PWM regulátor. Pulzní šířková modulace. Systém. Regulátor otáček pro komutátorový motor: návrh a vlastní výroba Schematické schéma stabilizátoru otáčení motoru.
Nejjednodušší způsob řízení rychlosti otáčení stejnosměrného motoru je založen na použití pulzně šířkové modulace (PWM nebo PWM). Podstatou této metody je, že napájecí napětí je do motoru přiváděno ve formě impulsů. V tomto případě zůstává frekvence opakování pulzů konstantní, ale jejich trvání se může lišit.
Signál PWM je charakterizován takovým parametrem, jako je pracovní cyklus nebo pracovní cyklus. Toto je převrácená hodnota pracovního cyklu a rovná se poměru trvání pulzu k jeho periodě.
D = (t/T) * 100 %
Obrázky níže ukazují signály PWM s různými pracovními cykly.
S touto metodou řízení bude rychlost otáčení motoru úměrná pracovnímu cyklu signálu PWM.
Jednoduchý obvod řízení stejnosměrného motoru
Nejjednodušší obvod řízení stejnosměrného motoru se skládá z tranzistoru s efektem pole, jehož hradlo je napájeno signálem PWM. Tranzistor v tomto obvodu funguje jako elektronický spínač, který spíná jednu ze svorek motoru na kostru. Tranzistor se otevře v okamžiku trvání pulsu.
Jak se bude motor chovat, když je takto zapnutý? Pokud je frekvence signálu PWM nízká (několik Hz), motor se bude otáčet trhaně. To bude zvláště patrné při malém pracovním cyklu signálu PWM.
Při frekvenci stovek Hz se motor bude otáčet nepřetržitě a rychlost jeho otáčení se bude měnit úměrně pracovnímu cyklu. Zhruba řečeno, motor bude „vnímat“ průměrnou hodnotu energie, kterou mu dodává.
Obvod pro generování PWM signálu
Existuje mnoho obvodů pro generování PWM signálu. Jedním z nejjednodušších je obvod založený na časovači 555. Vyžaduje minimum součástek, nevyžaduje žádné nastavování a lze jej sestavit za jednu hodinu.
Napájecí napětí obvodu VCC může být v rozsahu 5 - 16 Voltů. Jako diody VD1 - VD3 lze použít téměř jakékoli diody.
Pokud vás zajímá, jak tento obvod funguje, musíte se podívat na blokové schéma časovače 555. Časovač se skládá z děliče napětí, dvou komparátorů, klopného obvodu, spínače s otevřeným kolektorem a výstupní vyrovnávací paměti.
Napájecí kolík (VCC) a resetovací kolíky jsou připojeny ke zdroji plus, řekněme +5 V, a zemnící kolík (GND) k minusu. Otevřený kolektor tranzistoru (vývod DISC) je přes rezistor připojen ke kladnému napájecímu zdroji a je z něj odstraněn PWM signál. Není použit pin CONT, je k němu připojen kondenzátor. Piny komparátoru THRES a TRIG jsou zkombinovány a připojeny k RC obvodu sestávajícímu z proměnného odporu, dvou diod a kondenzátoru. Střední pin proměnného rezistoru je připojen k pinu OUT. Krajní vývody rezistoru jsou připojeny přes diody ke kondenzátoru, který je druhou vývodkou spojen se zemí. Díky tomuto zařazení diod se kondenzátor nabíjí přes jednu část proměnného rezistoru a vybíjí přes druhou.
Po zapnutí napájení je pin OUT na nízké logické úrovni, poté budou na nízké úrovni i piny THRES a TRIG díky diodě VD2. Horní komparátor přepne výstup na nulu a dolní na jedničku. Výstup spouště se nastaví na nulu (protože má na výstupu měnič), sepne tranzistorový spínač a pin OUT se nastaví na vysokou úroveň (protože má na vstupu měnič). Dále se kondenzátor C3 začne nabíjet přes diodu VD1. Když se nabije na určitou úroveň, spodní komparátor se přepne na nulu a poté horní komparátor přepne výstup na jedničku. Spouštěcí výstup bude nastaven na jednotkovou úroveň, tranzistorový spínač se otevře a pin OUT bude nastaven na nízkou úroveň. Kondenzátor C3 se začne vybíjet přes diodu VD2, dokud není zcela vybit a komparátory přepnou spoušť do jiného stavu. Cyklus se pak bude opakovat.
