V súčasnosti sú jednosmerné motory široko používané v rôznych priemyselných odvetviach. Jednosmerné motory sa používajú tam, kde sa vyžaduje plynulé a presné riadenie rýchlosti a krútiaceho momentu v širokom rozsahu. V tomto článku budem hovoriť o vytvorení riadiacej jednotky pre jednosmerný motor, ktorá by umožnila meniť otáčky hriadeľa motora a stabilizovať otáčky na určitej úrovni bez ohľadu na zaťaženie hriadeľa motora.
Vývoj je založený na princípe činnosti servopohonu s jednookruhovým riadiacim systémom.
Riadiaca jednotka sa skladá z nasledujúcich komponentov:
- SIFU (Pulse-Phase Control System)
- Regulátor
- Ochrana
Schematický diagram pohonu je uvedený nižšie.
Väčšie
Pozrime sa bližšie na diagram.
Takže SIFU (Pulse-Phase Control System) - prevádza sínusové sieťové napätie na sériu pravouhlých impulzov smerujúcich k riadiacim elektródam výkonových tyristorov. Po zapnutí riadiacej jednotky sa do mostíkového usmerňovača D1 privádza striedavé napätie 14-16 V, kde sa mení na pulzujúce napätie, ktoré slúži nielen na napájanie obvodu, ale aj na synchronizáciu chodu riadiť. Dióda D2 zabraňuje vyhladzovaniu impulzov kondenzátorom C1. Ďalej impulzy prichádzajú do „nulového detektora“ - DA1.1, zostaveného na jednom operačnom zosilňovači čipu LM324, ktorý pracuje v režime komparátora. Kým nedochádza k impulzu, napätia na priamom a inverznom vstupe sú približne rovnaké a komparátor je v rovnovážnom stave. Keď fáza prechádza cez „0“, na inverznom vstupe komparátora DA1.1 sa objavia impulzy, ktoré zohrávajú úlohu „nulového detektora“, spínajú komparátor, v dôsledku čoho sa na výstupe generujú obdĺžnikové synchronizačné impulzy. DA1.1, ktorého opakovanie je striktne viazané na fázový prechod cez „0“ “
Nižšie sú uvedené oscilogramy, ktoré vysvetľujú princíp fungovania. 
Zhora nadol: KT1, KT2, KT3.
Obvod bol simulovaný v Multisim 11. Tu je súbor projektu. Môžete si stiahnuť, spustiť a vidieť, ako tento uzol funguje.
Ďalej sa hodinové impulzy posielajú do integrátora s tranzistorovým spínačom (C4, Q1), kde sa generuje pílovité napätie. V momente, keď fáza prechádza cez „0“, hodinový impulz otvorí tranzistor Q1, ktorý vybije kondenzátor C4. Po doznievaní impulzu sa tranzistor uzavrie a kondenzátor sa nabíja, kým nepríde ďalší hodinový impulz, výsledkom čoho je Q1 na kolektore (oscilátor KT4). vzniká lineárne rastúce pílovité napätie stabilizované stabilným generátorom prúdu, ktorý je vytvorený na tranzistore T1 s efektom poľa. Amplitúda „píly“ rovná 9V je nastavená orezávacím odporom RP1. Napätie „píly“ sa privádza na priamy vstup komparátora DA1.2.
Referenčné napätie je privedené na inverzný vstup komparátora DA1.2 a v momente, keď pílové napätie prekročí napätie na inverznom vstupe komparátora, komparátor sa prepne a na výstupe komparátora sa vytvorí impulz (oscilácia KT4). Impulz je diferencovaný cez reťazec R14, C6 a ide do bázy tranzistora Q2. Tranzistor sa otvorí a na impulznom transformátore Tr1 sa vytvoria otváracie impulzy výkonových tyristorov. Zvyšovaním (znižovaním) referenčného napätia sa mení pracovný cyklus impulzov v CT5.
Tu sú oscilogramy. 
V KT5 však neuvidíme žiadne impulzy, kým nestlačíme tlačidlo „Štart“ - S1. Keď tlačidlo nie je stlačené, napájacie napätie +12V cez normálne zatvorené kontakty S1 pozdĺž reťazca R12, D3 sa privádza na inverzný vstup DA1.2 a rovná sa asi 11V. Keďže toto napätie presahuje „pilové“ napätie 9V, komparátor je zablokovaný a negenerujú sa riadiace impulzy na otváranie tyristorov. Aby sa predišlo nehode a poruche motora, ak obsluha nenastaví regulátor otáčok na „0“, obvod zabezpečuje akceleračnú jednotku C5, R13, ktorá slúži na plynulé zrýchlenie motora. V režime „Štart“ obvod funguje nasledovne: keď stlačíte tlačidlo „Štart“, normálne zatvorené kontakty sa otvoria a kondenzátor C5 pozdĺž reťazca - „uzemnenie“, R13, - C5 sa začne hladko nabíjať a napätie sa zapne záporná doska kondenzátora hladko smeruje k nule. Súčasne sa plynulo zvýši napätie na invertujúcom vstupe DA1.2 na hodnotu určenú referenčným napätím a komparátor začne generovať riadiace impulzy pre výkonové tyristory. Doba nabíjania je určená hodnotami C5, R13. Ak je počas chodu motora potrebné zmeniť jeho otáčky, aby sa predišlo náhlym skokom otáčok, okruh zabezpečuje jednotku „zrýchľovanie-brzdenie“ R21, C8, R22. Keď sa referenčné napätie zvýši (zníži), kondenzátor C8 sa hladko nabije (vybije), čo zabráni prudkému „návalu“ napätia na inverznom vstupe zosilňovača a v dôsledku toho zabráni prudkému zvýšeniu otáčok motora.
Teraz sa pozrime na princíp fungovania regulátor rýchlosti.
Regulátor je navrhnutý tak, aby udržiaval konštantné otáčky motora v regulačnej zóne. Regulátor je diferenciálny zosilňovač so súčtom dvoch napätí: referenčného napätia a spätnoväzbového napätia. Referenčné napätie je nastavené odporom RP1 a je napájané cez filter R20, C8, R21, ktorý súčasne vykonáva funkcie jednotky „zrýchlenie-brzdenie“ a privádza sa na inverzný vstup regulátora operačného zosilňovača DA1.3. Keď sa referenčné napätie na výstupe operačného zosilňovača DA1.3 zvyšuje, výstupné napätie lineárne klesá.
