ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ЛЮБЫХ МОДЕЛЕЙ ______________ _____________ СО СКЛАДА И ПОД ЗАКАЗ

Самое популярное

Календарь

П	В	С	Ч	П	С	В
1
2	3	4	5	6	7	8
9	10	11	12	13	14	15
16	17	18	19	20	21	22
23	24	25	26	27	28	29
30	31

Анонсы новостей

Беременность и варикозное расширение вен

По мнению ВОЗ распространение заболевания, такого как варикоз, достигает восьмидесяти процентов. У половины заболевших варикоз начинается в период беременности, затем потребуется лечение варикоза. В период после родов на организм женщины приходится о.

Архив новостей

Просто о двигателях постоянного тока

На первый взгляд моторы постоянного тока кажутся довольно простыми. Подаем напряжение на оба контакта, и даааа, он крутится! А если мы хотим изменить направление движения ? Правильно, меняем провода местами. А что если нужно заставить двигатель вращаться на меньших оборотах? Нужно использовать меньшее напряжение питания. Но как робот может сделать все это автоматически? Как определить, какое напряжение подавать? Почему не 50 а 12 вольт? Что случится, если мотор перегреется? Управление двигателем намного интереснее чем кажется!

Считается, что мотор постоянного тока не имеют полярности — имеется в виду, что можно менять полярность питания без каких-то вредных последствий. Обычно моторы постоянного тока питаются напряжением от 6 до 12В. Более мощные питаются от 24В и выше. Но для роботов лучше всего использовать питание в диапазоне 6-12В. Так почему же моторы работают на различном напряжении? Как известно (или должны быть известно), напряжение прямо пропорционально вращающему моменту. Больше напряжение, выше момент. Но не подавайте на мотор 100В, ничего хорошего из этого не выйдет )) Мотор рассчитан на напряжение, при котором он будет работать наиболее эффективно. Если подать слишком маленькое напряжение, мотор едва будет крутиться, если слишком много, он перегреется и обмотки расплавятся. Так что основным правилом можно считать подачу напряжения, приближенного к номинальному. К тому же, несмотря на то, что 24В двигатель может быть мощнее, разве стоит нагружать робота 24В батареями, которые значительно тяжелее и больше? Я предлагаю не использовать напряжения выше 12 вольт для до тех пор, пока не понадобится действительно высокая мощность.

Обязательно нужно обратить внимание на ток. Слишком мало, не будет крутиться. Слишком много и получим расплавившиеся обмотки. Когда покупаете мотор, следует обратить внимание на два значения. Первое — рабочий ток. Это среднее количество тока, потребляемое двигателем для работы при стандартной нагрузке. Умножим это значение на напряжение и получим среднюю мощность, потребляемую двигателем. Другое значение, на которое нужно обратить внимание это ток потребления при заблокированном роторе. Эта величина получается при подаче питания на двигатель и приложении достаточной силы что бы остановить его. Это максимальное значение потребляемого двигателем тока, а значит и максимальное значение потребляемой мощности. Поэтому нужно создавать систему управления таким образом, что бы она выдерживала ток при заблокированном роторе. К тому же, если вы планируете постоянно использовать двигатель, или подавать напряжение выше номинального, хорошо бы охлаждать двигатель для предупреждения перегрева.

Насколько большое напряжение можно подать на двигатель? Обычно все моторы рассчитаны (или должны рассчитываться) на определенную мощность. Мощность это энергия. Неэффективность преобразования электричества в движение напрямую связано с нагревом. Слишком много тепла и обмотки двигателя расплавятся. Поэтому производители моторов (качественных) знают, какая мощность приведет к повреждению двигателя и дают эту информацию в документации на двигатель.Поэкспериментируйте, что бы определить, какое количество тока потребляет двигатель при используемом напряжении.

Мощность [Ватт] = Напряжение [Вольт] * Ток [Ампер]

Для смены направления вращения необходимо изменить полярность питания. Двигатель обладает собственной индукцией и моментом, которые сопротивляются этому изменению напряжения. Поэтому при смене направления вращения двигателя происходит мощный кратковременный выброс. Напряжение импульса может вдвое превышать напряжение питания. Ток примерно равняется максимальному. Отсюда вывод, силовая система управления должна быть рассчитана на мощные электрические импульсы.

