Проверьте требования к электропитанию – к напряжению, току.
Конфигурация:	Размер и габариты двигателя будут определяться приложением, для которого он предназначен. Размер вала, тип монтажа и вес также должны быть учтены.

Ведущие бренды

Статьи на сайте DesignSpark

Электропривод постоянного тока с обратной связью по эдс

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электроприводам с обратной связью по ЭДС. Технический результат изобретения, заключающийся в снижении потерь мощности и улучшении качества регулирования, достигается путем того, что в электроприводе постоянного тока, состоящем из тиристорного выпрямителя, системы управления, сглаживающего реактора, выполненного на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигателя постоянного тока и потенциометра, в сглаживающий реактор введены измерительная и слаботочная компенсационная обмотки с равным числом витков, начала которых соединены и подключены ко второму выводу силовой обмотки сглаживающего реактора, конец измерительной обмотки соединен со вторым выводом якоря электродвигателя, а крайние выводы потенциометра подключены к первому выводу якоря электродвигателя и концу компенсационной обмотки, соединенному с третьим входом системы управления. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в установках для измерения тока и ЭДС электродвигателя, в частности в вентильных электроприводах с обратной связью по ЭДС двигателя.

Известен электропривод постоянного тока с обратной связью по ЭДС [1, рис. 6.8] , содержащий электродвигатель постоянного тока, датчик тока, включенный в якорную цепь электродвигателя, датчик напряжения на якоре электродвигателя, к выходу которого подключен сглаживающий фильтр, и датчик ЭДС, на входе которого вычитаются сигналы, пропорциональные напряжению и току двигателя. Выходной сигнал датчика ЭДС пропорционален ЭДС электродвигателя как в режиме прерывистого, так и непрерывного тока. В данном электроприводе выделение сигнала обратной связи по ЭДС выполняется методом IR — компенсации в соответствии с уравнением где Uдв, Rдв, Lдв — напряжение, сопротивление, индуктивность двигателя; Е — противоЭДС двигателя; i, — ток двигателя и его производная. При этом влияние последнего члена уравнения при работе электропривода в режиме непрерывного тока учитывается цепочкой R4C2 (стр.191 [1]), а при работе электропривода в режиме прерывистого тока во время бестоковой паузы два последних члена уравнения равны нулю и выходной сигнал датчика напряжения будет пропорционален противоЭДС двигателя. Недостатками данного электропривода являются наличие специального устройства для измерения тока, содержащего резистор, включенный последовательно с двигателем, датчика тока (ДТ), датчика напряжения (ДН), которые усложняют устройство, увеличивают потери мощности и снижают КПД электропривода. Наиболее близким к заявляемому электроприводу по технической сущности является электропривод серии ЭТО2, взятый в качестве прототипа (см. рис.34 [2] и фиг. 1), содержащий тиристорный выпрямитель 1, систему управления 2, сглаживающий реактор 3, выполненный на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигатель 6, тахометрический мост, состоящий из потенциометра 7, резистора 9 и якоря электродвигателя 6, датчик тока 8, включающий в себя трансформатор тока, выпрямитель и емкостной фильтр. Сглаживающий реактор выполняет сглаживание пульсаций тока, протекающего через электродвигатель. При этом индуктивность сглаживающего реактора и его габариты минимальны благодаря асимметричной схеме тиристорного преобразователя, содержащего два тиристора и два диода. Это обусловлено тем, что энергия, накопленная в индуктивностях реактора и якоря двигателя на интервалах проводимости тиристоров выпрямителя 1, при выключении тиристоров расходуется на поддержание тока двигателя, который протекает через «диоды», что улучшает форму тока и использование двигателя по моменту. Датчик тока 8 выделяет сигнал обратной связи по току U_i, поступающий на вход системы управления 2. Так как датчик тока выполнен на основе трансформатора переменного тока, включенного на входе тиристорного выпрямителя, то при запирании тиристоров и протекании тока через двигатель и диоды на выходе трансформатора тока исчезает информация о токе, протекающем через двигатель. Для сохранения информации о токе в течение некоторого времени на выходе выпрямителя включен конденсатор, который вносит инерционность и приводит в переходных режимах к негативным «броскам» тока через двигатель. Выделение сигнала обратной связи по ЭДС U_E, поступающего на второй вход системы управления, выполняется тахометрическим мостом. Настройка тахомоста сводится к выбору положения движка потенциометра 7, при котором произведения сопротивлений противоположных плечей моста равны, т.е. RдвR_7.1=RдвR_7.2, где Rдв — активное сопротивление якоря электродвигателя; R_7.1, R_7.2 — соответственно левая и правая части сопротивления потенциометра 7 относительно движка. В отличие от аналога здесь выделение ЭДС происходит проще: электромагнитным путем в контуре тахометрического моста, что не требует датчиков тока, напряжения и сумматора сигналов на отдельном усилителе. Недостатками электропривода, принятого за прототип, являются: 1. Сложность, увеличенные габариты и стоимость электропривода, связанные с использованием сложного датчика тока, содержащего трансформатор переменного тока, выпрямитель и емкостной фильтр. При этом датчик тока полностью не контролирует ток через двигатель, как отмечалось выше, поэтому на выходе датчика тока устанавливают сглаживающий фильтр, что приводит к значительному запаздыванию в контуре тока, а в ряде случаев — к нарушению работы системы токоограничения и электропривода в целом. 2. Повышенные потери мощности и низкий КПД, обусловленные включением в якорную цепь двигателя резистора, выполняющего роль одного плеча тахометрического моста. На практике падение напряжения на указанном резисторе составляет несколько вольт, а потери мощности несколько десятков ватт. Технический результат изобретения — упрощение, снижение потерь мощности, улучшение качества регулирования. Указанный технический результат достигается тем, что в электропривод, состоящий из тиристорного выпрямителя, системы управления, сглаживающего реактора, выполненного на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигателя постоянного тока и потенциометра, в котором выходы тиристорного выпрямителя подключены к первым выводам силовой обмотки сглаживающего реактора и якоря электродвигателя, а второй вывод якоря электродвигателя и средний вывод потенциометра соединены соответственно с первым и вторым входами системы управления, дополнительно введены в сглаживающий реактор измерительная и слаботочная компенсационная обмотки с равным числом витков, начала которых соединены и подключены ко второму выводу силовой обмотки сглаживающего реактора, конец измерительной обмотки соединен со вторым выводом якоря электродвигателя, а крайние выводы потенциометра подключены к первому выводу якоря электродвигателя и концу компенсационной обмотки, соединенному с третьим входом системы управления. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что за счет введения измерительной и компенсационной обмоток, их соединения удалось расширить функциональные возможности сглаживающего реактора: во-первых, наделив его функцией измерения тока электродвигателя. Это позволило исключить сложный датчик тока, а также улучшить динамические характеристики электропривода за счет исключения запаздывания в контуре тока, например, вносимого широко распространенным сглаживающим фильтром; во-вторых, за счет оригинального включения измерительной и компенсационной обмоток сглаживающего реактора, которые с потенциометром и якорем двигателя образуют тахометрический мост, получаем датчик ЭДС двигателя без потерь мощности на дополнительном резисторе в цепи якоря, как в прототипе. На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема электропривода, где приняты следующие обозначения: 1 — тиристорный выпрямитель; 2 — система управления;
3, 4, 5 — соответственно силовая, измерительная и компенсационная обмотки сглаживающего реактора;
6 — якорь электродвигателя;
7 — потенциометр;
U_E, U_i, — сигналы обратных связей по ЭДС и по току, измеренные относительно первого входа системы управления;
Iдв — ток двигателя. Электропривод состоит из тиристорного выпрямителя 1, управляющий вход которого соединен с выходом системы управления 2, сглаживающего реактора с силовой обмоткой 3, измерительной обмоткой 4 и компенсационной обмоткой 5, начала измерительной и компенсационной обмоток соединены между собой и подключены к одному из выводов силовой обмотки, второй вывод которой подключен к первому выходу тиристорного выпрямителя 1, конец измерительной обмотки 4 соединен с первым входом системы управления 2 и первым выводом якоря электродвигателя 6, второй вывод которого подключен ко второму выходу тиристорного выпрямителя 1 и первому выводу потенциометра 7, второй вывод потенциометра 7 соединен с концом компенсационной обмотки 5 и третьим входом системы управления 2, а средний вывод потенциометра 7 подключен ко второму входу системы управления 2. Электропривод работает следующим образом. Системой управления 2 задаются моменты отпирания тиристоров выпрямителя 1. На выходе выпрямителя 1 через силовую 3 и измерительную 4 обмотки сглаживающего реактора, а также через якорь электродвигателя 6 начинает протекать ток. Ток нагрузки, проходя по обмотке 4, наводит в ней ЭДС самоиндукции, определяемую соотношением

Q — сечение магнитопровода реактора;
Wu — число витков измерительной обмотки 4;
— производная магнитной индукции;
Lu — индуктивность обмотки 4;
iu — ток в обмотке 4. В результате напряжение на обмотке 4 составит Uu=lu+iuRu, где Ru — активное сопротивление обмотки 4. На обмотке 5, которая имеет одинаковое число витков с обмоткой 4, образуется ЭДС взаимоиндукции lk=lu. Учитывая равенство ЭДС в обмотках 4, 5 получим на третьем входе системы управления 2 сигнал обратной связи по току:
Ui=lu+iuRu-lk=iuRu=K₁Iдв
Величина тока, протекающего через обмотку 5, определяется входным сопротивлением системы управления 2 и сопротивлением потенциометра 7, которые составляют несколько десятков кОм, поэтому падением напряжения на обмотке 5 можно пренебречь. Таким образом, сигнал обратной связи по току всегда пропорционален току двигателя, т.к. Iдв=iu, содержащем в общем случае постоянную и переменную составляющие. Следует отметить, что число витков обмотки 4 может быть выбрано значительно меньшим по сравнению с числом витков обмотки 3 и потери мощности на активном сопротивлении обмотки 4 практически не будут влиять на тепловой режим сглаживающего реактора. С помощью тахометрического моста, образованного соединением якоря электродвигателя 6, измерительной 4, компенсационной 5 обмоток сглаживающего реактора и потенциометром 7, выделяется сигнал обратной связи по ЭДС, который поступает на второй вход системы управления 2. Практически настройка тахометрического моста выполняется путем стопорения вала электродвигателя 6 (устанавливают скорость электродвигателя, равную нулю) и установкой среднего вывода потенциометра 7 в положение, при котором сигнал U_E равен нулю. Этому положению движка потенциометра 7 соответствует условие баланса моста на постоянном токе
RuR_7.2=RдвR_7.1
где Ru — активное сопротивление измерительной обмотки;
Rдв — активное сопротивление якоря электродвигателя;
R_7.1, R_7.2 — левая и правая части сопротивления потенциометра 7. При вращении вала электродвигателя 6 выходной сигнал тахометрического моста U_E пропорционален скорости n электродвигателя, так как возбуждение электродвигателя постоянное

