Подборка схем регулятора оборотов двигателя постоянного тока

Производить регулировку скорости вращения вала коллекторного электродвигателя, имеющего малую мощность, можно подсоединяя последовательно в электроцепь его питания резистор. Но данный вариант создает очень низкий КПД, и к тому же отсутствует возможность осуществлять плавное изменение скорости вращения.

Основное, что этот способ временами приводит к полной остановке электродвигателя при низком напряжении питания. Регулятор оборотов электродвигателя постоянного тока, описанные в данной статье, не имеют эти недостатки. Данные схемы можно с успехом применять и для изменения яркости свечения ламп накаливания на 12 вольт.

Описание 4 схем регуляторов оборотов электродвигателя

Первая схема

На транзисторе VT1 (однопереходном) реализован генератор пилообразного напряжения (частота 150 Гц). Операционный усилитель DA1 играет роль компаратора, создающего ШИМ на базе транзистора VT2. В результате получается ШИМ регулятор оборотов двигателя.

Изменяют скорость вращения переменным резистором R5, который меняет длительность импульсов. Так как, амплитуда ШИМ импульсов постоянна и равна напряжению питания электродвигателя, то он никогда не останавливается даже при очень малой скорости вращения.

Вторая схема

Она схожа с предыдущей, но в роли задающего генератора применен операционный усилитель DA1 (К140УД7).

Этот ОУ функционирует как генератор напряжения вырабатывающий импульсы треугольной формы и имеющий частоту 500 Гц. Переменным резистором R7 выставляют частоту вращения электродвигателя.

Третья схема

Она своеобразная, построена на она на популярном таймере NE555. Задающий генератор действует с частотой 500 Гц. Ширина импульсов, а следовательно, и частоту вращения двигателя возможно изменять от 2 % до 98 %.

Слабым местом во всех вышеприведенных схемах является, то что в них нет элемента стабилизации частоты вращения при увеличении или уменьшении нагрузки на валу двигателя постоянного тока. Разрешить эту проблему можно с помощью следующей схемы:

Как и большинство похожих регуляторов, схема этого регулятора имеет задающий генератор напряжения, вырабатывающий импульсы треугольной формы, частота которых 2 кГц. Вся специфика схемы — присутствие положительной обратной связи (ПОС) сквозь элементы R12,R11,VD1,C2, DA1.4, стабилизирующей частоту вращения вала электродвигателя при увеличении или уменьшении нагрузки.

При налаживании схемы с определенным двигателем, сопротивлением R12 выбирают такую глубину ПОС, при которой еще не случаются автоколебания частоты вращения при изменении нагрузки.

Детали регуляторов вращения электродвигателей

В данных схемах возможно применить следующие замены радиодеталей: транзистор КТ817Б — КТ815, КТ805; КТ117А возможно поменять КТ117Б-Г или 2N2646; Операционный усилитель К140УД7 на К140УД6, КР544УД1, ТL071, TL081; таймер NE555 — С555, КР1006ВИ1; микросхему TL074 — TL064, TL084, LM324.

При использовании более мощной нагрузки, ключевой транзистор КТ817 возможно поменять мощным полевым транзистором, например, IRF3905 или ему подобный.

Простая схема управления двигателем постоянного тока

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.
При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.

Схема для генерации ШИМ сигнала

Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых — это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.

Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 — 16 Вольт. В качестве диодов VD1 — VD3 можно взять практически любые диоды.

Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.

Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую.

В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться.

Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:

где R1 в омах, C1 в фарадах.

При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:

F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.

ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока

Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.

VT1 — полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1.

Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.

Регулятор оборотов двигателя сверлильного станка

Предлагается рассмотреть вариант изготовления электронного регулятора оборотов для двигателя постоянного тока с рабочим напряжением 24 V.

Предлагаемая конструкция регулятора оборотов двигателя, предназначена для изменения скорости вращения инструмента на сверлильном станке, изготовление которого описано в заметке «Сверлильный станок – ромбоид». Однако это устройство возможно использовать для регулирования мощности и в других конструкциях.