Výstupné napätie regulátora sa privádza na inverzný vstup komparátora SIFU DA1.2, kde sa v súčte s pílovitými napäťovými impulzmi premieňa na sériu pravouhlých impulzov smerujúcich k riadiacim elektródam tyristorov. So zvyšujúcim sa (klesajúcim) referenčným napätím stúpa (klesá) aj výstupné napätie na výstupe pohonnej jednotky.
Tento graf znázorňuje závislosť otáčok motora od referenčného napätia. 
Hodnoty otáčok motora sú uvedené ako príklad.
Delič napätia R22, R23 pripojený na priamy vstup regulátora DA1.3 slúži na zabránenie zlyhaniu motora pri prerušení spätnej väzby (ak je spätná väzba prerušená, motor prejde do rázu).
Keď je pohon zapnutý, tachogenerátor začne generovať napätie úmerné otáčkam motora. Toto napätie sa privádza na vstup presného detektora DA1.4, DA2.1 zostaveného pomocou celovlnného obvodu. Napätie odobraté z výstupu presného detektora DA1.4, DA2.1 je privádzané cez filter C10, R30, R33 do zosilňovača škálovacej spätnej väzby DA2.2. Zosilňovač sa používa na nastavenie spätnoväzbového napätia prichádzajúceho z tachogenerátora. Napätie z výstupu operačného zosilňovača DA2.2. je napájaný ako na vstup regulátora DA1.3, tak aj na ochranný obvod DA2.3.
Rezistor RP1 nastavuje otáčky motora. Keď motor beží bez záťaže, napätie na výstupe škálovacieho zosilňovača je nižšie ako napätie na kolíku 6 operačného zosilňovača DA1.3. ≈ +5v, takže pohon funguje ako regulátor. Keď sa zaťaženie hriadeľa motora zvyšuje, napätie prijímané z tachogenerátora klesá a v dôsledku toho sa znižuje napätie z výstupu zosilňovača mierky.
Keď je toto napätie nižšie ako napätie na kolíku 5 operačného zosilňovača DA1.3, pohon vstúpi do aktuálnej stabilizačnej zóny. Zníženie napätia na neinvertujúcom vstupe operačného zosilňovača DA1.3 vedie k zníženiu napätia na jeho výstupe a keďže pracuje na invertujúcom zosilňovači DA1.2, vedie to k väčšiemu uhlu otvorenia tyristorov a následne k zvýšeniu napätia na kotve motora.
OCHRANNÝ OBVOD
Ochrana proti prekročeniu otáčok je určená na ochranu motora pred nehodou pri náhlom prekročení nastavených otáčok motora. Obvod je zostavený pomocou operačného zosilňovača DA2.3, zapojeného podľa obvodu komparátora. Referenčné napätie z deliča R36, R37, RP3 sa privádza na inverzný vstup komparátora. Rezistor RP3 nastavuje prah ochrany. Napätie z výstupu škálovacieho zosilňovača DA2.2 sa privádza na priamy vstup komparátora ochrany DA2.3. Keď otáčky motora prekročia menovité otáčky, napätie na priamom vstupe komparátora prekročí prah nastavenia ochrany určený RP3 - komparátor prepne. V dôsledku prítomnosti kladnej spätnej väzby v obvode spôsobuje R38 „kliknutie“ komparátora a prítomnosť diódy VD12 bráni resetovaniu komparátora. Keď je ochrana spustená, napätie z výstupu komparátora ochrany (≈ +11v) cez diódu VD14 sa privádza na inverzný vstup 13 DA1.2 SIFU, a keďže ochranné napätie presahuje napätie „pila“ (= 9V ) - vydávanie riadiacich impulzov k riadiacim je okamžite zakázané tyristorovým elektródam. Napätie z výstupu komparátora ochrany DA2.3 otvorí tranzistor VT4, čo spôsobí činnosť relé P1.1 a rozsvietenie LED VL1, čo signalizuje núdzový stav. Ochranu môžete odstrániť iba úplným odpojením pohonu od napätia a po 5 - 10 sekundovej prestávke jeho opätovným zapnutím.
Výkonová časť riadiacej jednotky.
Schéma výkonovej časti je uvedená nižšie 
Transformátor Tr1 je určený na napájanie obvodu riadiacej jednotky. Riadený usmerňovač je zostavený pomocou polomostíkového symetrického obvodu a obsahuje dve výkonové diódy D1, D2
a dva výkonové tyristory T1, T2 a ochrannú diódu D3. Poľné vinutie je napájané vlastným samostatným transformátorom a usmerňovačom.
Ak motor nemá tachogenerátor, spätnú väzbu na reguláciu rýchlosti možno vykonať takto:
1. Použite prúdový transformátor pripojený k silovému obvodu riadeného usmerňovača 
Ak je použitý prúdový transformátor, umiestnite prepojku P1 na schému riadiacej jednotky
do polohy 1-3 je to potrebné, pretože so zvyšujúcim sa zaťažením sa zvýši prúd kotvy, preto sa zvýši aj napätie odobraté z prúdového transformátora, takže spätnoväzbové napätie musí byť aplikované na invertujúci
výstup čipu DA1.3. Môžete tiež nainštalovať štandardný prúdový bočník, ale iba v obvode kotvy motora, za usmerňovačom a odstrániť z neho spätnoväzbový signál.
2. Použite snímač napätia kotvy. Diagram je uvedený nižšie. 
Snímač napätia kotvy je filter-delič a je pripojený priamo na svorky kotvy elektromotora. Pohon je nakonfigurovaný nasledovne. Rezistory „Task“ a „Scaling Uoc“ sú nastavené do strednej polohy. Rezistor R5 snímača napätia kotvy je umiestnený v spodnej polohe „zem“. Zapneme pohon a nastavíme napätie na kotve motora na približne 110 voltov. Riadením napätia na kotve motora začneme otáčať odpor R5. V určitom bode regulácie sa napätie na kotve začne znižovať, čo naznačuje, že spätná väzba začala fungovať.
Teraz prejdime k návrhu a úprave riadiacej jednotky.