Экспериментальные исследования предлагаемого электропривода показали, что величина сигналов обратной связи по току и обратной связи по ЭДС прямопропорциональны значению выпрямленного тока и противоЭДС электродвигателя, а формы сигналов U_i и U_E практически соответствуют формам измеряемых величин. Заявляемый электропривод реализован в разрабатываемых нами электроприводах постоянного тока серии ЭПУ-4, выпуск которых планируется со 2-го кв. 2001 года. Источники информации
1. В. М. Перельмутер, В.А. Сидоренко «Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока», Москва, Энергоатомиздат, 1988 г., 304 с. 2. «Регулируемый электропривод», Москва, Информэлектро, Сводный каталог, Выпуск 1, 1974 г., 142 с.

Формула изобретения

Электропривод, состоящий из тиристорного выпрямителя, системы управления, сглаживающего реактора, выполненного на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигателя постоянного тока и потенциометра, в котором выходы тиристорного выпрямителя подключены к первым выводам силовой обмотки сглаживающего реактора и якоря электродвигателя, а второй вывод якоря электродвигателя и средний вывод потенциометра соединены соответственно с первым и вторым входами системы управления, отличающийся тем, что в сглаживающий реактор введены измерительная и слаботочная компенсационная обмотки с равным числом витков, начала которых соединены и подключены ко второму выводу силовой обмотки сглаживающего реактора, конец измерительной обмотки соединен со вторым выводом якоря электродвигателя, а крайние выводы потенциометра подключены к первому выводу якоря электродвигателя и концу компенсационной обмотки, соединенному с третьим входом системы управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2Основы работы с двигателями постоянного тока

— Часть 3: Устройства управления приводами постоянного тока

// php echo do_shortcode (‘[responseivevoice_button voice = «Американский английский мужчина» buttontext = «Listen to Post»]’)?>

[Часть 1 начинается с обзора работы приводов постоянного тока с тиристорным питанием. В части 2 рассматривается выходное сопротивление преобразователя, четырехквадрантный режим работы, реверсивные приводы с одним и двумя преобразователями, а также коэффициент мощности и влияние источника питания.]

МЕХАНИЗМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ D.C. ПРИВОДЫ
Наиболее распространенной схемой, которая используется с небольшими отклонениями от небольших приводов, скажем, 0,5 кВт до крупнейших промышленных приводов на несколько мегаватт, является так называемое двухконтурное управление. У него есть внутренний контур обратной связи для управления током (и, следовательно, крутящий момент) и внешний контур для управления скоростью.

Когда требуется управление положением, добавляется еще один внешний контур положения. Двухконтурная схема тиристора постоянного тока. Вначале обсуждается привод, но основные функции такие же, как и у привода с прерывистым питанием.Позже будут обсуждаться более простые устройства, используемые в недорогих небольших приводах.

Обсуждение основано на аналоговом управлении и, насколько это возможно, ограничивается теми аспектами, о которых пользователь должен знать и понимать. На практике после ввода привода в эксплуатацию остается только несколько регулировок потенциометра (или предварительных настроек в случае цифрового управления), к которым пользователь имеет доступ. Хотя большинство из них говорят сами за себя (например, максимальная скорость, минимальная скорость, скорости разгона и торможения), некоторые из них менее очевидны (например, максимальная скорость, минимальная скорость).грамм. «Стабильность тока», «Стабильность скорости», « IR comp.»), чтобы они были объяснены.

Чтобы оценить общую работу двухконтурной схемы, мы можем подумать, что бы мы делали, если бы мы управляли двигателем вручную. Например, если бы мы обнаружили, наблюдая за тахогенератором, что скорость была ниже целевой, мы бы хотели обеспечить больший ток (и, следовательно, крутящий момент), чтобы вызвать ускорение, поэтому мы бы повысили напряжение якоря. Однако мы должны сделать это осторожно, помня об опасности создания чрезмерного тока из-за хрупкого баланса, который существует между спинами e.m.f., E и приложенное напряжение, В .

Мы, несомненно, хотели бы постоянно следить за амперметром, чтобы не допустить взрыва тиристорной батареи, и по мере приближения скорости к заданной мы урезали бы ток (за счет снижения приложенного напряжения), чтобы избежать перерегулирования. установленная скорость. Подобные действия автоматически выполняются системой привода, которую мы сейчас исследуем.

Стандартный ток постоянного тока Система привода с регулированием скорости и тока показана на рисунке 4.11. Основная цель системы управления — обеспечить управление скоростью, поэтому «входом» в систему является опорный сигнал скорости слева, а выходом — скорость двигателя (измеренная тахогенератором TG) на право.

Рисунок 4.11 Принципиальная схема аналогового регулируемого привода с контурами управления с обратной связью по току и скорости.

Как и в любой системе с обратной связью, общие характеристики сильно зависят от качества сигнала обратной связи, в данном случае от пропорционального скорости напряжения, обеспечиваемого тахогенератором.Поэтому важно обеспечить высокое качество тахометра (чтобы его выходное напряжение не изменялось в зависимости от температуры окружающей среды и не было пульсаций), и в результате стоимость тахометра часто составляет значительную долю от общей стоимости. .

Сначала мы сделаем обзор того, как работает схема, а затем рассмотрим функцию двух контуров более подробно.

Чтобы получить представление о работе системы, мы рассмотрим, что произойдет, если при включенном двигателе с установленной скоростью сигнал задания скорости внезапно увеличится.Поскольку заданная (эталонная) скорость теперь больше фактической скорости, появится сигнал ошибки скорости (см. Также рисунок 4.12), представленный выходным сигналом левого суммирующего узла на рисунке 4.11.

Ошибка скорости указывает на то, что требуется ускорение, что, в свою очередь, означает крутящий момент, т. Е. Больший ток. Ошибка скорости усиливается контроллером скорости (который более точно описывается как усилитель ошибки скорости), и выходной сигнал служит опорным или входным сигналом для внутренней системы управления.

Внутренний контур обратной связи представляет собой контур управления током, поэтому при увеличении задания тока увеличивается и ток якоря двигателя, тем самым обеспечивая дополнительный крутящий момент и инициируя ускорение. По мере увеличения скорости ошибка скорости уменьшается, и, следовательно, ток и крутящий момент уменьшаются для обеспечения плавного приближения к целевой скорости.

Теперь мы более подробно рассмотрим внутренний (токовый) контур, поскольку его правильная работа жизненно важна для обеспечения защиты тиристоров от чрезмерных токов.

Управление током
Контроллер тока с обратной связью, или токовый контур, находится в центре системы привода и обозначен заштрихованной областью на рисунке 4.11. Назначение токовой петли — заставить фактический ток двигателя следовать за сигналом опорного тока ( I _ref ), показанным на рисунке 4.11.

Он делает это путем сравнения сигнала обратной связи фактического тока двигателя с текущим опорным сигналом, усиления разницы (или ошибки тока) и использования результирующего усиленного сигнала ошибки тока (аналогового напряжения) для управления углом зажигания α ”и, следовательно, выходное напряжение »преобразователя.Сигнал обратной связи по току получается либо от источника постоянного тока. трансформатор тока (который дает изолированный аналоговый выход напряжения) или трансформатор / выпрямители переменного тока в линиях электропитания.

Работа по сравнению опорного (требуемого) и фактического сигналов тока и усиления сигнала ошибки выполняется усилителем ошибки тока. Если дать усилителю ошибки тока высокое усиление, фактический ток двигателя всегда будет точно соответствовать текущему опорному сигналу, т.е.е. текущая погрешность будет небольшой, независимо от скорости двигателя. Другими словами, мы можем ожидать, что фактический ток двигателя будет всегда соответствовать сигналу «задания тока», при этом напряжение якоря автоматически регулируется контроллером таким образом, чтобы независимо от скорости двигателя ток имел правильное значение.

Конечно, ни одна система управления не может быть идеальной, но обычно усилитель ошибки тока должен быть пропорционально-интегрального (PI) типа (см. Ниже), и в этом случае фактический и требуемый токи будут точно равны в установившемся режиме. государственные условия.

Важность предотвращения протекания чрезмерных токов преобразователя подчеркивалась ранее, и контур управления током предоставляет средства для этого. Пока контур регулирования тока функционирует должным образом, ток двигателя никогда не может превышать заданное значение.

Следовательно, ограничивая величину опорного сигнала тока (с помощью схемы ограничения), ток двигателя никогда не может превышать заданное значение. Это показано на рисунке 4.12, который представляет собой небольшую часть рисунка 4.11. Характеристики регулятора скорости показаны на затемненной панели, из которой видно, что при небольших ошибках в скорости текущее задание увеличивается пропорционально скорости, тем самым обеспечивая поведение «линейной системы» с плавным приближением к скорости. целевая скорость.

Рисунок 4.12. Деталь, показывающая характеристики усилителя ошибки скорости.

Однако, как только ошибка скорости превышает предел, выходной сигнал усилителя ошибки скорости насыщается, и, таким образом, дальнейшего увеличения текущего задания не происходит.За счет того, что этот максимальный эталонный ток соответствует полному (номинальному) току системы, исключается возможность того, что ток в двигателе и преобразователе превысит его номинальное значение, независимо от того, насколько велика ошибка скорости. Этот момент более подробно рассматривается в Разделе 4.3.3.