Přibližnou frekvenci signálu PWM generovaného tímto obvodem lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:
F = 1,44/(R1*C1), [Hz]
kde R1 je v ohmech, C1 je ve faradech.
S hodnotami uvedenými ve výše uvedeném diagramu bude frekvence signálu PWM rovna:
F = 1,44/(50000*0,0000001) = 288 Hz.
Regulátor otáček stejnosměrného motoru PWM
Zkombinujme dva výše uvedené obvody a získáme jednoduchý obvod regulátoru rychlosti stejnosměrného motoru, který lze použít k ovládání otáček motoru hračky, robota, mikrovrtačky atd.
VT1 je tranzistor typu n s efektem pole, který je schopen odolat maximálnímu proudu motoru při daném napětí a zatížení hřídele. VCC1 je od 5 do 16 V, VCC2 je větší nebo rovno VCC1.
Místo tranzistoru s efektem pole můžete použít bipolární tranzistor n-p-n, Darlingtonův tranzistor nebo optorelé příslušného výkonu.
Hladký chod motoru, bez trhání nebo přepětí, je klíčem k jeho životnosti. Pro ovládání těchto indikátorů se používá regulátor otáček elektromotoru pro 220V, 12V a 24V všechny tyto frekvence lze vyrobit vlastníma rukama nebo si můžete zakoupit hotovou jednotku.
Proč potřebujete regulátor rychlosti?
Regulátor otáček motoru, frekvenční měnič, je zařízení s výkonným tranzistorem, které je nezbytné pro invertování napětí a také pro zajištění plynulého zastavení a rozběhu asynchronního motoru pomocí PWM. PWM – širokopulzní řízení elektrických zařízení. Slouží k vytvoření specifické sinusoidy střídavého a stejnosměrného proudu.
Foto - výkonný regulátor pro asynchronní motorNejjednodušším příkladem měniče je běžný stabilizátor napětí. Ale diskutované zařízení má mnohem širší rozsah provozu a výkonu.
Frekvenční měniče se používají v jakémkoli zařízení, které je napájeno elektrickou energií. Regulátory zajišťují extrémně přesné ovládání elektrického motoru, takže lze otáčky motoru upravovat nahoru nebo dolů, udržovat otáčky na požadované úrovni a chránit přístroje před náhlým přetočením. Elektromotor v tomto případě využívá pouze energii potřebnou k provozu, místo aby jej běžel na plný výkon.
Foto – Regulátor otáček stejnosměrného motoru Proč potřebujete regulátor otáček pro asynchronní elektromotor:
- Pro úsporu energie. Řízením rychlosti motoru, plynulosti jeho startu a zastavení, síly a rychlosti můžete dosáhnout značných úspor osobních prostředků. Například snížení rychlosti o 20 % může vést k 50% úsporám energie.
- Frekvenční měnič lze použít k řízení procesní teploty, tlaku nebo bez použití samostatného regulátoru;
- Pro měkký start není potřeba žádný další ovladač;
- Náklady na údržbu jsou výrazně sníženy.
Zařízení se často používá pro svářečku (hlavně pro poloautomatické stroje), elektrický sporák, řadu domácích spotřebičů (vysavač, šicí stroj, rádio, pračka), domácí topení, různé modely lodí atd.
Foto – PWM regulátor otáček Princip činnosti regulátoru otáček
Regulátor rychlosti je zařízení skládající se z následujících tří hlavních subsystémů:
- AC motor;
- Hlavní ovladač pohonu;
- Pohon a přídavné díly.
Při spuštění střídavého motoru na plný výkon se proud přenese s plným výkonem zátěže, to se opakuje 7-8x. Tento proud ohýbá vinutí motoru a vytváří teplo, které se bude generovat po dlouhou dobu. To může výrazně snížit životnost motoru. Jinými slovy, konvertor je druh krokového invertoru, který zajišťuje dvojitou přeměnu energie.