Riadiaca jednotka bola vyrobená na doske plošných spojov (súbor PCB) 
Doska je pripojená vodičom MGTF ku konektoru pre ľahkú demontáž pri opravách.
nastavenie
Počas nastavovania bola výkonová časť zostavená pomocou inštalácie na stenu a ako záťaž bola použitá bežná žiarovka. 
Nastavenie začíname kontrolou napájacích napätí a napájacieho napätia na operačných zosilňovačoch DA1, DA2. Je vhodné inštalovať mikroobvody do zásuviek. Potom sledujeme oscilogramy v kontrolných bodoch KT1, KT2, KT3 (oscilogramy v týchto bodoch sú uvedené na začiatku popisu SIFU). Teraz umiestnime osciloskop do kontrolného bodu KT4. Mali by existovať pílovité impulzy, ako na osilograme vyššie (tlačidlo „Štart“ by malo byť v tejto chvíli otvorené). Pomocou orezávacieho odporu RP1 je potrebné nastaviť výkyv píly na 9 voltov, čo je veľmi dôležitý bod, pretože od toho závisí ďalšia prevádzka obvodu. Pretože rozptyl v parametroch tranzistorov s efektom poľa môže byť dosť významný, možno rozsah nastavenia RP1 nemusí stačiť, potom výberom hodnoty odporu R10 dosiahnite požadovaný rozsah. V kontrolnom bode KT3 by trvanie impulzu malo byť 1,5 - 1,8 ms, ak nie, potom zvoľte odpor R4 (smerom k poklesu), aby ste dosiahli požadované trvanie.
Otáčaním regulátora RR1 v riadiacom bode KT5 skontrolujte zmenu pracovného cyklu impulzov z maxima na ich úplné vymiznutie, keď je posúvač RR1 v spodnej polohe. V tomto prípade by sa mal zmeniť jas žiarovky pripojenej k napájacej jednotke.
Ďalej pripojíme riadiacu jednotku k motoru a tachogenerátoru. Nastavujeme ho regulátorom RR1
napätie kotvy je asi 40-50 voltov. Rezistor RP3 by mal byť nastavený do strednej polohy. Riadením napätia na kotve motora začneme otáčať odpor RP3. V určitom bode regulácie sa napätie na kotve začne znižovať, čo naznačuje, že spätná väzba začala fungovať. Pre tých, ktorí chcú experimentovať: na zvýšenie tuhosti pohonu môžete tiež zvýšiť odpor R24, čím sa zvýši zisk regulátora, alebo zväčší odpor R32.
Ak sa používa spätná väzba prúdu kotvy motora.
Na to, ako je uvedené vyššie, potrebujete prúdový transformátor zahrnutý v napájacom obvode
riadený usmerňovač. Kalibračný diagram prúdového transformátora je uvedený nižšie. Výberom odporu získajte na výstupe transformátora striedavé napätie ≈ 2 ÷ 2,5 V. Výkon záťaže RN1 musí zodpovedať výkonu motora. 
Pozor! Nezapínajte prúdový transformátor bez zaťažovacieho odporu.
Prúdový transformátor pripojíme k spätnoväzbovému obvodu P1 a P2. Pri nastavovaní „Regulátora“ je vhodné odspájkovať diódu D12, aby sa zabránilo falošnému spusteniu ochrany.
Oscilogramy v kontrolných bodoch KT8, KT9, KT10 by mali byť ako na obrázku nižšie. 
Ďalšie nastavenia sú rovnaké ako v prípade použitia tachogenerátora.
Ak sa používa spätná väzba napätia kotvy motora.
Ako je uvedené vyššie, na tento účel môžete použiť spätnú väzbu napätia kotvy. Riadiaca jednotka je nakonfigurovaná nasledovne. Rezistory „Task“ a „Scaling Uoc“ sú nastavené do strednej polohy. Rezistor R5 snímača napätia kotvy je umiestnený v spodnej polohe „zem“. Zapneme pohon a nastavíme napätie na kotve motora na približne 110 voltov. Riadením napätia na kotve motora začneme otáčať odpor R5. V určitom bode regulácie sa napätie na kotve začne znižovať, čo naznačuje, že spätná väzba začala fungovať.
Táto riadiaca jednotka bola vyrobená pre vyvrtávačku. Tu je fotka tohto monštra 
Na tomto stroji zlyhal elektrický strojový zosilňovač, ktorý ovládal jednosmerný motor pre pohyb stola.
Tu je zosilňovač elektrického stroja. 
Namiesto toho bola vyrobená táto riadiaca jednotka.
Tu je fotografia samotného DC motora. 
Riadiaca jednotka bola zostavená na izolačnom podstavci, kde sú umiestnené všetky hlavné prvky. 
Výkonové diódy a tyristory sú inštalované na chladičoch. Vyrobil sa aj panel s konektormi, kde boli vyvedené signály z riadiacich bodov obvodu. Toto bolo urobené pre jednoduché nastavenie a opravu priamo na stroji.
Tu je namontovaná riadiaca jednotka v napájacej skrini stroja 
Na druhej strane rozvodnej skrine bol nainštalovaný malý ovládací panel. 
Obsahuje:
- prepínač na zapnutie jednotky
- prepínač prevádzkového režimu. Keďže pre montážne pohyby stola stroja nie je potrebné presné riadenie a stabilizácia otáčok, spätnoväzbový obvod sa počas tejto doby premostí.
- gombíky na nastavenie počtu otáčok. Boli dodané dva variabilné odpory, jeden na hrubé nastavenie, druhý - viacotáčkový - na presné nastavenie požadovaných otáčok pri hrubom a jemnom vyvrtávaní súčiastky.
Pre záujemcov nižšie video stroja v prevádzke. Najprv je znázornené vyvŕtanie otvoru do oceľového plechu s hrúbkou 20 mm. Potom sa ukáže, akou frekvenciou sa otáča podávacia skrutka stola stroja. Pri tejto rýchlosti sa súčiastka privádza k fréze a túto rýchlosť otáčania podávacej skrutky zabezpečuje jednosmerný motor, pre ktorý sa to vlastne všetko robilo.
Riadiaca jednotka fungovala dobre, nevyskytli sa žiadne poruchy ani havárie.
