Блок управления коллекторным двигателем постоянного тока

С целью расширения областей применения поставляемых коллекторных двигателей постоянного тока нашей компанией было разработано несколько моделей контроллеров. Контроллеры являются электронными блоками управления, осуществляющими плавный пуск и остановку, регулирование скорости вращения коллекторного двигателя, задающими направление движения.

Отдельные модели контроллеров имеют возможность стабилизации частоты вращения по установленному на двигатель энкодеру.

Имеется возможность дистанционного управления двигателями, а также управление командами с компьютера или ПЛК с использованием интерфейса передачи данных RS-485.

Новые модели блоков управления BMD-20DIN и BMD-40DIN имеют функцию защиты двигателя от перегрузки.

• Функция ограничения тока двигателя
• Крепление на DIN рейку

• Функция ограничения тока двигателя
• Крепление на DIN рейку

• Управление командами по RS-485
• Стабилизация скорости

• Дистанционное управение
• Крепление на DIN рейку

Все предлагаемые контроллеры для коллекторных двигателей постоянного тока разработаны нашей компанией. Технические характеристики контроллеров позволяют использовать их почти со всеми двигателями, предлагаемыми на сайте. Все блоки управления имеют защиту от перегрузки и короткого замыкания. Наши инженеры помогут сориентироваться в предлагаемых моделях и предложат наиболее подходящий вариант.

Заказать контроллеры можно от одной штуки. Оплата принимается от организаций и физических лиц по наличному и безналичному расчету. Доставка осуществляется по России транспортными компаниями. Получить личную консультацию можно в наших офисах в Москве и Санкт-Петербурге.

Контроллеры коллекторных двигателей постоянного тока от производителя

Brushmotor предоставляет выгодные предложения на контроллеры собственного производства. Разработки наших инженеров позволяют существенно расширить сферу применения коллекторных двигателей.

Применение и функциональность контроллеров

Коллекторные двигатели постоянного тока являются простыми и неприхотливыми, не требуют специальных устройств управления. Однако, для более удобной и продуктивной работы они могут комплектоваться блоками управления, которые существенно расширяют их возможности и области применения. Самым простым примером является выключатель, соединяющий коллекторный двигатель постоянного тока с источником питания. Функции такого устройства достаточно просты: подача и прерывание тока от источника к потребителю. Контроллеры нашего ассортимента позволяют значительно усовершенствовать управление двигателем. Полный контроль над приводом достигается благодаря:

• Плавным настраиваемым пуску и остановке двигателя.
• Регулировке скорости.
• Изменению направления движения привода.
• Стабилизации частоты вращения.

Шагая в ногу со временем, мы также предлагаем возможность удаленного контроля над коллекторным двигателем, благодаря распространенному общепромышленному интерфейсу передачи данных RS-485 и радиочастотному управлению. Многофункциональные устройства управления позволяют наладить продуктивную работу производственного, строительного и офисного оборудования. Использование качественного контроллера гарантирует стабильность и долгий срок службы коллекторного двигателя, вне зависимости от сферы применения.

Осуществляя продажу контроллеров, коллекторных двигателей и источников питания, мы продолжаем уделять должное внимание безопасности клиентов.

У нас вы можете выгодно купить устройства контроля над коллекторными двигателями, оставаясь уверенными в качестве приобретаемой продукции. Приобретая Brush Motor Controller непосредственно у производителя, вы получаете долгосрочную гарантию на все модели оборудования.

Brushmotor – это всегда:

• Высококачественное и современное оборудование
• Доступные цены и оперативный сервис
• Надежный партнер для больших и малых организаций
• Широкий ассортимент электрооборудования для решения любых задач

Преимущества Brush Motor Controller:

• Широкая функциональность управления.
• Совместимость с большинством коллекторных двигателей серии ДП.
• Сеть питания постоянного и переменного тока.
• Удобный способ крепления на DIN рейку.

Мы рады предложить вам возможность доставки контроллеров по России от 1 штуки. Специалисты компании помогут подобрать блок управления коллекторного двигателя и предложат удобные сроки доставки.

АО «Лаборатория Электроники» производит широкий спектр блоков управления коллекторными двигателями постоянного тока с возможностю использования различных сигналов обратной связи по скорости вращения и положению.

