Електричний двигун - це машина, яка перетворює електричну енергію в механічну. Перші електродвигуни з'явилися в середині 19 століття. Успіхи в їх розробці пов'язують з іменами таких видатних фізиків і інженерів, як Н.Тесла, Б.Якобі, Г.Ферраріс, В.Сіменс.
Розрізняють електро двигуни постійного і змінного струму. Перевага перших полягає в можливості економічного і плавного регулювання частоти обертання валу. Перевага друге - велика питома потужність на одиницю ваги. У микроконтроллерной практиці часто застосовують низьковольтні двигуни постійного струму, що використовуються в побутових і комп'ютерних вентиляторах (Табл. 2.13). Зустрічаються також конструкції з мережевими двигунами.
Таблиця 2.13. Параметри вентиляторів фірми Sunon
Обмотку двигуна слід розглядати як котушку з великою індуктивністю, тому її можна комутувати звичайними транзисторними ключами (Рис. 2.78, а ... т). Головне - це не забути про захист від ЕРС самоіндукції.
У двигунах постійного струму є можливість змінювати напрямок обертання ротора в залежності від полярності робочої напруги. У таких випадках широко використовують мостові схеми «Н-bridge» (Рис. 2.79, а ... і).
Мал. 2.78. Схеми підключення електродвигунів через транзисторні ключі (початок):
а) регулювання швидкості потоку повітря вентилятора M1. Конденсатор С / зменшує ВЧ перешкоди. Діод VD1 захищає транзистор VT1 від викидів напруги. Резистор R1 визначає ступінь насичення транзистора Г77, а резистор R2 закриває його при рестарт MK. Частота імпульсів ШІМ на виході МК повинна бути не менше 30 кГц, тобто за межами звукового діапазону, щоб виключити неприємний «свист». Елементи С / і R2 можуть бути відсутніми;
б) плавне регулювання частоти обертання валу двигуна M1 через канал ШІМ. Конденсатор С / є первинним, а конденсатор С2 вторинним фільтром сигналів ШІМ; Про
Мал. 2.78. Схеми підключення електродвигунів через транзисторні ключі
(Продовження):
в) транзистори VT1, VT2 з'єднуються паралельно для збільшення сумарного колекторного струму. Резистори R1, R2 забезпечують рівномірне навантаження по потужності на обидва транзистора, що пов'язано з розкидом у них коефіцієнтів И2] Е і ВАХ переходів «база - емітер»;
г) двигун M1 (фірма Airtronics) має «цифровий» вхід управління, що дозволяє підключати до нього MK безпосередньо. Транзисторні ключі (драйвери) знаходяться всередині двигуна;
д) два окремих джерела живлення дозволяють значно знизити вплив на MK електричних перешкод, які генерує двигун M1. Система буде працювати стійкіше. GB1 - це малопотужна літієва батарея, GB2, GB3 - це пальчикові гальванічні елементи із загальним напругою 3.2 В і потужністю, достатньою для запуску і роботи двигуна M1 \
е) паралельні резистори R2, R3 служать обмежувачами струму, що протікає через двигун M1. Крім того, вони стабілізіруютток в навантаженні, якщо транзистор VT1 знаходиться в активному режимі або на межі входу в режим насичення;
ж) MK включає / вимикає двигун M1. Резистором R3 підлаштовується частота обертів його валу. Стабілізатором служить «магнітофонний» мікросхема DA1 фірми Panasonic. З її допомогою на затискачах двигуна M1 підтримуються постійні параметри, які практично не залежать від коливань температури і напруги живлення;
з) дроселі L7, L2 і конденсатори C7, С2фільтруют випромінюються двигуном радіоперешкоди. З тією ж метою двигун поміщається в заземлений екранований корпус;
Мал. 2.78. Схеми підключення електродвигунів через транзисторні ключі
