Датчик оборотов двигателя для контроллера

Датчик вращения

 Датчик ( сенсор, преобразователь ) позволяет получать, обрабатывать и предавать информацию о состоянии объекта. Это автономная система, содержащая преобразователь вида энергии и находящаяся в контролируемой зоне.

Элемент  преобразующий контролируемую величину ( температуру, давление, обороты, скорость, движение и т.д. ) в сигнал, удобный для измерения и обработки. В зависимости от области применения, сенсоры могут быть контактными и бесконтактными.

Широко применяются в  автоматизированных системах управления.

Рассмотрим некоторые варианты применения сенсоров:

  Датчик вращения.

Датчик вращения, схема которого приведена на Рис 1, может быть применён там, где необходим контроль вращения: эл. двигателя, маховика, вентилятора, вала, всего, что крутится.

Основной принцип работы данной схемы состоит в том, чтобы периодически прерывать (затенять) поток инфракрасного излучения исходящего от излучателя Д1 к приёмнику Д2.

Для этого к вращающемуся элементу системы достаточно приделать небольшую пластину, которая периодически проходила бы между излучателем и приёмником, или для большей надёжности установить диск с несколькими отверстиями как показано на рисунке.

Схема работает следующим образом. При пуске электродвигателя датчик вращения, фиксирующий вращение подаёт импульсные сигналы на вход микросхемы.

При непрерывном поступлении импульсов от датчика вращения в цепь, конденсаторы С3 и С4 будут постоянно разряжены, создавая на входах микросхемы Д 1/4 и Д 1/1 нулевые сигналы. На выходах 11 и 3 микросхемы установятся логические единицы, которые открыв транзистор Т3 закроют транзистор Т4. Реле К будет обесточено.

При аварии подача импульсов прекращается, нули на выходе микросхемы закрывают  транзистор Т3 и открывают транзистор Т4, который включает реле, а оно либо блокирует схему, либо включает аварию.

В качестве чувствительного элемента схемы, использован ИК излучатель в паре с фотодиодом ФД – 25  Рис — 1.

На Рис – 2 изображена принципиальная схема, а печатная плата показана на Рис – 3

На Рис – 2 изображена принципиальная схема, а печатная плата показана на Рис – 3

Данная схема датчика вращения, установленная мною на швейные машинки с программным управлением, несколько лет успешно фиксирует обрыв нитки.

В более массивных системах можно применить бесконтактные сенсоры (выключатели) БВК, БТП, КВП любой серии Рис — 4.

Источник: http://selhozpro.ru/elektronika/datchik-vrashheniya.html

ШИМ-регулятор на Arduino

  Простой ШИМ-регулятор легко можно сделать с помощью Arduino. Для примера возьмём всем известный контроллер Arduino UNO , который построен на ATmega328.

  Он имеет 14 цифровых входов/выходов ( 6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)  и  6 аналоговых входов. Arduino UNO недорого можно купить здесь – http://ali.

pub/y24f1

   Для наших целей понадобится один аналоговый вход – А0, который используем для подключения переменного резистора, а также один выход ШИМ – возьмём 11. Соберём простую схему : 

 

      И напишем простую программу для управления яркостью светодиода , подключённого к 11 выходу ШИМ. Регулировать будем переменным резистором, который подключен к аналоговому входу А0.

   Получаем первый результат  –  яркость светодиода изменяется с помощью переменного резистора. Для управления какой-нибудь силовой нагрузкой включённой в сеть 220 вольт такой ШИМ тоже сгодится, только желательно сделать гальваническую развязку между силовой частью и Arduino.  Можно взять готовый кусочек схемы из предыдущей страницы ” ШИМ-регулятор 220 В( IGBT)”

    Провёл небольшие испытания этого ШИМ-регулятора – сначала как обычно подключил активную нагрузку ( лампочку накаливания) а затем и коллекторный двигатель. Всё работает. Снял видео – 

                                       

 Далее по плану использовать обратную связь от таходатчика коллекторного двигателя для поддержания стабильных оборотов, а также увеличить частоту ШИМ. 