Это «электронное ограничение тока», безусловно, является наиболее важной защитной функцией любого привода. Это означает, что если, например, двигатель внезапно заглохнет из-за заедания нагрузки (так что задняя часть e.м.ф. резко падает), напряжение якоря автоматически снизится до очень низкого значения, тем самым ограничивая ток до максимально допустимого уровня.

Первое, к чему мы должны стремиться при настройке привода, — это хорошая токовая петля. В этом контексте «хороший» означает, что установившийся ток двигателя должен точно соответствовать опорному току, а переходная реакция на скачкообразные изменения опорного тока должна быть быстрой и хорошо затухающей. Первому из этих требований удовлетворяет интегральный член в усилителе ошибки тока, в то время как второе достигается разумным выбором пропорционального усиления усилителя и постоянной времени
.Что касается пользователя, предусмотрена регулировка «стабильности тока», позволяющая ему оптимизировать переходную характеристику токового контура.

Говоря о жаргоне, возможно, следует упомянуть, что усилитель ошибки тока чаще всего называют либо «регулятором тока» (как на рис. 4.11), либо «усилителем тока». Первый из этих терминов вполне разумен, но второй может вводить в заблуждение: в конце концов, не может быть и речи об усилении самого тока двигателя.

Управление крутящим моментом
Для приложений, требующих, чтобы двигатель работал с заданным крутящим моментом независимо от скорости (например, при натяжении линии), мы можем отказаться от внешнего (скоростного) контура и просто подать опорный сигнал тока непосредственно на регулятор тока (обычно через клемму «крутящего момента» на плате управления). Это связано с тем, что крутящий момент прямо пропорционален току, поэтому контроллер тока фактически является также контроллером крутящего момента. Возможно, нам придется сделать поправку на ускорение крутящего момента с помощью переходного сигнала «компенсации инерции», но это обычно обеспечивается с помощью регулировки потенциометра или цифровой предварительной настройки.

В режиме управления током ток остается постоянным на заданном значении, а установившаяся скорость работы определяется нагрузкой. Если сигнал задания крутящего момента был установлен, например, на 50%, а двигатель изначально находился в состоянии покоя, он будет ускоряться с постоянным током, равным половине номинального значения, до тех пор, пока крутящий момент нагрузки не станет равным крутящему моменту двигателя.

Конечно, если бы двигатель работал без нагрузки, он бы быстро ускорялся, прикладываемое напряжение нарастало, так что оно всегда оставалось выше, чем на заднем.м.ф. на величину, необходимую для пропуска указанного тока в якорь. В конце концов двигатель достигнет скорости (немного выше нормальной « полной » скорости), при которой выходное напряжение преобразователя достигнет своего верхнего предела, и, следовательно, больше невозможно поддерживать установленный ток: после этого скорость двигателя будет оставаться постоянной. .

Управление скоростью
Внешний контур на рисунке 4.11 обеспечивает управление скоростью. Обратная связь по скорости обеспечивается за счет постоянного тока. с тахогенератора, а также фактические и требуемые скорости поступают в усилитель ошибки скорости (часто известный просто как усилитель скорости или регулятор скорости).

Любая разница между фактической и желаемой скоростью усиливается, и выходной сигнал служит входом в токовый контур. Следовательно, если, например, фактическая скорость двигателя меньше желаемой скорости, усилителю скорости потребуется ток, пропорциональный ошибке скорости, и, следовательно, двигатель будет ускоряться в попытке минимизировать ошибку скорости.

Когда нагрузка увеличивается, происходит немедленное замедление и увеличивается сигнал ошибки скорости, тем самым вызывая внутренний контур для увеличения тока.Повышенный крутящий момент приводит к ускорению и постепенному уменьшению погрешности скорости до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие в точке, где опорный ток ( I _ref ) создает ток двигателя, который дает крутящий момент, равный и противоположный крутящему моменту нагрузки.

Глядя на рисунок 4.12, где регулятор скорости показан как простой пропорциональный усилитель (P-регулирование), легко понять, что для того, чтобы иметь установившееся значение I _ref , должно быть конечная ошибка скорости, т.е.е. P-контроллер не позволил бы нам достичь точно заданной скорости. (Мы могли бы приблизиться к идеалу, увеличив коэффициент усиления усилителя, но это может привести к нестабильности.)

Чтобы исключить установившуюся ошибку скорости, мы можем легко настроить регулятор скорости, чтобы он имел интегральный (I) член, а также пропорциональный (P) член (см. Приложение). ПИ-регулятор может иметь конечный выходной сигнал, даже если входной сигнал равен нулю, что означает, что мы можем достичь нулевой установившейся ошибки, если мы используем ПИ-регулирование.

Скорость будет поддерживаться на уровне, установленном сигналом задания скорости для всех нагрузок до точки, где требуется полный ток якоря. Если крутящий момент нагрузки еще больше возрастет, скорость упадет, потому что токовая петля не позволит больше течь току якоря. И наоборот, если нагрузка попыталась форсировать скорость выше установленного значения, ток двигателя будет автоматически реверсирован, так что двигатель действует как тормоз и регенерирует энергию в сеть.

Чтобы еще больше подчеркнуть жизненно важную защитную роль внутреннего контура, мы можем увидеть, что происходит, когда, когда двигатель находится в состоянии покоя (и разгружен для простоты), мы внезапно увеличиваем задание скорости с нуля до полного значения, т.е.е. мы применяем шаговое требование для полной скорости. Ошибка скорости будет 100%, поэтому выходной сигнал ( I _ref ) усилителя ошибки скорости
немедленно достигнет своего максимального значения, которое было намеренно ограничено, чтобы соответствовать требованию максимального ( номинальный) ток в двигателе. Таким образом, ток двигателя будет на номинальном значении, и двигатель будет ускоряться с полным крутящим моментом. Скорость и противоэдс ( E ) будут расти с постоянной скоростью, приложенное напряжение ( В, ) будет постоянно увеличиваться, так что разницы ( В, ” E ) будет достаточно для управления номинальным током ( I ). ) через сопротивление якоря.

Очень похожая последовательность событий обсуждалась в главе 3 и проиллюстрирована второй половиной рисунка 3.17. (В некоторых приводах эталонный ток может достигать 150% или даже 200% номинального значения в течение нескольких секунд, чтобы обеспечить кратковременное повышение крутящего момента. Это особенно ценно при пусковых нагрузках с высоким статическим трением и известно как двухступенчатое ограничение тока.)

Выход усилителя скорости будет оставаться насыщенным до тех пор, пока фактическая скорость не станет достаточно близкой к целевой скорости, и, следовательно, все это время ток двигателя будет поддерживаться на полном значении.Только когда скорость будет в пределах нескольких процентов от целевой, усилитель ошибки скорости выйдет из состояния насыщения. После этого, когда скорость продолжает расти, а ошибка скорости падает, выходной сигнал усилителя ошибки скорости падает ниже установленного уровня. Затем управление скоростью переходит в линейный режим, в котором корректирующий ток (и, следовательно, крутящий момент) пропорционален ошибке скорости, что обеспечивает плавный переход к конечной скорости.

«Хороший» регулятор скорости приведет к нулевой установившейся ошибке и будет иметь хорошо затухающую реакцию на скачкообразные изменения требуемой скорости.Интегральный член в ПИ-регулировании учитывает требование нулевой установившейся ошибки, в то время как переходная характеристика зависит от настройки пропорционального усиления и постоянной времени. Потенциометр «стабильности скорости» позволяет пользователю оптимизировать переходную характеристику скорости.

Следует отметить, что обычно намного проще получить хорошую переходную характеристику с рекуперативным приводом, который имеет способность подавать отрицательный ток (то есть тормозной момент), если двигатель превышает желаемую скорость.Безрегенеративный привод не может подавать отрицательный ток (если он не оснащен реверсивными контакторами), поэтому, если скорость превышает заданную, лучшее, что можно сделать, — это уменьшить ток якоря до нуля и дождаться естественного замедления двигателя. Это неудовлетворительно, и поэтому необходимо приложить все усилия, чтобы избежать настроек контроллера, которые приводят к превышению целевой скорости.

Как и в любой схеме с обратной связью, проблемы возникают, если сигнал обратной связи теряется во время работы системы.Если обратная связь тахометра отключится, усилитель скорости немедленно перейдет в режим насыщения, что приведет к приложению полного крутящего момента. Затем скорость будет увеличиваться до тех пор, пока выходное напряжение преобразователя не достигнет максимального выходного напряжения. Для защиты от этого многие приводы включают схему обнаружения потери тахогенератора, а в некоторых случаях обратная связь по напряжению якоря (см. Следующий раздел) автоматически срабатывает в случае отказа тахогенератора.

Приводы, в которых используется ослабление поля для расширения диапазона скоростей, включают автоматическое регулирование как напряжения якоря, так и тока возбуждения при работе со скоростью выше базовой.Обычно ток возбуждения поддерживается на полном значении до тех пор, пока напряжение якоря не достигнет примерно 95% номинального значения. Когда требуется более высокая скорость, приложенное дополнительное напряжение якоря сопровождается одновременным уменьшением тока возбуждения таким образом, что, когда напряжение якоря достигает 100%, ток возбуждения имеет минимальное безопасное значение. Этот процесс известен как «ослабление вторичного поля».

Общая рабочая область
Стандартный привод с ослаблением поля обеспечивает управление напряжением якоря от скорости до базовой скорости, а затем управление скоростью с ослаблением поля.Любой крутящий момент до номинального значения может быть получен на любой скорости ниже базовой, и, как объяснялось в главе 3, эта область известна как область «постоянного крутящего момента».

Выше базовой скорости максимальный доступный крутящий момент уменьшается обратно пропорционально скорости, поэтому это известно как область «постоянной мощности». Поэтому для привода с питанием от преобразователя рабочая область в квадранте 1 плоскости скорости «крутящий момент» показана на рисунке 3.10. (Если привод оборудован для работы в режиме рекуперации и реверса, рабочая зона, конечно же, отражается в трех других квадрантах.)

