§ 2.3. Импульсное управление исполнительным двигателем постоянного тока

В связи с развитием полупроводниковой техники все шире применяется импульсное управление исполнительным двигателем. Суть его заключается в том, что частоту вращения двигателя регулируют не величиной постоянно подводимого напряжения, а длительностью питания двигателя номинальным напряжением. Одна из возможных схем импульсного управления приведена на рис. 2.7,а. Там же (рис. 2.7,б) показаны графики скорости при различных t.

В период, когда электронный ключ открыт, питающее напряжение полностью подается на двигатель, ток якоря увеличивается, двигатель развивает положительный момент и частота вращения возрастает; когда электронный ключ закрыт, ток под действием запаса электромагнитной энергии продолжает протекать в том же направлении но через обратный диод. При этом он уменьшается, момент двигателя уменьшается, угловая скорость вращения падает.

Рис. 2.7. Схема импульсного управления (а), графики скорости вращения (б) при разных τ. (τ2 > τ1)

Работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения. И, если эти периоды малы по сравнению с электромагнитной постоянной времени якорной цепи Тэм.а, устанавливается некая средняя скорость, однозначно определяемая относительной продолжительностью включения (скважностью) t = t_и/T, где t_и — длительность импульса напряжения; T — период.

Частота управляющих импульсов составляет 200-400 Гц, в результате период управления Т оказывается на 2 порядка меньше электромагнитной постоянной времени обмотки якоря

Управление, при котором изменяется соотношение длительности импульса t_и и паузы t_п при постоянном периоде Т, называется широтно-импульсным.

Если параметры схемы подобраны так, что колебания тока, момента и угловой скорости вращения небольшие, работа двигателя практически не отличается от работы при постоянном напряжении, за которое можно принять среднее напряжение за период управления Т: U_ср = U_номt_и/T = tU_ном.

Оперируя средними значениями, получим уравнение, аналогичное (2.4), поскольку в данном случае мы имеем якорное управление

На рис. 2.8,а показаны графики тока сети (I_c) и тока якоря (I_a) при относительно больших нагрузках. При малых нагрузках ток двигателя становится небольшим и появляются периоды, когда при закрытом электронном ключе ток якоря уменьшается до нуля. Говорят, наступил режим прерывистых токов (рис.2.8,б). Механические характеристики приобретают перелом и становятся похожими на характеристики двигателя при регулировании реостатом в цепи якоря. В общем случае они имеют вид, представленный на рис. 2.9. Зона, соответствующая прерывистым токам, ограничена пунктирной линией. Критическая относительная частота вращения, при которой наступает перелом, равна

Рис. 2.8. Графики тока сети Ic и тока якоря Ia при больших нагрузках (а) и тока якоря при малых нагрузках (б)

Основное преимущество импульсного управления заключается в уменьшении средней потребляемой мощности за счет уменьшения среднего тока.

§ 2.4. Динамические характеристики исполнительных двигателей постоянного тока

Механические характеристики исполнительных двигателей постоянного тока линейные, поэтому для них выражение электромеханической постоянной времени будет иметь известный вид (1.11).

При якорном управлении характеристики параллельные, т.е. пусковой момент и угловая скорость холостого хода изменяются пропорционально коэффициенту сигнала: М_п = aМ_б, w = aw_б. В этом случае постоянная времени, а следовательно и быстродействие, не зависят от коэффициента сигнала.

При полюсном управлении пусковой момент прямо- а угловая частота вращения холостого хода обратно пропорциональны коэффициенту сигнала: М_п = aМ_б, w= w_б/a. Постоянная времени будет Т_м = Jw_б/М_бa 2 . Видно, что при полюсном управлении быстродействие в сильной степени зависит от коэффициента сигнала, ухудшаясь с его уменьшением.

§ 2.5. Конструкции исполнительных двигателей постоянного тока

По конструкции исполнительные двигатели можно разделить на двигатели с ферромагнитным якорем и малоинерционные, не имеющие ферромагнитного сердечника якоря.

Двигатели с ферромагнитным якорем и обмоткой возбуждения отличаются от обычных машин лишь тем, что имеют полностью шихтованную магнитную систему (якорь, полюса, станину), что продиктовано стремлением уменьшить потери в стали и увеличить быстродействие в переходных режимах. Это двигатели серий СЛ, МИ, ПБС и др. Есть двигатели (серии ДП и ДПМ), в которых роль обмотки возбуждения выполняют постоянные магниты. В остальном они ничем не отличаются от названных выше.

