Шины и диски

Управление двигателями постоянного тока большой мощности. Управление двигателем постоянного тока

В прошлом в тяговых системах для управления двигателями постоянного тока использовались контроллеры с мпульсным управлением и разомкнутым контуром регулирования. В настоящее время в тяговых системах в основном используются только асинхронные двигатели.

В системах малой мощности, и особенно в сервосистемах, часто встречается импульсное управление с замкнутым контуром регулирования. Наибольшее распространение получили двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Встречаются также и моторы с независимым возбуждением, но в данной статье будут рассмотрены только двигатели с постоянными магнитами.

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами

В маленьких двигателях постоянного тока магнитное поле обычно генерируется керамическими постоянными магнитами. Понятно, что характеристики таких двигателей похожи на характеристики двигателей с обмоткой возбуждения. Но двигатели с постоянными магнитами имеют лучшие показатели:

Примечание: Кривая момент-скорость (рис. 1).

Для двигателей постоянного тока можно указать следующие зависимости:

Таким образом:

Для двигателей постоянного тока является постоянной величиной, следовательно:

Одноквадрантный привод

В схеме управления двигателем постоянного тока используется ШИМ инвертор с контроллером.

Рис. 2. Управляемый одноквадрантный привод

Двухквадрантная работа

На рис. 3 показана мостовая схема управления двигателем постоянного тока. Такая схема часто используется в силовой ступени управления серводвигателями и шаговыми двигателями. Мостовая схема также может быть использована в линейных сервоусилителях, но по соображениям эффективности реально применяется только для управления двигателями малой мощности. В основном транзисторы работают как переключатели и управляются ШИМ сервоусилителя.

Эти переключатели работают парами: T1-T4 и T2-T3. Когда T1-T4 закрыты, а T1-T3 открыты, ток якоря течет вправо. Двигатель вращается, например, по часовой стрелке. При T2-T3 закрытых и T1-T4 открытых, двигатель будет вращаться против часовой стрелки. Мост в режиме драйвера может работать в двух направлениях.

Рис. 3. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока

Принципиально мостовая схема управления двигателем постоянного тока имеет два варианта, которые называются униполярным и биполярным ШИМ. На рис. 4 показана возможная форма импульсных сигналов для униполярного ШИМ.

Напряжение на двигателе в течение одного цикла варьируется от 0 до V (от + до +V и от 0 до -V). Используются два переключателя: T1-T4 или T2-T3.

При биполярном ШИМ сигнале (рис. 5) используются четыре переключателя для одного направления вращения двигателя. Напряжение на двигателе изменяется от +V до -V, среднее значение напряжения определяет направление вращения двигателя.

Рис. 4. Управление двигателем постоянного тока - униполярный ШИМ сигнал.

Рис. 5. Управление двигателем постоянного тока - биполярный ШИМ сигнал.

В качестве примера мы рассмотрим работу мостовой схемы управления двигателем постоянного тока с использованием широко распространенного униполярного ШИМ.

Рис. 6 (а) иллюстрирует вариант при закрытых T1-T4 и вращение двигателя по часовой стрелке. Теперь имеются два варианта управления транзисторами: либо один переключатель остается закрытым (например, T1) и второй управляется с широтно-импульсным регулированием (T4), либо оба переключателя (T1 и T4) управляются ШИМ регулированием - рис. 6 (с). Для начала рассмотрим работу, когда T1 закрыт, а T4 управляется ШИМ-регулированием.

Когда T4 открыт - рис. 6 (b) - мы имеем:

Необходимо использовать защитные диоды для этого транзистора. В случае, показанном на рис. 6 (b), ЭДС e будет обеспечивать прохождение тока через D3 и T1. Диод D3 , будет защищать транзистор T4. При других вариантах переключения будет необходимо защищать другие транзисторы, т.е. все четыре транзистора будут иметь защитные диоды: D1, D2, D3, D4.

Другой вариант - при котором оба переключателя T1 и T4 одновременно выключены (управляются ШИМ регулированием). В момент закрытия транзисторов - рис. 6 (с) - ЭДС e вызовет прохождение энергии через диоды D2 и D3 к источнику Vcc. Это также справедливо для случая, показанного на рис. 6 (b) в момент, когда T1 открывается (одновременно с T4). Очевидно, что диод D2 необходим.

Управление вращением двигателя в обратном направлении аналогично, но вместо T1-T4 работают транзисторы T2-T3.