Foto - schéma regulátoru pro komutátorový motor V závislosti na vstupním napětí usměrňuje frekvenční regulátor otáček třífázového nebo jednofázového elektromotoru proud 220 nebo 380 voltů. Tato akce se provádí pomocí usměrňovací diody, která je umístěna na vstupu energie. Dále je proud filtrován pomocí kondenzátorů. Dále se generuje PWM, za to je zodpovědný elektrický obvod. Nyní jsou vinutí indukčního motoru připravena vysílat pulzní signál a integrovat je do požadované sinusovky. I u mikroelektrického motoru jsou tyto signály vydávány doslova v dávkách.
Foto - sinusoida běžného provozu elektromotoru Jak vybrat regulátor
Existuje několik charakteristik, podle kterých si musíte vybrat regulátor rychlosti pro auto, elektromotor stroje nebo domácí potřeby:
- Typ ovládání. Pro komutátorové motory existují regulátory s vektorovým nebo skalárním systémem řízení. První se používají častěji, ale ty druhé jsou považovány za spolehlivější;
- Napájení. To je jeden z nejdůležitějších faktorů pro výběr elektrického frekvenčního měniče. Je nutné zvolit frekvenční generátor s výkonem, který odpovídá maximálnímu přípustnému na chráněném zařízení. Ale pro nízkonapěťový motor je lepší zvolit regulátor výkonnější, než je přípustná hodnota wattu;
- Napětí. Přirozeně je zde vše individuální, ale pokud je to možné, musíte si koupit regulátor otáček pro elektromotor, jehož schéma zapojení má široký rozsah přípustných napětí;
- Frekvenční rozsah. Převod frekvence je hlavním úkolem tohoto zařízení, proto se snažte vybrat model, který bude nejlépe vyhovovat vašim potřebám. Řekněme, že pro ruční router bude stačit 1000 Hertzů;
- Podle jiných charakteristik. Jedná se o záruční dobu, počet vstupů, velikost (pro stolní stroje a ruční nářadí je speciální nástavec).
Zároveň musíte také pochopit, že existuje takzvaný univerzální regulátor otáčení. Jedná se o frekvenční měnič pro bezkomutátorové motory.
Foto – schéma regulátoru pro bezkomutátorové motory V tomto obvodu jsou dvě části - jedna je logická, kde je mikrokontrolér umístěn na čipu, a druhá je napájecí. V podstatě se takový elektrický obvod používá pro výkonný elektromotor.
Video: regulátor otáček elektromotoru se SHIRO V2
Jak vyrobit domácí regulátor otáček motoru
Můžete si vyrobit jednoduchý regulátor otáček triakového motoru, jeho schéma je uvedeno níže a cena se skládá pouze z dílů prodávaných v jakémkoli obchodě s elektronikou.
K práci potřebujeme výkonný triak typu BT138-600, doporučuje jej radiotechnický časopis.
Foto - schéma regulátoru rychlosti udělej si sám V popsaném zapojení se budou otáčky nastavovat pomocí potenciometru P1. Parametr P1 určuje fázi příchozího pulzního signálu, který následně otevírá triak. Toto schéma lze použít jak v polním zemědělství, tak doma. Tento regulátor můžete použít pro šicí stroje, ventilátory, stolní vrtačky.
Princip činnosti je jednoduchý: v okamžiku, kdy motor trochu zpomalí, jeho indukčnost klesne a tím se zvýší napětí v R2-P1 a C3, což následně vede k delšímu rozepnutí triaku.
Tyristorový regulátor zpětné vazby funguje trochu jinak. Umožňuje energii proudit zpět do energetického systému, což je velmi ekonomické a prospěšné. Toto elektronické zařízení zahrnuje zahrnutí výkonného tyristoru do elektrického obvodu. Jeho schéma vypadá takto:
Zde je pro napájení stejnosměrného proudu a usměrnění zapotřebí generátor řídicího signálu, zesilovač, tyristor a obvod pro stabilizaci otáček.
K provádění mnoha druhů prací na dřevě, kovu nebo jiných typech materiálů nejsou potřeba vysoké rychlosti, ale dobrá trakce. Správnější by bylo říci – okamžik. Právě díky němu lze plánované práce dokončit efektivně a s minimálními ztrátami výkonu. K tomuto účelu slouží jako pohonné zařízení stejnosměrné motory (nebo komutátorové motory), u kterých je napájecí napětí usměrněno samotnou jednotkou. Poté je pro dosažení požadovaných výkonových charakteristik nutné upravit otáčky komutátorového motoru bez ztráty výkonu.
