Регулировка и стабилизация частоты вращения двигателя постоянного тока
Описано несложное устройство, позволяющее регулировать частоту вращения вала двигателя постоянного тока и поддерживать её установленное значение при изменении механической нагрузки на вал.
При разработке физического прибора потребовалось изготовить низкоскоростной привод вращения платформы, несущей различные датчики и другое оборудование. Необходимы были возможность оперативной регулировки частоты вращения и её стабилизация при изменении механической нагрузки.
Первый вариант привода состоял из малогабаритного электродвигателя постоянного тока серии ДПМ с редуктором из однозаходного стального червяка и текстолитового зубчатого колеса. Датчиком частоты вращения служил насаженный на вал двигателя диск с прорезями, входившими в зазор открытой оптопары.
Сигнал оптопары поступал на узел стабилизации, состоящий из генератора образцовой частоты, частотного дискриминатора и прочих необходимых элементов. Устройство отлично «держало» назначенную частоту вращения, не реагируя на внешние возмущения.
Но выявился крупный недостаток, о котором разработчики и не догадывались в начале работы. Привод сильно шумел. Шум шариковых подшипников двигателя, червячной пары передавался на закреплённые на платформе датчики и почти полностью «убивал» полезные сигналы. Попытки амортизировать привод не привели к успеху, так как при изменении момента сопротивления платформы вращению механизм раскачивался и равномерность вращения терялась.
Выход был найден в использовании привода программирующих колёс от видеомагнитофона (рис. 1). Вал установленного в нём двигателя вращается в подшипниках скольжения, а червячная пара выполнена из материала, подобного капролону. Передаточное число механизма — 123, работает он практически бесшумно.
Поскольку установить диск с прорезями в этом механизме оказалось очень сложно, пришлось изыскивать иной способ стабилизации частоты вращения. Была сделана попытка использовать узел стабилизатора частоты вращения двигателя от кассетного магнитофона. Однако этот узел хорошо стабилизировал только одно значение этой частоты. При попытке установить иное стабильность нарушалась. После долгого и бесполезного поиска приемлемого решения в литературе пришлось разрабатывать узел стабилизации самостоятельно.
Как известно, напряжение на выводах якоря двигателя постоянного тока складывается из падения напряжения на активном сопротивлении обмоток якоря и противоЭДС, прямо пропорциональной частоте вращения якоря. Эта ЭДС может служить мерилом частоты вращения. Но для этого нужно отделить её от падения напряжения на омическом сопротивлении обмотки.
Описанные в [1, 2] устройства, использующие противо ЭДС для стабилизации или регулирования частоты вращения двигателя либо хорошо поддерживают только одно установленное значение, либо, допуская регулировку частоты в широких пределах, не стабилизируют её при изменении нагрузки. Разработанное устройство отличается сочетанием обоих факторов — сохраняет произвольно установленную частоту вращения при изменении момента нагрузки.
Поставленная задача решается достаточно просто. В разработанном устройстве, схема которого изображена на рис. 2, последовательно с якорем двигателя М1 включён резистор R1, сопротивление которого в точности равно активному сопротивлению якоря. Если из напряжения на якоре вычесть падение напряжения на этом резисторе, получим напряжение, пропорциональное частоте вращения якоря. Операцию вычитания выполняет узел на ОУ DА2.1. Это напряжение поступает на один из входов усилителя сигнала рассогласования на ОУ DА2.2, на другой вход которого подано образцовое напряжение, соответствующее желаемой частоте вращения. ОУ управляет транзистором VT1, регулирующим напряжение питания двигателя М1.
Для лучшего понимания процесса регулирования рассмотрим упрощённую схему устройства, изображённую на рис. 3. Из неё понятно, что активное сопротивление якоря г и резисторы R1—RЗ образуют измерительный мост, в диагональ которого включены входы ОУ DА2.1. Напряжение на выходе моста равно
При точном выполнении равенства
мост сбалансирован относительно напряжения питания двигателя U1 благодаря чему напряжение Uвых зависит только от противоЭДС якоря Е, т. е. от частоты его вращения. Изменение питающего напряжения U1 не разбалансирует мост, но вызывет изменение тока через двигатель, что приводит к изменению частоты его вращения и, соответственно, противоЭДС.