Примечание:

Из мостовой схемы управления двигателем постоянного тока, показанной на схемах на рис. 6 (a, b, c), можно отметить возможность двухквадрантного управления.
При использовании биполярного ШИМ возможно быстрое изменение направление вращения двигателя, хорошая динамика. Униполярный ШИМ обеспечивает меньшую пульсацию тока в якоре двигателя при той же несущей частоте и среднем значении тока.

Рис. 6. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока с использованием униполярного ШИМ

Импульсное управление двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением

Вплоть до 1990 г. двигатели постоянного тока использовались во многих странах в качестве тяговых приводов (поезда, трамваи, метро). Для управления использовались инверторы, источники постоянного и переменного тока и управляемые выпрямители. Помимо основной задачи управления тяговым электродвигателем, инверторы также использовались для работы с внешним дополнительным оборудованием (например, для управления вентиляторами для охлаждения тяговых двигателей). Мощность инверторов варьировалась от сотен киловатт до нескольких мегаватт.

В современных системах для переключения электроэнергии и управления тяговыми двигателями используются IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором). Управление двигателем реализуется при помощи микроконтроллеров. Преимущественно используются трехфазные асинхронные двигатели.

Тяговые системы

На рис. 7 изображен инвертор как механический переключатель. Режим работы δ инвертора определяет среднее значение:

Определяет скорость вращения двигателя.

Рис. 7. Принципиальная схема управления двигателем постоянного тока с использованием инвертора.

Изменение тока Δi определяется выражением:

Очевидно, что Δi a = 0 при δ = 0 или при δ = 1.

Максимальное значение Δi a как независимой величины может быть найдено:

При δ = 0.5 и = частота инвертора, получаем:

(1)

Из формулы (1) следует, что размах пульсаций тока двигателя (Δi a) max будет меньше, если:

Частота инвертора будет больше
Самоиндукция будет больше

При использовании инверторов со слишком низкой частотой необходимо включение в схему больших и дорогостоящих электрических дросселей.
Высокая частота инвертора увеличивает потери:

В полупроводниках, из которых изготовлен инвертор;
В цепях защиты для этих полупроводников;
В самом двигателе (потери, обусловленные переменной составляющей тока).

При нормальном использовании тиристорного инвертора время выключенного состояния должно быть по крайней мере пятикратным от времени бестоковой паузы тиристора.

При использовании слишком большой частоты инвертора максимальное значение δ ограничено. В этом случае большая часть электроэнергии от источника питания не может быть подана на электродвигатель.

Примечание:

Обычно в момент торможения двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением работает как генератор.

Линейный фильтр

В случае, когда в качестве источника питания используются батареи (внутреннее полное сопротивление = 0) инвертор может быть запитан без каких-либо проблем.

При подаче питания через контактный провод самоиндукция LR через этот провод:

существенно ограничит время нарастания тока на переключателе инвертора;
генерировать высокое напряжение самоиндукции на выключателе инвертора.

Чтобы нейтрализовать эти негативные явления необходимо включить в схему как минимум один индуктивно-ёмкостный фильтр (L1C1 на рис. 8).

Рис. 8. Самоиндукция на контактном проводе и входной фильтр тягового устройства.

Емкость C 1: позволяет поглощать пульсации тока без самоиндукции цепи, ограничивая скорость нарастания тока. Емкость работает в качестве энергетического хранилища. Помимо этого, емкость снижает уровень перенапряжения на входе инвертора. Это перенапряжение может возникнуть по двум причинам:

перенапряжение может быть на контактном проводе;
перенапряжение, возникающее в результате отключение тока инвертора.

Катушка L 1 : позволяет ограничить колебания в контактном проводе так, что другие потребители данного контактного провода не будут испытывать проблем, которые могут возникнуть в результате пульсаций тока при прерывистом режиме работы. Такие прерывистые токи в контактном проводе и рельсе могут вызвать помехи в работе телекоммуникационных цепей управления.

Емкость C1 совместно с индуктивностью LR+L1 формирует последовательную резонирующую цепь с резонансной частотой:

(2)

Совместно с частотой инвертора f c , которая равна или меньше частоты f 1 , эта частота может вызвать большие колебания напряжения. На практике это имеет место при f c > 2*f 1 или даже f c > 3*f 1 .