Необходимость в регулировке оборотов инструмента вызвана следующими причинами. Изменение обрабатываемого материала, диаметра и вида инструмента требует изменения скорости резания. Например, сверление оргстекла или некоторых термопластичных пластмасс, на режимах оптимальных для сверления металла, приведет лишь к расплавлению обрабатываемого материала в зоне резания и налипанию его на сверло. Сверление, развертывание и зенковка одного и того же отверстия, также требует разных оборотов для качественной обработки поверхности. Увеличение диаметра сверла требует пропорционального уменьшения числа оборотов. Кроме того, иногда требуется реверс направления вращения инструмента. Для элементарного выполнения этих условий предлагается изготовить электронный регулятор оборотов.

Изготовление регулятора оборотов двигателя.

1. Исходные данные.
В рассматриваемом примере, на сверлильном станке используется электродвигатель постоянного тока на 24 Вольта (0,7А).

Для работы этого электродвигателя нужен соответствующий источник питания.

Необходимое для работы двигателя напряжение и ток может обеспечить трансформатор кадровой развертки ТВК-110Л-1, взятый из старого телевизора. Он имеет небольшие габариты и массу (ШЛ 20 х 32) и с вторичной обмотки способен выдать ток 1 A с напряжением 22…24 V. При этом выпрямленное напряжение будет около 30 V, но с ростом потребляемого тока выходное напряжение будет несколько снижаться.

2. Изготовление выпрямителя.
Так как при возможном резком торможении обрабатывающего инструмента, вероятны скачки потребляемого двигателем тока до 1,5…2,0 А, для изготовляемого выпрямителя необходимо использовать диоды с запасом по предельному току. Желательно применить диоды с рабочим напряжением более 30V и предельным током более 2,0А.

В рассматриваемом варианте регулятора использованы, оптимальные из имеющихся под рукой, диоды КД202Д (200V — 5,0А).
Из выбранных диодов соберем мостовой выпрямитель и подключим его к вторичной обмотке трансформатора. Запитаем трансформатор от сети и проверим выходное напряжение.

3. Изготовление корпуса для устройства.
Пришло время для размещения электрической части регулятора оборотов. Возможны следующие варианты исполнения. В отдельном независимом от станка корпусе, в установленном постоянно на станке корпусе, а также встроенном в конструкцию станка (например, в столе станка).

Так как предлагаемая конструкция является регулятором мощности для различных устройств, то с учетом перспектив его возможного дальнейшего применения целесообразно изготовить это устройство в отдельном мобильном корпусе. Изготовление или приобретение подходящего корпуса будет зависеть от Ваших пожеланий и возможностей. Как вариант, в рассматриваемой конструкции использован пластмассовый флакон от химикатов с габаритными размерами 90 х 70 х 90 мм.

У емкости частично срезана верхняя часть. Образовавшееся окно закрывается декоративной панелью изготовленной из металлического листа толщиной 0,4 мм. Ребра, образованные после гибки с трех сторон полочек на заготовке, придают панели достаточную для работы жесткость. При установке в конструкцию, панель также дает корпусу дополнительную прочность. На панели устанавливается розетка для выходного напряжения, регулятор мощности, плата с электронной схемой (снизу).
По размерам окна в корпусе, из универсальной монтажной платы, вырезается рабочая плата для размещения электронной схемы регулятора.

Схема регулятора выполнена на базе DA1 — импортном интегральном таймере NE555 (отечественный аналог — КР1006ВИ1). Конструкция таймера представляет собой многофункциональную интегральную микросхему (ИМС). Она часто применяется в различных устройствах (электроника, вычислительная техника, автоматика). Основным назначением этого таймера, является генерирование импульсов с большим диапазоном периода повторения (от микросекунд до нескольких часов).

Приведенная схема регулятора на таймере NE555, позволяет управлять оборотами электродвигателя с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

В этом методе, напряжение питания на двигатель подается в виде импульсов с постоянной частотой следования, но при этом их длительностью (шириной импульса) можно управлять. При этом способе регулирования, передаваемая мощность и скорость вращения двигателя будут пропорциональны длительности импульсов (коэффициенту заполнения ШИМ сигнала — отношению длительности импульса к его периоду).
Принцип работы генератора ШИМ сигнала на таймере NE555 многократно и подробно описан в соответствующих публикациях, с чем можно ознакомиться в интернете.