Elektromotor je stroj, ktorý premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu. Prvé elektromotory sa objavili v polovici 19. storočia. Úspech v ich vývoji sa spája s menami takých vynikajúcich fyzikov a inžinierov ako N. Tesla, B. Jacobi, G. Ferraris, V. Siemens.
Existujú elektromotory na jednosmerný a striedavý prúd. Výhodou prvého je možnosť ekonomickej a plynulej regulácie otáčok hriadeľa. Výhodou druhého menovaného je vysoká hustota výkonu na jednotku hmotnosti. V praxi mikrokontrolérov sa často používajú nízkonapäťové jednosmerné motory, používané v domácich a počítačových ventilátoroch (tabuľka 2.13). Existujú aj návrhy so sieťovými motormi.
Tabuľka 2.13. Parametre ventilátorov Sunon
Vinutie motora je potrebné považovať za cievku s vysokou indukčnosťou, preto je možné ho spínať klasickými tranzistorovými spínačmi (obr. 2.78, a...t). Hlavnou vecou nie je zabudnúť na ochranu pred samoindukčným EMF.
U jednosmerných motorov je možné meniť smer otáčania rotora v závislosti od polarity prevádzkového napätia. V takýchto prípadoch sa široko používajú mostové obvody „H-most“ (obr. 2.79, a...i).
(Štart):
a) regulácia rýchlosti prúdenia vzduchu ventilátora M1. Kondenzátor C/ znižuje RF rušenie. Dióda VD1 chráni tranzistor VT1 pred napäťovými rázmi. Rezistor R1 určuje stupeň nasýtenia tranzistora G77 a rezistor R2 ho zatvára pri reštarte MK. Frekvencia impulzov PWM na výstupe MK musí byť minimálne 30 kHz, t.j. mimo zvukového rozsahu, aby sa eliminovalo nepríjemné „pískanie“. Prvky C/ a R2 môžu chýbať;
b) plynulé riadenie rýchlosti otáčania hriadeľa motora M1 cez kanál PWM. Kondenzátor C/ je primárny a kondenzátor C2 je sekundárny filter signálov PWM; O
Ryža. 2.78. Schémy zapojenia elektromotorov cez tranzistorové spínače
(pokračovanie):
c) tranzistory VT1, VT2 sú zapojené paralelne, aby sa zvýšil celkový kolektorový prúd. Rezistory R1, R2 poskytujú rovnomerné výkonové zaťaženie oboch tranzistorov, čo je spôsobené šírením ich koeficientov I2]E a prúdovo-napäťovými charakteristikami prechodov báza-emitor;
d) motor M1 (Airtronics) má „digitálny“ riadiaci vstup, ktorý umožňuje pripojiť MK priamo k nemu. Tranzistorové spínače (ovládače) sú umiestnené vo vnútri motora;
e) dva samostatné napájacie zdroje môžu výrazne znížiť vplyv elektrického šumu generovaného motorom M1 na MK. Systém bude fungovať stabilnejšie. GB1 je nízkoenergetická lítiová batéria, GB2, GB3 sú prstové galvanické články s celkovým napätím 3,2 V a dostatočným výkonom na spustenie a prevádzku motora M1\
f) paralelné odpory R2, R3 slúžia ako obmedzovače prúdu pretekajúceho motorom M1. Okrem toho stabilizujú zaťažovací prúd, ak je tranzistor VT1 v aktívnom režime alebo na pokraji vstupu do režimu saturácie;
g) MK zapína/vypína motor M1. Rezistor R3 upravuje rýchlosť jeho hriadeľa. Stabilizátorom je „magnetofónový“ čip DA1 od spoločnosti Panasonic. S jeho pomocou sú na svorkách motora M1 udržiavané konštantné parametre, ktoré sú prakticky nezávislé od kolísania teploty a napájacieho napätia;
h) tlmivky L7, L2 a kondenzátory C7, C2 filtrujú rádiové rušenie emitované motorom. Na ten istý účel je motor umiestnený v uzemnenom tienenom kryte;
Ryža. 2.78. Schémy zapojenia elektromotorov cez tranzistorové spínače
(pokračovanie):
i) vibračný motor M1 je zdrojom silného elektromagnetického a rádiofrekvenčného rušenia. Prvky L/, L2, C1 slúžia ako filtre. Rezistor R2 obmedzuje štartovací prúd cez dva otvorené tranzistory VT1 Diódy VD1, UA2 odrežú vrcholy pulzného šumu.
