Регулятор оборотов с обратной связью для коллекторных двигателей переменного тока

Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью.

С помощью таходатчика

На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена ка­тушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обес­печивает максимально точную стабилизацию оборотов дви­гателя при изменении нагрузки.

На основе измерения падения напряжения на электро­двигателе

В этом случае измеряется падение напряжения на дви­гателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно наст­роен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.

Все промышленные регуляторы, собранные на микро­контроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в ито­ге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от сто­имости самого электроинструмента.

В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на ми­кросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если исполь­зовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тог­да все наоборот.

Так как ИMC U2008B не может одновременно работать в режиме плавного пуска и обратной связи, она не подходит для нашей задачи. На рис.2 пока­зана схема регулятора на микросхеме U2010B, у которой есть обратная связь по току, защи­та от перегрузки и плавный старт одновре­менно. Светодиод D2 индицирует перегрузку электродвигателя. Переключатель SA1 «Mode» обеспечивает возможность выбора действий при перегрузке на двигателе в трех режимах: Положение А — индикация перегрузки и по­следующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.

Положение В — индикация перегрузки, по­следующий сброс на минимальные обороты, по­сле снятие нагрузки с инструмента, восста­навливаются установленные обороты, т.е. про­исходит авто старт.

Положение С — только индикация перегруз­ки, без остановки двигателя и защиты.

Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плав­ность пуска двигателя.

Настройка регулятора.

В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, ка­ким именно должен быть этот резистор.

Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощнос­ти двигателя по формуле:

где:
U_R6 — напряжение на R6 (250 мВ),
Р_двиг — мощность двигателя,
U_ПИТ — напряжение питания сети.

Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитыва­ем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.

Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощ­ности электродвигателя, приведены в таблице.

R11 Мощность, Вт	R6*, Ом	Нихром, D 1 мм	Нихром, D 0,8 мм	R11*, кОм
250	0,22	30	19	180-270
300	0,18	27	17	180-220
550	0,1	25	16	180
700	0,08	20	14	160
850	0,07	17	11	150
1000	0,055	15	10	100-120
1200	0,047	13	9	90-110
1500	0,04	12	8	80-100
1800	0,03	10	7	70-100
2000	0,028	8	6	65-90
2200	0,025	7	5	65-90

Главное правильно подбирать резистор R6 под мощность двигателя. Выше представленная формула правильная, но на практике может потребоваться некоторая коррекция по по­ведению двигателя под нагрузкой. Если резистор великоват, то двигатель довольно резко стартует (т.е. происходит боль­шая компенсация нагрузки, чем надо), а потом отключается, а если резистор будет мал, то не будет обеспечиваться ком­пенсация нагрузки.

В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдава­лось несколько импульсов управления. В итоге, обороты эле­ктродвигателя практически не регулировались и двигатель ра­ботал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нуж­но ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.

Первый пуск

Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону ре­зистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенса­ция нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить са­мые минимальные обороты двигателя.

Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель на­чинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на элек­тродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная за­висимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска.

Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном изме­рения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, что­бы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборота­ми, независимо от нагрузки.

И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм вы­паиваем и вместо него ставим подстроенный или перемен­ный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем из­мерьте сопротивление переменного резистора тестером и за­паяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11,

Детали регулятора

Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае с бесплатной до­ставкой на Украину, а далее посылка бесплатно отправляется через «Укрпочту» в любое почтовое отделение на тер­ритории Украины. Доставка на Украину производится на про­тяжении 25-40 дней. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.

Печатная плата устройства изготовлена из односторонне­го фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.

Симистор VS1 лучше использовать с изолированной пло­щадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощнос­ти двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на ра­диатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запа­ять обычным паяльником с тонким жалом.

Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой ма­логабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденса­торы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполне­нии. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегруз­ки, тогда вместо него можно установить перемычку.

Литература:

1. Бирюков С. Автомат плавного пуска коллекторных эле­ктродвигателей. // Радио. — 1997. — №7. — С.40-42.

Печатная плата для схемы показанной на рисунке 2:

Автор: Валентин Шипляк, г. Ужгород

Регулятор скорости коллекторного двигателя

Заказать

Вы можете приобрести готовое устройство (без шунта, и переменного резистора) . Для заказа нажмите на кнопку или направьте заказ на почту sales@digect.ru.

Регулятор скорости коллекторного двигателя с компенсацией нагрузки и защитой от перегрузки предназначен для изменения скорости вращения двигателя. При включении обеспечивая плавный старт при этом скорость вращения двигателя стабилизируется в независимости от нагрузки на валу двигателя. Регулятор выполнен по типовой схеме включения ИМС U2010B.