Vlastnosti regulace rychlosti
Je důležité vědět, co každý motor spotřebuje při otáčení nejen činný, ale i jalový výkon. V tomto případě bude úroveň jalového výkonu vyšší, což je způsobeno povahou zátěže. V tomto případě je úkolem návrhu zařízení pro regulaci rychlosti otáčení komutátorových motorů snížit rozdíl mezi činnými a jalovými výkony. Proto budou takové převodníky poměrně složité a není snadné je vyrobit sami.
Vlastníma rukama můžete sestrojit pouze zdání regulátoru, ale o úspoře energie nemá smysl mluvit. co je moc? V elektrických termínech je to odebraný proud vynásobený napětím. Výsledek poskytne určitou hodnotu, která zahrnuje aktivní a reaktivní složky. Pro izolaci pouze aktivního, tedy snížení ztrát na nulu, je nutné změnit charakter zátěže na aktivní. Tyto vlastnosti mají pouze polovodičové rezistory.
Proto, je nutné nahradit indukčnost rezistorem, ale to je nemožné, protože motor se změní v něco jiného a evidentně nic neuvede do pohybu. Cílem bezztrátové regulace je udržet točivý moment, nikoli výkon: ten se bude stále měnit. S takovou úlohou si poradí pouze měnič, který bude řídit rychlost změnou doby trvání otevíracího impulsu tyristorů nebo výkonových tranzistorů.
Generalizovaný obvod regulátoru
Příkladem regulátoru, který implementuje princip řízení motoru bez ztráty výkonu, je tyristorový měnič. Jedná se o zpětnovazební proporcionální integrované obvody, které poskytují přísná regulace charakteristiky, od zrychlení a brzdění až po zpátečku. Nejúčinnější je pulzní fázové řízení: frekvence opakování odemykacích pulzů je synchronizována s frekvencí sítě. To umožňuje udržovat točivý moment bez zvýšení ztrát v reaktivní složce. Zobecněný diagram může být reprezentován v několika blocích:
- výkonově řízený usměrňovač;
- řídicí jednotka usměrňovače nebo řídicí obvod pulzní fáze;
- zpětná vazba tachogenerátoru;
- proudová řídicí jednotka ve vinutí motoru.
Než se pustíme do přesnějšího zařízení a principu regulace, je nutné se rozhodnout pro typ komutátorového motoru. Na tom bude záviset schéma ovládání jeho výkonových charakteristik.
Typy komutátorových motorů
Jsou známy alespoň dva typy komutátorových motorů. První zahrnuje zařízení s kotvou a budicím vinutím na statoru. Druhá zahrnuje zařízení s kotvou a permanentními magnety. Je také nutné se rozhodnout, pro jaký účel je nutné navrhnout regulátor:
Konstrukce motoru
Konstrukčně je motor z pračky Indesit jednoduchý, ale při návrhu regulátoru pro řízení jeho otáček je potřeba brát ohled na parametry. Motory mohou mít různé charakteristiky, proto se změní i ovládání. Zohledňuje se také provozní režim, který určí konstrukci převodníku. Konstrukčně se skládá komutátorový motor z následujících komponent:
- Kotva, má vinutí uložené v drážkách jádra.
- Kolektor, mechanický usměrňovač střídavého síťového napětí, kterým se přenáší do vinutí.
- Stator s vinutím pole. Je nutné vytvořit konstantní magnetické pole, ve kterém se bude kotva otáčet.
Když se proud v obvodu motoru, zapojeném podle standardního obvodu, zvýší, je budicí vinutí zapojeno do série s kotvou. Tímto zahrnutím také zvyšujeme magnetické pole působící na kotvu, což nám umožňuje dosáhnout linearity charakteristik. Pokud pole zůstane nezměněno, pak bude obtížnější získat dobrou dynamiku, nemluvě o velkých ztrátách výkonu. Je lepší používat takové motory při nízkých rychlostech, protože je pohodlnější ovládat při malých diskrétních pohybech.
Organizací samostatného řízení buzení a kotvy je možné dosáhnout vysoké přesnosti polohování hřídele motoru, ale řídicí obvod se pak výrazně zkomplikuje. Proto se blíže podíváme na ovladač, který umožňuje měnit rychlost otáčení z 0 na maximální hodnotu, avšak bez polohování. To se může hodit, pokud z motoru pračky bude vyrobena plnohodnotná vrtačka se schopností řezání závitů.