   Добавил обратную связь по таходатчику для регулятора оборотов . Для этого собрал простую схему обработки сигнала таходатчика 

и подал это сигнал на аналоговый вход  А1.  Для защиты входа Ардуино от перенапряжения поставил ещё стабилитрон на 5.1  вольт. Получилась такая схема

 Для написания программы  управления оборотами коллекторного двигателя  использовал библиотеку PID – регулятора для Arduino.

#include // подключаем библиотеку PID-регулирования

double pwmSet, pwmSpeed, pwmOut; //  //переменные для пид-регулятора PID myPID(&pwmSpeed, &pwmOut, &pwmSet, 0.2, 0.5, 0, DIRECT); // Подобрал коэфф пид-регулятора Kp=0.2, Ki=0.5, Kd=0 . #define PWM_PIN   11 // выход ШИМ #define SET_PIN    0 // установка оборотов  0-5 вольт  мин-макс #define TACHO_PIN  1 // сигнал от таходатчика 0-5 вольт  мин-макс void setup() {     myPID.SetMode(AUTOMATIC); } void loop()  {     pwmOut = constrain ( pwmOut , 0, 250); // это необязательно – по умолчанию 0-255     pwmSet  =  analogRead(SET_PIN); // считываем показания потенциометра регулировки скорости     pwmSpeed = analogRead(TACHO_PIN); // считываем показания таходатчика     myPID.Compute(); //  здесь происходят вычисления пид-регулятора – то есть pwmOut     analogWrite(PWM_PIN, pwmOut);//  получаем выходной сигнал ШИМ }

В результате получилось очень даже неплохо – регулируются обороты двигателя с поддержанием мощности. Снял по этому поводу видео – 

Источник: http://www.motor-r.info/p/blog-page_19.html

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки – рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

• изменения расхода воздуха в системе вентиляции
• регулирования производительности насосов
• изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

• изменение напряжения питания двигателя
• изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя – разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

S=(n1-n2)/n2

n1 – скорость вращения магнитного поля

n2 – скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения – из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз – то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор – это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

 На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

 Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

 Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи – два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно “отрезается” кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки – ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования – пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно – шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения – для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

• низкая стоимость
• малая масса и размеры 

  Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя 
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель – электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы – полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы – диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

 Плюсы электронного автотрансформатора:

• Небольшие габариты и масса прибора
• Невысокая стоимость
• Чистая, неискажённая форма выходного тока
• Отсутствует гул на низких оборотах
• Управление сигналом 0-10 Вольт

 Слабые стороны:

• Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
• Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина – не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие – массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование – основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей – INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

Xc=1/2πfC

f – частота тока

С – ёмкость конденсатора

 В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя – в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:
• возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
• многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
• входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
• различные выходы
• коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
• предустановленные скорости
• ПИД-регулятор

 Минусы использования однофазного ПЧ:

• ограниченное управление частотой
• высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого – магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

 Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями

Источник: https://MasterXoloda.ru/4/upravlenie-skorostyu-vrashheniya-odnofaznyh-dvigatelej

Электробайк. Контроллер двигателя своими руками

Как вы уже знаете из прошлых постов, у нас в компании есть DIY-движение.

В свободное от работы время коллеги занимаются фрезеровкой печатных плат в домашних условиях, делают тепловизор на FLIR Lepton, а также решают семейные разногласия с помощью 4 контроллеров и 2 умных часов.

Продолжим серию увлекательный историй! Сегодня я расскажу, как сделать контроллер к трехфазному двигателю электровелосипеда своими руками. Целью создания такого контроллера было:

1. Изучение работы трехфазного мотора под управлением контроллера.
2. Большинство контроллеров для электровелосипедов, представленных на рынке, — китайские. Они хоть и относительно дешевые (около 2.000 руб в зависимости от мощности), но являются неведомой коробкой, в которой неизвестно что происходит. И сразу к ней возникает очень много вопросов — экономично ли она потребляет и распределяет ток, какой у нее запас мощности, почему так сильно перегревается, преждевременно срабатывает защита по току и т.д.