Существуют двигатели, например серии МИГ, в которых обмотка якоря располагается не в пазах (их нет), а непосредственно на поверхности якоря, закрепляясь на ней с помощью специального клея и бандажей. «Беспазовое» исполнение обмотки значительно уменьшает ее индуктивность, улучшает коммутацию и увеличивает быстродействие. Недостатком гладкого якоря является большой немагнитный промежуток между ним и полюсом, что увеличивает размеры обмотки возбуждения.

Малоинерционные двигатели выпускаются двух типов: 1) с дисковым якорем и печатной обмоткой; 2) с полым немагнитным якорем и обычной обмоткой. Один из вариантов двигателя первого типа показан на рис. 2.14. В его состав входят: дисковый якорь 1, выполненный из тонкого изоляционного материала, на обеих сторонах которого фотохимическим методом нанесена обмотка якоря; кольца 2 и 3 из магнитомягкой стали, по которым замыкается магнитный поток, созданный постоянными магнитами 4, и щетки 5, непосредственно касающиеся оголенных проводников якоря. Как видно, здесь отсутствует отдельный коллектор.

Двигатель второго типа показан на рис. 2.15.

Якорь малоинерционных двигателей примерно в 8 раз легче, а момент инерции в 5¸10 раз меньше, чем у обычного двигателя. В результате их постоянные времени в 2¸ 2,5 раза меньше. К тому же они имеют практически безыскровую коммутацию, поскольку их секции обладают меньшей индуктивностью. К недостаткам таких двигателей можно отнести большой воздушный зазор, а, следовательно, большие габариты по сравнению с обычными машинами.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Двигатели постоянного тока и управление ими с помощью широтно-импульсной модуляции. Часть 1.

Электродвигатели это очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических комплексах. Без них наша современная жизнь была бы не такой уж и современной. Они используются во многих сферах потребительской техники и промышленной автоматизации, начиная от небольших двигателей, вращающих барабан стиральной машинки, и заканчивая огромными махинами, приводящими в движение заводские конвейеры и шахтные подъемники.

Традиционно электродвигатели делят на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. Последние в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, приобретают все большую популярность. Но двигатели постоянного тока (ДПТ) тоже имеют свои преимущества, и они еще долгое время будут крутить свои валы в режиме нещадной эксплуатации в различных технических областях, поэтому сегодня речь пойдет именно о ДПТ, точнее об управлении коллекторными электродвигателями постоянного тока.

Такие агрегаты были первыми двигателями, нашедшими широкое применение в промышленном оборудовании, и их до сих пор используют там, где требуется невысокая стоимость конечного устройства, простая установка и управление. На роторе этих двигателей располагается обмотка (1 на рисунке 1), а на статоре — электромагниты (2 на рисунке 1). Щеточные контакты (3 на рисунке 1), которые устанавливаются по окружности вала ротора, применяются для переключения полярности напряжения, прикладываемого к обмотке ротора. Они же создают основную проблему эксплуатации коллекторного ДПТ — ненадежность, поскольку претерпевают сильный износ и требуют периодической замены. Также между щетками и коммутаторными контактами в ходе работы возникают искры, что может привести к возникновению сильных электромагнитных помех. Кроме того, при неправильной эксплуатации всегда имеется риск создать электрическую дугу в коллекторе или, как еще это называют, круговой огонь. В этом случае якорь двигателя гарантированно отживает свой срок.

Рисунок 1 – двигатель постоянного тока

Сегодня получили распространение две схемы управления двигателем такого типа: генератор-двигатель (Г-Д) и преобразователь-двигатель (тиристорный ТП-Д и транзисторный ТрП-Д).