Обратная связь по напряжению якоря и ИК-компенсация
В приводах малой мощности, где точное удержание скорости не является существенным, а стоимость должна быть минимальной, тахогенератор не требуется, а напряжение якоря используется в качестве «обратной связи по скорости». ‘ вместо. Производительность явно не так хороша, как с обратной связью тахометра, поскольку, хотя установившаяся скорость холостого хода пропорциональна напряжению якоря, скорость падает с увеличением нагрузки (и, следовательно, тока якоря).

В главе 3 мы видели, что падение скорости с нагрузкой было связано с падением напряжения на сопротивлении якоря ( IR ), и поэтому падение скорости можно компенсировать повышением приложенного напряжения пропорционально току. Регулировка, обозначенная как « IR comp» или просто « IR », предусмотрена на схеме привода, чтобы пользователь мог отрегулировать ее в соответствии с конкретным двигателем. Компенсация обычно далека от совершенства, поскольку она не может справиться ни с температурными колебаниями сопротивления, ни с эффектами реакции якоря; но это лучше, чем ничего.

Приводы без контроля тока
Более дешевые приводы часто обходятся без полного цикла регулирования тока и включают грубый, но эффективный «предел тока», который срабатывает только тогда, когда в противном случае был бы превышен максимальный установленный ток. Эти приводы обычно имеют встроенную схему линейного нарастания, которая ограничивает скорость нарастания сигнала установленной скорости, так что в нормальных условиях ограничение тока не активируется.

Далее в Части 4: Кормление измельчителем d.c. моторные приводы.

Напечатано с разрешения Newnes, подразделения Elsevier. Авторское право 2005 г. «Электродвигатели и приводы» Остина Хьюза. Дополнительную информацию об этом названии и других подобных книгах можно найти на сайте www.elsevierdirect.com.

Ссылки по теме:
Основы работы с двигателями постоянного тока — Часть 1 | Часть 2
Основные сведения об электрическом серводвигателе и приводе — Часть 1: Основные принципы управления магнитным полем и двигателем | Часть 2. Щеточные двигатели с постоянным магнитом | Часть 3: Бесщеточные двигатели с постоянным магнитом
Учебное пособие: Архитектура управления движением адаптируется к технологическим изменениям
Внедрение встроенного управления скоростью для бесщеточных двигателей постоянного тока: Часть 1 | Часть 2 | Часть 3 Примеры схем робототехники и управления процессами с открытым исходным кодом
— Часть 3: Двигатель постоянного тока с регулируемой скоростью

Методы управления приводом: постоянный ток (двигатели и приводы)

Как указывалось ранее, обычно используются методы регулирования скорости с открытым и закрытым контуром.Если регулирование скорости не имеет значения, тогда двигатель постоянного тока может работать в режиме управления без обратной связи. Однако для большинства приложений требуется какой-либо тип регулирования для наиболее эффективного использования механики системы. Следовательно, способ отправки приводу сигнала фактической скорости имеет важное значение для регулирования скорости. В приводах постоянного тока в основном используются две формы управления с обратной связью — обратная связь по тахометру и обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС). Хотя обратная связь по напряжению якоря не использует внешнее устройство, она называется обратной связью и может рассматриваться как форма управления с обратной связью.

Обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС, регулирование скорости)

На рисунке 5-13 показана схема управления с обратной связью по напряжению якоря.

Рисунок 5-13. Обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС)
Как показано на Рис. 5-13, приводу требуется сигнал задания скорости и сигнал обратной связи противоположной полярности. Обратная связь используется для балансировки управления при достижении желаемой выходной скорости. Все системы управления приводом обведены пунктирными линиями.
Задание скорости отправляется в суммирующую цепь. Измеряя напряжение якоря на выходе привода, привод может определять CEMF (противодействующую электродвижущую силу) двигателя. Этот сигнал CEMF (отрицательная полярность) отправляется
в качестве обратной связи в суммирующую схему. Когда ошибка равна нулю, привод стабилизируется на желаемой скорости.
Другая суммирующая цепь находится после усилителя скорости и перед усилителем тока. Эта суммирующая схема будет использовать шунт или другое устройство для измерения тока якоря.Отрицательная обратная связь по току отправляется в суммирующую схему, а результирующий сигнал используется для ограничения величины выходного тока. Если текущий уровень находится в допустимых пределах, тогда сигнал скорости будет под контролем. Но если ток превысит пределы, регулятор скорости снизится до тех пор, пока ток не снизится до безопасного уровня.
При обратной связи по напряжению якоря скорость двигателя имеет тенденцию к падению между состояниями полной и нулевой нагрузки. Чтобы помочь компенсировать это «падение» скорости, в привод включена обратная связь, называемая IR-компенсацией (аббревиатура от «компенсации сопротивления тока» из-за падения напряжения на якоре из-за нагрузки -E = IXR, закон Ома).Эта схема определяет ток якоря и подает небольшой дополнительный сигнал обратно на усилитель скорости.
В суммирующей цепи существует три сигнала: положительное задание скорости, отрицательная обратная связь по напряжению якоря (ЭДС) и положительная ИК-компенсация. ИК-сигнал компенсации добавляется к опорному сигналу скорости, чтобы компенсировать падение скорости, вызванное нагрузкой.
Если три сигнала суммируются в одной точке, существует возможность нестабильности. Чтобы правильно настроить ИК-компенсацию, регулировку скорости и обратной связи по напряжению якоря следует производить при выключенной ИК-компенсации.Наблюдая за двигателем во время ступенчатых изменений скорости, ИК-компенсация постепенно увеличивается до появления колебаний. Затем ИК-компенсация уменьшается до тех пор, пока колебания (нестабильность) не прекратятся. С этим типом управления с обратной связью возможно регулирование скорости на 2-3%.

Обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС, регулирование крутящего момента)

Взаимосвязь между регулированием крутящего момента и регулированием скорости в стандартной конфигурации привода постоянного тока иллюстрирует важность отклика крутящего момента.Поскольку ток якоря в двигателе постоянного тока напрямую определяет крутящий момент, контроллер постоянного тока сконфигурирован как регулятор тока с обратной связью, использующий обратную связь по напряжению якоря (ЭДС). Затем регулятор скорости подает команду регулятору тока на создание крутящего момента, необходимого для поддержания желаемой скорости.
Приводы с регулировкой крутящего момента часто используются в приложениях с распределением нагрузки, где привод с регулировкой скорости управляет скоростью ведомой машины, а «вспомогательный» привод с регулируемым крутящим моментом обеспечивает управляемый уровень крутящего момента в каком-либо другом месте на машине.Если нагрузка не ограничивает скорость привода с регулируемым крутящим моментом, скорость привода может превысить безопасный рабочий предел. Поэтому приводы с регулировкой крутящего момента должны иметь механизм ограничения скорости, который предотвращает превышение скорости над безопасным пределом, если крутящий момент, создаваемый ведомой машиной, падает до нуля.
В приводе постоянного тока крутящий момент можно регулировать напрямую, регулируя ток якоря. В любом двигателе крутящий момент является результатом силы между двумя магнитными полями. В двигателе (постоянного тока) крутящий момент легко и напрямую регулируется путем регулирования токов, которые управляют потоком в двух магнитных полях.Поток в обмотке возбуждения — это намагничивающий поток двигателя, который поддерживается постоянным за счет обеспечения постоянного тока возбуждения. Магнитный поток двигателя, создающий крутящий момент, — это магнитный поток, создаваемый током якоря, которым управляют для регулирования крутящего момента. Крутящий момент, создаваемый на любой скорости, определяется следующим образом:

Обратная связь тахометра
Когда скорость двигателя постоянного тока является первостепенной задачей, ее можно измерить с помощью датчика и отрегулировать с помощью регулятора с обратной связью, как показано на Рис. 5-14.

Рисунок 5-14.Регулирование скорости с обратной связью по тахометру
Преобразователь на Рисунке 5-14 представляет собой тахометр-генератор. Как уже говорилось ранее, тахометр — это небольшой генератор, вырабатывающий выходное напряжение, которое очень точно определяется его рабочей скоростью. Существуют также импульсные тахометры, которые выдают последовательность импульсов напряжения со средней частотой, которая точно пропорциональна средней скорости.
Регулятор скорости с обратной связью компенсирует любые изменения характеристик привода, вызванные изменениями нагрузки или внешними воздействиями, такими как напряжение в сети и температура окружающей среды.Для регулятора скорости с обратной связью наиболее важной характеристикой привода является его способность быстро реагировать на изменения требований к крутящему моменту.
Уже представленные преобразователи будут участвовать в генерации фактического сигнала обратной связи по скорости. Точность системы будет зависеть от регулирования устройства обратной связи и чувствительности управления приводом.

Управление

— обратная связь по току от двигателя с ШИМ

Достаточно ли индуктивности двигателя для работы LPF?

Ваша модель двигателя неправильная.Также должен быть источник напряжения, который представляет наведенное напряжение, которое в простейших моделях считается постоянным током, пропорциональным оборотам в минуту. Это не чистый постоянный ток, это примерно синусоидальные вершины, разделенные пиками и колебаниями, вызванными индуктивностью и коммутацией.

Рассмотрите возможность использования этой модели как простого приближения:

Толстые вертикальные пики на кривой индуцированного напряжения Ui представляют шум и колебания, вызванные коммутацией и индуктивностью, на самом деле индуктивностью La, но без вреда, они суммируются с напряжением, индуцированным вращением.Ничто не гарантирует, что между всплесками шума будет надежная чистая зона. Если щетки изношены, шум может быть непрерывным. Среднее значение Ui примерно пропорционально скорости вращения (= об / мин).

Шум и систематические колебания, которые присутствуют в Ui, можно увидеть также в токе двигателя. Шум, вероятно, немного уменьшен, потому что в La возникают пики напряжения, которые тормозят изменения тока. Но наверняка видны достаточно длинные плохие контакты.