j) prvky VD1, C1 a VD2, &2 filtrujú hluk napájacieho zdroja generovaný motorom M1 v smere MK. Rýchlosť hriadeľa motora sa dá plynulo nastavovať cez PWM kanál MK, pričom nie je potrebný samostatný dolnopriepustný filter, pretože motor má veľkú zotrvačnosť a sám vyhladzuje HF prúdové impulzy, ktoré ním prechádzajú;
l) použitie spínača na tranzistore s efektom poľa VT1 zvyšuje účinnosť v porovnaní s prepínačom na bipolárnom tranzistore v dôsledku nižšieho odporu kolektor-zdroj. Rezistor R1 obmedzuje amplitúdu rušenia, ktoré môže „unikať“ z bežiaceho motora M1 do vnútorných obvodov MK cez kapacitu brány-odvod tranzistora VT1;
l) tranzistor VT2 je výkonný vypínač, ktorý napája motor ML a tranzistor VT1 je tlmič, ktorý po vypnutí rýchlo spomaľuje otáčanie hriadeľa. Rezistor R1 znižuje zaťaženie výstupu MK pri nabíjaní kapacít hradla tranzistorov s efektom poľa VT1, VT2. Rezistor R2 vypne motor M1, keď sa MK reštartuje;
m) spínač na tranzistoroch VT1, VT2 je zostavený podľa Darlingtonovho obvodu a má vysoký zisk. Na riadenie rýchlosti otáčania hriadeľa motora M1 je možné použiť metódu PWM alebo pulznú fázovú reguláciu. Systém nemá spätnú väzbu, preto, keď sa rýchlosť otáčania zníži v dôsledku externého brzdenia, prevádzkový výkon na hriadeli sa zníži;
Ryža. 2.78. Schémy zapojenia elektromotorov cez tranzistorové spínače
(pokračovanie):
m) osadenie MK do už existujúcej dráhy pre riadenie rýchlosti otáčania hriadeľa motora Ml. Táto cesta zahŕňa všetky prvky obvodu okrem odporu R2. Rezistor R4 nastavuje „hrubú“ rýchlosť otáčania. Jemné nastavenie sa vykonáva impulzmi z výstupu MK. Je možné organizovať spätnú väzbu, keď MK monitoruje akýkoľvek parameter a dynamicky upravuje rýchlosť otáčania v závislosti od napájacieho napätia alebo teploty;
o) rýchlosť otáčania hriadeľa motora M1 je určená pracovným cyklom impulzov v kanáli PWM generovaných zo spodného výstupu MK. Hlavný spínací spínač je tranzistorový VT2.2, zvyšné tranzistorové spínače sa podieľajú na rýchlom zastavení motora M1 signálom VYSOKEJ úrovne z horného výstupu MK;
n) plynulá regulácia otáčok hriadeľa motora M1 sa vykonáva odporom R8. Op-amp TS slúži ako stabilizátor napätia s dvojitou spätnou väzbou cez prvky R1, R8, C2 a R9, R10, C1. Použitím kombinácie úrovní z troch výstupov MK (DAC) môžete postupne meniť rýchlosť otáčania hriadeľa motora M1 (presný výber pomocou rezistorov R2…R4). Linky MK je možné prepnúť do vstupného režimu bez pull-up rezistora, aby sa zvýšil počet „krokov“ DAC;
Ryža. 2.78. Schémy pripojenia elektromotorov cez tranzistorové spínače (koniec):
p) fázovo-pulzné riadenie striedavého motora M1. Čím dlhšie je otvorené obdobie tranzistora sieťového napätia VT1, tým rýchlejšie sa otáča hriadeľ motora;
c) výkonný striedavý motor Ml sa zapína cez optotyristor KS7, ktorý zabezpečuje galvanické oddelenie od obvodov MK;
t) podobne ako na obr. 2.78, p, ale s jedným spätným krúžkom cez prvky C7, R6, R8. Rezistor R4 reguluje rýchlosť hriadeľa motora Ml plynulo a MK - diskrétne.
Ryža. 2,79. Mostové obvody na pripojenie elektromotorov k MK (začiatok):
a) smer otáčania hriadeľa motora Ml sa mení mostíkovým „mechanickým“ obvodom na dvoch skupinách reléových kontaktov KL1, K1.2. Frekvencia spínania kontaktov relé by mala byť nízka, aby sa zdroj rýchlo nevyčerpal. Tlmivky L7, L2 znižujú spínacie prúdy pri spínaní relé a podľa toho aj úroveň vyžarovaného elektromagnetického rušenia;
b) pri úrovni VYSOKEJ na hornej a NÍZKEJ na spodnom výstupe MK sa tranzistory K77...až TZ otvárajú a tranzistory KG4...KG6 zatvárajú a naopak. Keď je polarita napájania motora Ml obrátená, jeho rotor sa otáča v opačnom smere. Signály z dvoch výstupov MC musia byť protifázové, ale s krátkou pauzou na nízkej úrovni medzi impulzmi, aby sa uzavreli obe ramená (eliminácia priechodných prúdov). Diódy VD1..VD4 znižujú napäťové rázy, čím chránia tranzistory pred poruchou;
c) podobne ako na obr. 2,79, b, ale s rôznymi menovitými hodnotami prvkov, ako aj s hardvérovou ochranou proti súčasnému otvoreniu tranzistorov jedného ramena pomocou diód VD3, VD4. Diódy VD1, KD2 zvyšujú odolnosť voči šumu na veľkú vzdialenosť od MK. Kondenzátor C/ znižuje „iskrové“ pulzné rádiové rušenie generované motorom Ml;
Ryža. 2,79. Mostové obvody na pripojenie elektromotorov k MK (pokračovanie):
d) podobne ako na obr. 2.79, b, ale s absenciou „blokovacích“ odporov v základných obvodoch tranzistorov VT2, VT4. Vypočítalo sa, že vinutie motora L// má pomerne nízky odpor, preto pri reštartovaní MK vonkajší hluk na „visiacich vo vzduchu“ základne tranzistorov VT1 VT2, VT4, VT6 nebude môcť otvoriť svoj kolektor. križovatky;
e) podobne ako na obr. 2.79, b, ale s maximálnym zjednodušením diagramu. Odporúča sa pre zariadenia vykonávajúce sekundárne funkcie. Napájacie napätie je +E a musí zodpovedať prevádzkovému napätiu motora M1\
f) na rozdiel od predchádzajúcich obvodov sú tranzistory VT1...VT4 zapojené podľa spoločného emitorového obvodu a sú riadené úrovňami HIGH/LOW priamo z výstupov MK. Motor M1 musí byť dimenzovaný na prevádzkové napätie 3...3,5 V. Diódy VD1...VD4 znižujú napäťové rázy. Filter LL C1 znižuje impulzný šum v napájacom zdroji z motora M1, čo môže viesť k poruchám MK. Nájdené náhradné diely: VT1 VT3- KT972; VT2, VT4-KT973; VD1…VD4- KD522B, R x = 3,3 kOhm; R2 = 3,3 kOhm;
g) mostíkový obvod so štyrmi riadiacimi tranzistormi VT1 VT2, VT4, VT5 štruktúry p-p-p. Trimrový rezistor R4 reguluje napätie na motore Ml a tým aj rýchlosť pre dva smery otáčania rotora naraz;
Ryža. 2,79. Mostové obvody na pripojenie elektromotorov k MK (koniec):
h) mostíkový obvod na riadenie výkonného motora Ml (24 V, 30 A). Zmena polarity napätia na motore sa vykonáva protifázovými úrovňami na stredných výstupoch MK a rýchlosť otáčania sa vykonáva metódou PWM na horných a dolných výstupoch MK;
i) tranzistory VT2, VT5 napájajú riadiaci obvod motora mostíka Ml. Ich paralelné pripojenie vám umožňuje pripojiť ďalší podobný obvod k dióde VD1.
Jednosmerné motory sa nepoužívajú tak často ako striedavé motory. Nižšie sú uvedené ich výhody a nevýhody.