Кроме того, необходимо принимать во внимание тот факт, что LR - это переменная, зависящая от расстояния между главным распределительным устройством и потребителем.

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.

Электродвигатели постоянного тока широко применяются в промышленности, на транспорте и в других областях. Блоки управления коллекторными двигателями AWD10 и AWD15 – разработка отечественной компании «Лаборатория Электроники» – позволяют управлять скоростью и направлением вращения двигателя с рабочим напряжением до 90 В.

ЗАО «Лаборатория Электроники», г. Москва

Пламенный мотор

Какое изобретение двух-трех последних веков вы бы выделили как судьбоносное, главное, на котором базируется всё наше современное техническое благополучие? Возможно, пальму первенства стоит отдать паровой машине. Многие вещи, о которых люди мечтали на протяжении тысячелетий, почти мгновенно воплотились в жизнь после того, как был совершен принципиальный шаг – изобретено сердце для механизмов, двигатель, мотор. С ним корабли пошли в полный штиль, человек научился летать, паровозы с «пламенным мотором» пожирали огромные расстояния, появилась возможность быстро обработать крупный надел земли…

Другое дело, что двигатели дают неприятные побочные эффекты – повышают температуру, загрязняют воздух ядовитыми газами, шумят. Однако мы остановим внимание на наиболее экологичной, а значит, и актуальной сегодня разновидности – электродвигателях. Точнее, мы рассмотрим блоки управления электродвигателями постоянного тока, которые позволяют управлять их скоростью вращения и крутящим моментом. Именно об этих устройствах и пойдет речь в статье.

Электродвигатели постоянного тока

Все электродвигатели делятся на два вида: переменного и постоянного тока. Двигатели переменного тока широко используются в промышленности – они приводят в действие тяжелые станки, крупные и тяжелые установки. Постоянный ток подходит для более мелких и тонких механизмов (например, электроника умеет работать только на постоянном токе). На электродвигателях постоянного тока, в частности, работают беспроводные устройства: электрические инструменты или машины, питающиеся от аккумуляторов, в том числе современные электромобили. Без двигателей постоянного тока невозможно представить многие виды транспорта: электрички, электровозы, трамваи, троллейбусы, метро. Однако в промышленности они тоже находят применение – например, с их помощью работают металлорежущие станки, сварочное оборудование и многие другие устройства.

Двигатели постоянного тока бывают коллекторными, вентильными и шаговыми в зависимости от того, какое из магнитных полей является постоянным. Вентильные и шаговые относятся к классу бесколлекторных. Вентильные двигатели обычно обладают высокой стоимостью, обусловленной использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора. У шаговых двигателей, как правило, низкие энергетические характеристики и низкий крутящий момент на высоких скоростях.

Перечислим достоинства коллекторных двигателей:

Большой вращающий момент, развиваемый при сравнительно небольших габаритных размерах;

Широкий диапазон регулирования скорости вращения;

Большой вращающий момент при пуске;

Высокий КПД, достигающий 90 %.

К недостаткам можно отнести следующее:

Необходимость ухода и наблюдения за коллектором и щетками на протяжении всего времени эксплуатации такого электродвигателя;

Излучение электромагнитных помех, обусловленное искрением между щетками и коллектором;

Сравнительно большая масса и инерционность якоря, что ведет к снижению быстродействия электродвигателя.

Блоки управления коллекторными двигателями AWD10 и AWD15

Блоки управления коллекторными двигателями производства фирмы ЗАО «Лаборатория Электроники» AWD10 и AWD15 обладают одинаковым принципом действия, основанным на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и предназначены для управления скоростью и направлением вращения двигателя с рабочим напряжением до 90 В.

Рис. 1. Блок управления AWD10

Компания ЗАО «Лаборатория Электроники» была основана в 2005 году выпускниками МГТУ им. Н. Э. Баумана. Основное направление ее деятельности – разработка и изготовление управляющей и контрольно-измерительной аппаратуры для промышленности. Блоки управления AWD10 (рис. 1), AWD6 и AWD8 были разработаны в 2006 году как модули управления постоянного тока, используемые в приборах собственного производства. В 2007 году после длительного тестирования в реальных условиях эти устройства были запущены в серию. Блок управления AWD15 (рис. 2) был разработан в конце 2009 года в качестве замены блоков нереверсивного управления AWD6 и AWD8.

