Блок стабилизации оборотов коллекторного двигателя

При использовании электродвигателя в инструментах, одной из серьёзных проблем является регулировка скорости их вращения. Если скорость недостаточно высока, то действие инструмента является недостаточно эффективным.

Если же она излишне высока, то это приводит не только к существенному перерасходу электрической энергии, но и к возможному пережогу инструмента.

При слишком высокой скорости вращения, работа инструмента может стать также менее предсказуемой. Как это исправить? Для этой цели принято использовать специальный регулятор скорости вращения.

Особенно вас должны интересовать схемы, которые работают без потери мощности

Двигатель для электроинструментов и бытовой техники обычно относится к одному из 2 основных типов:

1. Коллекторные двигатели.
2. Асинхронные двигатели.

В прошлом, вторая из указанных категорий имела наибольшее распространение. Сейчас, примерно 85% двигателей, которые употребляются в электрических инструментах, бытовой или кухонной технике, относятся к коллекторному типу. Объясняется это тем, что они имеют большую степень компактности, они мощнее и процесс управления ими является более простым.

Действие любого электродвигателя построено на очень простом принципе: если между полюсами магнита поместить прямоугольную рамку, которая может вращаться вокруг своей оси, и пустить по ней постоянный ток, то рамка станет поворачиваться. Направление вращения определяется согласно «правилу правой руки».

Эту закономерность можно использовать для работы коллекторного двигателя.

Важным моментом здесь является подключение тока к этой рамке. Поскольку она вращается, для этого используются специальные скользящие контакты.

После того, как рамка повернётся на 180 градусов, ток по этим контактам потечёт в обратном направлении. Таким образом, направление вращения останется прежним. При этом, плавного вращения не получится.

Для достижения такого эффекта принято использовать несколько десятков рамок.

Устройство

Коллекторный двигатель состоит обычно из ротора (якоря), статора, щёток и тахогенератора:

1. Ротор — это вращающаяся часть, статор — это внешний магнит.
2. Щётки, сделанные из графита – это основная часть скользящих контактов, через которую на вращающийся якорь подаётся напряжение.
3. Тахогенератор – это прибор, который отслеживает характеристики вращения. В случае нарушения равномерности движения, он корректирует поступающее в двигатель напряжение, тем самым делая его более плавным.
4. Статор может содержать не один магнит, а, например, 2 (2 пары полюсов). Также, вместо статических магнитов, здесь могут быть использованы и катушки электромагнитов. Работать такой мотор может как от постоянного, так и от переменного тока.

• Простота регулировки скорости коллекторного двигателя определяется тем, что скорость вращения прямо зависит от величины поданного напряжения.
• Кроме этого, важной особенностью является то, что ось вращения непосредственно можно присоединять к вращающемуся инструменты без использования промежуточных механизмов.
• Если говорить об их классификации, то можно говорить о:

1. Коллекторных двигателях постоянного тока.
2. Коллекторных двигателях переменного тока.

1. В этом случае, речь идёт о том, каким именно током происходит питание электродвигателей.
2. Разница состоит в том, как организованы эти подключения.
3. Тут принято различать:

• Параллельное возбуждение.
• Последовательное возбуждение.
• Параллельно-последовательное возбуждение.

Регулировка

  Что такое способ организации хозяйственной деятельности

Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Заводские платы регулировки, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах).
3. Кнопки, используемые в конструкции электроинструментах.
4. Бытовые регуляторы освещения с плавным действием.

Однако, все вышеперечисленные способы имеют очень важный изъян. Вместе с уменьшением оборотов, одновременно уменьшается и мощность работы мотора. В некоторых случаях, его можно остановить даже просто рукой. В некоторых случаях, это может быть приемлемо, но большей частью, это является серьёзным препятствием.

Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора. Его обычно устанавливают на заводе.

При отклонениях в скорости вращения мотора, через симисторы в мотор передаётся уже откорректированное электропитание, соответствующее требуемой скорости вращения.

Если в эту схему встроить регулировку вращения мотора, то потери мощности здесь происходить не будет.

Как это выглядит конструктивно? Наиболее распространены реостатная регулировка вращения, и сделанная на основе использования полупроводников.

В первом случае, речь идёт о переменном сопротивлении с механической регулировкой. Она последовательно подключается к коллекторному электродвигателю.

Недостатком является дополнительное выделение тепла и дополнительная трата ресурса аккумулятора. При таком способе регулировк, происходит потеря мощности вращения мотора. Является дешёвым решением.

Не применяется для достаточно мощных моторов по упомянутым причинам.

Во втором случае, при использовании полупроводников, происходит управление мотором путём подачи определённых импульсов. Схема может менять длительность таких импульсов, что в свою очередь, меняет скорость вращения без потери мощности.