Výběr schématu
Po zjištění všech podmínek, za kterých bude motor používán, můžete začít vyrábět regulátor otáček pro komutátorový motor. Měli byste začít výběrem vhodného schématu, které vám poskytne všechny potřebné vlastnosti a schopnosti. Měli byste si je zapamatovat:
- Regulace rychlosti od 0 do maxima.
- Poskytuje dobrý točivý moment při nízkých otáčkách.
- Plynulé ovládání rychlosti.
Při pohledu na mnoho schémat na internetu můžeme dojít k závěru, že takové „jednotky“ vytváří jen málo lidí. To je způsobeno složitostí principu ovládání, protože je nutné organizovat regulaci mnoha parametrů. Úhel otevření tyristoru, doba trvání řídicího impulsu, doba zrychlení-zpomalení, rychlost nárůstu točivého momentu. Tyto funkce zajišťuje obvod na regulátoru, který provádí složité integrální výpočty a transformace. Podívejme se na jedno ze schémat, které je oblíbené mezi řemeslníky-samouky nebo těmi, kteří chtějí jednoduše využít starý motor z pračky.
Všechna naše kritéria splňuje obvod pro ovládání rychlosti otáčení kartáčovaného motoru, sestavený na specializovaném mikroobvodu TDA 1085 Jedná se o zcela připravený ovladač pro ovládání motorů, který umožňuje nastavit rychlost od 0 do maximální hodnoty zajišťující udržení točivého momentu pomocí tachogenerátoru.
Designové vlastnosti
Mikroobvod je vybaven vším potřebným pro kvalitní řízení motoru v různých rychlostních režimech, od brzdění až po zrychlení a otáčení na maximální rychlost. Proto jeho použití výrazně zjednodušuje design a zároveň dělá vše univerzální pohon, jelikož si můžete zvolit libovolnou rychlost s konstantním kroutícím momentem na hřídeli a využít ji nejen jako pohon dopravního pásu nebo vrtačky, ale i pro pohyb stolu.
Vlastnosti mikroobvodu lze nalézt na oficiálních stránkách. Naznačíme hlavní vlastnosti, které bude potřeba ke konstrukci převodníku. Patří mezi ně: integrovaný obvod pro převod frekvence na napětí, generátor zrychlení, softstartér, jednotka pro zpracování signálu Tacho, modul pro omezení proudu atd. Jak vidíte, obvod je vybaven řadou ochran, které zajistí stabilní provoz regulátoru v různých režimech.
Níže uvedený obrázek ukazuje typické schéma zapojení pro připojení mikroobvodu.
Schéma je jednoduché, takže může být zcela reprodukovatelné vlastníma rukama. Existují některé funkce, které zahrnují mezní hodnoty a způsob řízení rychlosti:
Pokud potřebujete zorganizovat zpětný chod motoru, pak budete muset obvod doplnit startérem, který přepne směr budícího vinutí. Budete také potřebovat obvod ovládání nulové rychlosti, abyste dali povolení ke zpětnému chodu. Nezobrazeno na obrázku.
Princip ovládání
Když je rychlost otáčení hřídele motoru nastavena odporem ve výstupním obvodu 5, vytvoří se na výstupu sekvence impulsů pro odblokování triaku o určitý úhel. Rychlost otáčení je sledována tachogenerátorem, který probíhá v digitálním formátu. Budič převádí přijaté impulsy na analogové napětí, proto jsou otáčky hřídele stabilizovány na jediné hodnotě bez ohledu na zatížení. Pokud se změní napětí z tachogenerátoru, vnitřní regulátor zvýší úroveň výstupního řídicího signálu triaku, což povede ke zvýšení rychlosti.
Mikroobvod může ovládat dvě lineární zrychlení, což vám umožní dosáhnout dynamiky požadované od motoru. Jeden z nich je instalován na kolíku Ramp 6 obvodu. Tento regulátor používají sami výrobci praček, takže má všechny výhody pro použití v domácnosti. To je zajištěno přítomností následujících bloků:
Používání podobné schéma poskytuje plnou kontrolu nad komutátorovým motorem v jakémkoli režimu. Díky nucené regulaci zrychlení je možné dosáhnout požadované rychlosti zrychlení na danou rychlost otáčení. Takový regulátor lze použít pro všechny moderní motory praček používaných pro jiné účely.