V každodennom živote sa jednosmerné motory používajú v detských hračkách, pretože sú poháňané batériami. Používajú sa v doprave: v metre, električkách a trolejbusoch a autách. V priemyselných podnikoch sa jednosmerné elektromotory používajú na pohon jednotiek, ktoré používajú batérie na neprerušované napájanie.
Dizajn a údržba jednosmerného motora
Hlavné vinutie jednosmerného motora je Kotva, pripojený k zdroju energie cez kefový prístroj. Kotva sa otáča v magnetickom poli vytvorenom o statorové póly (poľné vinutia). Koncové časti statora sú pokryté štítmi s ložiskami, v ktorých sa otáča hriadeľ kotvy motora. Na jednej strane namontované na rovnakom hriadeli ventilátor chladenie, poháňajúce prúdenie vzduchu cez vnútorné dutiny motora počas prevádzky.
Kefové zariadenie je zraniteľným prvkom konštrukcie motora. Kefy sú ku komutátoru zabrúsené, aby čo najpresnejšie zopakovali jeho tvar, a sú naň pritláčané konštantnou silou. Počas prevádzky sa kefy opotrebúvajú, vodivý prach z nich sa usadzuje na stacionárnych častiach a musí sa pravidelne odstraňovať. Samotné kefy sa niekedy musia pohybovať v drážkach, inak sa v nich pod vplyvom toho istého prachu zaseknú a „visia“ nad komutátorom. Charakteristiky motora závisia aj od polohy kief v priestore v rovine otáčania kotvy.
Postupom času sa kefy opotrebujú a je potrebné ich vymeniť. Opotrebováva sa aj komutátor v miestach kontaktu s kefami. Periodicky sa demontuje kotva a komutátor sa točí na sústruhu. Po vybrúsení sa izolácia medzi lamelami komutátora nareže do určitej hĺbky, pretože je pevnejšia ako materiál komutátora a pri ďalšom spracovaní zničí kefy.
Obvody pripojenia jednosmerného motora
Prítomnosť poľných vinutí je charakteristickou črtou jednosmerných strojov. Elektrické a mechanické vlastnosti elektromotora závisia od spôsobu pripojenia k sieti.
Nezávislé budenie
Budiace vinutie je pripojené k nezávislému zdroju. Charakteristiky motora sú rovnaké ako charakteristiky motora s permanentným magnetom. Rýchlosť otáčania je riadená odporom v obvode kotvy. Je tiež regulovaný reostatom (nastavovacím odporom) v obvode budiaceho vinutia, ale pri nadmernom znížení jeho hodnoty alebo pri jeho prerušení sa prúd kotvy zvýši na nebezpečné hodnoty. Motory s nezávislým budením sa nesmú spúšťať pri voľnobežných otáčkach alebo pri malom zaťažení hriadeľa. Rýchlosť otáčania sa prudko zvýši a motor sa poškodí.
Zvyšné obvody sa nazývajú samobudené obvody.
Paralelné budenie
Rotor a budiace vinutia sú zapojené paralelne k jednému zdroju energie. Pri tomto zapojení je prúd budiacim vinutím niekoľkonásobne menší ako cez rotor. Charakteristiky elektromotorov sú tuhé, čo umožňuje ich použitie na pohon strojov a ventilátorov.
Regulácia rýchlosti otáčania je zabezpečená zahrnutím reostatov do obvodu rotora alebo v sérii s budiacim vinutím.
Sekvenčné budenie
Poľné vinutie je zapojené do série s vinutím kotvy a cez ne preteká rovnaký prúd. Rýchlosť takéhoto motora závisí od jeho zaťaženia; Ale má dobré štartovacie vlastnosti, preto sa v elektrifikovaných vozidlách používa sériový budiaci obvod.
Zmiešané vzrušenie
Pri tejto schéme sa používajú dve budiace vinutia umiestnené v pároch na každom z pólov elektromotora. Môžu byť prepojené tak, že ich toky sa buď sčítajú alebo odčítajú. Výsledkom je, že motor môže mať charakteristiky podobné sériovému alebo paralelnému budiacemu obvodu.
Riadenie jednosmerného motora v ACS znamená buď zmenu rýchlosti otáčania v pomere k určitému riadiacemu signálu, alebo udržanie tejto rýchlosti nezmenenej pri vystavení vonkajším destabilizačným faktorom.
Používajú sa 4 hlavné metódy riadenia, ktoré implementujú princípy uvedené vyššie:
riadenie reostat-stykač;
ovládanie prostredníctvom systému generátor-motor (G-E);
ovládanie pomocou systému „riadeného usmerňovača-D“ (UV-D);
impulzné ovládanie.
Podrobné štúdium týchto metód je predmetom TAU a kurzu „Základy elektrického pohonu“. Budeme brať do úvahy iba základné ustanovenia, ktoré priamo súvisia s elektromechanikou.
Zvyčajne sa používajú 3 schémy:
pri nastavovaní rýchlosti n od 0 do nnom je do obvodu kotvy zahrnutý reostat (regulácia kotvy);
ak je potrebné získať n > nnom, je reostat zaradený do obvodu OB (pólové riadenie);
pre reguláciu rýchlosti n< nном и n >Normálne reostaty sú zahrnuté v obvode kotvy aj v obvode OF.
Uvedené schémy sa používajú na manuálne ovládanie. Pre automatické riadenie sa používa stupňovité spínanie R pa a R rv pomocou stýkačov (relé, elektronické spínače).
Ak sa vyžaduje presné a plynulé riadenie otáčok, počet spínaných odporov a spínacích prvkov musí byť veľký, čo zvyšuje veľkosť systému, náklady a znižuje spoľahlivosť.
Regulácia rýchlosti otáčania od 0 do podľa schémy na obr. sa vykonáva úpravou R in (U g sa mení z 0 na n nom). Ak chcete dosiahnuť rýchlosť motora vyššiu ako nnom, zmeňte R ind (pokles prúdu OB motora znižuje jeho hlavný prietok F, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti n).
Spínač S1 je určený na reverzáciu motora (zmena smeru otáčania jeho rotora).