Как изготовить своими руками?

Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

Вот схема его работы:

Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.

Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.

Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.

При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.

Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:

На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора.

При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.

  Способ цепных подстановок ахд

Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева. При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.

Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.

Критерии выбора и соимость

Для того, чтобы правильно выбрать наиболее подходящий тип регулятора, нужно хорошо представлять себе, какие есть разновидности таких устройств:

1. Различные типы управления. Может быть векторная или скалярная система управления. Первые применяются чаще, а вторые считаются более надёжными.
2. Мощность регулятора должна соответствовать максимально возможной мощности мотора.
3. По напряжению удобно выбирать устройство, имеющее наиболее универсальные свойства.
4. Характеристики по частоте. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать наиболее высокой частоте, которую использует мотор.
5. Другие характеристики. Здесь речь идёт о величине гарантийного срока, размерах и других характеристиках.

В зависимости от назначения и потребительских свойств, цены на регуляторы могут существенно различаться.

Большей частью они находятся в диапазоне примерно от 3,5 тысяч рублей до 9 тысяч:

1. Регулятор оборотов KA-18 ESC, предназначенный для моделей масштаба 1:10. Стоит 6890 рублей.
2. Регулятор оборотов MEGA коллекторный (влагозащищенный). Стоит 3605 рублей.
3. Регулятор оборотов для моделей LaTrax 1:18. Его цена 5690 рублей.

Источник

Регулятор оборотов электродвигателя 220в без потери мощности

Виды двигателей и принцип работы

Двигатели делятся на три типа: коллекторный, асинхронный и бесколлекторный. В большинстве электроинструментов стоит первый тип. Этот электродвигатель имеет довольно компактный размер.

Его мощность значительно выше, чем у асинхронного, а цена довольно низкая.

Что касается асинхронных, то этот тип в основном используется в металлообрабатывающей отрасли, а также широкое распространение они получили в угледобывающих шахтах. Довольно редко их можно встретить в быту.

Бесколлекторный электродвигатель используется там, где нужны большие обороты, точное позиционирование и малые размеры. Например, в различной медицинской технике, авиамоделировании. Принцип работы довольно прост.

Если рамку прямоугольной формы, которая имеет ось вращения, поместить между плюсами постоянного магнита, то она начнет вращаться. Направление зависит от направления тока в рамке. В составе этого типа присутствуют якорь и статор. Якорь вращается, а статор стоит неподвижно.

Как правило, на якоре стоит не одна рамка, а 4,5 или более.

  Лечим язву народными способами

Асинхронный двигатель работает по другому принципу. Благодаря эффекту переменного магнитного поля в статорных катушках он приводится во вращение. Если углубиться в курс физики, то можно вспомнить, что вокруг проводника, через который проходит ток, создается своеобразное магнитное поле, заставляющее вращаться ротор.

Принцип работы бесколлекторного типа основан на включении обмоток так, чтобы магнитные поля статора и ротора были ортогональны друг другу, а вращающий момент регулируется специальным драйвером.

На рисунке отчетливо видно, что для перемещения ротора нужно выполнить необходимую коммутацию, но и регулировать обороты не представляется возможным. Тем не менее бесколлекторный двигатель может очень быстро набирать обороты.

Устройство коллекторного двигателя

Коллекторный электродвигатель состоит из статора и ротора. Ротором называется часть, которая

вращается, а статор является неподвижным. Еще одной составляющей электродвигателя являются графитовые щетки, по которым ток течет к якорю. В зависимости от комплектации могут присутствовать датчики Холла, которые дают возможность плавного запуска и регулировки оборотов. Чем выше подаваемое напряжение, тем выше обороты. Этот тип может работать как от переменного, так и от постоянного тока.

По классификации коллекторные двигатели можно разделить на те, что работают от переменного и от постоянного тока. Их также можно разделить по типу возбуждения обмотки: двигатели с параллельным, последовательным и смешанным (параллельно-последовательным) возбуждением.

Типы регулировки

Существует довольно много вариантов регулировки оборотов. Вот основные из них:

• Блок питания с регулировкой выходного напряжения.
• Заводские устройства регулировки, которые идут изначально с электромотором.
• Регуляторы на кнопочном управлении и стандартные регуляторы, которые просто ограничивают напряжение.

Эти типы регулировки плохи тем, что с уменьшением или увеличением напряжения падает и мощность. В некоторых электроинструментах это допустимо, но, как показывает практика, в большинстве случаев это является неприемлемым из-за сильного падения мощности и, соответственно, КПД.

Наиболее приемлемым вариантом будет регулятор на основе симистора или тиристора.