Рис. 2. Блок управления AWD15

Множество настроек блока AWD10 позволяют гибко адаптировать его под различные задачи. Реализованный на микроконтроллере пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор с настраиваемыми коэффициентами позволяет стабилизировать скорость вращения двигателя с любыми нагрузками, в том числе переменными. В качестве обратной связи регулятора для блока управления AWD10 может быть выбран сигнал противо‑ЭДС двигателя в момент его работы в генераторном режиме, импульсный сигнал от энкодера или датчика холла либо аналоговый сигнал от 0 до 5 В. На микроконтроллере блока управления AWD15 реализован ПИ-регулятор, а в качестве обратной связи используется только противо‑ЭДС двигателя. Это дает возможность стабилизировать скорость вращения (на уровне 1–5 %) или перемещения объекта без использования дополнительных элементов обратной связи, что позволяет не усложнять конструкцию прибора, который не предъявляет жестких требований к стабилизации скорости.

: Важнейший станок "деревянного" моделиста .

Прежде всего - для чего это нужно. Почти у каждого моделиста имеется самодельный или промышленный электроинструмент с приводом от коллекторного двигателя постоянного тока. При этом обычно такой инструмент не имеет регулятора оборотов или имеется простейшая ступенчатая регулировка. Не буду лишний раз доказывать, что наличие регулятора оборотов в электроинструменте позволяет оптимально подобрать режим для каждой операции, особенно при использовании различных насадок. Кроме того, моделисты часто используют низковольтные нагреватели - паяльники, приспособления для гибки деревянных реек и т. п. При этом с помощью регулятора можно получить оптимальную температуру нагревателя. Моделисту иногда приходится наносить гальванические покрытия, для чего необходим регулируемый источник постоянного тока. Все эти функции способно выполнить устройство, описанное ниже.

При конструировании бормашины встал вопрос о выборе схемы регулятора оборотов. Реостатные схемы регулирования скорости вращения коллекторных двигателей постоянного тока, в том числе с применением силовых транзисторов, на которых падает часть напряжения, обладают низким КПД при малых и средних оборотах. На балластных транзисторных ключах рассеивается значительная тепловая мощность, что ужесточает требования к системе их охлаждения. Поэтому выбор системы регулирования скорости вращения пал на импульсные схемы с изменением ширины прямоугольных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку двигателя (широтно-импульсная модуляция - ШИМ). Принцип ШИМ заключается в следующем: напряжение в нагрузку подается импульсами постоянной амплитуды, причем соотношение между шириной импульса и паузы (скважность) регулируется, что эквивалентно изменению напряжения питания на нагрузке. Достоинством этой схемы является ее высокая экономичность и надежность. Управляющий нагрузкой транзистор бывает только либо полностью включен, либо выключен, поэтому он практически не нагревается и его можно устанавливать без теплоотвода.

После анализа различных регуляторов качестве базовой была выбрана схема, опубликованная в журнале (№4/2001., перепечатка из "Hobby Elektronika" №7/01, автор Иштван Кекеш). Регулятор (см.схему) содержит задающий генератор напряжения треугольной формы частотой 2кГц (DA1.1, DA1.4), электронный ключ VT1 и регулятор скважности (DA1.2, DA1.3, R8). На рисунке ниже показаны графики напряжений в типовых точках схемы.

Здесь синим цветом показано напряжение на выходе генератора треугольного напряжения (вывод 1 DA1), красным - напряжение регулировки оборотов с потенциометра R8, зеленым - напряжение на двигателе. Очень наглядно видно, что включение и выключение напряжения на нагрузке происходит в момент совпадения напряжения задающего генератора и напряжения на регулирующем потенциометре. Чем выше управляющее напряжение, тем шире импульс на нагрузке.

В схеме предусмотрена возможность включения двигателя с помощью ножной педали SA2. В моем варианте в качестве педали работает обыкновенный короткоходовый концевой выключатель с нормально замкнутыми контактами (в народе -), лежащий на полу. При выключенном SA1 двигатель работает постоянно, при включенном - только при нажатии на педаль. Благодаря наличию конденсатора C2 пуск двигателя осуществляется плавно, что иногда может быть полезно (при указанной емкости C2 примерно за 1 сек.). Переключатель SA4 служит для реверсирования двигателя. Диод D3 стабилизирует питание регулятора. Питание осуществляется через понижающий трансформатор TV1 и выпрямитель D4. Параметры трансформатора зависят от примененного электродвигателя. В первом приближении напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть равно номинальному напряжению электродвигателя плюс 5 вольт, падающих на выпрямителе и ключевом транзисторе. Для возможности работы в форсированном режиме можно добавить еще процентов 20-30. Расчетный ток вторичной обмотки трансформатора, диодов выпрямителя и ключевого транзистора должны быть больше, чем ток, потребляемый электродвигателем, причем для надежности работы лучше дать запас в 3-5 раз. При напряжении питания менее 20В диод D3 можно исключить. Напряжения, указанные на схеме, соответствуют двигателю 27В 30 Вт.