Чтобы получить полезную оценку тока двигателя, необходима достаточно эффективная фильтрация нижних частот.Насколько фильтрация — это надо тестировать. Я предполагаю, что ваша частота ШИМ настолько высока, что ее потребности в фильтрации устраняются без дополнительных усилий. Но это только предположение.

Примечание: Чтобы узнать скорость вращения, вам потребуется оценка бесшумного пользовательского интерфейса. Его можно рассчитать в программе или сформировать с помощью аналоговой схемы, которая получает входное напряжение и ток двигателя.

Начать с измерения параметров двигателя. Чтобы получить пропорциональность между RPM и Ui, вы должны вращать двигатель с известной скоростью.Также возможно измерять достигнутые скорости при различных входных напряжениях.

Момент трения заставляет двигатель потреблять некоторый ток без какой-либо внешней нагрузки (этот крутящий момент недоступен для внешних нагрузок). Трение сильно зависит от числа оборотов в минуту, поэтому, чтобы правильно смоделировать индукцию без сложных математических вычислений, поверните двигатель и используйте его в качестве генератора.

Контроль предельного тока приводов

Контроль предельного тока приводов:

Схема ограничения тока приводов на рис.3.3 используется для ограничения тока преобразователя и двигателя ниже безопасного предела во время переходных процессов. Он имеет контур обратной связи по току с пороговой логической схемой. Пока ток находится в пределах установленного максимального значения, петля обратной связи не влияет на работу привода.

Во время переходного процесса в управлении ограничением тока приводов, если ток превышает установленное максимальное значение, контур обратной связи становится активным, и ток принудительно понижается до значения ниже установленного максимального значения, что приводит к тому, что контур обратной связи снова становится неактивным.Если ток снова превышает установленное максимальное значение, он снова понижается с помощью контура обратной связи. Таким образом, ток колеблется около установленного максимального предела во время переходного режима до тех пор, пока состояние привода не станет таким, что ток не имеет тенденции пересекать установленное максимальное значение, например во время пуска ток будет колебаться около установленного максимального значения. При приближении к точке установившегося режима работы ток не будет иметь тенденции к превышению максимального значения, следовательно, контур обратной связи не будет влиять на работу привода.

Определение скорости:

Измерение скорости требуется для реализации схем управления скоростью с обратной связью. Скорость обычно измеряется с помощью тахометров, соединенных с валом двигателя. Тахометр — это генератор переменного или постоянного тока с высокой степенью линейности между его скоростью и выходным напряжением. Тахометр постоянного тока построен с постоянным магнитным полем, а иногда и с серебряными щетками, чтобы уменьшить падение контакта между щеткой и коммутатором. Типичное выходное напряжение составляет 10 В на 1000 об / мин.

Выходное напряжение тахометра состоит из пульсаций, частота которых зависит от его скорости. На низких скоростях адекватная фильтрация может быть выполнена только фильтром с достаточно большой постоянной времени, чтобы повлиять на динамику привода. Для решения этой проблемы иногда строятся специальные тахометры большого диаметра с большим количеством сегментов коммутатора. Доступны тахометры для измерения скорости с точностью ± 0,1%. Тахометр должен быть соединен с двигателем с помощью жесткой на кручение муфты, чтобы собственная частота системы, состоящей из ротора двигателя и тахометра, выходила далеко за пределы полосы пропускания контура регулирования скорости.Когда требуется очень высокая точность скорости, например, в компьютерной периферии, на бумажных фабриках и т. Д., Используются цифровые тахометры.

В цифровом тахометре используется датчик положения вала, который выдает частоту, пропорциональную скорости двигателя. Энкодер состоит из прозрачного пластикового или алюминиевого диска, механически соединенного с валом двигателя. Прозрачный пластиковый диск поочередно окрашивается в черный цвет по периферии, чтобы обеспечить попеременно прозрачные и непрозрачные части. В алюминиевом диске по периметру равномерно выполнено несколько отверстий или прорезей.Блок оптопары, состоящий из источника света и светового датчика, установлен так, что диск будет проходить между источником света и датчиком.

Датчик

обнаруживает источник света всякий раз, когда прозрачная часть / прорезь / отверстие пересекает оптопару, и возникает импульс напряжения. Частота последовательности импульсов пропорциональна скорости вала. Импульсы подсчитываются за определенный период, чтобы получить число, пропорциональное скорости.

В приводах постоянного тока скорость может определяться без тахометра, когда ток возбуждения поддерживается постоянным.Используется тот факт, что ЭДС клюва прямо пропорциональна скорости, когда поток поддерживается постоянным. Обратная ЭДС измеряется путем вычитания из напряжения на клеммах двигателя сигнала, равного падению сопротивления его якоря. На точность измерения влияет сложность точного измерения тока якоря из-за наличия пульсаций, изменения магнитного потока из-за нарушения питания поля и изменения температуры обмоток возбуждения и якоря. Метод недорогой и обеспечивает измерение скорости с точностью ± 2% от базовой скорости.

DC Drive Fundamentals

10 вольт — это очень распространенный эталон.

Потенциометр может принимать фиксированное напряжение и делить его до любого значения, например, от 10 до нуля вольт, в зависимости от того, где оно установлено. Входное напряжение 10 В на регулятор от регулятора скорости (потенциометра) соответствует максимальной скорости двигателя, а нулевое напряжение соответствует нулевой скорости. Точно так же любую скорость от нуля до максимума можно получить, отрегулировав регулятор скорости на соответствующую настройку.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ СКОРОСТИ
Чтобы «замкнуть контур» и точно контролировать скорость двигателя, необходимо обеспечить управление сигналом обратной связи, связанным со скоростью двигателя.

Стандартный способ сделать это при простом управлении — контролировать напряжение якоря и подавать его обратно в регулятор для сравнения с входным сигналом «уставки».

Когда напряжение якоря становится высоким относительно уставки, установленной настройкой потенциометра скорости, обнаруживается «ошибка», и выходное напряжение от силового моста уменьшается, чтобы снизить скорость двигателя до «уставки».Точно так же, когда напряжение якоря падает, обнаруживается ошибка противоположной полярности, и управляющее выходное напряжение автоматически увеличивается в попытке восстановить желаемую скорость.

«Система обратной связи по напряжению якоря», которая является стандартной для большинства комплектных приводов, обычно называется «Привод с регулируемым напряжением».

Второй и более точный метод получения информации обратной связи по скорости двигателя называется «Обратная связь тахометра». В этом случае сигнал обратной связи по скорости получается с тахометра, установленного на двигателе.Выходной сигнал этого тахометра напрямую зависит от скорости двигателя. Использование обратной связи тахометра обычно улучшает характеристики регулирования привода. Когда используется «обратная связь по тахометру», привод называют «приводом с регулируемой скоростью». Большинство органов управления можно модифицировать для приема сигналов тахометра для работы в режиме обратной связи тахометра.

В некоторых более новых высокопроизводительных «цифровых приводах» обратная связь может исходить от установленного на двигателе энкодера, который передает импульсы обратного напряжения со скоростью, зависящей от скорости двигателя.Эти (подсчеты) обрабатываются в цифровом виде и сравниваются с «уставкой», и вырабатываются сигналы ошибки для регулирования напряжения и скорости якоря.

ТЕКУЩАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Второй источник информации обратной связи получается путем контроля тока якоря двигателя. Как обсуждалось ранее, это точное указание крутящего момента, необходимого для нагрузки.

Сигнал обратной связи по току используется для двух целей:

1. В качестве положительной обратной связи для устранения падения скорости, возникающего при увеличении крутящей нагрузки на двигатель.Это достигается за счет небольшого корректирующего увеличения напряжения якоря по мере увеличения тока якоря.
2. В качестве отрицательной обратной связи с «пороговым» типом управления, ограничивающим ток до значения, которое защитит силовые полупроводники от повреждений. Сделав эту функцию регулируемой, ее можно использовать для управления максимальным крутящим моментом, который двигатель может передать нагрузке.

Действие ограничения тока большинства элементов управления регулируется и обычно называется «Ограничение по току» или «Ограничение по крутящему моменту».

Таким образом, регулятор выполняет две основные функции:

1. Преобразует переменный ток в постоянный.
2. Он регулирует напряжение и ток якоря для управления скоростью и крутящим моментом двигателя постоянного тока.

ТИПОВЫЕ РЕГУЛИРОВКИ

В дополнение к обычной внешней регулировке, такой как потенциометр скорости. существует ряд общих внутренних регулировок, которые используются в простых небольших приводах SCR аналогового типа (привод выпрямителя с кремниевым управлением).Вот некоторые из этих корректировок:

• Минимальная скорость
• Максимальная скорость
• Current Limit (Предел крутящего момента). ИК-компенсация
• Время разгона. Время замедления

Ниже приводится описание функции, которую выполняют эти отдельные регулировки, и их типичного использования.

МИНИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ
В большинстве случаев, когда регулятор установлен изначально, потенциометр скорости можно повернуть вниз до его самой низкой точки, и выходное напряжение регулятора упадет до нуля, что приведет к остановке двигателя.Есть много ситуаций, когда это нежелательно. Например, некоторые машины хотят, чтобы они работали на минимальной скорости и при необходимости разгонялись до рабочей скорости. Также существует вероятность того, что оператор может использовать потенциометр скорости, чтобы остановить двигатель для работы на машине. Это может быть опасной ситуацией, поскольку двигатель был остановлен только путем обнуления напряжения входного сигнала. Более желательной является ситуация, когда двигатель останавливается путем размыкания цепи двигателя или подачи питания на систему управления с помощью переключателя включения / выключения.Регулируя минимальную скорость до некоторой точки, когда двигатель продолжает работать даже с потенциометром скорости, установленным в самое низкое положение, оператор должен отключить управление, чтобы остановить двигатель. Это добавляет системе немного безопасности. Типичная регулировка минимальной скорости составляет от 0 до 30% от базовой скорости двигателя.

МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ
Регулировка максимальной скорости устанавливает максимальную скорость, достижимую путем повышения входного сигнала до максимальной точки или поворота потенциометра до максимальной точки.Например, на типичном двигателе постоянного тока номинальная скорость двигателя может составлять 1750 об / мин, но система управления может поддерживать скорость до 1850 или 1900 об / мин. В некоторых случаях желательно ограничить двигатель (и скорость машины) чем-то меньшим, чем было бы доступно при этой максимальной настройке. Максимальная регулировка позволяет это сделать. При повороте внутреннего потенциометра в нижнюю точку максимальное выходное напряжение регулятора ограничивается. Это ограничивает максимальную скорость, доступную для двигателя.В типичных устройствах управления, таких как BC140, диапазон регулировки максимальной скорости составляет от 50 до 110% от базовой скорости двигателя.

ПРЕДЕЛ ТОКА
Одна очень приятная особенность электронных регуляторов скорости состоит в том, что ток, идущий на двигатель, постоянно контролируется устройством управления. Как упоминалось ранее, ток, потребляемый якорем двигателя постоянного тока, связан с крутящим моментом, который требуется для нагрузки. Поскольку этот контроль и управление доступны, в системе управления предусмотрена регулировка, которая ограничивает выходной ток до максимального значения.

Эту функцию можно использовать для установки порогового значения, которое приведет к остановке двигателя, а не к выдаче чрезмерного крутящего момента. Эта возможность дает комбинации двигатель / управление возможность предотвратить повреждение, которое в противном случае могло бы произойти, если бы были доступны более высокие значения крутящего момента. Это удобно для машин, которые могут заклинивать или иным образом останавливаться. Его также можно использовать, когда система управления задействует такое устройство, как центральная намоточная машина, где важным моментом становится крутящий момент, а не скорость.В этом случае устанавливается ограничение по току, и скорость увеличивается или уменьшается для удержания натяжения 0 наматываемого материала. Предел тока обычно устанавливается на заводе на 150% от номинального тока двигателя. Это позволяет двигателю создавать достаточный крутящий момент для запуска и ускорения нагрузки, и при этом не позволяет току (и крутящему моменту) превышать 150% от его номинального значения во время работы. Диапазон регулировки обычно составляет от 0 до 200% номинального тока двигателя.

ИК-КОМПЕНСАЦИЯ
ИК-компенсация — это метод, используемый для корректировки спада скорости двигателя из-за сопротивления якоря.Как упоминалось ранее, компенсация IR представляет собой положительную обратную связь, которая вызывает небольшое повышение управляющего выходного напряжения с увеличением выходного тока. Это поможет стабилизировать скорость двигателя от холостого хода до состояния полной нагрузки. Если двигатель приводит в движение нагрузку с постоянным или почти постоянным крутящим моментом, то в этой регулировке обычно нет необходимости. Однако, если двигатель приводит в движение нагрузку с сильно колеблющимся требованием крутящего момента, и регулирование скорости имеет решающее значение, то IR-компенсация может быть отрегулирована для стабилизации скорости от легкой нагрузки до состояния полной нагрузки. Одно предостережение заключается в том, что, когда IR-компенсация настроена слишком высоко, это приводит к увеличению характеристики скорости. Это означает, что при приложении нагрузки двигатель фактически будет вынужден работать быстрее. Когда это происходит, увеличивается напряжение и ток двигателя, что, в свою очередь, увеличивает скорость двигателя. Если эта регулировка установлена ​​слишком высоко, возникает нестабильное «колебание» или колебание, что нежелательно.

ВРЕМЯ УСКОРЕНИЯ
Регулировка времени ускорения выполняет функцию, обозначенную его названием.Это увеличит или сократит время, необходимое двигателю для перехода от нулевой скорости к установленной скорости. Он также регулирует время, необходимое для изменения скорости с одной настройки (скажем, 50%) на другую настройку (возможно, 100%). Таким образом, этот параметр позволяет регулировать скорость ускорения привода.

Важно сделать пару примечаний: если слишком быстрое время ускорения называется «временем ускорения», оно будет отменено текущим пределом. Ускорение будет происходить только со скоростью, допускаемой величиной тока, который система управления пропускает к двигателю. Также важно отметить, что на большинстве небольших регуляторов время ускорения не является линейным. Это означает, что изменение на 50 об / мин может происходить быстрее, когда двигатель работает на низкой скорости, чем когда двигатель приближается к заданной скорости. Это важно знать, но обычно не критично для простых приложений, в которых используются эти диски.

ВРЕМЯ ЗАМЕДЛЕНИЯ
Это регулировка, которая позволяет замедлять нагрузки в течение длительного периода времени. Например, если питание отключено от двигателя и нагрузка останавливается через 3 секунды, то регулировка времени торможения позволит вам увеличить это время и «выключить» нагрузку в течение 4, 5, 6 или больше секунд. Примечание. В обычном простом приводе постоянного тока это не позволяет сократить время, меньшее времени «выбега до покоя».

РЕЗЮМЕ НАСТРОЙКИ
Возможность регулировки этих шести регулировок дает большую гибкость типичному недорогому приводу постоянного тока.В большинстве случаев заводские предустановленные настройки подходят и не нуждаются в изменении, но в других приложениях может быть желательно адаптировать характеристики элемента управления к конкретному приложению.

Многие из этих настроек доступны в других типах управления, например, в частотно-регулируемых приводах.

Дополнительная информация о приводе постоянного тока…

Управление крутящим моментом и скоростью двигателя

---

Предыдущий «Типы приводов с переменной скоростью» • Вернуться к указателю • Следующий «Несколько приводов — координированное управление»

---

Управление двигателем крутящий момент и скорость или скорость — это варианты выбора рабочего режима, доступные для большинства основных приводов постоянного тока и некоторых приводов переменного тока типа vector .Для некоторых продуктов Режим скорости может включать мощность для регенерации .

1.) Приводы постоянного тока — Контроль крутящего момента:

Для управления крутящим моментом двигателей постоянного тока привод постоянного тока регулирует ток якоря.

Напряжение якоря не регулируется, что позволяет двигателю работать с любой скоростью, необходимой для достижения заданного уровня тока / крутящего момента. Такая установка может использоваться для любых приводных валков с постоянным крутящим моментом и простых намоточных устройств для регулировки приблизительного натяжения для работы с центральным ветром с малым коэффициентом усиления.Для центральных мотальных машин с режимом крутящего момента и фиксированного входного задания крутящий момент остается постоянным, создавая эффект натяжения конуса, если оператор станка не увеличивает заданное значение крутящего момента по мере увеличения диаметра.

Прямое регулирование крутящего момента может иметь нежелательный эффект, вызывая разгон до максимальной скорости в случае обрыва полотна или потери нагрузки, если в приводе не предусмотрена функция «Ограничение максимальной скорости или напряжения». Эти эффекты могут быть компенсированы дополнительным приводом. дополнительные платы и / или внешние схемы управления для обеспечения полнофункционального «центрального ветра с постоянным напряжением», CTCW, управления с включенной компенсацией трения, инерции, изменения диаметра и т. д.Некоторые приводы, такие как цифровой привод постоянного тока Carotron ELITE PRO, включают микропрограммное обеспечение CTCW.

ПРИМЕНИМЫЕ ТОВАРЫ:

БУХГАЛТЕРСКАЯ СЕРИЯ

СЕРИЯ ADP100

ПИДЖАК СЕРИИ

ЭЛИТНАЯ СЕРИЯ

ВЫБОР СЕРИИ

СЕРИЯ ELITE PRO

RCP200 СЕРИЯ

2.) Приводы переменного тока — Контроль крутящего момента:

Привод переменного тока использует комплексную обработку напряжения, тока, частоты и положения двигателя, чтобы обеспечить возможность регулирования крутящего момента.Для работы в режиме МОМЕНТ обычно требуется обратная связь от энкодера. Даже оценка способности инверторного привода регулировать крутящий момент — непростая задача. Не думайте, что инвертор и двигатель, работающие в режиме «крутящего момента», будут создавать линейный и пропорциональный выходной крутящий момент относительно задания. Полное управление крутящим моментом может зависеть от использования внешней схемы опорного крутящего момента или управления, которое обладает гибкостью и возможностью регулировки для компенсации любых недостатков привода / двигателя.

3.) Приводы постоянного тока — Контроль скорости (скорости):

Для регулирования скорости двигателя постоянного тока привод обычно управляет напряжением якоря. Насколько хорошо это работает, зависит от того, какой сигнал обратной связи используется для представления скорости двигателя. См. Раздел C, «Управление по разомкнутому и замкнутому циклам». Общие варианты выбора для некоторых приводов постоянного тока следующие:

A. AFB — Обратная связь якоря

B. TFB — обратная связь с тахометра

C. EFB — обратная связь энкодера

А.) AFB — Обратная связь якоря

Метод обратной связи по напряжению якоря, также называемый обратной связью якоря, основан на способности двигателя постоянного тока действовать как генератор постоянного тока. Когда двигатель постоянного тока вращается, он генерирует уровень напряжения, называемый счетчиком или противоэдс , который пропорционален скорости вращения. Как и во всех «генераторах», на генерируемую мощность также влияет сила магнитного потока поля.

Поскольку напряжение якоря, поступающее от привода, выводится в виде импульсов, напряжение противо-ЭДС может быть измерено между импульсами.Затем этот сигнал вводится в схему регулирования скорости привода, контур скорости, чтобы отрегулировать силовую часть привода для поддержания постоянного напряжения двигателя. Основное преимущество обратной связи якоря заключается в том, что (с приводами постоянного тока Carotron) не требуются дополнительные компоненты привода или двигателя.

Некоторые проблемы, связанные с работой обратной связи якоря, связаны с определенными характеристиками двигателя постоянного тока. Одна из проблем заключается в том, что даже при постоянном напряжении якоря скорость двигателя может упасть на несколько процентов, когда двигатель нагружен.Это падение происходит из-за потерь «внутреннего сопротивления» в якоре двигателя и устраняется в приводах постоянного тока путем добавления «компенсации внутреннего сопротивления», IR Comp, pot и сигнала.