Мало того что такой регулятор не уменьшает мощность при уменьшении напряжения, он еще и позволяет осуществлять более плавный пуск и регулировку оборотов. К тому же такую схему можно сделать своими руками.

Ниже изображен регулятор оборотов с поддержанием мощности. Схема собрана на базе симистора BTA 41 800 В.

Все номиналы электроэлементов обозначены на схеме. Это схема после сборки, работает довольно стабильно и обеспечивает плавную регулировку коллекторного двигателя. При уменьшении выходного напряжения мощность не уменьшается, что является весомым плюсом.

При желании можно собрать регулятор оборотов коллекторного двигателя 220 В своими руками. Эта схема собрана на базе симистора ВТА26−600, который предварительно необходимо установить на радиатор, так как при нагрузке этот элемент довольно сильно греется.

К готовой схеме возможно подключить электромотор, мощность которого не превышает 4 кВт.

Схема выглядит следующим образом.

Она успешно справится с регулировкой таких электроинструментов, как дрель, болгарка, циркулярка, лобзик. При желании можно использовать схему в качестве регулятора мощности ТЭН-ов, обогревателей и в качестве диммера. К минусам можно отнести невозможность регулировки мощности приборов, которые питаются от постоянного тока.

Источник

Коллекторный двигатель и регулировка его оборотов

При эксплуатации коллекторных электродвигателей нередко возникает необходимость в регулировании оборотов устройства. Важно при этом не снизить общие показатели мотора, чтобы работа не пошла насмарку. Рассмотрим же детально особенности самостоятельного регулирования.     

Силовые агрегаты данного типа активно используются в бытовой электрической технике, инструментах: стиральных машинах, болгарках, пылесосах, дрелях, квадрокоптерах и др.

это обусловливается высокой результативностью приборов, которые демонстрируют большое число оборотов и высоким крутящим моментом (также и пусковым).

Данных технических характеристик с лихвой хватает на обеспечения работы техники и инструментов на требуемом уровне. 

Сами моторы работают от сетей как постоянного, так и переменного токов, от обычных бытовых сетей. Чтобы осуществить управление скоростями оборотов ротора такого двигателя, необходимо использовать специальные регуляторы. При этом потери в мощностях будут минимальными. 

Общие параметры 

Принцип работы и общая конструкция таких силовых агрегатов известны большинству, ведь при создании или модернизации конструкции не обойтись без познаний в данной категории. Состоит мотор из таких ключевых элементов:

• ротора;
• статора;
• коммутационного узла щеточно-коллекторного типа.

При подаче питания на ротор и статор, на каждом из них образовываются магнитные поля, которые  взаимодействуют между собой. Это в свою очередь вызывает вращения у ротора. 

Подача питания на этот компонент осуществляется с применением графитовых щеток, которые плотно прилегают к ламелям коллектора. Чтобы изменить направленность оборотов ротора, нужно поменять положение фаз напряжения на одном из двух элементов: статоре или роторе. 

Обмотки этих приспособлений могут получать питание от источников, или подключаться друг к другу параллельно. Именно на основе этой особенности силовые агрегаты классифицируются на параллельные и последовательные. От этого зависит способ возбуждения медных обмоток. 

Если говорить про коллекторные моторы последовательного типа, то именно они чаще всего применяются в бытовых электрических приборах. Это обусловливается тем, что именно такое возбуждение дает возможность получать самый устойчивый к перегрузкам мотор. 

Регуляторы стандартные

Что касается данных компонентов, то они реализуются множеством способов. Первая и самая простая схема – тиристорная. Такая технология применяется в бытовых приборах: стиральных машинах, дрелях, шуруповертах, пылесосах, и др. С легкостью подключаются к сетям переменного тока, в том числе и бытового назначения.

Работа этой схемы довольно простая: на всех участках сетевых токов, конденсатор получает ток при помощи резистора. Зарядка осуществляется до уровня открытия динистора, который подключен к регулирующим электродам сисмстора. После этого последний открывается и через него проходит ток к нагрузкам КД. 

Схема дает возможность продуктивно регулировать время подзарядки конденсатора в управленческой цепи, а также определяя среднюю мощность напряжения, подаваемую на мотор. 

 Давайте упорядочим все шаги работы данной схемы. Вот они:

1. подача тока к конденсатору от источника питания на 220 вольт;
2. напряжение для пробоя динистора подается также, но уже через резистор переменного типа;
3. непосредственно пробой;
4. открытие симистора. Компонент работает непосредственно с показателями нагрузки;
5. чем выше напряжение – тем чаще симистор открывается.

Данная технология обеспечивает простое, но в то же время эффективное регулирование интенсивности оборотов. Но, в то же время применение стандартной схемы не обеспечивает обратной связи, что также стоит учитывать при ее реализации. Исходя из этого, нужно также знать, что при изменении показателей нагрузки, параллельно будут нуждаться в настройке обороты мотора. 