Большинство элементов схемы смонтировано на печатной плате размером 65Х40 мм. (более тонкой линией показана перемычка) Плата установлена в корпусе на двух трубчатых стойках с винтами М2,5 (см. также схему расположения элементов и шаблон для сверления отверстий). Внутри корпуса смонтированы трансформатор, конденсатор С4, выпрямитель D4. Регулятор оборотов R8, переключатели и разъемы для подключения двигателя и педали смонтированы на лицевой панели, резисторы R13 И R14 смонтированы на R8.

В качестве DA1 можно применить любой универсальный счетверенный операционный усилитель. В оригинале были указаны TL064, TL075, TL084, я применил LM324. Ключевой транзистор применен КТ829А (100В, 8А), для более мощных двигателей можно применить КТ827А (100В, 20А). Диоды D1 и D2 защищают VT1 от выбросов напряжения на индуктивной нагрузке.

При налаживании R13 и R14 не устанавливают, провода от платы припаивают прямо к R8. При правильном монтаже и исправных деталях схема начинает работать сразу. Вращением R8 проверяют регулировку оборотов от нуля до максимума. Если последние не совпадают с крайними положениями R8, необходимо подобрать R13 и R14, чтобы максимум и минимум совпали с крайними положениями регулятора. Возможен вариант, когда схема не будет работать из-за того, что не запускается задающий генератор. В этом случае можно попробовать немного увеличить номинал R4. Для изменения времени плавного пуска можно изменять емкость C2.

В заключение хочу отметить, что потратив всего около $10 и немного свободного времени, можно значительно улучшить характеристики своего электроинструмента. Все вопросы по изготовлению и наладке данного устройства задавайте в

В настоящее время двигатели постоянного тока нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Двигатели постоянного тока используются там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента в широких пределах. В этой статье я расскажу о создании блока управления для двигателя постоянного тока, который позволял бы изменять частоту вращения вала двигателя и стабилизировал обороты на определенном уровне, вне зависимости от нагрузки на валу двигателя.
В основе разработки положен принцип работы следящего привода с одноконтурной системой регулирования.
Блок управления состоит из следующих узлов:
- СИФУ (Система Импульсно - Фазового Управления)
- Регулятор
- Защита
Принципиальная схема привода приведена ниже.

Крупнее
Рассмотрим схему поподробнее.
Итак, СИФУ (Система Импульсно - Фазового Управления) - преобразует синусоидальное напряжение сети в серию прямоугольных импульсов, идущих на управляющие электроды силовых тиристоров. При включении блока управления переменное напряжение величиной 14-16в поступает на мостовой выпрямитель D1, где преобразуется в пульсирующее напряжение, служащее не только для питания схемы, но и для синхронизации работы привода. Диод D2 препятствует сглаживанию импульсов конденсатором С1. Далее импульсы поступают на «детектор нуля» - DA1.1, собранного на одном ОУ микросхемы LM324, работающего в режиме компаратора. Пока нет импульса, напряжения на прямом и инверсном входах примерно равны и компаратор находиться в сбалансированном состоянии. При прохождении фазы через «0», на инверсном входе компаратора DA1.1 играющего роль «детектора нуля» появляются импульсы, переключающие компаратор, в результате чего на выходе DA1.1 вырабатываются прямоугольные синхроимпульсы, период следования которых жестко привязан к похождению фазы через «0».
Ниже представлены осциллограммы, поясняющие принцип работы.