В тоже время на рынке представлены европейские качественные контроллеры для электробайков. Они оснащаются расширенными функциями, работают на разных напряжениях и токах и их можно программировать. Устанавливаются они на сверхмощные электровелосипеды. Но цена у них кусается — 10-20 тыс. рублей.

В итоге я решил пойти своим путем: разобраться в устройстве контроллера, сделать его прототип, а затем попытаться сделать контроллер качественнее китайского контроллера. На текущий момент проект у меня в разработке только и на уровне прототипа, готового варианта пока нет. Буду рад услышать ваши комментарии и советы.

Применение

В электровелосипедах используются трёхфазные бесщёточные электродвигатели с датчиками Холла. Стоит отметить, что применение подобных трёхфазных двигателей достаточно обширно:

• Бытовая техника
• Оргтехника
• Электротранспорт
• Промышленность

Устройство двигателя

Для разработки контроллера необходимо разобраться с принципом работы самого электродвигателя.

Электродвигатель состоит из фазных обмоток, магнитов и датчиков Холла, отслеживающих положение вала двигателя.

Конструктивно электродвигатели делятся на два типа: инраннеры и аутраннеры.

У инраннеров магнитные пластины крепятся на вал, а обмотки располагаются на барабане (статоре), в этом случае в движение приводится вал. В случае аутраннера всё наоборот: на валу — фазные обмотки, а в барабане — магнитные пластины. Это приводит в движение барабан.

Так как у велосипеда колесо крепится валом на раму, то здесь применителен тип аутраннера.

На этой картинке условно представлены три фазы с обмотками, соединёнными между собой. В реальности обмоток намного больше, они располагаются равномерно с чередованием по фазам по окружности двигателя. Чем больше обмоток — тем плавнее, чётче, эластичнее работает двигатель.

В двигатель устанавливаются три датчика Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, тем самым определяя положение ротора относительно статора двигателя. Устанавливаются с интервалами в 60 или 120 электрических градусов.

Эти градусы относятся к электрическому фазному обороту двигателя. Необходимо учитывать, что чем больше в двигателе обмоток на каждую фазу, тем больше происходит электрических оборотов за один физический оборот мотор-колеса.

Обмотки трёх фаз в большинстве случаев соединяются между собой по двум схемам: звезда и треугольник. В первом случае ток проходит от одной из фаз к другой, во втором — по всем трём фазам в разной степени. Иногда эти две схемы подключения комбинируют в одном двигателе, например в электромобилях.

При старте и наборе скорости идёт соединение фаз по звезде: она даёт больший момент при относительно низких оборотах; далее, после набора скорости, происходит переключение на треугольник, в результате количество оборотов увеличивается, когда уже не нужен большой крутящий момент.

По сути, получается условно автоматическая коробка передач электродвигателя.

Цикл работы

Чтобы привести в движение трёхфазный двигатель, нужно рассмотреть цикл его работы за электрический оборот. Итак, имеем три фазы — A, B, C. Каждая из фаз получает положительную и отрицательную полярности в определённый момент времени. Поочерёдно по шагам пропускается ток от «плюса» одной фазы к «минусу» другой фазы. В итоге получается шесть шагов = три фазы × две полярности.

A+, A–, B+, B–, C+, C–

Рассмотрим эти шесть шагов цикла. Предположим, что положение ротора установлено в точке первого шага, тогда с датчиков Холла мы получим код вида 101, где 1 — фаза А, 0 — фаза B, 1 — фаза С. Определив по коду положение вала, нужно подать ток на соответствующие фазы с заданными полярностями. В результате вал проворачивается, датчики считывают код нового положения вала — и т. д.

В таблице указаны коды датчиков и смена комбинаций фаз для большинства электродвигателей. Для обратного хода колеса (реверса) достаточно перевернуть знаки полярности фаз наоборот. Принцип работы двигателя довольно прост.

Цикл двигателя представлен в gif-анимации.

Транзисторы и Н-мост

Но чтобы поочерёдно подавать ток на каждую из фаз и менять их полярность, необходимы транзисторы. Ещё нам нужна передача больших токов, высокая скорость переключения и чёткость открытия/закрытия затворов.