Серия AWD10 – универсальное решение для двигателей малой мощности. AWD10 позволяет использовать для стабилизации скорости противоЭДС, тахогенератор или импульсный датчик. Обеспечивает ограничение момента на валу по 16 градациям. Обратная связь по положению возможна только с помощью потенциометрического датчика. Блок AWD10 управляется аналоговыми и дискретными сигналами или по интерфейсу RS485.

Серия AWD17 – облегченное решение для двигателей малой мощности. Регулирование скорости осуществляется только по противоЭДС, управление только аналоговыми сигналами.

Серия AWD50 – универсальное решение для двигателей средней и большой мощности. Регулирование скорости осуществляется по противоЭДС, тахогенератору или импульсному датчику. Обеспечивается плавное управление моментом или ограничением момента на валу двигателя от нуля до максимального значения. Управление положением возможно по потенциометрическому датчику или квадратурному энкодеру. Управление блоком AWD50 возможно по интерфейсу RS485 (протокол Modbus RTU) или с помощью аналоговых и дискретных сигналов.

AWD10 – Блок управления двигателем постоянного тока с интерфейсом RS485​

Блок управления двигателем постоянного тока AWD10 предназначен для управления скоростью и направлением вращения двигателя постоянного тока с напряжением питания от 12 до 90 В и током до 10 А методом широтно импульсной модуляции (ШИМ).

AWD17 – блок управления двигателем постоянного тока

Блок управления коллекторным двигателем постоянного тока ДПТ AWD17 предназначен для реверсивного стабилизированного управления скоростью вращения коллекторного двигателя с напряжением питания от 7.5 до 36В с током до 10А.

​​​​ELSC100 – Преобразователь аналоговых сигналов 2-х канальный

Преобразователь сигналов ELSC100 предназначен для совместимости блоков управления AWD10 с управляющими сигналами от -10 до +10В, а так же подключения двигателй с тахогенератором.

EL101B – Блок защиты источника питания

Блок защиты EL101B предназначен для защиты импульсных источников питания от индуктивных выбросов напряжения при торможении двигателя.

AWD6 – блок управления коллекторным двигателем постоянного тока в корпусе

Блок управления AWD6 предназначен для стабилизации скорости вращения реверсивных коллекторных двигателей постоянного тока с напряжением 24 В.

AWD50 – Блок управления двигателем постоянного тока

Блок управления двигателем серводвигателем постоянного тока AWD50 предназначен для с управления скоростью, моментом и угловым положением вала двигателя с напряжением питания от 12 до 110 В и током до 50 А.

АВД31 – Блок управления шаговым двигателем

Блок управления шаговым двигателем АВД31 предназначен для управления скоростью и направлением вращения шагового двигателя при помощи STEP/DIR-драйвера.

Коллекторные двигатели постоянного тока получили широкое распространение за счет своей дешевизны и высокого КПД. Чаще всего такие двигатели используются в старт/стоп режиме и не требуют для своего подключения никакой пускорегулирующей аппаратуры, кроме обыкновенного выключателя. Однако, часто требуется регулировка скорость вращения, момент на валу или положение механизма, приводимого в движение двигателем. В таких случаях применяют микропроцессорные блоки управления коллекторными двигателями постоянного тока. Простейшим регулятором оборотов двигателя является источник питания с изменяемым выходным напряжением или ШИМ регулятор (именно его продают на Aliexpress). Это простые и недорогие решения, но такой регулятор не имеет обратной связи – обороты двигателя с таким регулятором зависят от нагрузки на валу. Для решения этой проблемы в регуляторы вводят обратную связь по скорости вращения. Простейшим вариантом получения информации о скорости вращения двигателя является установка на его валу тахогенератора или импульсного датчика. Такие решения позволяют решить проблему стабилизации скорости вращения двигателя, но усложняет конструкцию изделия и увеличивает его стоимость. Современные микропроцессорные технологии позволяют использовать в качестве тахогенератора сам электродвигатель (почти все электрические машины обратимы), измеряя ЭДС, генерируемую двигателем в момент кратковременного отключения от него питающего напряжения. Такое решение представляется оптимальным по соотношению цена/качество.

Вторым важным параметром регулирования коллекторных двигателей является момент на валу двигателя. В большинстве случаев ограничение момента требуется для исключения повреждения самого двигателя или механизма. Часто необходим режим стабилизации именно выходного момента двигателя, например, для управления электроприводом скутера или для регулировки силы натяжения у станка для перетяжки теннисных ракеток. В качестве сигнала выходного момента чаще всего используется мгновенное значение тока якоря двигателя.