Резистор R1 должен быть рассчитан на рассеивание мощности, равной максимальной мощности двигателя.
Необходимую частоту вращения устанавливают подстроенным резистором R5. Увеличение или уменьшение частоты вращения под нагрузкой свидетельствует о неточной балансировке моста. Её нужно добиться подборкой резисторов R1— R3.
Конденсатор С1 и резистор R6 предотвращают высокочастотную генерацию.
Транзистор VT1 и интегральный стабилизатор напряжения 7812 размещены на небольшом теплоотводе. Теоретически устройство нечувствительно к колебаниям напряжения питания, но напряжение на подстроенном резисторе R5, задающем частоту вращения, должно быть стабилизировано. По этой причине в устройстве применён интегральный стабилизатор напряжения DА1. Кроме того, встроенная в этот стабилизатор защита по току предохраняет двигатель и транзистор VТ1 от повреждения при случайном заклинивании механизма.
При испытаниях устройства выяснилось, что основное влияние на стабильность частоты вращения оказывают температурные изменения сопротивления обмотки двигателя, выполненной из медного провода, тогда как резистор R1 изготовлен из манганина. Вводить различного рода термокомпенсирующие цепи было сочтено излишним, так как обеспечить равенство температуры резистора и обмотки двигателя не представляется возможным из-за разных условий отвода от них тепла.
И наконец, испытания готового устройства неожиданно выявили, что частота вращения приборной платформы под нагрузкой падает на 5…10 %. Оказалось, что виновато проскальзывание двух резиновых пассиков, соединяющих вал двигателя с червячным редуктором. Тщательной промывкой шкивов и пассиков, промывкой и смазкой всех подшипников скольжения указанный недостаток был устранён.
В результате достигнут коэффициент стабильности лучше 0,5 % при изменении нагрузки на выходном валу редуктора в пределах от 0 до 20 Н·см, что вполне удовлетворило предъявляемым требованиям.
Несомненное достоинство предложенного решения — его простота по сравнению с устройствами аналогичной точности. Недостаток — почти двукратный перерасход мощности, рассеиваемой на дополнительном резисторе.
ЛИТЕРАТУРА
- Шевченко В. И. и др. Кассетные магнитофоны (библиотека «Телевизионный и радиоприём. Звукотехника», вып. 90). — М.: Связь, 1977.
- Леоненко П. Стабилизатор частоты вращения. — Радио, 1988, № 7, с. 32.
Автор: В. ХИЦЕНКО, Т. ЯКОВЛЕВ, г. Санкт-Петербург
Источник: Радио №4, 2015
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
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
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.
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.
Стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя
Стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя
Предлагаемый стабилизатор частоты вращения предназначен для работы с коллекторными двигателями и представляет собой полностью аналоговое устройство. Стабилизатор имеет обратную связь по частоте вращения, в то же время он не требует установки никакого тахогенератора.
Наиболее распространенным типом стабилизаторов частоты вращения ведущего двигателя кассетных магнитофонов является регулятор с положительной обратной связью по току [1]. Регулирование происходит параметрически, поэтому частота довольно сильно меняется при изменении нагрузки на валу двигателя. Для повышения качества работы стабилизатора необходимо ввести обратную связь по частоте вращения. Обычно при этом на вал двигателя устанавливается специальный датчик, чаще всего оптический [2]. Такой датчик включает в себя оптопару, световой поток которой прерывается крыльчаткой (или диском с отверстиями), которая насаживается на вал двигателя. Крыльчатка прерывает световой поток, и на выходе оптопары формируются импульсы с частотой вращения двигателя, умноженной на количество прорезей в крыльчатке. Иногда применяется и другой вид датчиков — магнитный. Тогда на вал двигателя устанавливается шестеренка из ферромагнитного материала, рядом с которой крепится магнитная головка. При вращении шестеренки на выводах головки появляется переменное напряжение с амплитудой около милливильта и частотой, равной частоте вращения двигателя, умноженной на количество зубъев на шестеренке. Однако, при доработке готового ЛПМ часто бывает трудно найти место для установки какого-либо датчика. Но это и не обязательно. Дело в том, что информацию о частоте вращения коллекторного двигателя можно извлечь из потребляемого им тока. Этот ток содержит переменную составляющую, первая гармоника которой имеет частоту, равную частоте вращения двигателя, умноженную на число пластин коллектора. Двигатели, которые чаще всего применяются в магнитофонах, имеют три пластины коллектора. Поэтому эта частота равна утроенной частоте вращения двигателя. Именно на этом принципе и построен описываемый регулятор.
Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора частоты вращения.
Для получения сигнала обратной связи в цепь питания двигателя включен датчик тока R1 (рис. 1). Ток, потребляемый двигателем, создает на этом резисторе падение, которое имеет переменную составляющую около 100 мВ peak-to-peak (рис.2, график 1). Основная гармоника выделяется с помощью простейшего ФНЧ R2C1 и через разделительный конденсатор C2 поступает на вход усилителя, собранного на ОУ U1A. Коэффициент усиления задан резисторами R4R5 так, чтобы усилитель работал в режиме ограничения. На его выходе формируетя практически прямоугольный сигнал с частотой, равной утроенной частоте вращения двигателя (рис. 2, график 2). Этот сигнал дифференцируется с помощью цепочки C3R6R7R8 (рис. 2, график 3). Отрицательный выброс ограничивается диодом VD1. Далее сигнал поступает на компаратор, в роли которого использован ОУ U1B. Опорное напряжение задается с помощью делителя R9R10. На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы постоянной длительности (рис. 2, график 4). Постоянная составляющая такой импульсной последовательности пропорциональна частоте следования импульсов, т.е. частоте вращения двигателя. Импульсная последовательность интегрируется с помощью цепочек R11R12C5 и R13C6. Постоянное напряжение, пропорциональное частоте вращения, поступает на пропорционально-интегрирующий регулятор, собранный на ОУ U1C. Для получения образцового напряжения применен регулируемый стабилитрон U2. Нужную частоту вращения устанавливают регулировкой этого напряжения с помощью переменного резистора R19. Выход ОУ U1C умощнен комплементарным эмиттерным повторителем на транзисторах VT1VT2. Казалось бы, направление тока питания двигателя всегда одно и то же и достаточно было бы одиночного эмитерного повторителя, который обеспечивал бы вытекающий ток. Но на самом деле с двухтактным эмиттерным повторителем гораздо лучше поведение системы во время переходных процессов (при пуске двигателя или при резких колебаниях нагрузки на валу) [2].
Рис.2. Форма сигналов в контрольных точках.
Нужно отдельно остановиться на проблеме устойчивости системы автоматического регулирования. В данной ситуации дело усложняется тем, что на устойчивость влияют и механические параметры системы, которые количественно учесть очень трудно. Поэтому в некоторых случаях придется подобрать АЧХ регулятора с помощью элементов R16C7 или даже ограничить коэффициент усиления, включив параллельно этой цепочке резистор. Подбор нужно вести по критерию устойчивости регулятора как в установившемся режиме, так и во время переходных процессов. Для этого нужно с помощью осциллографа контролировать напряжение питания двигателя. При включении оно должно плавно достичь номинального значения, причем без колебательного процесса. Если при работающем двигателе изменить нагрузку на валу, напряжение питания также должно принять новое значение без колебательного процесса. В регуляторе вместо LM324 можно применить практически любые ОУ, например, LM2902, или сдвоенные LM358, LM2904, или даже обычные KP140УД6, УД7. В зависимости от потребляемого двигателем тока может понадобиться установить транзистор VT1 на теплоотвод. Транзистор VT2 теплоотвода не требует.
Литература:
1. З. Гасымов. Стабилизатор частоты вращения электродвигателя. Радио, №12, 1987 г., стр. 48.
2. В. Псурцев. Модернизация ЭПУ G-602. Радиоежегодник, 1987 г., стр. 132 – 140.
