Управление электродвигателем

Электродвигатели имеют различные принципы действия, но можно выделить три основных типа - двигатели переменного тока, постоянного тока и шаговые.

1. Управление двигателем постоянного тока

Двигатели постоянного тока бывают с постоянными магнитами и без, где магнитное поле создается специальной обмоткой возбуждения. Будем рассматривать самый простой случай с магнитами и будем считать, что двигатель имеет одну обмотку и скорость его вращения зависит от напряжения на обмотке.

Двигатель постоянного тока должен создать при помощи обмотки вращающееся магнитное поле. Для этого традиционно используется на роторе механический переключатель, который коммутирует части обмотки, размещенные в пространстве под разными углами. То есть, подавая сигнал на обмотки, мы изменяем положение магнитного поля в пространстве. И поэтому двигатели постоянного тока сложны в изготовлении и дорого стоят.

Но они обладают хорошим качеством - хорошая зависимость скорости от напряжения на двигателе. И поэтому так, где нужно изменять скорость в широких пределах, использовали двигатели постоянного тока.

При управлении двигателем постоянного тока используется ШИМ-сигнал.

Импульсный ключ, управляющий двигателем, таким образом, имеет малые потери мощности. И поэтому подобные регуляторы широко используются.

Для датчика скорости двигателя обычно используется оптический, то есть диск с отверстиями и фотодатчик. То есть частота пропорциональна скорости вращения.

Рассмотрим демонстрационную схему ключа, работающего на двигателе.

Когда ключ проводит, напряжение поступает на двигатель и через транзистор начинает идти ток обмотки двигателя. Этот ток имеет несколько составляющих. Одна составляющая пропорциональна механической энергии, которая заставляет вращаться двигатель и зависит от механической нагрузки на валу двигателя, от сопротивления нагрузки импульсного трансформатора. Кроме того, есть составляющая, связанная с индуктивностью обмотки, которая обеспечивает намагничивание магнитной системы двигателя.

Коллекторный ток может иметь достаточно сложную форму. Основные проблемы возникают, когда ключ переходит в непроводящее состояние. И здесь в двигателе продолжают действовать два основных механизма - во-первых, индуктивный ток мгновенно исчезнуть не может, поэтому возникает противо-ЭДС, которое стремится поддержать прежнее направление тока.

Второй процесс - двигатель вращается и мгновенно после исчезновения импульса он остановиться не может из-за механической инерции. И в этот момент двигатель превращается в генератор. Магнитное поле изменяется и на обмотках возникает опять ЭДС, только обратного знака. Если двигатель будет работать на холостом ходу, то энергия будет очень большой. И поэтому в двигателе ставят резистивно-диодную цепочку. Эта цепочки уже играет двойную роль, во-первых, она уменьшает амплитуду индуктивного выброса как в импульсном трансформаторе. А во-вторых, она является нагрузкой для псевдогенератора.

Двигатель постоянного тока дорогой из-за сложной технологии изготовления. И там где не требуется регулировки в широком диапазоне, используются более простые двигатели переменного напряжения.

2. Управление двигателем переменного тока

Разновидностей много. При питании от сетевого напряжения скорость вращения слабо зависит от амплитуды напряжения, поэтому, изменяя амплитуду, управлять скоростью вращения не получается, потому что именно частота определяет скорость вращения внутреннего магнитного поля. И поэтому самыми надежными системами управления для них являются системы с двойным преобразованием частоты.

Сетевое напряжение, обычно трехфазное, преобразуется в постоянное напряжение при помощи выпрямителей. И затем постоянное напряжение при помощи ключевой схемы преобразуется в переменное нужной частоты, от которой зависит скорость вращения. В самом простом случае выходной сигнал на двигателе может иметь прямоугольную форму, двигатель будет работать, но высшие гармоники, которые есть в прямоугольном сигнале, будут создавать лишние потери. То есть часть энергии будет тратиться бездарно, и поэтому более продвинутые системы управления генерируют почти синусоидальный сигнал, аппроксимируя его из прямоугольника.

Когда допустим прямоугольный сигнал, иногда используют и ШИМ-модуляцию, считая, что основную гармонику двигатель сам выделит. То есть, изменяя Т_имп, можно управлять амплитудой сигнала, а изменяя период - частотой

Подобные системы управления являются микропроцессорными и содержат сложные высоковольтные ключи. И система целиком стоит в несколько раз дороже самого двигателя. Но, учитывая, что обычный двигатель, как правило, работает с редуктором, который устанавливает на нагрузке нужную скорость, то при наличии системы управления нужного диапазона, дорогой редуктор можно выбросить

3. Общие сведения о шаговом двигателе

Шаговый двигатель имеет дискретную природу, управляется шагами, и хорошо согласуется с цифровой природой процессора.