При покупке двигателя постоянного тока нужно обратить внимание на два значения крутящего момента. Первый — рабочий крутящий момент. Это момент, на который рассчитан двигатель. Обычно это заявленное значение. Другое значение — момент при заблокированном роторе. Это момент, требуемый для остановки двигателя при вращении. Обычно используется только рабочий момент, но бывают случаи, когда нам нужно знать, насколько можно нагрузить двигатель. Если вы создаете колесного робота, большой момент означает хорошее ускорение. Мое личное правило — если на роботе 2 двигателя, момент каждого должен превышать вес робота на плече равном радиусу колеса. Всегда отдавайте предпочтение моменту перед скоростью. Помните, как сказано выше, значение крутящего момента может изменяться в зависимости от поданного напряжения. Так что если требуется чуть больший момент для того, что бы сломать что-то, подаем напряжение на 20% больше номинального, это безопасно для нас, но даст прирост мощности. Главное помните что это снижает КПД и требует дополнительного охлаждения двигателя.

Скорость довольно сложное понятие когда речь заходит о моторах постоянного тока. Основное правило — двигатель работает наиболее эффективно на максимально возможных оборотах. Очевидно, что это не возможно. Бывает, нам нужно что бы робот двигался медленно. Первое что приходит в голову — шестерни, с их использованием двигатель может крутиться быстро, а с него можно снимать высокий момент. К сожалению, шестерни автоматически снижают эффективность, имея КПД не более 90%, Поэтому заложим 90% скорости и момента на каждую шестерню при расчете редуктора. Например, у нас есть 3 прямозубые шестерни, следовательно соединяя их дважды, мы получим КПД 90% x 90% = 81%. Напряжение и сопротивление вращению очевидно снижают скорость.

Наиболее важной технологией управления мотором постоянного тока на сегодня является Н-мост. После того как Н-мост будет подключен к двигателю, для определения скорости вращения и положения вала нужно использовать энкодер. И наконец, нужно найти хороший способ торможения двигателя.

Подключение конденсатора емкостью несколько микрофарад между клеммами двигателя поможет продлить срок службы. Этот способ отлично работает с шумными и другими недорогими двигателями, почти удваивает ресурс двигателя. Однако, это намного меньше по сравнению с дорогими высококачественными моторами. Дополнительные способы выбора мотора для робота можно найти в статье про динамику роботов.

Электроника для всех

Блог о электронике

Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование

После предыдущего поста о мотор-редукторе мне пришло несколько вопросов по регулированию двигателя постоянного тока. Так что пора написать очередной пост 🙂

Двигатель постоянного тока (ДПТ) это один из самых привычных и понятных электродвигателей, он изучается даже в школе, на физике. Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик, а также не спешит сдавать своих позиций и там, где мощность измеряется десятками киловатт. О нем и поговорим.

▌Конструктив и базовый принцип
Не буду тут особо распинаться, покажу картинку из википедии и укажу ряд основных узлов. Все остальное вы и так знаете и трогали своими руками.

1. Статор состоит из источника магнитного поля. Далеко не всегда это постоянный магнит, более того, постоянный магнит это скорей исключение, чем правило. Обычно все же это обмотка возбуждения. По крайней мере на всем, что больше кулака по размерам.

Работает все очень и очень просто. Обмотка якоря отталкивается от магнитного поля статора силой Ампера и совершает пол оборота, стремясь вывести эту силу на ноль и таки вывела бы если бы не коллектор, который ловко всех обламывает переключает полярность катушки и сила вновь становится максимальной. И так по кругу. Т.е. коллектор служит механическим инвертором напряжения в якоре. Запомните этот момент, он нам еще пригодится 🙂

Обычно в мелких моторчиках всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол

▌Происходящие в двигателе процессы
Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

▌Немного формул
Не буду грузить никого выводами, их найдете сами если захотите. Чтобы было поменьше матана рекомендую найти учебник по электроприводу для средних учебных заведений и годом выпуска подревней. От 50х-60х годов самое то 🙂 Там и картинки винтажные и расписано для вчерашнего выпускника сельской семилетки. Много букв и никакого грузилова, все четко и по делу.

Самая главная формула коллекторного двигателя постоянного тока:

• U — напряжение подаваемое на якорь
• R_я — сопротивление якорной цепи. Обычно за этот символ считают только сопротивление обмотки, хотя можно снаружи навесить резистор какой и он к ней приплюсуется. Тогда пишут как (R_я+R_д)
• I_я — ток в якорной цепи. Тот самый который замеряется амперметром при попытке измерять потребление движка 🙂
• Е — это противоэдс или ЭДС генератора, в генераторном режиме. Она зависит от конструкции двигателя, оборотов и описывается вот такой вот простой формулой

• C_e — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет 🙂
• Ф — поток возбуждения. Т.е. сила магнитного поля статора. В мелких моторчиках, где оно задается постоянным магнитом это тоже константа. Но бывает под возбуждение выведена отдельная обмотка и тогда мы можем ее менять.
• n — обороты якоря.