Сверху вниз: КТ1, КТ2, КТ3.
Схема была просимулированна в программе Multisim 11. Вот файл проекта . Можно скачать, запустить и посмотреть как работает данный узел.
Далее синхроимпульсы поступают на интегратор с транзисторным ключом (С4, Q1), где и вырабатывается пилообразное напряжение. В момент прохождения фазы через «0» синхроимпульс открывает транзистор Q1, который разряжает конденсатор С4. После спада импульса транзистор закрывается и происходит заряд конденсатора до прихода следующего синхроимпульса, в результате чего на коллекторе Q1 (осцил. КТ4). формируется линейно нарастающее пилообразное напряжение, стабилизированное генератором стабильного тока выполненного на полевом транзисторе T1. Амплитуда „пилы“ равное 9в выставляется подстроечным резистором RP1. Напряжение „пилы“ поступает на прямой вход компаратора DA1.2.
Напряжение задания поступает на инверсный вход компаратора DA1.2 и в момент, когда пилообразное напряжение превышает величину напряжения на инверсном входе компаратора, компаратор переключиться и на выходе компаратора формируется импульс (осцил. КТ4). Импульс дифференцируется через цепочку R14, C6 и поступает на базу транзистора Q2. Транзистор открывается и на импульсном трансформаторе Tr1 формируются импульсы открытия силовых тиристоров. Увеличивая (уменьшая) напряжение задания, меняется скважность импульсов в КТ5.
Вот осциллограммы.

Но никаких импульсов в КТ5 мы не увидим до тех пор, пока не нажмем кнопку „Пуск“ - S1. Когда кнопка не нажата, напряжение питания +12в через нормально замкнутые контакты S1 по цепочке R12, D3 поступает на инверсный вход DA1.2 и равно около 11в. Так как это напряжение превышает напряжение „пилы“ равное 9в, компаратор запирается, и управляющие импульсы открытия тиристоров не формируются. Для предотвращения аварии и выхода из строя двигателя, в случае если оператор не вывел на «0» регулятор оборотов, в схеме предусмотрен узел разгона C5, R13 служащий для плавного разгона двигателя. В режиме «Пуск», схема работает следующим образом: при нажатии кнопки «Пуск» нормально закрытые контакты размыкаются и конденсатор С5 по цепочке - «земля», R13, - С5 начинает плавно заряжаться и напряжение на отрицательной обкладке конденсатора плавно стремиться к нулю. Одновременно, напряжение на инвертирующем входе DA1.2 плавно возрастает до величины, определяемой напряжением задания, и компаратор начинает вырабатывать управляющие импульсы силовых тиристоров. Время заряда определяется номиналами C5, R13. Если в процессе работы двигателя необходимо изменить его обороты, чтобы избежать резких бросков оборотов - в схеме предусмотрен узел «разгона - торможения» R21, C8, R22. При увеличении (уменьшении) напряжения задания, конденсатор С8 плавно заряжается (разряжается) что предотвращает резкий «наброс» напряжения на инверсном входе усилителя и как следствие предотвращает резкий бросок оборотов двигателя.
Теперь рассмотрим принцип работы регулятора оборотов .
Регулятор предназначен для поддержания постоянных оборотов двигателя в зоне регули-рования. Регулятор представляет собой дифференциальный усилитель с суммированием двух напряжений: напряжения задания и напряжения обратной связи. Напряжение задания задается резистором RP1 и поступает через фильтр R20, C8, R21, выполняющий одновременно функции узла «разгона - торможения», поступает на инверсный вход регулятора ОУ DA1.3. При увеличении напряжения задания на выходе ОУ DA1.3 линейно уменьшается выходное напряжение.
Выходное напряжение регулятора поступает на инверсный вход компаратора СИФУ DA1.2 где, суммируясь с импульсами пилообразного напряжения, преобразуется в серию прямоугольных импульсов идущих на управляющие электроды тиристоров. При увеличении (уменьшении) напряжения задания увеличивается (уменьшается) и выходное напряжение на выходе силового блока.
На этом графике представлена зависимость оборотов двигателя от напряжения задания.