Схема симисторная 

  Этот механизм имеет много общих параметров с диммером, применяемом для регулирования уровня яркости ламп накалывания. Обратная связь также отсутствует. Реализовать реверс по току моно, но с применением вспомогательной электроники. Это делается для того, чтобы беспрепятственно удерживать мощность на заданных показателях, не допуская перегревов и перегрузок.  

Реостатная схема

Относится к модифицированным схемам, но, несмотря на это, ее реализация также отличается простотой. С помощью получается стабилизировать обороты, а также рассеивать огромное количество вырабатываемого тепла.

Регулировка осуществляется с помощью радиатора, который нужно заранее заготовить. Надо обеспечить и эффективный отвод тепла, что приводит к потерям энергии и, как следствие – коэффициента полезного действия.

Для того чтобы предотвратить эти недостатки, рекомендуют применять активное охлаждение на постоянной основе.

Полученный регулятор ограничитель отличается своей эффективностью, при реализации смены числа оборотов двигателя. Также достичь производительности помогут силовые транзисторы, «отбирающие» определенную долю напряжения. Это обусловливается тем, что количество тока из сети 220В доходит до мотора в меньшем объеме, благодаря этому, силовой агрегат не сталкивается с большими нагрузками. 

Интегральная

Стабилизация также относится к модифицированным схемам. Здесь в основе процесса регулирования лежит таймер интегрального действия.

Его основная задача – контролировать уровни нагрузки на электродвигатель. Здесь также находят свое применение транзисторы.

Особенность обусловливается микроконтроллером, входящим в состав системы, при этом, обладающим высокими параметрами выходного напряжения. 

В ситуациях, когда имеет место нагрузка в 0,1 ампер, все токи поступают напрямую на плату, обходя транзисторы. Чтобы обеспечить эффективную работу регулятора, необходимо, чтобы на затворе было напряжение 12в.

Следовательно, для слаженной работы, электрическая цепь и уровень напряжения в источнике питания должны соответствовать этому диапазону.

Ресурс регулятора позволяет устанавливать компонент в мощных модификациях, для точного и быстрого регулирования их работы. 

Самостоятельное создание регулятора 

Заводские регуляторы представлены в широком ассортименте, как в интернете, так и обыкновенных магазинах. Но, если у вас нет желания приобретать готовый компонент и вы хотите собрать его самостоятельно – это реально осуществить. Чтобы задача была успешной – необходимо  следовать алгоритму конструкции и иметь в наличии все необходимые компоненты.

Нам понадобятся:

• проводки;
• готовая схема;
• конденсаторные схемы;
• тиристор;
• резистор;
• паяльник.

Ориентируясь на схему компоновки, мощностной и оборотный регулятор будет отвечать за контроль первого полупериода. Самодельный стабилизатор имеет такой  алгоритм работы (пример нашей модели):

1. прибор, подключенный к стандартной сети питания на 220в, принимает ток на конденсатор;
2. компонент сразу же срабатывает, после получения заряда;
3. передача нагрузки к резисторам и нижним кабелям;
4. соединение положительного конденсаторного контакта к тиристорному электроду;
5. подача одного заряда напряжения на достаточном уровне;
6. открытие второго полупроводника;
7. конденсатор подает на тиристор нагрузку, он в свою очередь пропускает ее через себя;
8. конденсатор разряжается;
9. повторение полупериода;

Если мощность двигателя постоянного или переменного тока большая – регулятор обеспечивает экономную работу устройства. Для использования приспособления в своих бытовых, мощности и ресурса хватает.

Но, когда нужно осуществлять регулирование оборотов без потери мощности и более крупных и производительных агрегатов, тогда стоит обратить внимание все же на заводские модификации.

Несмотря на то, что такой вариант получится дороже, он обеспечит 100%-ю работоспособность и надежность. 

А сейчас давайте рассмотрим другие, нестандартные, но довольно распространенные методы регулировки и стабилизации.

Способ 2 

Здесь используется микросхема типа TDA 1085 со стандартной платой. Можно при желании создать собственную, «модернизировав» и изменив неподходящие элементы.

К примеру, можно применять двухстороннюю печатную плату. Конденсаторные и резисторные детали могут применяться при поверхностном монтаже. Рекомендуется развести друг от друга низко- и высоковольтные цепи.

А «земля» должна разводиться с учетом параметров микросхемы. 

В результате получается компактная двусторонняя плата, обеспечивающая точное регулирование.