(Продовження):
і) вібромотор M1 є джерелом потужних електромагнітних і радіочастотних перешкод. Елементи L /, L2, C1 служать фільтрами. Резистор R2 обмежує пусковий струм через два відкритому транзисторі VT1 Діоди VD1, УА2срезаютвершіниімпульснихпомех;
к) елементи VD1, C1 і VD2, & 2фільтруют перешкоди по харчуванню, які генерує двигун M1 в напрямку до MK. Частоту обертів вала двигуна можна плавно регулювати через канал ШІМ MK, при цьому окремий ФНЧ не потрібно, оскільки двигун має велику інерцію і сам згладжує проходять через нього ВЧ-імпульси струму;
л) застосування ключа на польовому транзисторі VT1 підвищує ККД в порівнянні з ключем на біполярному транзисторі, з огляду на більш низького опору «стік - витік». Резистор R1 обмежує амплітуду наведень, які можуть «просочуватися» від працюючого двигуна M1 у внутрішні ланцюга MK через ємність «затвор - стік» транзистора VT1;
м) транзистор VT2 є потужним силовим ключем, який подає харчування на двигун ML а транзистор VT1 - демпфером, який швидко гальмує обертання валу після виключення. Резистор R1 знижує навантаження на вихід MK при заряді ємностей затворів польових транзисторів VT1, VT2. Резистор Я2отключаетдвігатель M1 при рестарт MK;
н) ключ на транзисторах VT1, VT2 зібраний за схемою Дарлінгтона і має велике посилення. Для регулювання швидкості обертання валу двигуна M1 може застосовуватися метод ШІМ або фазо-імпульсна управління. Система не має зворотного зв'язку, тому при зниженні швидкості обертання через зовнішнього гальмування буде зменшуватися робоча потужність на валу;
Мал. 2.78. Схеми підключення електродвигунів через транзисторні ключі
(Продовження):
м) вбудовування MK в уже існуючий тракт регулювання швидкості обертання валу двигуна Ml. В цей тракт входять всі елементи схеми, крім резистора R2. Резистором R4 виставляється «груба» частота обертання. Точне підстроювання здійснюється імпульсами з виходу MK. Можлива організація зворотного зв'язку, коли МК стежить за будь-яким параметром і динамічно підлаштовує швидкість обертання в залежності від напруги живлення або температури;
о) швидкість обертання валу двигуна M1 визначається скважностью імпульсів в каналі ШІМ, що генеруються з нижнього виходу MK. Основним коммутирующим ключем служить транзистор VT2.2, інші транзисторні ключі беруть участь у швидкій зупинці двигуна M1 за сигналом ВИСОКОГО рівня з верхнього виходу MK;
п) плавне регулювання частоти обертів вала двигуна M1 проводиться резистором R8. ОУ ТШ служить стабілізатором напруги з подвійною зворотним зв'язком через елементи R1, R8, C2 і R9, R10, C1. Комбінацією рівнів з трьох виходів MK (ЦАП) можна поступово змінювати швидкість обертання валу двигуна M1 (точний підбір резисторами R2 ... R4). Лінії MK можуть переводитися в режим входу без «pull-up» резистора для збільшення числа «сходинок» ЦАП;
Мал. 2.78. Схеми підключення електродвигунів через транзисторні ключі (закінчення):
p) фазо-імпульсна управління двигуном змінного струму M1. Чим більший час за період напруги відкритий транзистор VT1, тим швидше обертається вал двигуна;
c) зарахування потужного двигуна змінного струму Ml проводиться через оптотиристор KS7, який забезпечує гальванічну розв'язку від ланцюгів MK;
т) аналогічно Рис. 2.78, п, але з одним кільцем зворотного зв'язку через елементи C7, R6, R8. Резистор R4 регулює частоту обертання валу двигуна Ml плавно, а MK - дискретно.