Особенности

Update: Для нормальной работы функции плавного старта, выключатель должен находится в цепи 220В.

1. Плавный старт. При подаче питания двигатель запускается плавно и без рывка, что сбережет редуктор, предохранит двигатель от преждевременного износа.
2. Защита от перегрузки. При чрезмерной нагрузке на валу двигателя светодиод на регуляторе загорится указывая на то, что устройство перегружено, с еще большим увеличением нагрузки (вплоть до заклинивания) — регулятор остановит двигатель, восстановление работоспособности двигателя будет осуществлено согласно установленному режиму работы (см режимы работы).
3. Функция регулирования оборотов двигателя. Возможность изменять обороты двигателя от нуля до максимума.
4. Функция стабилизации оборотов двигателя. В середине диапазона оборотов регулятор будет пытаться стабилизировать обороты двигателя вне зависимости от нагрузки на валу двигателя.

Устройство, находится под высоким напряжением и не имеет гальванической развязки от питающей сети. Поэтому при работе с ним нужно соблюдать предельную осторожность. ВСЕ МАНИПУЛЯЦИИ с регулятором можно проводить ТОЛЬКО ПОСЛЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ И ПОЛНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ИХ ОТ СЕТИ В регуляторе отсутствует предохранитель, поэтому необходимо предусмотреть его установку. Эксплуатация устройства без предохранителя не допускается так как в случае короткого замыкания это может привести к пожару и другим негативным последствиям.

Регулятор оборотов может работать в трех режимах, которые определяются положением перемычки X1.

Режимы работы.

1. Индикация перегрузки и последующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.
2. Индикация перегрузки, последующий сброс на минимальные обороты, после снятие нагрузки с инструмента, восстанавливаются установленные обороты, т.е. происходит авто старт. Данный режим устанавливается при отсутствии перемычки, и является режимом по умолчанию.
3. Только индикация перегрузки, без остановки двигателя и защиты.

Внешний вид и расположение элементов.

1. Напряжение питания ≈220 В.
2. Нагрузка, коллекторный двигатель. Мвксимальная нагрузка 2.2 кВт
3. Светодиод индикации перегрузки. (в версии 2021 года,установлен SMD светодиод — посмотреть)
4. Регулировка компенсации нагрузки.
5. Регулировка перегрузки.
6. Переменный резистор регулировки оборотов двигателя.
7. Регулировка пределов регулировки скорости.
8. Перемычка для установки режима работы устройства.
9. Шунт R6, измерителя тока.

`

В версии 2021 года установлен smd светодиод, при этом отверстия для монтажа обычного светодиода оставлены, если вы хотите установить выводной светодиод (иногда это необходимо, если вы хотите удалить индикацию от платы при установке его в корпус), удалите штатный smd светодиод и впаяйте необходимый вам.

Обращаю ваше внимание на то, что включая устройство с неподключенным шунтом вы можете вывести из строя ИМС U2010B! Не подавайте питание на регулятор пока не смонтируете на нем шунт и переменный резистор.

Регулировка изделия.

Установите переменный резистор в положение соответствующем минимальным оборотам , подстроечный резистор R10 (компенсация нагрузки) установить в среднее положение , включаем устройство к сети 220В. Резистором R8 (amax) выставить минимальные обороты, Минимальные обороты должны быть таковы чтобы при включении питания двигатель начинал устойчиво вращаться. Далее необходимо настроить компенсацию нагрузки. Необходимо отметить что компенсация нагрузки, работает не во всем диапазоне оборотов двигателя, например на максимальных оборотах невозможно регулировать нагрузку так как на двигатель всегда подается максимальное напряжение. Установите обороты двигателя в среднее положение, при этом увеличивая нагрузку на валу любым доступным способом, например зажимая вал двигателя тряпкой, добейтесь поворотом резистора R10 такого состояния чтобы обороты двигателя были стабильными в независимости от нагрузки. В последнюю очередь настройте защиту от перегрузки. Выставьте обороты двигателя близко к минимальным и попробуйте затормозить двигатель выставив резистором R11 такое положение при котором при повышенной нагрузке загорался светодиод VD2, а при чрезмерном либо при заклинивании двигатель обесточивался.

На симистор VS1 для охлаждения возможно придется установить радиатор, а при мощности устройства более 1 кВт его установить просто необходимо чтобы избежать выход из строя устройства в результате перегрева.

Устройство может работать некорректно, если на двигателе установлена «конкурирующая» электроника, как пример в дисковой пиле Интерскол ДП-190 (посмотреть), установлен «плавный старт» и если его не убрать, то пила будет дергатся, обороты плавать, убедитесь что у вас нет ничего подобного!