Схема IR Comp определяет увеличение нагрузки, а затем увеличивает напряжение якоря, чтобы предотвратить падение скорости. К сожалению, влияние потерь IR обычно не одинаково в диапазоне скоростей двигателя, и конкретная настройка IR Comp лучше всего работает при определенной скорости двигателя.

Другая проблема с обратной связью якоря связана с работой двигателя в качестве «генератора» и с тем, как на нее влияет сила магнитного потока поля.В намотанном электромагнитном поле (ах) двигателей с шунтирующим полем повышение температуры по мере прогрева двигателя (сразу после включения питания) приведет к увеличению сопротивления обмотки возбуждения. Это вызывает уменьшение тока возбуждения и силы магнитного потока, что, в свою очередь, вызывает уменьшение генерируемого напряжения, которое при использовании в качестве обратной связи по скорости вызывает увеличение скорости двигателя, поскольку привод пытается поддерживать постоянную обратную связь по напряжению якоря.

Влияние напряженности шунтирующего поля на скорость и крутящий момент двигателя постоянного тока может быть использовано с пользой в некоторых приложениях, прежде всего известных как приложения « ПОСТОЯННАЯ МОЩНОСТЬ» .В этих приложениях скорость можно «поменять местами» на крутящий момент, чтобы обеспечить высокий крутящий момент при низкой скорости и высокую скорость при низком крутящем моменте. Velocity Mode Center Winder — это пример применения, в котором требуются низкий крутящий момент и высокая скорость на начальном валке и при увеличении диаметра; уменьшение скорости вращения сопровождается увеличением требований к крутящему моменту. В приложениях с более высокой мощностью, использующих специально разработанные двигатели, обычно> 5 л.с., управление полем двигателя постоянного тока может обеспечиваться приводом или независимым РЕГУЛЯТОРОМ ПОЛЯ.См. Раздел H. Подъемники постоянной мощности для более подробного описания этого типа работы.

ПРИМЕНИМЫЕ ТОВАРЫ:

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕВЫМ РЕГУЛЯТОРОМ FR1000 и FR3500

СЕРИЯ ELITE PRO

Электродвигатели с постоянным магнитом, PM, полевые двигатели не испытывают явления «изменения магнитного потока», но все же могут проявлять ИК-потери. Таким образом, операция с обратной связью якоря менее затратна, но связанные с этим потенциальные проблемы могут быть недопустимыми, если требуется точное регулирование в диапазоне скоростей двигателя и работа без дрейфа.Способ устранения этих потенциальных проблем — «замкнуть контур скорости» с помощью внешнего устройства обратной связи, такого как тахометр или энкодер.

B.) TFB — обратная связь тахометра

Тахометры и энкодеры — это устройства, которые выдают точный выходной сигнал, пропорциональный их скорости вращения. Использование такого устройства для обратной связи называется «режимом обратной связи».

Тахометры

(также известные как тахометры или тахогенераторы) различаются и рассчитаны на вольт-на-1000 об / мин.Большинство из них обеспечивают выход постоянного напряжения, но устройства с номинальным напряжением переменного тока все еще доступны и используются.

Некоторые стандартные номинальные значения постоянного тока: 7, 50 и 100 В постоянного тока / 1000 об / мин. Стандартные номиналы переменного тока — 45 и 90 В переменного тока / 1000 об / мин. Выходной сигнал тахометра переменного тока изменяет частоту и уровень напряжения с изменением скорости.

C.) EFB — обратная связь энкодера

Энкодеры

имеют еще большее разнообразие номиналов и выдают сигнал, частота которого увеличивается с увеличением скорости.Они могут иметь несколько выходов, называемых квадратурными выходами и импульсами маркера, которые позволяют им передавать информацию о направлении вращения и положении вращения.

Некоторые энкодеры называются импульсными датчиками или генераторами импульсов. Обычно это механизмы «кольцо и шестерня» или «датчик Холла и магнитное колесо», которые устанавливаются на С-образную поверхность или фланец двигателя. Все энкодеры указаны в импульсах на оборот или PPR и могут иметь выходные характеристики от 1PPR до тысяч PPR.

Тахометры и энкодеры

включают номиналы выходной точности или допусков, требований к источникам питания, температурного диапазона и диапазона нагрузки. Их главная претензия на славу заключается в том, что они игнорируют большинство внешних влияний и дают точные и повторяемые результаты, пока действуют в рамках установленных ими рейтингов. Это означает, что приводы, использующие их для обратной связи, также могут игнорировать или компенсировать такие факторы, как потери двигателя, колебания напряжения в сети, изменение нагрузки и изменение температуры.

ПРИМЕНИМЫЕ ТОВАРЫ:

TCF60 и TCF120 СЕРИИ ИМПУЛЬСНЫЕ ТАЧС

TAC008-000 XPY ФЛАНЦЕВЫЙ ЭНКОДЕР

TAC017-000 КВАДРАТУРНЫЙ КОЛЬЦО ЭНКОДЕР

4.) Приводы переменного тока — Контроль скорости (скорости):

Преобразователи частоты

AC Inverter могут иметь несколько выбираемых методов управления. Вот несколько примеров:

A.) Управление V / F

B.) Управление напряжением / частотой с PG или обратной связью тахометра

С.) Вектор разомкнутого цикла

D.) Замкнутый контур или вектор потока

A.) Метод управления В / Ф, напряжение / частота, — также называемый управлением вольт на герц, является наиболее распространенным методом управления инвертором. Не требуя устройства обратной связи, он подходит для применения в двигателях общего назначения и с несколькими двигателями.

B.) Управление напряжением / частотой с обратной связью PG дает лучшее регулирование скорости по сравнению с системой с обратной связью.

С.) Вектор разомкнутого контура , иногда называемый бессенсорным вектором , использует более сложный алгоритм управления, чтобы обеспечить точное управление скоростью, быстрый отклик и более высокий крутящий момент на низкой скорости.

D.) Вектор потока или вектор с обратной связью требует обратной связи от энкодера и обеспечивает точное управление скоростью и полным номинальным крутящим моментом в широком диапазоне скоростей — иногда даже при нулевых оборотах в минуту.

Инверторы

и их двигатели также могут работать в профиле «Постоянная мощность в лошадиных силах», где скорость двигателя может быть увеличена за пределы номинальной скорости с понижением номинальной мощности крутящего момента.См. Раздел H.12, «Подъемники постоянной мощности» для более подробного описания этого типа работы.

5.) Регенерация:

Регенерация основана на способности двигателей переменного и постоянного тока действовать как генераторы, а также как двигатели. Регенерация — это рабочий режим, который автоматически реализуется секцией управления скоростью привода REGEN всякий раз, когда обратная связь по скорости превышает задание скорости. Благодаря мощности рекуперативного привода двигатель может обеспечивать двигательный (положительный) крутящий момент или тормозной (отрицательный) крутящий момент, обычно в любом направлении вращения.Это называется операцией «четыре квадранта». Приводы без рекуперации обеспечивают только «одноквадрантную» работу, хотя добавление реверсивных контакторов к приводам постоянного тока может обеспечить работу двигателя в третьем квадранте.

Таким образом, в двигательном режиме мощность берется из сети переменного тока и преобразуется в работу двигателя. В режиме рекуперации собственная генерируемая мощность берется из двигателя и возвращается в линию переменного тока или рассеивает энергию «тормозными резисторами» для создания отрицательного или тормозного момента в двигателе.Эта функция полезна при работе с высокоинерционными или ремонтными нагрузками двигателя. В приводах постоянного тока регенеративная способность также обеспечивает «твердотельное реверсирование». Без регенерации для реверсирования должны использоваться контакторы постоянного тока. Частое реверсирование даже при низких уровнях нагрузки может привести к сокращению ожидаемого механического срока службы контакторов. Для привода с рекуперацией рекомендуется использовать только один контактор для «аварийного останова».

Для возможности «регенерации» в приводе постоянного тока требуется вторая силовая секция и больше схем управления, чем в приводах без рекуперации, в то время как большинство инверторных приводов переменного тока по своей сути включают некоторую возможность регенерации.Большинство приводов переменного тока с более низким номиналом мощности также поставляются со схемой «тормозного транзистора», необходимой для расширения возможностей рекуперации с добавлением только тормозного резистора. Кроме того, некоторые приводы переменного тока могут иметь возможность «регенерации линии», когда избыточная энергия двигателя возвращается в линию, а не рассеивается через резисторы. Рекуперативные приводы постоянного тока обычно могут обеспечивать более высокий постоянный отрицательный крутящий момент, чем инверторный привод, использующий тормозной резистор. Номинальная мощность тормозного транзистора и резистора инвертора в непрерывном режиме будет определять рабочий цикл.

ПРИМЕНИМЫЕ ТОВАРЫ:

D10425-XXX СЕРИЯ

КАМЕРА IV

RCP200 СЕРИЯ

BLAZER IV СЕРИИ

СЕРИЯ ELITE PRO (модели EPR)

ЭЛИТНАЯ СЕРИЯ (модели E12)

* В этом руководстве по основам управления двигателем рассматриваются следующие темы: крутящий момент двигателей постоянного тока, крутящий момент двигателя переменного тока, управление скоростью двигателя переменного тока, контроллер скорости двигателя постоянного тока. Прочтите другие полезные руководства по управлению двигателем и советы по применению, щелкнув «Назад к указателю» ниже.

---

Назад «Типы приводов с регулируемой скоростью» • Вернуться к указателю • Далее «Несколько приводов — координированное управление»

---

Перейти к линейке продуктов • Перейти к приводам постоянного тока и принадлежностям • Перейти к компонентам интерфейса системы

Руководство по применению систем управления Указатель

AB-026: 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, показанная ниже, представляет собой типичную систему управления с обратной связью, которая может быть разработана для работы в аналоговом или цифровом режиме.

Система управления с обратной связью для скорости двигателя постоянного тока

Датчики Холла и оптические датчики

обычно используются с цифровыми контроллерами, тогда как в аналоговых схемах часто используются 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.

Эквивалентная схема электродвигателя постоянного тока с щеткой

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 измерить обратную ЭДС напрямую невозможно, нам необходимо рассчитать ее по следующему уравнению:

$$ V_ {мотор} = V_ {bemf} + (I_ {a} \ times R_ {a}) $$

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.