И третий параметр управления –положение или координата механизма, приводимого в действие двигателем постоянного тока. Управление скоростью, моментом и положением позволяет создавать полноценные сервоприводы на основе коллекторных двигателей. Сигнал обратной связи по положению может быть получен от аналогового потенциометрического датчика или энкодера на валу двигателя. Для задания требуемого положения может использоваться аналоговый сигнал, цифровой интерфейс или входы step/dir как в блоках управления шаговыми двигателями.

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

В статье дается краткий обзор и анализ популярных схем, предназначенных для управления коллекторными двигателями постоянного тока, а также предлагаются оригинальные и малоизвестные схемотехнические решения

Электродвигатели являются, наверное, одним из самых массовых изделий электротехники. Как говорит нам всезнающая Википедия, электрический двигатель – электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Началом его истории можно считать открытие, которое сделал Майкл Фарадей в далеком 1821 году, установив возможность вращения проводника в магнитном поле. Но первый более-менее практический электродвигатель с вращающимся ротором ждал своего изобретения до 1834 года. Его во время работы в Кёнигсберге изобрел Мориц Герман фон Якоби, более известный у нас как Борис Семенович. Электродвигатели характеризуют два основных параметра – это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках. В настоящее время имеется достаточно много разновидностей электродвигателей, и поскольку, как заметил наш известный литературный персонаж Козьма Прутков, нельзя объять необъятное, остановимся на рассмотрении особенностей управления двигателями постоянного тока (далее электродвигателями).

К двигателям постоянного тока относятся два типа – это привычные для нас коллекторные двигатели и бесколлекторные (шаговые) двигатели. В первых переменное магнитное поле, обеспечивающее вращение вала двигателя, образуется обмотками ротора, которые запитываются через щеточный коммутатор – коллектор. Оно и взаимодействует с постоянным магнитным полем статора, вращая ротор. Для работы таких двигателей внешние коммутаторы не требуются, их роль выполняет коллектор. Статор может быть изготовлен как из системы постоянных магнитов, так и из электромагнитов. Во втором типе электродвигателей обмотки образуют неподвижную часть двигателя (статор), а ротор сделан из постоянных магнитов. Здесь переменное магнитное поле образуется путем коммутации обмоток статора, которая выполняется внешней управляющей схемой. Шаговые двигатели («stepper motor» в английском написании) значительно дороже коллекторных. Это достаточно сложные устройства со своими специфическими особенностями. Их полное описание требует отдельной публикации и выходит за рамки данной статьи. Для получения более полной информации по двигателям этого типа и их схемам управления можно обратиться, например, к [1].

Коллекторные двигатели (Рисунок 1) более дешевы и, как правило, не требуют сложных систем управления. Для их функционирования достаточно подачи напряжения питания (выпрямленного, постоянного!). Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя или в специальном режиме управления моментом вращения. Основных недостатков таких двигателей три – это малый момент на низких скоростях вращения (поэтому часто требуется редуктор, а это отражается на стоимости конструкции в целом), генерация высокого уровня электромагнитных и радиопомех (из-за скользящего контакта в коллекторе) и низкая надежность (точнее малый ресурс; причина в том же коллекторе). При использовании коллекторных двигателей необходимо учитывать, что ток потребления и скорость вращения их ротора зависят от нагрузки на валу. Коллекторные двигатели более универсальны и имеют более широкое распространение, особенно в недорогих устройствах, где определяющим фактором является цена.

Рисунок 1. Коллекторный двигатель с редуктором (а) и
типовая конструкция коллекторного двигателя (б).

Поскольку скорость вращения ротора коллекторного двигателя зависит, в первую очередь, от подаваемого на двигатель напряжения, то естественным является использование для его управления схем, имеющих возможность установки или регулировки выходного напряжения. Такими решениями, которые можно найти в Интернете, являются схемы на основе регулируемых стабилизаторов напряжения и, поскольку век дискретных стабилизаторов давно прошел, для этого целесообразно использовать недорогие интегральные компенсационные стабилизаторы, например, LM317 [2]. Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы управления маломощным коллекторным двигателем на базе ИМС LM317.