Упрощенная схема шагового двигателя:

Обмотки находятся на статоре, а ротор движется. Обмотки, или фазу шагового двигателя могут иметь несколько пар, 2,3,4,6, редко больше. Ротор представляет собой вращающееся устройство из магнитного материала.

Рассмотрим работу. Пусть к фазе 1 подключили напряжение, ключ К1 проводит. И между обмотками Ф’ и Ф’’ возникает магнитный поток. Ротор в самом простейшем варианте можно представить как магнитную стрелку. И поток на нее давит и стрелка ориентируется вдоль магнитных линий. Если подадим сигнал на вторую фазу, проводит К2, магнитный потто возникнет между другой парой обмоток и стрелка компаса снова будет ориентироваться вдоль магнитного потока. И говорят, что ротор переместился на 1 шаг.

Такая грубая модель, конечно, не используется, нужно чтобы шаг был меньше. Поэтому делают не одну стрелку, а много, ротор выполняют в виде зубцов. И к фазе притягивается ближайший зубец, ближайшая магнитная стрелка.

Таким образом, включая поочередно фазы шагового двигателя, можно обеспечить его вращение в одну или в противоположную сторону.

Некоторые параметры шагового двигателя

- угловой шаг α=360/(p*m), где p это число стрелок ротора, m - число пар обмоток. Используя α можно найти число оборотов: N_об=F*α*60/360. Используя эту формулу можно вычислять, с какой частотой подавать импульсы на обмотку.

4. Временные диаграммы для шагового двигателя с четырьмя фазами

Таким образом, для управления шаговым двигателем необходимо формировать простейшие временные диаграммы (бегущий огонек). И в самых простых случаях это реализуют при помощи счетчиков или регистров сдвига, но в настоящее время этим как правило, заведует процессор.

Кроме поочередного включения фаз можно использовать одновременном включении двух фаз, которое называется электрическим дроблением шага. Не отключая одну, включают другую. Какое-то время обе фазы работают вместе и их магнитные потоки векторно суммируются. И результирующий поток ориентирует стрелку между фазами. То есть, комбинируя таким образом можно получить в два раза меньшее дискретное движение

5. Особенности процессов в шаговом двигателе

Кривая намагничивания в большинстве случаем имеет гистерезисный вид. Источник питания шагового двигателя, как правило, имеет одну полярность. При однополярном сигнале на фазах магнитная система будет работать на частном цикле перемагничивания, где изменения индукции невелики. Чтобы использовать всю магнитную характеристику при однополярном питании, меняют фазировку соседней фазы, чтобы она создавала намагничивающую силу в обратном направлении. Вместо этого можно использовать мостовые схемы ключей.

Другой особенностью шагового двигателя является форма тока в обмотке. Ток в обмотке может иметь индуктивную составляющую и «механическую». Для простоты пренебрежем механической составляющей. И нарисуем форму тока I_L То есть форма тока намагничивания.

Ток меняется по экспоненте, стремясь к установившемуся значению. Для того, чтобы двигатель имел большую мощность, сопротивление обмотки делают маленьким. Поэтому этот установившийся ток получается большим. И ключи, источник питания могут не выдержать этот ток, поэтому в мощных системах управления шаговыми двигателями стараются стабилизировать ток в фазе, например, ставят некоторое пороговое устройство с двумя порогами, триггер Шмидта. Которое при превышении верхнего порога отключает фазу. Ток начинает уменьшаться, и когда достигается нижний порог, фаза включается.

Таким образом, имеем релейный регулятор в каждой фазе.

При управлении шаговым двигателем приходится учитывать инерционность механики. И для демонстрации такой инерционности нарисуем временную диаграмму положения ротора

При переключении фаз ротор не мгновенно занимает новое положение. Из-за инерционности ротора ему нужно время, чтобы из одного угла переместиться в другой. Переходный процесс изменения положения ротора может быть апериодическим, когда ротор плавно подойдет к новой точке, или колебательным, когда ротор проскочит эту точку и вернется назад.

Системы управления шаговым двигателем должны иметь датчики положения и обеспечивать необходимое качество переходного процесса, то есть учитывать динамику. Все это делается программно.