Dobrý večer přátelé! Toto je moje první recenze čehokoli v životě, takže si rád poslechnu kritiku a rady.
Zboží bylo zakoupeno za vlastní peníze. Podrobnosti níže.
K objednání tohoto regulátoru jsem byl vyzván mým váženým kirich. Nejprve jsem si proto objednal přesně stejný regulátor PWM, ale pak jsem si pro změnu objednal hrdinu dnešní recenze.
Objednávka byla zadána 29. října, ale ke mně do Lobny u Moskvy dorazila až 3. prosince. Výrobek byl zabalen do standardního sáčku s bublinkovou fólií a velkoryse zabalený do pěny:
Balík
Sada obsahuje pouze samotnou řídicí desku a 100 kOhm proměnný rezistor, který se připojuje přímo k desce pomocí konektoru HU-3 s délkou vodiče 19 cm, což je pro instalaci docela pohodlné.
Pájení silových stop mi přišlo prostě hrozné. Nemyslel jsem si, že naši asijští přátelé budou šetřit pájkou. Je zde také vidět mnoho stop nepraného tavidla. Možná mám takové štěstí:
Nepředstírám, že jsem pájecí guru, a tak jsem se rozhodl situaci trochu napravit. Myslím, že kdyby někdo dostal platbu po mých rukou, moc by se nelišil od Číňanů:
Regulátor je postaven na časovači NE555P, takže si myslím, že nemá smysl mluvit o celém obvodu a obávám se, že na to ještě nemám dostatek znalostí =).
Rozsah provozního napětí je 12-60 voltů a maximální proud je 20 ampérů. Mimochodem, na jedné z fotek můžete vidět 20 Ampérovou pojistku, která by vás teoreticky měla zachránit před překročením jmenovitého proudu.
Nyní to prověříme v akci. Pro napájení použiji starý zdroj z notebooku s 19V a 4,74A a motor z nějakého šroubováku s 18V:
Video ze samotné práce. Omlouvám se za mírné otřesy, protože... Natočil jsem to na telefon, ale nemám na to stativ:
Koupit nebo nekoupit je věcí každého. Koupil jsem to pro mini vrtačku, kterou doufám začnu stavět v příštím roce. Síť je samozřejmě plná schémat na toto téma, ale zatím jsem jako začátečník chtěl hotové řešení.
Děkuji všem za pozornost, těším se na vaše komentáře!
Místo kote
Tento DIY obvod lze použít jako regulátor rychlosti pro 12V DC motor s proudem až 5A, nebo jako stmívač pro 12V halogenové a LED žárovky do 50W. Řízení se provádí pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) při frekvenci opakování pulzů asi 200 Hz. Frekvenci lze samozřejmě v případě potřeby změnit a zvolit tak maximální stabilitu a účinnost.
Většina těchto konstrukcí se montuje za mnohem vyšší náklady. Zde představujeme pokročilejší verzi, která využívá časovač 7555, bipolární tranzistorový ovladač a výkonný MOSFET. Tato konstrukce poskytuje vylepšenou regulaci rychlosti a funguje v širokém rozsahu zatížení. Toto je skutečně velmi efektivní schéma a náklady na jeho části při nákupu pro vlastní montáž jsou poměrně nízké.
Obvod používá časovač 7555 k vytvoření proměnné šířky pulsu asi 200 Hz. Řídí tranzistor Q3 (přes tranzistory Q1 - Q2), který řídí otáčky elektromotoru nebo žárovek.
Existuje mnoho aplikací pro tento obvod, který bude napájen 12V: elektromotory, ventilátory nebo lampy. Může být použit v autech, lodích a elektrických vozidlech, v modelových železnicích a tak dále.
Lze sem bezpečně připojit i 12V LED lampy, například LED pásky. Každý ví, že LED žárovky jsou mnohem účinnější než halogenové nebo klasické žárovky a vydrží mnohem déle. A pokud je to nutné, napájejte regulátor PWM z 24 voltů nebo více, protože samotný mikroobvod s vyrovnávacím stupněm má stabilizátor výkonu.