Значения оборотов двигателя даны для примера.
Делитель напряжения R22, R23 включенный на прямой вход регулятора DA1.3 служит для предотвращения аварии двигателя при обрыве обратной связи (при обрыве обратной связи двигатель идет в разнос).
При включении привода, тахогенератор начинает вырабатывать напряжение, пропорциональное оборотам двигателя. Это напряжение поступает на вход прецизионного детектора DA1.4, DA2.1 собранного по двухполупериодной схеме. Напряжение, снимаемое с выхода точного детектора DA1.4, DA2.1, поступает через фильтр C10, R30, R33 на масштабирующий усилитель обратной связи DA2.2. Усилитель служит для подгонки напряжения обратной связи поступающего с тахогенератора. Напряжение с выхода ОУ DA2.2. поступает как на вход регулятора DA1.3 так и на схему защиты DA2.3.
Резистором RP1 задаются обороты двигателя. При работе двигателя без нагрузки, напряжение на выходе масштабирующего усилителя ниже напряжения на выводе 6 ОУ DA1.3. ≈ +5v, поэтому привод работает как регулятор. При увеличении нагрузки на валу двигателя, уменьшается напряжение, получаемое с тахогенератора и как следствие уменьшение напряжения с выхода, масштабирующего усилителя.
Когда это напряжение будет меньше напряжение на выводе 5 ОУ DA1.3 привод входит в зону стабилизации тока. Уменьшение напряжения на неинвертирующем входе ОУ DA1.3 приводит к уменьшению напряжения на его выходе, а так как он работает на инвертирующий усилитель DA1.2, это приводит к большему углу открытия тиристоров и, следовательно, к увеличению напряжения на якоре двигателя.
СХЕМА ЗАЩИТЫ
Защита от превышения оборотов предназначена для защиты двигателя от аварии, в случае резкого превышения установленных оборотов двигателя. Схема собрана на ОУ DА2.3, включенного по схеме компаратора. На инверсный вход компаратора подается опорное напряжение с делителя R36, R37, RP3. Резистором RP3 устанавливается порог срабатывания защиты. Напряжение с выхода масштабирующего усилителя DA2.2 поступает на прямой вход компаратора защиты DA2.3. При превышении оборотов двигателя выше номинальных, напряжение на прямом входе компаратора превышает порог уставки защиты, определяемой RP3 - компаратор переключиться. Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи R38 приводит к «за-щелкиванию» компаратора, а наличие диода VD12 препятствует сбросу компаратора. При срабатывании защиты, напряжение с выхода компаратора защиты (≈ +11v) через диод VD14 поступает на инверсный вход 13 DA1.2 СИФУ, а так как напряжение защиты превышает напряжение «пилы» (= 9v) - происходит мгновенный запрет выдачи управляющих импульсов на управляющие электроды тиристоров. Напряжение с выхода компаратора защиты DA2.3 открывает транзистор VT4, что приводит к срабатыванию реле Р1.1 и зажиганию светодиода VL1 сигнализирующего об аварийной ситуации. Снять защиту можно, только полностью обесточив привод, и, выдержав паузу 5 - 10 секунд вновь включив его.
Силовая часть блока управления.
Схема силовой части представлена ниже

Трансформатор Tr1 предназначен для питания схемы блока управления. Управляемый выпрямитель собран по полумостовой симметричной схеме и содержит два силовых диода D1,D2
и два силовых тиристора Т1, Т2, и защитный диод D3. Обмотка возбуждения питается от своего отдельного трансформатора и выпрямителя.
Если на двигателе отсутствует тахогенератор, то обратную связь, для контроля оборотов, можно выполнить следующим образом:
1. Применить трансформатор тока, включенный в цепь питания управляемого выпрямителя

Если используется трансформатор тока, то перемычку P1 на схеме блока управления поставить
в положение 1-3, это необходимо потому, что при увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться, следовательно напряжение, снимаемое с трансформатора тока тоже будет увеличиваться, поэтому напряжение обратной связи необходимо подавать на инвертирующий
вывод микросхемы DA1.3. Так же можно поставить стандартный токовый шунт, но только в цепь якоря двигателя, после выпрямителя и снимать сигнал обратной связи с него.
2. Использовать датчик якорного напряжения. Схема приведена ниже.

Датчик якорного напряжения представляет собой фильтр – делитель и подключается непосредственно к клеммам якоря электродвигателя. Настройка привода производиться следующим образом. Резисторы “Задание” и “Масштабирование Uoc” выставляется в среднее положение. Резистор R5 датчика якорного напряжения выводиться в нижнее к “земле” положение. Включаем привод и выставляем напряжение на якоре двигателя примерно 110 вольт. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор R5. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь.
Теперь перейдем к конструкции и наладке блока управления.
Блок управления был выполнен на печатной плате (файл печатной платы)

Плата проводом МГТФ соединена с разъемом, для удобства демонтажа при ремонте.
Настройка
На время настройки была собрана силовая часть навесным монтажем, в качестве нагрузки была использована обычная лампа накаливания.