Ну и зависимость момента от тока и потока:

С_м — конструктивная констатнта.

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента. Это может быть важно, например, чтобы не сломать привод, когда двигло может развить такое усилие, что легко поломает то, что оно там вращает. Особенно с редуктором.

Ну и из этого же следует, что момент у машины постоянного тока зависит только от способности источника снабжать его током. Так что идеальный нерушимый сверхпроводящий движок вам на раз лом в узел завяжет, пусть даже он сам с ноготок будет. Только энергию подавай.

А теперь смешаем все это в кучу и получим зависимость оборотов от момента — механическую характеристику двигателя.

Если ее построить, то будет нечто следующее:

n₀ — это обороты идеального холостого хода сферического двигателя в вакууме. Т.е. когда наш движок ну ваще халявит, момент равен нулю. Ток потребления тоже, естественно, ноль. Т.к. противоэдс равна напряжению. Чисто теоретический вариант. А вторая точка строится уже с каким-либо моментом на валу. Получается прямая зависимость оборотов от момента. А наклон характеристики определяется сопротивлением якорной цепи. Если никаких добавочных резисторов там нет, то это зовут естественной характеристикой.

Обороты идеального холостого хода зависят от напряжения и потока. Больше ни от чего. А если поток константа (постоянный магнит), то только от напряжения. Снижая напряжение вся наша характеристика параллельно смещается вниз. Уменьшили напряжение в два раза — скорость упала в два раза.

Если есть возможность менять поток возбуждения, то можно поднимать скорость выше номинальной. Тут зависимость обратная. Ослабляем поток — двигатель разгоняется, но либо падает момент, либо ему надо жрать больше тока.

Иной двигатель со снятием возбуждения может и в разнос пойти. Помнится сдавал я затянувшийся курсач по электроприводу, уже хрен знает спустя сколько времени после сессии. Вломы мне его делать было, ага 🙂 Ну и сидел в лаборатории, ждал препода. А там какие то балбесы, на курс ниже, лабу делали. Крутили движок вхолостую, а возбуждение к стенду приверчено было на соплях и слетело с клеммы. Движок в разнос пошел. У нас в лаборатории ЭПА ЮУРГУ все серьезно было, машины стояли нешуточные, по десятку киловатт и под сотню другую кг каждый. Все на суровом напряжении в 380 вольт.
В общем, когда эта дура взревела как монстр и стала рваться с креплений, я только и успел крикнуть, что все нахер от машины, вырубай к черту. Не успели, двигло сорвало с креплений, обмотка повылетала с пазов и движку пришел кирдык. Ладно никого не покалечило.
Впрочем, лабы привода это то еще развлечение было. У нас там и горело и взрывалось. Там я приобрел замечательные навыки чинить что угодно, чем угодно в сжатые сроки. В среднем, каждый успел по разу убить стенд наглухо, а лаба часто начиналась с починки паяльника, которым чинили осциллограф с помощью которого реанимировали убитый стенд.

Добавляя резисторы в якорную цепь мы можем увеличить наклон, т.е. чем больше грузим тем больше падает скорость.

Метод плох тем, что резисторы в цепи якоря должны быть расчитаны на ток двигателя, т.е. быть мощными и будут греться зря. Ну и момент резко падает, что плохо.

Есть еще двигатели не независимого, а последовательного возбуждения. Это когда обмотка статора включена последовательно якорю. Не каждый двигатель так можно включить, обмотка возбуждения должна выдерживать ток якоря. Но у них возникает одно интересное свойство. При пуске возникает большой пусковой ток и этот пусковой ток является же током возбуждения, обеспечивая огромный пусковой момент. Механическая характеристика напоминает гиперболу с максимумом в районе нулевых оборотов.

А дальше, по мере разгона, момент падает, а обороты наоборот растут. И если нагрузку убрать с вала, то движок сразу же уходит в разнос. Такие движки ставят на тягловый привод в основном. По крайней мере ставили раньше, до развития силовой электроники. С места эта хрень рвет так, что все стритсракеры нервно закуривают.