Частотная регулировка

Для решения этой задачи применяются частотные преобразователи (драйверы, инверторы), которые присоединяются к прибору. Они обеспечивают выпрямление напряжения, поступающего от источника. Агрегаты внутри формируют напряжение и частоты на необходимых уровнях. Далее осуществляется подача этих параметров на эл двигатель.  

Стабилизация коллекторного двигателя 12вВсе характеристики, необходимые для регулирования работы, частотник рассчитывает сам, ориентируясь на внутренние алгоритмы, которые установлены производителем.  

Из преимуществ такого способа стоит выделить:

• быстрое достижение плавности регулировки частот оборотов электрического мотора;
• возможность изменения скоростей и направлений вращения моторов;
• требуемые параметры поддерживаются самостоятельно;
• экономические выгоды.

Из слабых сторон стоит выделить обязательность наличия преобразователя, который нужно приобретать отдельно. Но, справедливости ради отметим, что цена на частотники невысокая и они легко впишутся в бюджет любого дома, хозяйства, предприятия. 

Изменение числа полюсов 

Уменьшение или увеличение количества пар полюсов – еще один эффективный способ провести регулировку.

Этот вариант особо актуален для моделей двигателей многоскоростного действия со сложными роторными обмотками. Данные элементы разделены на определенные группы и чередуются в процессе работы.

Осуществляется это посредством коммутации, подключением последовательным или параллельным способом. 

К преимуществам такого варианта регулировки относят:

• высокий КПД силового агрегата;
• требовательные механические выходные характеристики.

Стоимость реализации – одна из самых высоких, если сравнивать с другими технологиями.  Вес и размеры готовой установки также немаленькие, что требует наличия свободного места для монтажа. Сам мониторинг оборотов осуществляется со ступенью в 1500 – 3000 оборотов в минуту. 

Проведение регулирование в моторах АС

Устройства, работающие от переменного напряжения, также поддерживают регулирование оборотов. Рассмотрим вкратце основные способы такого управления, характерные для АС модификаций с фазными роторами. 

При помощи напряжения

Для этого используются автотрансформаторы типа ЛАТР, которые осуществляют изменение напряжения на моторных обмотках. Таким образом производится и регулирование оборотов вала.

Метод является подходящим также и для вариаций с короткозамкнутыми роторами. Оператор имеет возможность проводить управление в пределах от минимальных до номинальных параметров двигателя. 

Определение сопротивления 

Переменное сопротивление реостата (или несколько таких  явлений) реализуется непосредственно в цепи ротора. Оно воздействует на роторное поле и показатели тока, из-за чего получается изменять величины скольжения и точное число оборотов электродвигателя. Существует закономерность: чем уровень тока меньше, тем выше показатель скольжения двигателя и меньше скорость.

Преимущества:

• широкий диапазон регулирования оборотов электрического оборудования;
• сдержанные выходные характеристики машины.

К недостаткам относят:

• уменьшение продуктивности мотора;
• общее снижение рабочих параметров механизма. 

Применение двойного питания 

Здесь используются двигатели с двойным питанием, подающимся через вентильные приспособления. Основной упор делается на изменение показателей скольжения. При регулировании работы крупных специализированных машин, компонент подает и регулирует величину ЭДС (электродвижущей силы) на ротор от отдельно выбранных источников напряжения. 

Вывод 

При подаче напряжения у асинхронных моделей моторов наблюдаются рывки ротора. Это явление негативно влияет на работу, как самого агрегата, так и его привода. Именно поэтому, регулировка осуществляется по принципу плавного старта. Он обеспечивается такими факторами:

• старт посредством ЛАТР;
• разгон и работу мотора путем переключения обмоток по схемам треугольник/звезда;
• применение защитных устройств, например, частотного преобразователя. 

Важно при регулировании оборотов не потерять в мощности. Применение вышеописанных методов позволит определить вращения без снижения продуктивности. Широкий выбор заводских моделей, но, можно реализовать деталь и самостоятельно.

Стабилизатор оборотов коллекторного двигателя 12В

• Схема стабилизатора оборотов (как и другие аналогичные) основана на получении сигнала, про­порционального частоте вращения
• Основных отличий два:
• — для выделения напряжения про­порционального частоте вращения якоря используется мостовая схема, которая позволяет выделять напряжение противо-ЭДС ротора, пропорциональное скорости вращения

Далее полученное напряжение Uoc можно использовать для обратной связи по сути любого источника питания.

