Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2014 №10

Управление двигателем постоянного тока

Рентюк Владимир


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

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

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

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

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

Схема управления для маломощных двигателей

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

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

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

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

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

График выходного тока  и выходного напряжения регулятора

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

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

График зависимости мощности, развиваемой двигателем от нагрузки

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

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

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

Упрощенный вариант аналогового регулятора

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

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

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

Ток ограничения задается резистором Rlim и равен:

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

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

График выходного тока и выходного напряжения регулятора

Рис. 5. График выходного тока (Iout) и выходного напряжения (Vout) регулятора (рис. 4) в зависимости от нагрузки при токе ограничения 200 мА
Графики зависимости мощности и напряжения на двигателе

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

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

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

Схема управления для коллекторных двигателей средней мощности

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Плата управления коллекторным двигателем на базе ИМС LMD18245T

Рис. 8. Плата управления коллекторным двигателем на базе ИМС LMD18245T
Механизм в сборе: на кольцевидной платформе установлена полезная нагрузка

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

Литература

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

Сообщить об ошибке