В данном случае удобнее управлять затворами по напряжению, а не по току. Поэтому оптимальны полевые (MOSFET) транзисторы. Чаще всего их используют в контроллерах.

Очень редко можно встретить комбинированный вариант транзисторов.

Для переключения фаз со сменой их полярностей используют классическую схему Н-моста (H-Bridge) из полевых транзисторов.

Он состоит из трёх пар транзисторов. Каждая из пар подключается к соответствующей фазе обмотки двигателя и обеспечивает подачу тока со значением (+ или –).

Транзисторы, отвечающие за включение фазы с положительным значением, называют верхними ключами. С отрицательным — нижними. Для каждого шага открывается пара ключей: верхний одной фазы и нижний соседней фазы.

В результате ток проходит от одной фазы к другой и приводит электродвигатель в движение.

Из схемы видно, что мы не можем включить одновременно верхний и нижний ключ у одной и той же фазы: произойдёт короткое замыкание. Поэтому очень важно быстрое переключение верхних и нижних ключей, чтобы в переходных процессах не появилось замыкание. И чем качественнее и быстрее мы обеспечим переключения, тем меньше у нас будет потерь и нагрева/перегрева транзисторов H-моста.

Для запуска остаётся обеспечить управление затворами ключей H-моста. Для управления H-мостом нужно:

1. Считать показания датчиков Холла.
2. Определить, в каком положении какую пару ключей включать.
3. Передать сигналы на соответствующие затворы транзисторов.

Прототип на Ардуино

Под рукой у меня была Arduino UNO, и я решил собрать контроллер на её основе.

Первым делом я подал на датчики Холла питание 5 вольт от Ардуино (его достаточно для датчиков). Сигнальные провода от датчиков подключил на цифровые пины Ардуино, написав простейшую программу для считывания и обработки сигналов с датчиков.

//Пины ключей Н-мостов const int TRAplus = 8;
const int TRAminus = 9;
const int TRBplus = 10;
const int TRBminus = 11;
const int TRCplus = 12;
const int TRCminus = 13; //датчики холла
const int HallA = 3;
const int HallB = 1;
const int HallC = 0; boolean vala;
boolean valb;
boolean valc; boolean pvala;
boolean pvalb;
boolean pvalc; int pHall; int turns; void setup() { //Установка пинов ключей на выход pinMode(TRAplus, OUTPUT); pinMode(TRAminus, OUTPUT); pinMode(TRBplus, OUTPUT); pinMode(TRBminus, OUTPUT); pinMode(TRCplus, OUTPUT); pinMode(TRCminus, OUTPUT); //Вывод данных через серийный порт Serial.begin(9600); } void loop() { //Считываем датчики Холла и записываем их значение в val vala = digitalRead(HallA); valb = digitalRead(HallB); valc = digitalRead(HallC); //Счётчик оборотов колеса. Необходима доработка if(vala && !pvala) { if(pHall == HallC) // или HallB в обратную сторону turns++; pHall = HallA; } if(valb && !pvalb) { if(pHall == HallA) // или HallC в обратную сторону turns++; pHall = HallB; } if(valc && !pvalc) { if(pHall == HallB) // или HallA в обратную сторону turns++; pHall = HallC; } digitalWrite(TRAplus, (vala && !valb) ? HIGH : LOW); //если vala==HIGH и valb==LOW, тогда записать HIGH, иначе LOW digitalWrite(TRAminus, (valb && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRBplus, (valb && !valc) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRBminus, (valc && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRCplus, (valc && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRCminus, (vala && !valc) ? HIGH : LOW); pvala = vala; pvalb = valb; pvalc = valc; Serial.print(vala); Serial.print(valb); Serial.println(valc); //Serial.println(turns/3); }

Затем собрал Н-мост из полевых NPN-транзисторов. Подвёл к мосту независимое питание на 12 вольт. Но при отладке, чтоб убедиться в работоспособности, я подключил напрямую шесть пинов 5V из Ардуино на затворы H-моста.

У большинства полевых транзисторов затвор работает на 20 вольт. Так делать нельзя, потому что Н-мост будет плохо работать и перегреваться. Но для кратковременных тестов это пойдёт.