В описываемой схеме мост выглядит следующим образом

1. При соблюдении пропорции R1/R2 = R3/Rя (Rя — сопротивление якоря) и при Uос = 0 — мы получим компенсацию Rя и соответственно Е противо-ЭДС ротора будет равно напряжению стабилизации VD1
2. Если VD1 сделать регулируемым, то, по сути, меняя напряжение его стабилизации, мы меняем напряжение непосредственно на роторе двигателя (скомпенсировав влияние Rя) и обеспечиваем стабильность скорости вращения. 
3. В данном случае за основу была взята TNY268P в стандартной схеме включения (по даташиту)

• Левая от трансформатора часть схемы — стандартная обвязка TNY268 (может быть по сути использована за основу любая конструкция ИБП с максимально широким диапазоном выходного напряжения (этот диапазон определяет диапазон изменения скорости ротора) и требуемой мощностью.
• В правой части схемы собственно мост образуют резисторы R5, R6 и R9 (аналогично R1, R2 и R3 на схеме на среднем рисунке).
• VT1, VT2 и обвязка из резисторов R3, R4, R7 образуют аналог стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации (можно заменить на TL431).
• Собственно Uос появляется между базой и эмиттером VT3, который управляет током светодиода в оптопаре U2, создавая обратную связь.

VD8 введен как компенсатор напряжения база-эмиттер VT3. Емкости C9 и C10 придаю стабильность узлу обратной связи.

Стабилитрон VD9 ограничивает максимальное напряжение на выходе источника питания и, при наличии встроенной защиты от перенапряжения, не нужен.

При подготовке схемы под конкретную модель электродвигателя возможно номинал R5 будет другим (для соблюдения пропорции R5/(0,7*R6) = R9/Rя. Падение напряжения на R9 при номинальном потребляемом токе должно быть около 1В, больше нежелательно — будет сильно греться.

При настройке подстроечным резистором R6 выбираем нужную степень обратной связи, притормаживая двигатель рукой и делая им обороты, наиболее близкие к оборотам без нагрузки, но в то же время не допуская «подергиванием» якоря без нагрузи.

Схема показала хорошую повторяемость, работает как для польской электродрели / шлифовалки 12В Pegasus (вот такой) и работала с другим моторчиком на 24В.

Обороты регулируются от 500 до 12000 об/мин с очень хорошей стабильностью (рукой трудно удержать). Элементы греются незначительно — в основном R9.

Регулятор-стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя с МК

В настоящее время наряду с асинхронными и коллекторными двигателями переменного напряжения в быту и на производстве широко используются коллекторные двигатели постоянного тока. Их преимущество обусловлено, в первую очередь, простотой схемы управления, так как здесь нет необходимости использовать дорогостоящие частотные преобразователи.

Небольшой коллекторный двигатель постоянного тока

Для стабилизации частоты вращения таких двигателей можно обойтись без громоздких и сложных в обслуживании систем на основе датчиков положения ротора и тахогенераторов.

Кроме того, данные двигатели обеспечивают значительный крутящий момент, при возможности регулирования частоты вращения ротора в широких пределах (от максимальной рабочей частоты, превышающей у некоторых двигателей 5000 об/мин, почти до нуля).

По принципу действия схемы управления коллекторными двигателями постоянного тока можно разделить на две основные группы:

• схемы с широтно-импульсным регулированием частоты вращения ротора двигателя;
• схемы с фазовым регулированием частоты вращения ротора двигателя.

Принцип действия, заложенный в первую из них, обеспечивает приемлемые параметры. Схема работает на частотах 1…20 кГц, в качестве ключевых элементов здесь используются мощные транзисторы.

Однако на практике данная схема не обеспечивает должной надежности из-за неустойчивой работы транзисторов при больших импульсных токах.

При перегрузках часто выходят из строя дорогостоящие силовые транзисторы.

Значительно более надежной зарекомендовала себя методика с фазовым управлением частотой вращения, где в качестве регулирующих элементов используются тиристоры. Однако промышленные схемы, в которых используется указанный принцип, достаточно громоздки.

В результате анализа некоторых из указанных схем выяснилось, что можно добиться значительного их упрощения без всякого ухудшения технических характеристик устройства. Стабильность частоты вращения двигателя в схеме, показанной на рис.1, не уступает большинству дорогостоящих импортных ШИМ регуляторов, а по надежности значительно превосходит их.

Схема предназначена для регулировки оборотов коллекторных двигателей типа КПА, КПК или аналогичных мощностью от 90 до 250 Вт и номинальным напряжением 12…48 В. На практике в данной схеме практически  не было случаев выхода из строя полупроводниковых элементов.

Даже при установке плавкого предохранителя FU1 на ток, значительно превышающий номинальный в случае перегрузки или заклинивания двигателя, выгорал 5-ваттный резистивный шунт R2. Все остальные элементы схемы при этом сохраняли работоспособность.

Рис. 1

Как уже отмечалось выше, в основу работы схемы, показанной на рис.1, положен принцип фазовой регулировки частоты вращения коллекторного двигателя с использованием обратных связей по току и напряжению.