Pretože D riadenie sa vykonáva reguláciou relatívne malých budiacich prúdov G a D, je ľahko prispôsobené úlohám automatického riadiaceho systému.
Nevýhodou takejto schémy sú veľké rozmery systému, hmotnosť, nízka účinnosť, keďže dochádza k trojnásobnej premene energie (elektrickej na mechanickú a naopak a v každej fáze dochádza k energetickým stratám).
Ovládanie systémom „riadený usmerňovač – motor“.
Systém „riadený usmerňovač - motor“ (pozri obrázok) je podobný predchádzajúcemu, ale namiesto elektrického strojového zdroja regulovaného napätia, pozostávajúceho napríklad z trojfázového striedavého motora a G=T, riadeného, napríklad sa používa aj trojfázový tyristorový elektronický usmerňovač.
Riadiace signály sú generované samostatnou riadiacou jednotkou a zabezpečujú požadovaný uhol otvorenia tyristorov, úmerný riadiacemu signálu Uу.
Výhodou takéhoto systému je vysoká účinnosť, malé rozmery a hmotnosť.
Nevýhodou oproti predchádzajúcemu obvodu (G-D) je zhoršenie spínacích podmienok D v dôsledku zvlnenia jeho kotvového prúdu, najmä pri napájaní z jednofázovej siete.
Pomocou impulzného choppera sú do motora privádzané napäťové impulzy modulované (PWM, VIM) v súlade s riadiacim napätím.
Zmena rýchlosti otáčania kotvy sa teda nedosiahne zmenou riadiaceho napätia, ale zmenou času, počas ktorého je menovité napätie aplikované na motor. Je zrejmé, že chod motora pozostáva zo striedania periód zrýchľovania a spomaľovania (pozri obrázok).
Ak sú tieto periódy malé v porovnaní s celkovým časom zrýchlenia a zastavenia kotvy, potom rýchlosť n nestihne do konca každej periódy dosiahnuť ustálené hodnoty nnom počas zrýchlenia alebo n = 0 počas brzdenia, a stanoví sa určitá priemerná rýchlosť nav, ktorej hodnota je určená relatívnym trvaním aktivácie.
Preto ACS vyžaduje riadiaci obvod, ktorého účelom je previesť konštantný alebo meniaci sa riadiaci signál na sled riadiacich impulzov s relatívnou dobou spínania, ktorá je daná funkciou veľkosti tohto signálu. Výkonové polovodičové zariadenia sa používajú ako spínacie prvky -.
V minulosti trakčné systémy používali na riadenie jednosmerných motorov pulzne riadené regulátory s otvorenou slučkou. V súčasnosti trakčné systémy využívajú prevažne len asynchrónne motory.
V systémoch s nízkym výkonom a najmä v servosystémoch je bežné riadenie spínaním v uzavretej slučke. Najpoužívanejšie sú jednosmerné motory s permanentnými magnetmi. Existujú aj motory s nezávislým budením, ale v tomto článku sa budú brať do úvahy iba motory s permanentnými magnetmi.
Jednosmerný motor s permanentným magnetom
V malých jednosmerných motoroch je magnetické pole zvyčajne generované keramickými permanentnými magnetmi. Je zrejmé, že vlastnosti takýchto motorov sú podobné charakteristikám motorov s budiacim vinutím. Ale motory s permanentnými magnetmi majú lepší výkon:
Poznámka: Krivka krútiaceho momentu a rýchlosti (obr. 1).
Pre jednosmerné motory je možné špecifikovať nasledujúce závislosti:
Takto:
Pre jednosmerné motory je to konštantná hodnota, preto:
Jednokvadrantový pohon
Riadiaci obvod jednosmerného motora využíva PWM invertor s regulátorom.
Ryža. 2. Riadený jednokvadrantový pohon
Operácia v dvoch kvadrantoch
Na obr. Obrázok 3 zobrazuje mostíkový obvod na riadenie jednosmerného motora. Tento obvod sa často používa vo výkonovom stupni na riadenie servomotorov a krokových motorov. Mostíkový obvod možno použiť aj v lineárnych servozosilňovačoch, ale z dôvodov účinnosti sa skutočne používa iba na pohon motorov s nízkym výkonom. Tranzistory v podstate fungujú ako spínače a sú riadené PWM servozosilňovača.
Tieto spínače pracujú v pároch: T1-T4 a T2-T3. Keď sú T1-T4 zatvorené a T1-T3 sú otvorené, prúd kotvy tečie doprava. Motor sa otáča napríklad v smere hodinových ručičiek. Keď je T2-T3 zatvorený a T1-T4 otvorený, motor sa bude otáčať proti smeru hodinových ručičiek. Most v režime vodiča môže fungovať v dvoch smeroch.
Ryža. 3. Premosťovací obvod jednosmerného motora
V zásade má riadiaci obvod jednosmerného motora mostíka dve možnosti, ktoré sa nazývajú unipolárne a bipolárne PWM. Na obr. Obrázok 4 ukazuje možný tvar impulzných signálov pre unipolárne PWM.
Napätie na motore počas jedného cyklu sa mení od 0 do V (od + do +V a od 0 do -V). Používajú sa dva spínače: T1-T4 alebo T2-T3.
Pri bipolárnom PWM signáli (obr. 5) sa používajú štyri spínače pre jeden smer otáčania motora. Napätie na motore sa pohybuje od +V do -V, priemerná hodnota napätia určuje smer otáčania motora.
Ryža. 4. Riadenie jednosmerného motora - unipolárny PWM signál.
Ryža. 5. Riadenie jednosmerného motora - bipolárny PWM signál.
Ako príklad sa pozrieme na činnosť mostíkového riadiaceho obvodu jednosmerného motora pomocou široko používaného unipolárneho PWM.
Ryža. 6 (a) ilustruje možnosť so zatvorenými T1-T4 a motorom otáčajúcim sa v smere hodinových ručičiek. Teraz existujú dve možnosti ovládania tranzistorov: buď jeden spínač zostane zopnutý (napríklad T1) a druhý je ovládaný pulznou reguláciou (T4), alebo sú oba spínače (T1 a T4) ovládané PWM reguláciou - obr. 6 (c). Najprv sa pozrime na prevádzku, keď je T1 zatvorený a T4 je riadený PWM riadením.