Кое-как, с сильными перегревами и страшными звуками, вибрациями и толчками колесо медленно закрутилось. Начало положено.

Мостовые драйверы

Далее предстояла работа над напряжением 20 вольт на управление затворами. Для этого существуют мостовые драйверы транзисторов, они обеспечивают стабильные импульсы в 20 вольт на затвор и высокую скорость отклика. Сначала у меня были популярные драйверы для маломощных моторов L293D.

Для управления затворами его достаточно, к тому же их очень просто использовать. Один такой драйвер может обеспечить питанием две пары ключей. Поэтому я взял две штуки L293D.

Собрал контроллер с этими драйверами, и колесо начало крутиться существенно плавнее, посторонних звуков стало меньше, нагрев транзисторов уменьшился.

Но при увеличении оборотов синхронизация с контроллером пропадала, появлялся посторонний звук, колесо дёргалось, вибрировало и полностью останавливалось.

В это же время я наткнулся на два варианта мостовых драйверов:

• HIP4086
• IR2101

Что касается HIP4086, то это полноценный мостовой драйвер, предназначенный для трёхфазного электродвигателя. Мне он показался несколько замороченным, и мои попытки использовать его в контроллере не увенчались успехом: он у меня так и не заработал. Углублённо разбираться в причинах не стал.

А взял я IR2101 — полумостовой драйвер, обеспечивающий работу нижнего и верхнего ключей для одной фазы. Несложно догадаться, что таких драйверов нужно три. К слову, драйвер очень прост в использовании, его подключение происходит безболезненно и легко. Получилась такая схема:

Печатная плата

И готовый результат

Собрал контроллер с этим драйвером и запустил двигатель. Ситуация с работой электродвигателя кардинально не поменялась, симптомы остались те же, как и в случае с драйвером L293D.

Аппаратное прерывание

И тут я понял, в чём дело: Ардуино не успевает обрабатывать показания датчиков Холла! Поэтому необходимо было использовать пины Ардуино с аппаратным прерыванием. Так как у Ардуино УНО таких пинов всего два, а под датчики нужно три пина, надо взять Ардуино Леонардо или Искра Нео, где таких пинов — четыре штуки.

Переписав программу под прерывания и подключив Искру Нео вместо УНО, я повторил испытания.

//Пины ключей Н-мостов const int TAH = 8; //T — транзистор, А — фаза (синяя), Н — верхний ключ полумоста
const int TAL = 9; //T — транзистор, А — фаза (синяя), L — нижний ключ полумоста
const int TBH = 10; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), H — верхний ключ полумоста
const int TBL = 11; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), L — нижний ключ полумоста
const int TCH = 12; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), H — верхний ключ полумоста
const int TCL = 13; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), L — нижний ключ полумоста
//————————————————————————————————
//датчики холла
int HallA = 3; //пин 1 (с прерыванием)
int HallB = 1; //пин 2 (с прерыванием)
int HallC = 0; //пин 3 (с прерыванием)
//————————————————————————————————
volatile boolean vala;
volatile boolean valb;
volatile boolean valc;
//————————————————————————————————
void setup() { //Установка пинов ключей на выход pinMode(TAH, OUTPUT); pinMode(TAL, OUTPUT); pinMode(TBH, OUTPUT); pinMode(TBL, OUTPUT); pinMode(TCH, OUTPUT); pinMode(TCL, OUTPUT); //Считывание датчиков Холла vala = digitalRead(HallA); valb = digitalRead(HallB); valc = digitalRead(HallC); //Аппаратное прерывание на пинах датчиков Холла attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallA), changeA, CHANGE); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallB), changeB, CHANGE); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallC), changeC, CHANGE); //LOW вызывает прерывание, когда на порту LOW //CHANGE прерывание вызывается при смене значения на порту с LOW на HIGH, и наоборот //RISING прерывание вызывается только при смене значения на порту с LOW на HIGH //FALLING прерывание вызывается только при смене значения на порту с HIGH на LOW
}
void Fases() { digitalWrite(TAH, (vala && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TAL, (valb && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TBH, (valb && !valc) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TBL, (valc && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TCH, (valc && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TCL, (vala && !valc) ? HIGH : LOW); void changeA() { vala = digitalRead(HallA); Fases();
}
void changeB() { valb = digitalRead(HallB); Fases();
}
void changeC() { valc = digitalRead(HallC); Fases();
} void loop() {
}

Колесо наконец-то заработало чётко, без вибраций, шумов, отлично стало набирать обороты без рассинхронизации. Прототип оказался жизнеспособным. Но это ещё не полноценный контроллер, поскольку в нём не было обвязки с защитами и обеспечением качественного ШИМ-сигнала.