Наладку начинаем с проверки напряжений питания и напряжения питания на операционных усилителях DA1, DA2. Микросхемы желательно ставить в панельки. Потом контролируем осциллограммы в контрольных точках КТ1, КТ2, КТ3 (осциллограммы в этих точках приведены в начале описания СИФУ). Теперь, осциллограф ставим в контрольную точку КТ4. Должны быть пилообразные импульсы, как на осиллограмме выше (кнопка «Пуск» в этот момент должна быть разомкнута). Подстроечным резистором RP1 необходимо выставить размах «пилы» равным 9 вольт, это очень важный момент, так как от него зависит дальнейшая работа схемы. Так как разброс параметров полевых транзисторов бывает весьма значительный, возможно диапазона регулировки RP1 может не хватить, тогда подбором номинала резистора R10 добиться нужного размаха. В контрольной точке КТ3 длительность импульса должна быть 1.5 - 1.8ms, если нет, то подбором резистора R4 (в сторону уменьшения) добиться необходимой длительности.
Вращая регулятор RR1 в контрольной точке КТ5 проконтролировать изменение скважности импульсов от максимума до полного их исчезновения при нижнем положении движка RR1. При этом должна изменятся яркость лампочки подключенной к силовому блоку.
Далее подключаем блок управления к двигателю и тахогенератору. Выставляем регулятором RR1
напряжение на якоре около 40-50 вольт. Резистор RP3 должен быть установлен в среднее положение. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор RP3. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь. Для желающих поэкспериментировать: для увеличения жесткости привода можно также увеличить сопротивление R24, увеличив тем самым коэффициент усиления регулятора либо увеличить резистор R32.
Если используется обратная связь по току якоря двигателя.
Для этого, как говорилось выше, необходим трансформатор тока, включенный в цепь питания
управляемого выпрямителя. Схема калибровки трансформатора тока дана ниже. Подбором резистора получить на выходе трансформатора переменное напряжение ≈ 2 ÷ 2.5v. Мощность нагрузки RN1 должна соответствовать мощности двигателя.

Внимание! Трансформатор тока без нагрузочного резистора не включать.
Подключаем трансформатор тока к цепи обратной связи P1 и P2. На время настройки «Регулятора» желательно выпаять диод D12, чтобы исключить ложное срабатывание защиты.
Осциллограммы в контрольных точках КТ8, КТ9, КТ10 должны быть как на рисунке ниже.

Дальнейшая настройка такая же как и в случае с использования тахогенератора.
Если используется обратная связь по напряжению якоря двигателя.
Как отмечалось выше, можно применить обратную связь по якорному напряжению, для этого собирается датчик якорного напряжения. Настройка блока управления производиться следующим образом. Резисторы “Задание” и “Масштабирование Uoc” выставляется в среднее положение. Резистор R5 датчика якорного напряжения выводиться в нижнее к “земле” положение. Включаем привод и выставляем напряжение на якоре двигателя примерно 110 вольт. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор R5. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь.
Данный блок управления изготавливался для расточного станка. Вот фото этого монстра

На этом станке вышел из строя электромашинный усилитель, который и управлял двигателем постоянного тока перемещения стола.
Вот такой электромашинный усилитель.

Заместо него и делался данный блок управления.
Вот фото самого двигателя постоянного тока.

Блок управления был собран на изоляциоонном основани, где размещены все основные элементы.

Силовые диоды и тиристоры установлены на теплоотводы. Так же была сделана панель с разъемами, куда были выведены сигналы с контрольных точек схемы. Это делалось для удобство настройки и ремонта непосредственно на станке.
Вот смонтированный блок управления в силовом шкафу станка

На другой стороне силового шкафа был установлен маленький пульт управления.

На нем расположены:
-тумблер включения блока
-тумблер режима работы. Так как для установочных перемещений стола станка, точный контроль и стабилизация оборотов не нужны, то на это время цепь обратной связи шунтируется.
-ручки регулировки количества оборотов. Было поставлено два переменных резистора, один для грубой регулировки, второй - многооборотный - для точной установки нужных оборотов при черновой и чистовой расточке детали.
Кому интересно, ниже представлено видео работы станка. Сперва, показывается расточка отверстия в стальной плите толщиной 20мм. Потом показывается с какой частотой вращается винт подачи стола станка. С этой скорость подается деталь на резец, а такую частоту вращения подающего винта обеспечивает двигатель постоянного тока, для которого, собственно, все это и делалось.