Эквивалентная схема электродвигателя постоянного тока

с последовательным резистором

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:

$$ V_ {a} = I_ {a} \ times R_ {a} $$

$$ V_ {s} = I_ {a} \ times R_ {s} $$

$$ R_ {s} = R_ {a} $$

$$ V_ {s} = V_ {a} $$

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:

$$ V_ {supply} = I_ {stall} \ times R_ {a} $$

$$ R_ {a} = \ frac {V_ {supply}} {I_ {stall}} $$

$$ R_ {a} = \ frac {1.2 В} {100 мА} $$

$$ R_ {a} = 12 \ Omega $$

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

Напряжение питания будет равно напряжению последовательного резистора, напряжению сопротивления якоря и напряжению обратной ЭДС.

$$ V_ {supply} = V_ {s} + V_ {a} + V_ {bemf} $$

Мы можем рассчитать напряжение обратной ЭДС, вычитая удвоенное падение напряжения на последовательном резисторе из напряжения питания.

$$ V_ {bemf} = V_ {supply} — (2 \ times V_ {s}) $$

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:

Мостовая схема для измерения напряжения обратной ЭДС

Правая опора моста состоит из последовательно включенных электродвигателя M и резистора Rs .Левая ножка представляет собой 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 схемы без обратной ЭДС, т.е. когда двигатель остановлен. Для балансировки моста напряжение между точками A и B должно быть нулевым. Это происходит до тех пор, пока соотношение между R1 и R2 такое же, как Rs и Ra :

$$ \ frac {R_ {2}} {R_ {1}} = \ frac {R_ {a}} {R_ {s}} $$

ч — коэффициент усиления нашего моста:

$$ h = \ frac {R_ {1}} {R_ {2}} = \ frac {R_ {s}} {R_ {a}} $$

Если мы выведем двигатель из состояния остановки, напряжение обратной ЭДС пропорционально скорости:

$$ V_ {bemf} = k_ {e} \ times n $$

, где кэ, — 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 связано с тем, что идеальные двигатели игнорируют сопротивление воздуха и трение в подшипниках. Напряжение на холостом ходу:

$$ V_ {rpm_ {NL}} = k_ {e} \ times n_ {NL} $$

Отсюда Vbemf можно подписать как:

$$ V_ {bemf} = V_ {rpm_ {NL}} \ times \ frac {n} {n_ {NL}} = V_ {rpm_ {NL}} \ times K $$

Где K — коэффициент пропорциональности между Vbemf и V_rpm в нашей схеме.{2} \ times R_ {load}} \ times R_ {load} $$

А для работы без нагрузки:

$$ V_ {rpm} = \ frac {h} {h + 1} \ times V_ {rpm_ {NL}} \ times K $$

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

Как упоминалось ранее, сопротивление якоря будет изменяться в зависимости от температуры, что приводит к разбалансировке моста и влиянию 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 регуляторов скорости вращения ротора, 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 ИС включают LA5586, TDA7274, BA6220 и AN6550. К сожалению, производство большинства из них было снято с производства, и теперь они доступны только на вторичном рынке. Схемы в микросхемах немного отличались, но принцип работы по-прежнему основан на мостовой схеме, описанной выше.

LA5586 Эквивалентная цепь регулятора скорости двигателя и прикладная схема

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.

Цепь установившегося состояния для контроллера 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:

$$ I_ {m} \ times R_ {m} + V_ {bemf} = R_ {T} \ times I_ {s} + R_ {T} \ times \ frac {I_ {s} + I_ {m}} { K} + V_ {ref} $$

Отсюда уравнение для обратной ЭДС:

$$ V_ {bemf} = V_ {ref} + (1+ \ frac {1} {K}) \ times R_ {T} \ times I_ {s} + \ frac {R_ {T}} {K — R_ {m}} \ times I_ {m} $$

Предполагая:

$$ K \ times R_ {m} = R_ {T} $$

, то количество оборотов, определяемое Vbemf , составляет:

$$ V_ {bemf} = V_ {ref} + R_ {T} \ times (1+ \ frac {1} {K}) \ times I_ {s} $$

Важно, чтобы во всех случаях Rt было меньше, чем K x Rm , иначе 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 наше сопротивление R_load будет на тысячи больше, чем другое сопротивление в этой цепи, и его снова можно не использовать.

Из предыдущего раздела мы знаем, что напряжение источника питания не изменилось 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.

Цепь управления напряжением двигателя

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.

Цепь регулятора скорости двигателя

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 при 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. Рекомендуется 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:

Транзисторный регулятор скорости

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 напряжения 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 с частотной компенсацией, 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 специализированной микросхемой

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

Цепь регулятора скорости

132-100 и AN6651

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, чем внутреннее сопротивление двигателя для того же падения напряжения на R1 , что и на внутреннем сопротивлении двигателя:

$$ K = 40 $$

$$ R_ {1} = K \ times R_ {m} $$

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, \ (R_ {m} = 10 \ Omega \)
• Входное напряжение без нагрузки при скорости 2400 об / мин, \ (V_ {m} = 3,87 В \)
• Ток без нагрузки при скорости 2400 об / мин, \ (I_ {m} = 23 мА \)

Мы можем рассчитать падение напряжения на внутреннем сопротивлении как:

$$ 23 мА \ раз 10 \ Омега = 0,23 В $$

, и мы также можем рассчитать Vbemf как:

$$ 3,87 В- 0,23 В = 3.65 В $$

В установившемся состоянии, когда цепь сбалансирована, уравнение для цепи:

$$ I_ {m} \ times R_ {m} + V_ {bemf} = R_ {1} \ times (I_ {R2R3} + \ frac {I_ {R2R3} + Im} {K} + V_ {ref} $ $

Из этого уравнения мы можем вычислить обратную ЭДС:

$$ V_ {bemf} = V_ {ref} + R_ {1} \ times (1+ \ frac {1} {40}) \ times I_ {R2R3} $$

Как мы знаем из даташита Vref = 1V, значит:

$$ I_ {R2R3} = \ frac {V_ {bemf} — V_ {ref}} {R_ {1} \ times (1+ \ frac {1} {40})} $$

На наш мотор у нас:

$$ I_ {R2R3} = \ frac {3.64 — 1} {390 \ times (1 + \ frac {1} {40})} $$

$$ I_ {R2R3} = 0,0051 А = 5,1 мА $$

С помощью этого значения мы можем рассчитать последовательное сопротивление R2 и R3 :

$$ I_ {R2R3} = \ frac {V_ {ref}} {R2 + R3} $$

$$ R_ {2} + R_ {3} = \ frac {V_ {ref}} {I_ {R2R3}} $$

$$ R_ {2} + R_ {3} = 195 \ Omega $$

Мы можем использовать постоянный стандартный резистор 150 Ом плюс потенциометр 100 Ом, что дает нам диапазон для точной настройки. Вычисленные значения являются приблизительными, в реальной цепи ток внутреннего источника опорного напряжения также имеет значение (между 0.8 — 2 мА для AN6651), это вызовет изменение тока двигателя.

Добавление потенциометра позволяет установке регулировать скорость, и его следует откалибровать через некоторое время, чтобы двигатель прогрелся до рабочей температуры, чтобы минимизировать результирующее смещение сопротивления.

Прецизионные микроприводы 132-100 PCB с AN6651

Прецизионные микроприводы 132-100 PCB с AN6651

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.

Схема на основе ОУ стабилизации скорости двигателя

В этой схеме компенсационное напряжение берется с последовательного резистора R8 , значение которого меньше внутреннего сопротивления двигателя для уменьшения потерь мощности. Вторая опора моста состоит 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.

Схема стабилизации на основе прецизионных микроприводов ОУ

Регулятор скорости на транзисторах

Двухтранзисторный регулятор скорости двигателя

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, а D1 работает как опорное напряжение. Обратная ЭДС двигателя больше опорного напряжения — в зависимости от R2 , R3 и R4 делитель напряжения :

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: \ ( \ frac {3.6} {1.2} = 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 коэффициент делителя напряжения, выбрать R6 и R8 легко. Нам нужно иметь такое же соотношение между делителем напряжения R6 и , R8 и внутренним сопротивлением двигателя.

Эта схема предназначена 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:

Трехтранзисторный регулятор скорости двигателя

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 источник опорного напряжения с малой шириной запрещенной зоны, который более стабилен, чем стандартные диоды.Еще одним улучшением по сравнению с добавлением Q2 является 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 из Q2 :

.

$$ V_ {ref} = V_ {bg_ {ref}} + V_ {be} = 1,2 В + 0,7 В = 1,9 В $$

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, как R2 , R3 и R4 делителя напряжения (с потенциометром R3 , установленным в среднее положение).

Прецизионные микроприводы Трехтранзисторный контроллер скорости двигателя

Прецизионные микроприводы Трехтранзисторный контроллер скорости двигателя

Режим переключения аналогового регулятора скорости

В этом примечании к применению 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.

Управление скоростью двигателя с помощью обратной ЭДС в режиме переключения аналоговой цепи

Этот контроллер состоит из модулятора ШИМ, выходного транзистора и схемы «выборки и удержания» (иногда известной как схемы «слежения и удержания»). Модулятор ШИМ 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, и Vm равно Vbemf , что пропорционально скорости двигателя.Срабатывает схема выборки и хранения, 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 PWM.

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

Измерение сигнала ШИМ на клеммах двигателя

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:

Регулятор скорости двигателя на основе измерения обратной ЭДС и выхода ШИМ

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.

Цепь выборки и хранения состоит из C3 , R10 , D2 , Q1 , R13 . Когда двигатель питается 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 ). При увеличении обратной ЭДС 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 \ (\ frac {R_ {5}} {R_ {5} + R_ {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 изменить время заряда / разряда C3 .

Диапазон изменения рабочего цикла ШИМ (от приложенного напряжения ошибки) определяется соотношением от 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 должен использоваться 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 склонность к колебаниям

Аналоговый импульсный регулятор скорости на двигателе постоянного тока 132-100

.