Прототип на базе микросхемы MC33035

Параллельно с разработкой контроллера на Ардуино я рассматривал альтернативные варианты логической части контроллера. И это привело меня к микросхеме MC33035. Это старая разработка от Motorola, сейчас её выпускает ON Semiconductor. Создана специально для мощных трёхфазных двигателей.

Данная микросхема:

• Отвечает за всю логическую часть контроллера
• Считывает показания с датчиков Холла
• Определяет положения вала
• Выдаёт сигналы для затворов Н-моста на их драйверы
• Имеет возможность подключения индикатора ошибок, перегрева
• Обрабатывает и передает ШИМ-сигнал (PWM)
• Осуществляет реверс (обратный ход колеса)

Одним словом, микросхема содержит всё необходимое для управления электродвигателем. Её стоимость очень низкая: на Алиэкспрессе — около 50 рублей. Для сборки полноценного контроллера на её основе потребуется микросхема MC33035, полумостовые драйверы и Н-мост из полевых транзисторов.

Я также собрал контроллер на этой микросхеме. Работает отлично, стабильно, колесо крутится как надо на различных оборотах.

Но функционал микросхемы ограничен, если необходимо наворотить различные функции, вывод на дисплей скорости, одометр, расход батареи, то опять же возникает необходимость дополнительно подключить Ардуино или что-то аналогичное.

Схема с MC33035

Печатная плата

Готовый вариант

Итог

Главное преимущество контроллера на базе MC33035 — это простота в использовании. Просто покупаете микросхему, собираете Н-мост, спаиваете всё на плату с небольшой обвязкой — и контроллер готов. Если нужно просто запустить двигатель с ШИМ-сигналом и управлять им — оптимальный вариант.

Контроллер на базе Ардуино — вариант сложнее, понадобится писать логику, обеспечивать дополнительные защиты контроллера. Но для экспериментов, прототипов, дополнительного функционала, использования различных режимов работы двигателя — подходящий вариант. Поэтому я решил пока отложить MC33035 и продолжить работу с Ардуино.

Планы на будущее контроллера

Продолжая работу над контроллером, планирую сделать следующее:

• IGBT-транзисторы для H-моста вместо полевых транзисторов.
• Обвязку с защитами по току, перегреву и т. п.
• Полноценный круиз-контроль с возможностью выставлять необходимую скорость движения.
• Расходомер. Когда задаётся необходимое расстояние, а контроллер, исходя из этого значения и заряда аккумулятора, дозирует разряд аккумулятора на всём протяжении маршрута так, чтобы зарядки хватило.

Источник: http://www.pvsm.ru/diy/253747

Коллекторный двигатель: принцип действия и устройство, регуляторы оборотов, контроллер управления на ШИМ tda1085

В настоящее время коллекторные двигатели получили широкое применение в быту и на производстве. Такие электромеханические устройства могут быть как постоянного, так и переменного тока.

В зависимости от их предназначения возникает необходимость в изменении скорости вращения оборотов электродвигателя.

С такой задачей может справиться тиристорный регулятор напряжения или симисторный регулятор мощности для электродвигателя.

Коллекторные электродвигатели

Коллекторный двигатель (КД) представляет собой электрическую машину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую и обратно. Классифицируются КД по роду питающего тока, их разделяют на следующие группы:

• Питание постоянным током. Имеют простую конструкцию, высокий пусковой момент и управляются плавной регулировкой частоты вращения.
• Универсальные КД можно питать от постоянного и переменного напряжения. Основные достоинства: простота управления, недорогая стоимость и компактность.