Keď je T4 otvorený - obr. 6 b) - máme:
Pre tento tranzistor je potrebné použiť ochranné diódy. V prípade znázornenom na obr. 6(b), emf e spôsobí tok prúdu cez D3 a T1. Dióda D3 bude chrániť tranzistor T4. Pre iné možnosti spínania bude potrebné chrániť ostatné tranzistory, t.j. všetky štyri tranzistory budú mať ochranné diódy: D1, D2, D3, D4.
Ďalšou možnosťou je, že oba spínače T1 a T4 sú vypnuté súčasne (riadené PWM reguláciou). V momente sa tranzistory zatvoria - obr. 6 (c) - EMF e spôsobí tok energie cez diódy D2 a D3 do zdroja Vcc. To platí aj pre prípad znázornený na obr. 6 (b) v momente, keď sa otvorí T1 (súčasne s T4). Je zrejmé, že je potrebná dióda D2.
Ovládanie otáčania motora v opačnom smere je podobné, ale namiesto T1-T4 pracujú tranzistory T2-T3.
Poznámka:
- Z obvodu riadiaceho mostíka jednosmerného motora znázorneného na schémach na obr. 6 (a, b, c) si môžeme všimnúť možnosť dvojkvadrantového riadenia.
- Pri použití bipolárneho PWM je možné rýchlo zmeniť smer otáčania motora a poskytnúť dobrú dynamiku. Unipolárna PWM poskytuje menšie zvlnenie prúdu v kotve motora pri rovnakej nosnej frekvencii a priemernej hodnote prúdu.
Ryža. 6. Premostené riadenie jednosmerného motora pomocou unipolárneho PWM
Spínacie riadenie jednosmerného motora so sériovým budením
Do roku 1990 sa jednosmerné motory používali v mnohých krajinách ako trakčné pohony (vlaky, električky, metro). Na riadenie boli použité striedače, zdroje jednosmerného a striedavého prúdu a riadené usmerňovače. Okrem hlavnej úlohy riadenia trakčného motora sa striedače využívali aj na obsluhu externých pomocných zariadení (napríklad na ovládanie ventilátorov chladenia trakčných motorov). Výkon invertorov sa pohyboval od stoviek kilowattov až po niekoľko megawattov.
Moderné systémy využívajú IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) na spínanie elektrickej energie a riadenie trakčných motorov. Riadenie motora je realizované pomocou mikrokontrolérov. Používajú sa prevažne trojfázové asynchrónne motory.
Trakčné systémy
Na obr. 7 je znázornený menič ako mechanický spínač. Prevádzkový režim δ meniča určuje priemernú hodnotu:
Určuje rýchlosť otáčania motora.
Ryža. 7. Schéma riadenia jednosmerného motora pomocou meniča.
Aktuálna zmena Δi sa určuje výrazom:
To je zrejmé Δi a= 0 at δ = 0 alebo at δ = 1.
Maximálna hodnota Δi a ako nezávislú veličinu možno nájsť:
O δ = 0,5 a = frekvencia meniča, dostaneme:
(1)
Zo vzorca (1) vyplýva, že rozsah prúdu motora sa vlní (Δi a) max bude menej, ak:
- Frekvencia meniča bude vyššia
- Samoindukcia bude väčšia
Pri použití meničov s príliš nízkou frekvenciou je potrebné zaradiť do obvodu veľké a drahé elektrické tlmivky.
Vysoká frekvencia meniča zvyšuje straty:
- V polovodičoch, z ktorých je vyrobený menič;
- v ochranných obvodoch pre tieto polovodiče;
- V samotnom motore (straty v dôsledku zložky striedavého prúdu).
Pri normálnom používaní tyristorového meniča by mala byť doba vypnutia aspoň päťnásobkom doby nečinnosti tyristora.
Ak je frekvencia meniča použitá príliš vysoká, maximálna hodnota δ je obmedzená. V tomto prípade väčšina elektriny zo zdroja energie nemôže byť dodaná do elektromotora.
Poznámka:
Typicky počas brzdenia sériovo vinutý jednosmerný motor funguje ako generátor.
Linkový filter
V prípade, že sú ako zdroj energie použité batérie (vnútorná impedancia = 0), je možné menič bez problémov napájať.
Keď je napájanie dodávané cez trolejový drôt, samoindukcia LR cez tento drôt je:
- výrazne obmedzí čas nábehu prúdu na invertorovom spínači;
- generovať vysoké samoindukčné napätie na invertorovom spínači.
Na neutralizáciu týchto negatívnych javov je potrebné zaradiť do obvodu aspoň jeden indukčno-kapacitný filter (L1C1 na obr. 8).
Ryža. 8. Samoindukcia na trolejovom drôte a vstupnom filtri ťažného zariadenia.
KapacitaC1: umožňuje absorbovať zvlnenie prúdu bez vlastnej indukcie obvodu, čím obmedzuje rýchlosť nárastu prúdu. Kontajner slúži ako zásobník energie. Okrem toho kapacita znižuje úroveň prepätia na vstupe meniča. Toto prepätie môže nastať z dvoch dôvodov:
- na trolejovom drôte môže byť prepätie;
- prepätia vyplývajúce z vypnutia prúdu meniča.
CievkaL1 : umožňuje obmedziť kolísanie trolejového drôtu, takže ostatní spotrebitelia toho istého trolejového drôtu nebudú mať problémy, ktoré môžu vzniknúť v dôsledku zvlnenia prúdu počas prerušovanej prevádzky. Takéto prerušované prúdy v trolejovom drôte a koľajnici môžu spôsobiť interferenciu s telekomunikačnými riadiacimi obvodmi.
Kapacita C1 spolu s indukčnosťou LR+L1 tvorí sériový rezonančný obvod s rezonančnou frekvenciou:
(2)
Spolu s frekvenciou meniča f c, ktorá je rovnaká alebo menšia ako frekvencia f 1, táto frekvencia môže spôsobiť veľké kolísanie napätia. V praxi k tomu dochádza vtedy, keď f c > 2*f 1 alebo dokonca f c > 3*f 1.
Okrem toho je potrebné vziať do úvahy skutočnosť, že LR je premenná v závislosti od vzdialenosti medzi hlavným rozvádzačom a spotrebičom.