Схема примитивная, но кажется очень удачной и, главное, недорогой. Посмотрим на нее с точки зрения инженера. Во-первых, можно ли ограничить момент вращения или ток двигателя? Это решается установкой дополнительного резистора. На Рисунке 2 он обозначен как R_LIM. Его расчет имеется в спецификации, но он ухудшает характеристику схемы как стабилизатора напряжения (об этом будет ниже). Во-вторых, какой из вариантов управления скоростью лучше? Вариант на Рисунке 2а дает удобную линейную характеристику регулирования, поэтому он и более популярен. Вариант на Рисунке 2б имеет нелинейную характеристику. Но в первом случае при нарушении контакта в переменном резисторе мы получаем максимальную скорость, а во втором – минимальную. Что выбрать – зависит от конкретного применения. Теперь рассмотрим один пример для двигателя с типовыми параметрами: рабочее напряжение 12 В; максимальный рабочий ток 1 А. ИМС LM317, в зависимости от суффиксов, имеет максимальный выходной ток от 0.5 А до 1.5 А (см. спецификацию [2]; имеются аналогичные ИМС и с бóльшим током) и развитую защиту (от перегрузки и перегрева). С этой точки зрения для нашей задачи она подходит идеально. Проблемы скрываются, как всегда, в мелочах. Если двигатель будет выведен на максимальную мощность, что для нашего применения весьма реально, то на ИМС, даже при минимально допустимой разнице между входным напряжением V_IN и выходным V_OUT, равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее

Таким образом, нужен радиатор. Опять вопрос – на какую рассеиваемую мощность? На 3 Вт? А вот и нет. Если не полениться и рассчитать график нагрузки ИМС в зависимости от выходного напряжения (это легко выполнить в Excel), то мы получаем, что при наших условиях максимальная мощность на ИМС будет рассеиваться не при максимальном выходном напряжении регулятора, а при выходном напряжении равном 7.5 В (см. Рисунок 3), и она составит почти 5.0 Вт!

Как видим, получается что-то уже не дешевое, но очень громоздкое. Так что такой подход годится только для маломощных двигателей с рабочим током не более 0.25 А. В этом случае мощность на регулирующей ИМС будет на уровне 1.2 Вт, что уже будет приемлемо.

Выход из положения – использовать для управления метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. Его суть – подача на двигатель промодулированных по длительности однополярных прямоугольных импульсов. Согласно теории сигналов, в структуре такой последовательности имеется постоянная составляющая, пропорциональная отношению τ/T, где: τ – длительность импульса, а T – период последовательности. Вот она-то и управляет скоростью двигателя, который выделяет ее как интегратор в этой системе. Поскольку выходной каскад регулятора на основе ШИМ работает в ключевом режиме он, как правило, не нуждается в больших радиаторах для отвода тепла, даже при относительно больших мощностях двигателя, и КПД такого регулятора несравненно выше предыдущего. В ряде случаев можно использовать понижающие или повышающие DC/DC-преобразователи, но они имеют ряд ограничений, например, по глубине регулировки выходного напряжения и минимальной нагрузке. Поэтому, как правило, чаще встречаются иные решения. «Классическое» схемное решение такого регулятора представлено на Рисунке 4 [3]. Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.

На первом операционном усилителе собран генератор, на втором компаратор. На вход компаратора подается сигнал с конденсатора C1, а путем регулирования порога срабатывания формируется уже сигнал прямоугольной формы с нужным отношением τ/T (Рисунок 5).

Диапазон регулировки устанавливается подстроечными резисторами RV1 (быстрее) и RV3 (медленнее), а сама регулировка скорости осуществляется резистором RV2 (скорость). Обращаю внимание читателей, что в Интернете на русскоязычных форумах гуляет похожая схема с ошибками в номиналах делителя, задающего порог компаратора. Управление непосредственно двигателем осуществляется через ключ на мощном полевом транзисторе типа BUZ11 [4]. Особенности этого транзистора типа MOSFET – большой рабочий ток (30 А постоянного, и до 120 А импульсного), сверхмалое сопротивление открытого канала (40 мОм) и, следовательно, минимальная мощность потерь в открытом состоянии.

На что нужно в первую очередь обращать внимание при использовании таких схем? Во-первых, это исполнение цепи управления. Здесь в схеме (Рисунок 4) есть небольшая недоработка. Если со временем возникнут проблемы с подвижным контактом переменного резистора, мы получим полный почти мгновенный разгон двигателя. Это может вывести из строя наше устройство. Какое противоядие? Установить добавочный достаточно высокоомный резистор, например, 300 кОм с вывода 5 ИМС на общий провод. В этом случае при отказе регулятора двигатель будет остановлен.