Генератор регулятора работает на частоте около 500 Гц. Его частота зависит от емкости конденсатора С1. Длительность импульса будем регулировать переменным резистором R2. Сигналы с выхода генератора ШИМ сигнала, через усилитель тока на транзисторе VT1 управляют электродвигателем станка. Увеличивая ширину положительного импульса поступающего на базу транзистора VT1, мы увеличиваем мощность поступающую на двигатель постоянного тока, и наоборот. Длительность импульсов, следовательно и частоту вращения двигателя можно изменять в пределах от 0 до 95…98%.

Реверс направления вращения инструмента можно выполнить с помощью тумблера установленного на панели. Но для упрощения конструкции, эта функция выполняется поворотом вилки (сменой полюсов) в розетке на панели.

Вместо составного n-p-n транзистора КТ 829А можно применить полевой транзистор или оптрон соответствующей мощности.
Регулятор будет питаться от сети 220 В и иметь регулируемый по мощности выход на 24 В. Напряжение питания таймера NE555 должно быть в диапазоне 5…16 В, в схеме он будет работать от стабилизированного напряжения 12В. Данная схема регулятора может работать и от другого источника питания в пределах 24…30 В.

5. Комплектация устройства.
Комплектуем устройство деталями согласно приведенной схеме. Выходной транзистор VT1 и стабилизатор VR1 устанавливаем на небольшие радиаторы. В приведенной конструкции они изготовлены из алюминиевого уголка.

6. Проверка работы схемы генератора.
В интернете размещено много похожих вариантов схемы генератора на таймере NE555, но номиналы деталей в разных схемах отличаются в десятки и сотни раз. Поэтому, для упрощения изготовления и отладки работающей схемы, желательно предварительно собрать ее на универсальной монтажной плате.

Собираем схему генератора. К выходу таймера (выв.3) подключаем базу n-p-n транзистора КТ315. В цепь его коллектора включаем индикаторный светодиод через ограничительный резистор 1кОм. Эмиттер подключаем на минус схемы. Запитываем схему генератора от стабилизированного источника питания 12В. Подбирая номиналы деталей, контролируем правильность работы генератора по свечению светодиода.

Контрольный светодиод можно установить и непосредственно к выходу таймера (выв.3), но следует учитывать, что таймер NE555 имеет выходной ток до 200 мА. Близкий отечественный аналог КР1006ВИ1 допускает выходной ток до 100 мА.

8. Сборка регулятора оборотов двигателя.
Собираем все узлы регулятора оборотов. Закрепляем плату на панели устройства, используя прокладку из тонкого текстолита для изоляции контактов платы от металлической панели. Выход регулятора присоединяем к розетке расположенной на панели. Также к ее клеммам, в обратном направлении, припаиваем диод VD3. Он будет гасить импульсы самоиндукции обмотки электродвигателя. Этот диод должен выдерживать рабочее напряжение и ток, не менее двух раз превышающие рабочие характеристики двигателя.

Роль индикатора работы регулятора будет выполнять один элемент светодиодной ленты LED1, на напряжение 12В. Разместим (приклеим) его на плечо подвески двигателя, над сверлильным патроном, для одновременной с индикацией подсветки зоны обработки.

9. Доработка конструкции сверлильного станка.
Работа на изготовленном станке показала необходимость в некоторых доработках его конструкции.

Под винт фиксации по высоте установлена дополнительная пластина, позволяющая распределить давление зажима на большую площадь, исключить заклинивания и облегчить скольжение основания подвески по стойке станка.

По предложению комментатора о контроле оптимального положения инструмента относительно обрабатываемой детали, изготовлен и установлен регулируемый упор. Он устанавливается наверху основания подвески и служит упором для верхнего рычага подвески. Упор настраивается так, чтобы сверлильный патрон и рычаги подвески не могли опуститься ниже 2-х мм от нулевой линии. В положении на упоре, сверло устанавливается в патроне, до касания столика станка. Так оно автоматически будет работать в оптимальной зоне 4мм, с минимальным боковым смещением 0,01мм.