Таким образом, указанная схема позволяет обеспечить стабильные обороты двигателя при значительных колебаниях нагрузки на валу, а также питающего напряжения.

Можно реализовать режим, когда при увеличении нагрузки обороты двигателя увеличиваются.

В описываемой конструкции реализовано микропроцессорное управление схемой, однако можно использовать и аналоговое регулирование, с помощью переменного резистора.

На микроконтроллере ATMEGA8515 реализованы следующие функции:

• задание частоты вращения двигателя с помощью кнопок «-» и «+»;
• отображение установленных значений на двухразрядном семисегментном цифровом индикаторе (значения от 00 до 99);
• автоматическое сохранение заданных настроек в энергонезависимую память;
• проигрывание мелодии при включении питания;
• формирование звуковых сигналов при нажатии кнопок;
• автоповтор при длительном удержании кнопок задания.

Выходное напряжение для управления частотой вращения двигателя формируется микроконтроллерной частью схемы посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В устройстве, показанном на рис.1, задействован один канал регулирования, однако благодаря программной реализации ШИМ, при необходимости, число каналов регулирования здесь может быть увеличено до пяти.

Для питания блока стабилизации и самого двигателя использован мощный силовой трансформатор ТР1 с номинальным выходным напряжением 24…48 В и мощностью 200…500 Вт, в зависимости от мощности используемого двигателя.

Следует помнить, что при перегрузках коллекторных двигателей их ток может превышать номинальный в несколько раз.

Этим следует руководствоваться при выборе трансформатора, он должен иметь как минимум двукратный запас по мощности.

Учитывая, что при перегрузках двигателя напряжение на трансформаторе ТР1 может просаживаться, а пульсации значительно возрастать, с целью повышения надежности контроллерная часть устройства запитана от отдельного блока питания на трансформаторе ТР2 с номинальным выходным напряжением 12… 15 В и мощностью около 5 Вт. Напряжение, снимаемое с этого трансформатора, выпрямляется диодным мостом VD2 и поступает на интегральный стабилизатор DA2, обеспечивающий выходное напряжение 5 В, необходимое для питания контроллера DA3.

Силовая часть схемы питается выпрямленным пульсирующим напряжением 24…48 В, снимаемым с диодного моста VD1.

Стабилизированное сглаженное напряжение для питания ОУ DA1 формируется стабилизатором, собранным на транзисторе VT1, резисторах R3, R7, R19, конденсаторах С4, С6, С10 и стабилитроне VD7.

Диод VD4 разделяет пульсирующее напряжение, необходимое для работы тиристора VS1, и сглаженное — стабилизатора напряжения. Светодиод HL1 служит для индикации подачи напряжения питания и работоспособности стабилизатора.

Опорное напряжение для цепи задания скорости вращения двигателя формирует стабилитрон VD8.

Напряжение, задающее скорость вращения двигателя, снимается с резистора R21 и через фильтр на элементах R22, С8, R24 поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1 (вывод 3), где складывается с напряжением обратной связи по току.

Данное напряжение снимается с резистивного шунта R2 и через делитель на резисторах R4, R6 и фильтр R8, С7, R20 поступает на указанный вход ОУ. Элементы VD5, VD6, R5 служат для ограничения напряжения токовой обратной связи до необходимого уровня.

На инвертирующем входе 2 ОУ DA1 напряжение, снимаемое через резисторы R25, R31, R32 с якоря двигателя М, суммируется с опорным напряжением, поступающим со стабилитрона VD8 через резисторы R29, R30.

Напряжение с выхода интегратора DA1 управляет формирователем импульсов на однопереходном транзисторе VT6, определяющем угол открытия тиристора VS1.

Таким образом осуществляется фазовое регулирование частоты вращения ротора двигателя с обратными связями по току и напряжению.

Для управления тиристором VS1, используется импульсный трансформатор ТРЗ, включенный в цепи формирователя импульсов (C11, VT6, R38, R39,VD9).

После сборки устройства и проверки правильности монтажа необходимо через разъем XS1 подключить к схеме программатор и прошить контроллер DA3.

Фьюзы контроллера настраивают на работу от внутреннего RC-генератора частотой 8 МГц, включают детектор снижения напряжения (B0D) и устанавливают напряжение контроля — 4,3 В. Полная конфигурация фьюзов в программе CodeVisionAVR показана на рис.2.

Рис. 2.

Настройка

Отладку схемы начинают с проверки работоспособности контроллерной части. Для этого, не вставляя предохранитель FU1, подключают устройство к сети, при этом на индикаторах HL2-HL3 должны отобразиться нули, а в динамике ВА1 проиграться мелодия.