КД постоянного тока в зависимости от типа индуктора могут быть на постоянных магнитах или дополнительных катушках возбуждения. Постоянные магниты создают необходимый магнитный поток, способствующий образованию вращающего момента. Двигатели, где применяются катушки возбуждения, различаются по типу обмоток.

Двигатели универсальные состоят из следующих элементов:

1. Коллектора.
2. Щеткодержателей для фиксации щёток.
3. Щёток (графитовых или медно-графитовых), служащих для электрического контакта между статорными обмотками и обмотками якоря.
4. Статорного сердечника, как правило, состоящего из электротехнической стали.
5. Обмотки статора.
6. Вала якоря.

Такого типа КД могут быть с параллельным и последовательным возбуждением.

Универсальные двигатели могут работать также и от переменного напряжения, когда при смене полярности в обмотках возбуждения возникает наводящий ток необходимого направления для реверсирования вращения якоря (аверс/реверс). Для регулировки скорости вращения вала электродвигателя, используются различные электрические схемы регуляторов оборотов коллекторных двигателей.

Регуляторы оборотов для КД

Существует несколько типов управляющих схем для регулировки оборотов коллекторных двигателей. Для маломощных устройств с напряжением питания 12 В (вольт) можно использовать реостат или простейшую схему, собранную на транзисторе, за основу которой можно взять любой компенсационный стабилизатор постоянного тока с регулировкой напряжения.

Для плавной регулировки оборотов якоря более мощного КД необходим тиристорный регулятор напряжения постоянного тока. Для протекания тока через тиристор необходимо на его управляющий электрод подать кратковременный импульс.

В зависимости от частоты поданных импульсов создаётся порог открывания тиристора, что изменяет величину напряжения на выходе регулятора оборотов.

Частоту импульсов можно изменять, включив в схему регулятора генераторный транзистор, например, КТ117, или собрать схему управления на таймере 555 (КР1006ВИ1 отечественного производства).

Регулировку рекомендуется производить с помощью регулятора оборотов коллекторного двигателя с обратной связью, который задаёт скорость вращения с помощью формирователя опорного напряжения в схеме. В момент нагрузки скорость вращения снижается, а вместе с ней вращающий момент.

За счёт уменьшения противо-ЭДС между управляющим электродом и катодом тиристора возникшей в двигателе пропорционально увеличится напряжение управления на тиристоре. Увеличение величины напряжения, с малым фазовым углом, открывается тиристор и подаёт на двигатель максимальный ток.

Тиристорный регулятор по схематическим соображениям не может регулировать обороты асинхронных электродвигателей.

Особенности бесколлекторного двигателя

С виду бесколлекторный двигатель схож с КД, но по конструктивным особенностям имеется различие из-за отсутствия коллектора и щёток.

В бесколлекторном двигателе постоянные магниты расположены вокруг вала, так называемого ротора, а обмотки находятся непосредственно на статоре вокруг ротора и имеют определённое количество пар полюсов, от которых зависит скорость мотора.

Некоторые бесколлекторные моторы оснащаются сенсорными датчиками, предназначенными для слежения за положением ротора, и управляются электронными регуляторами скорости, собранными на контроллере.

Основными достоинствами бесколлекторных моторов являются отсутствие искрения щёток, создающих помехи, и отсутствие постоянного трения, повышающего температуру внутри двигателя. Отсутствие изнашивающихся частей — коллектора и щёток — увеличивает срок эксплуатации таких моторов, не считая замены подшипников. К недостаткам можно отнести лишь высокую стоимость изделия.

Особой популярностью пользуются однофазные асинхронные двигатели переменного тока, которые используют в различных станках на производстве, а также в бытовых электроприборах, где необходимо использовать разные скорости вращения. Для этих целей используется симисторный регулятор мощности для электродвигателя.

Источник: https://elektro.guru/bez-rubriki/regulyator-oborotov-kollektornogo-dvigatelya-svoimi-rukami-2.html

Регуляторы хода для бесколлекторных моторов

Источник: http://www.rcdesign.ru/articles/radio/esc_brushless

• Главная
• Другое

Датчик оборотов двигателя для контроллераСсылка на основную публикацию Adblock
detector