Мал. 2.79. Мостові схеми підключення електродвигунів до MK (початок):
а) напрямок обертання валу двигуна Ml змінюється бруківці «механічної» схемою на двох групах контактів реле KL1, K1.2. Частота перемикання контактів реле повинна бути низькою, щоб швидко не виробився ресурс. Дроселі L7, L2 знижують комутаційні струми при перемиканні реле і, відповідно, рівень випромінюваних електромагнітних завад;
Мал. 2.79. Мостові схеми підключення електродвигунів до MK (продовження):
б) при ВИСОКОМУ рівні на верхньому і НИЗЬКОМУ рівні на нижньому виході МК транзистори К77 ... до ТЗ відкриваються, а транзистори КГ4 ... КГ6закриваются, інавпаки. Коли полярність харчування двигуна Ml змінюється на протилежну, то його ротор обертається в зворотну сторону. Сигнали з двох виходів МК повинні бути протифазні, але з невеликою паузою НИЗЬКОЇ рівня між імпульсами, щоб закрити обидва плеча (усунення наскрізних струмів). Діоди VD1..VD4уменьшают викиди напруги, тим самим захищаючи транзистори від пробою;
в) аналогічно Рис. 2.79, б, але з іншими номіналами елементів, а також з апаратним захистом від одночасного відкривання транзисторів одного плеча за допомогою діодів VD3, VD4. Діоди VD1, КД2повишают стійкість при великій відстані до MK. Конденсатор С / знижує «іскрові» імпульсні радіоперешкоди, які генеруються двигуном Ml;
Мал. 2.79. Мостові схеми підключення електродвигунів до MK (продовження):
г) аналогічно Рис. 2.79, б, але з відсутністю «замикаючих» резисторів в базових колах транзисторів VT2, VT4. Расчётнато, чтообмоткадвігателяЛ // достаточнонізкоомная, слідчий, при рестарт МК зовнішні перешкоди на «висять в повітрі» базах транзисторів VT1 VT2, VT4, VT6 не зможуть відкрити їх колекторні переходи;
д) аналогічно Рис. 2.79, б, але з максимальним спрощенням схеми. Рекомендується для пристроїв, що виконують другорядні функції. Напруга живлення + Єї має відповідати робочій напрузі двигуна M1 \
е) на відміну від попередніх схем, транзистори VT1 ... VT4 включаються за схемою з загальним емітером і управляються ВИСОКИМ / найнижчими рівнем безпосередньо з виходів MK. Двигун M1 повинен бути розрахований на робочу напругу 3 ... 3.5 В. Діоди VD1 ... VD4 зменшують викиди напруги. Фільтр LL C1 знижує імпульсні перешкоди по харчуванню від двигуна M1, які можуть призводити до збоїв в роботі MK. Зустрічаються заміни деталей: VT1 VT3- KT972; VT2, VT4- KT973; VD1 ... VD4- КД522Б, Rx = 3.3 кОм; R2 = 3.3 кОм;
ж) мостова схема на чотирьох керуючих транзисторах VT1 VT2, VT4, VT5 структури р-п-р. Підлаштування резистором R4 регулюється напруга на двигуні Ml, а значить, і частота обертів відразу для двох напрямків обертання ротора;
Мал. 2.79. Мостові схеми підключення електродвигунів до MK (закінчення):
з) мостова схема для управління потужним двигуном Ml (24 В, 30 А). Зміна полярності напруги на двигуні проводиться протифазні рівнями на середніх виходах MK, а швидкість обертання - методом ШІМ на верхньому і нижньому виходах MK;
і) транзистори VT2, VT5 подають харчування на бруківку схему управління двигуном Ml. Їх запаралелювання дозволяє підключити до діода VD1 ще одну таку ж схему.
Джерело: Рюмик, С. М., 1000 і одна мікроконтролерна схема. Вип. 2 / С. М. Рюмик. - М.: ЛР Додека-ХХ1, 2011. - 400 с .: іл. + CD. - (Серія «Програмовані системи»).