При каждом нажатии кнопки SA2 значения на индикаторе должны увеличиваться на единицу (при нажатии на SA1 — соответственно уменьшаться), а в динамике раздаваться звуковой сигнал. При длительном удержании любой из кнопок должен начаться автоповтор.

Далее проверяют работу формирователя ШИМ, для этого, подключив вольтметр в точку соединения элементов 05, R9, R10, убеждаются, что напряжение здесь плавно изменяется от 0 до 5 В (при изменении значений на индикаторах от 0 до 99 соответственно).

Перед настройкой силовой части прибора необходимо организовать стенд, позволяющий оперативно контролировать частоту вращения ротора двигателя и менять нагрузку на валу.

Наиболее простым и удобным таходатчиком может служить обычная универсальная магнитная головка от кассетного магнитофона, отработавшая свой ресурс. Ее фиксируют на расстоянии нескольких миллиметров от вала двигателя.

На валу надежно закрепляют (например, с помощью изоленты) небольшой кусочек магнита, чтобы он пересекал магнитный зазор головки при вращении вала двигателя. Выходные контакты головки подключают к осциллографу.

Изменение нагрузки на валу для двигателей мощностью до 200 Вт можно производить, прижимая к нему кусок плотной резины. Кроме того, для настройки необходим регулируемый источник переменного напряжения 24…48 В.

Перед настройкой силовой части устройства вместо постоянного резистора R4 устанавливают подстроечный (для двигателей КПА-563, КПК-564 или аналогичных — 470 Ом при напряжении питания 42 В).

Движок подстроечного резистора R9 устанавливают в среднее положение. Вставив предохранитель FU1 в гнездо, можно приступать к отладке.

При включении питания на индикаторах HL2-HL3 должны отобразиться заданные ранее значения, также должен засветиться индикатор HL1, сигнализирующий о нормальной работе схемы стабилизатора.

С помощью кнопки SA1 задают нулевое напряжение на выходе формирователя ШИМ, установив значение «00». После подачи напряжения питания, подстроечным резистором R29 добиваются полной остановки якоря двигателя и отсутствия на нем напряжения.

Затем, изменяя положение движка подстроечного резистора R21, добиваются начала вращения вала двигателя. Далее нажатием кнопок устанавливают на цифровом индикаторе значение «50» и, добившись устойчивого положения сигнала на экране осциллографа, нагружают вал двигателя.

Изменением сопротивления резистора R4 добиваются постоянства оборотов двигателя (сигнал на экране осциллографа не должен «уплывать») при изменении нагрузки на валу.

Далее выпаивают подстроечный резистор R4, измеряют установленное на нем значение сопротивления и вместо него впаивают постоянный резистор, соответствующего номинала. Желаемый диапазон регулировки оборотов двигателя, при изменении значений от «00» до «99», устанавливают подстроечным резистором R9.

Для настройки узла стабилизации по напряжению входное напряжение схемы с помощью ЛАТРА уменьшают на 10…20% и вращением подстроечного резистора R25 добиваются сохранения стабильности оборотов двигателя. После вновь устанавливают нулевые значения на индикаторе и подстроечным резистором R21 добиваются требуемых начальных оборотов двигателя.

Детали

В качестве диодного моста VD1 можно применить любой с подходящим током на напряжение не менее 100 В. Диодный мост VD2 на ток 0,5…1 А.

В качестве двигателей кроме КПА, КПТ можно использовать самые разнообразные коллекторные двигатели (например, автомобильные от стеклоочистителей) на напряжение 12…48 В, какс постоянными магнитами, так и с независимой обмоткой возбуждения (ОВ). В этом случае ОВ подключается непосредственно к выходу диодного моста VD1. При использовании двигателей на 12 В напряжение на трансформаторе ТР1 может быть уменьшено до 24 В.

Трансформатор ТР1 можно использовать ТПП-321, 322 с типовым выходным напряжением 42 В, либо изготовить самостоятельно с учетом вышеуказанного. В качестве трансформатора ТРЗ вместо МИТ-4 можно использовать практически любой подходящий импульсный трансформатор, предназначенный для управления тиристорами или симисторами.

Отечественный тиристор VS1 допустимо заменить импортным ВТ152 в пластмассовом корпусе, радиатор к нему выбирают исходя из максимальных токов нагрузки.

Резистивный шунт R2 с номинальным сопротивлением 0,1…0,15 Ом мощностью не менее 5 Вт.

Индикаторы HL2-HL3 можно применить любые спаренные с общим анодом. Динамическая головка ВА1 малогабаритная, подходящая по громкости.

• Программа для микроконтроллера (Скачать)
• Виктор Тушнов, г. Луганск
• Источник: Радиоаматор №2, 2015