Рисунок 2 – силовые схемы электроприводов постоянного тока а) Г-Д, б) ТП-Д или ТрП-Д

На рисунке 2 показаны две схемы управления ДПТ с независимым возбуждением. В обоих случаях управление угловой скоростью и моментом по абсолютному значению и направлению осуществляют путем регулирования напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре двигателя Д в системе Г-Д регулируют путем изменения силы тока в обмотке возбуждения генератора (ВГ). Для этой цели служит возбудитель генератора ВГ, в качестве которого используют силовые магнитные усилители (системы МУ-Г-Д, хотя это прошлый век, и в современных системах такого не встретишь), тиристорные (ТВ-Г-Д) или транзисторные (ТрВ-Г-Д) преобразователи. В системах ТП-Д напряжение на якоре двигателя регулируют путем фазового управления коммутацией тиристоров, а в системах ТрП-Д путем изменения скважности пульсирующего питающего напряжения, то есть с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Популярность Г-Д, а также ТП-Д с каждым годом падает из-за их громоздкости, аппаратной избыточности и сложности в управлении, по сути, они в основном применяются в промышленности для управления крупными двигателями. А ТрП-Д все чаще применяется в различных технических системах благодаря своей простоте, дешевизне и удобству управления. Также за счет обилия на рынке различных моделей MOSFET и IGBT-транзисторов и драйверов управления их затворами системы ТрП-Д применяются для управления как маломощными, так и крупными двигателями. Думаю, это стоит того, чтобы познакомиться с такими системами ближе.

Итак, сердцем ТрП-Д является широтно-импульсный преобразователь (ШИП), который состоит из четырех транзисторов (рисунок 3). В диагональ такого транзисторного моста включается нагрузка, то есть якорь двигателя. Питается ШИП от источника постоянного тока.

Рисунок 3 – схема транзисторного ШИП

Есть несколько способов управления ШИП по цепи якоря. Самый простой – это симметричный способ. При таком управлении в состоянии переключения находятся все четыре транзистора, и выходное напряжение ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. Сам принцип переключения показан на рисунке 4. Логично предположить, если относительная продолжительность включения будет равна 50%, то на выходе ШИП получим 0 В. Преимуществом симметричного способа является простота реализации, но двухполярное напряжение на нагрузке, вызывающее пульсации тока в якоре, является его недостатком. По сути, он используется для управления маломощными ДПТ.

Рисунок 4 – симметричный способ управления ДПТ

Более совершенным является несимметричный способ управления. Как мы видим на рисунке 5, он обеспечивает на выходе ШИП однополярное напряжение. В данном случае переключаются лишь два транзистора Т3 и Т4, при этом Т1 постоянно открыт, а Т2 постоянно закрыт. Для того, чтобы среднее напряжение на выходе ШИП было равно нулю, достаточно чтобы нижний переключающийся транзистор оставался в закрытом состоянии. Такой подход тоже не очень хорош тем, что верхние ключи загружены по току больше, чем нижние. При больших нагрузках это может привести к перегреву и выходу транзисторов из строя.

Рисунок 5 – несимметричный способ управления ДПТ

Но и с этим недостатком справились, придумав способ поочередного управления (рисунок 6). Здесь как при движении как в одну сторону, так и в другую будут переключаться все четыре транзистора. Обязательным условием является нахождение в противофазе управляющих напряжений транзисторов Т1 и Т2 для одной группы и Т3 и Т4 для другой.

Рисунок 6 – поочередный способ управления ДПТ

Из рисунка видим, что при определенном знаке сигнала задания на скорость длинные импульсы с разницей в полпериода подаются на диагонально противоположные ключи (в данном случае Т1 и Т4). Соответственно, также со сдвигом полпериода на ключи противоположной диагонали подаются короткие импульсы. Таким образом, нагрузка подключается к источнику во время отсутствия коротких импульсов, а во время их присутствия закорачивается либо на питание, либо на землю. При изменении знака задания транзисторы управляются противоположным образом.

В общем, такой краткий теоретический экскурс, надеюсь, поможет понять, как легко и просто запускать ДПТ. Для более подробного осмысления и понимания, что такое двигатели постоянного тока (да и не только постоянного) рекомендую книгу Кацмана М.М. «Электрические машины автоматических устройств». А для детального ознакомления с силовой частью электропривода и принципами управления советую почитать Семенова Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному», Розанова Ю.К. «Основы силовой электроники» и Воронина П.А. «Силовые полупроводниковые ключи».

Во второй части на конкретном примере мы более детально рассмотрим ШИМ-управление и поймем, что двигатель крутится вовсе не потому, что он круглый!