▌Режимы работы двигателя постоянного тока
Направление вращения движка зависит от направления тока якоря или направления потока возбуждения. Так что если взять коллекторный двигатель и подключить обмотку возбуждения параллельно якорю, то он будет прекрасно вращаться и на переменном токе (универсальные двигатели, их в кухонную технику часто ставят). Т.к. ток будет одновременно меняться и в якоре и в возбуждении. Момент правда будет пульсирующим, но это мелочи. А для реверса там надо будет поменять полярность включения якоря или возбуждения.

Если нарисовать механическую характеристику в четырех квадрантах, то у нас будет нечто похожее на это:

Вот, например, характеристика 1 на I участке у нас машина работает как двигатель. Нагрузка растет и в определенный момент двигатель останавливается и начинает вращаться в обратную сторону, т.е. нагрузка обращает его вспять. Это тормозной режим, противовключение. Режим очень тяжелый, двигло греется просто зверски, но для торможения очень эффективный. Если же момент на валу сменит направление и пойдет вращать навстречу движку, то мотор сразу же выйдет на генерацию (IV участок).

Характеристика 2 это то же самое, только с обратной полярностью питающего напряжения двигателя.

А характеристика 3 это динамическое торможение. Оно же реостатное. Т.е. когда мы берем и просто коротим наш двигатель на резистор или сам на себя. Можете сами проверить, возьмите любой моторчик и покрутите его, а потом закоротите ему якорь и покрутите снова. На валу будет ощутимое усилие, тем больше, чем качественнее движок.

Кстати, драйвера двигателей вроде L293 или L297 имеют возможность включить реостатное торможение, подачей обоих ключей вверх или вниз. При этом якорь коротится через драйвер на шину земли или питания.

▌Бесколлекторные двигатели постоянного тока
Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка говна во всей этой вкусняшке — коллектор.

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история.

106 thoughts on “Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование”

Я очень ждал статей про двигатели. Специалист по электроприводу научил нас как работать с AVR, а про моторчики нифига не написал. Еще будут статьи на эту тему?

Мне порвала шаблон обратная зависимость между магнитным потоком возбуждения и скоростью вращения. По формуле я вижу, что это так, но понять не могу. Особенно удивил уход вразнос при отключении обмотки возбуждения. Если нет магнитного потока статора, то от чего «отталкивается» ротор? Как двигатель может вообще работать в таком режиме?

Отталкивается от остаточного возбуждения. Намагниченности полюсов. Но ты обрати внимание, что момент там тоже уходит в ноль. Так что либо отталкиваться бешеным током, либо снижать момент до нуля.

Да, про момент я заметил. Понятно, что разгон будет происходить только без нагрузки и только, если источник питания способен выдать нужный ток.

Статьи может быть будут еще, не скажу. Я, на самом деле, за 7 лет изрядно эту тему подзабыл за неиспользованием. Особенно касаемо всякого продвинутого регулирования и динамики привода. Так что не такой я уж специалист по приводу 🙂

Можно и без продвинутого регулирования для начала. Меня совсем базовые вещи интересуют. Типа, какие бывают способы управления и, соответственно, какие драйверы их реализуют, чем отличаются, плюсы, минусы, подводные камни. Для коллекторных и бесколлекторных двигателей постоянного тока. На что следует обратить внимание при разработке схем с электродвигателями, чтобы не сжечь все нафиг. В общем, такая статья в раздел «Начинающим». Но и более емкие статьи я бы с удовольствием прочитал.

Ну базовые вещи я уже описал 🙂 А дальше додумываешь сам. Напряжение можно рулить ШИМом. Можно обратную связь по току-моменту замутить. Обращаться с ними также как с любой индуктивностью, о чем я тоже уже писал. Не расписывал только H-мосты самодельные. Но тут тема такая, на всех не угодишь, слишком они разные бывают.

Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик

То-то все авиамодели, квадкоптеры и прочая летучая нечисть — на бесколлекторниках, кроме совсем позорного Китая за $100.

Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ.

Модели — не игрушки. Совсем другие требования, и другие цены.
А в дешевых игрушках, — как правило, дешевые коллекторные движки с проволочными щетками. Да и в самых дешевых моделях вертолета с соосными винтами (по сути, те же игрушки) — тоже коллекторные.

Имеется двигатель постоянного тока мощностью 60Вт, напряжение питания 48В. Как его можно переделать чтобы питать от 12В не потеряв в мощности?