Еще одна проблема таких регуляторов – это выходной каскад или драйвер двигателя. В подобных схемах он может быть выполнен как на полевых транзисторах, так и на биполярных; последние несравненно дешевле. Но и в первом и во втором варианте необходимо учитывать некоторые важные моменты. Для управления полевым транзистором типа MOSFET нужно обеспечить заряд и разряд его входной емкости, а она может составлять тысячи пикофарад. Если не использовать последовательный с затвором резистор (R6 на Рисунке 4) или его номинал будет слишком мал, то на относительно высоких частотах управления операционный усилитель может выйти из строя. Если же использовать R6 большого номинала, то транзистор будет дольше находиться в активной зоне своей передаточной характеристики и, следовательно, имеем рост потерь и нагрев ключа.

Еще одно замечание к схеме на Рисунке 4. Использование дополнительного диода D2 лишено смысла, так как в структуре транзистора BUZ11 уже имеется свой внутренний защитный быстродействующий диод с лучшими характеристиками, чем предлагаемый. Диод D1 также явно лишний, транзистор BUZ11 допускает подачу напряжения затвор-исток ± 20 В, да и переполюсовка в цепи управления при однополярном питании, как и напряжение выше 12 В, невозможны.

Если использовать биполярный транзистор, то возникает проблема формирования достаточного по величине базового тока. Как известно, для насыщения ключа на биполярном транзисторе ток его базы должен быть, по крайней мере, не менее 0.06 от тока нагрузки. Понятно, что операционный усилитель такой ток может не обеспечить. С этой целью в аналогичном, по сути, регуляторе, который используется, например, в популярном мини-гравере PT-5201 компании Pro’sKit, применен транзистор TIP125, представляющий собой схему Дарлингтона. Тут интересный момент. Эти мини-граверы иногда выходят из строя, но не из-за перегрева транзистора, как можно было бы предположить, а из-за перегрева ИМС LM358 (максимальная рабочая температура +70 °С) выходным транзистором (максимально допустимая температура +150 °С). В изделиях, которыми пользовался автор статьи, он был вплотную прижат к корпусу ИМС и посажен на клей, что недопустимо нагревало ИМС и почти блокировало теплоотвод. Если вам попалась такое исполнение, то лучше «отклеить» транзистор от ИМС и максимально отогнуть. За это know-how автор статьи был премирован компанией Pro’sKit набором инструментов. Как видите все нужно решать в комплексе – смотреть не только на схемотехнику, но и внимательно относится к конструкции регулятора в целом.

Рисунок 6. Пример схем регуляторов с ШИМ и изменением опорной частоты.

Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [5] (Одна из них приведена на Рисунке 6а). Есть схемы и на базе популярного таймера серии 555 [6] (Рисунок 6б). Эти дешевые решения не должны вводить вас в заблуждение своей кажущейся простотой. Вспомним А.С. Пушкина: «Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной». Или французов: «За каждое удовольствие нужно платить». Обе эти схемы формируют суррогатный сигнал ШИМ с изменением опорной частоты. Так схемы на ОУ из [5] меняют частоту управления во время регулирования от 170 Гц до 500 Гц, а схема на таймере – от 150 Гц до 1000 Гц, и ее диапазон регулировки (верхний диапазон) ограничен скважностью 9.5. Для некоторых применений это может быть недопустимо, так как на больших частотах двигатель может и не заработать, или не дать нужный момент вращения. Это происходит из-за того, что ток в обмотке двигателя, которая представляет собой индуктивность, устанавливается не мгновенно, а нарастает и спадает по экспоненте. Более корректные схемы на базе таймера и одиночного ОУ приведены на Рисунке 7.

Рисунок 7. Схемы регуляторов с ШИМ без изменения опорной частоты.

Аналогичные по структуре регуляторы можно построить и на цифровых логических элементах, но они имеют малую нагрузочную способность и требуют отдельного источника питания, поэтому в данной статье не рассматриваются. Применение же таймера 555 интересно тем, что частота генератора, выполненного на его базе, практически не зависит от напряжения питания. Кроме того, большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более. То есть, они могут легко справиться и с емкостью затвора MOSFET и с мощными ключами на биполярных транзисторах. Близкий к таймеру 555 советско-российский аналог – это ИМС (КР)1006ВИ1. Максимальный выходной ток для КР1006ВИ1 и КМОП-версий таймера составляет 100 мА.