0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Управление направлением вращения оси электродвигателя » Полезные самоделки; своими руками

Содержание

Управление скоростью и направлением вращения электродвигателя с помощью Arduino, реле и MOSFET

В этом проекте мы рассмотрим управление направлением и скоростью вращения электродвигателя постоянного тока (24v) с помощью платы Arduino, двух реле и MOSFET транзистора. Никаких переключателей питания для этого проекта не потребуется, будут нужны две обычные кнопки и потенциометр для управления направлением и скоростью вращения двигателя. При нажатии одной из кнопок двигатель будет вращаться по часовой стрелке, а при нажатии другой – против часовой стрелки. MOSFET транзистор с каналом n-типа необходим для управления скоростью вращения двигателя. Реле используются для переключения направления вращения двигателя. В данном случае они похожи на мост H-типа.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  2. Два реле на 12v (реле на 5v тоже могут быть использованы).
  3. Два транзистора BC547 (купить на AliExpress).
  4. Две кнопки.
  5. IRF540N (купить на AliExpress).
  6. Резистор 10 кОм (купить на AliExpress).
  7. Источник питания на 24 В.
  8. Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
  9. Три диода 1N4007 (купить на AliExpress).
  10. Соединительные провода.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

В схеме необходимо сделать следующие соединения:

  • подсоединить нормально замкнутые выводы обоих реле к положительному выводу батареи;
  • подсоединить нормально разомкнутые выводы обоих реле к стоку MOSFET транзистора;
  • подсоединить исток MOSFET транзистора к отрицательному выводу батареи и к земле платы Arduino UNO;
  • затвор MOSFET транзистора подключить к контакту 6 платы Arduino (на этом контакте возможно формирование ШИМ сигнала);
  • подсоединить резистор 10 кОм между затвором и истоком MOSFET транзистора, а также подсоединить диод 1N4007 между истоком и стоком MOSFET транзистора;
  • подсоединить двигатель между средними выводами реле;
  • один из оставшихся выводов реле (для каждого реле) подключить к контакту Vin платы Arduino, а другой – к коллектору транзистора;
  • подсоединить эмиттеры обоих транзисторов к контакту GND (земля) платы Arduino;
  • контакты 2 и 3 платы Arduino подключить к кнопкам, вторые концы кнопок подключить к базе транзисторов;
  • подключить диоды параллельно выводам реле как показано на схеме;
  • оконечные контакты потенциометра подсоединить к контактам 5v и Gnd платы Arduino, а средний контакт потенциометра – к контакту A0.

Если батареи на 24 В у вас нет, то можно последовательно соединить две батареи на 12 В.

Функции транзисторов

Цифровые контакты платы Arduino не могут обеспечить достаточный ток для срабатывания реле на 5v. К тому же мы используем реле на 12v. Контакт Vin платы Arduino не может обеспечить достаточный ток для обоих реле. Поэтому транзисторы используются для «доставки» тока от контакта Vin платы Arduino к реле. Транзисторы управляются с помощью кнопок, один вывод которых подключен к их базе, а другой – к цифровому контакту платы Arduino

Функции платы Arduino

  • обеспечить ток, необходимый для срабатывания реле;
  • управлять транзистором;
  • управлять скоростью вращения электродвигателя постоянного тока с помощью потенциометра.

Функции MOSFET

MOSFET транзистор используется для управления скоростью вращения двигателя. Он включается и выключается (открывается и закрывается) с высокой частотой, поэтому и двигатель, соединённый последовательно со стоком MOSFET, управляется данной ШИМ (широтно-импульсной модуляцией). Чем больше коэффициент заполнения ШИМ, тем выше скорость вращения двигателя. Более подробно о подобном механизме управления с помощью ШИМ и MOSFET транзистора можно прочитать в статье про понижающий преобразователь напряжения постоянного тока на Arduino.

Расчеты тока

  • сопротивление катушки реле, измеренное нами с помощью мультиметра, составило примерно 400 Ом;
  • контакт Vin платы Arduino обеспечивает 12v;
  • поэтому получаем ток, необходимый для переключения реле равный 12/400 = 30 mA;
  • если энергия подается на оба реле, то получаем ток 30*2=60 mA;
  • контакт Vin платы Arduino рассчитан на максимальный ток 200mA, поэтому проблем с обеспечением тока возникнуть не должно.
Читать еще:  Собака-робот — все об интерактивной игрушке

Работа проекта

На контакты 2 и 3 платы Arduino постоянно подается напряжение высокого уровня.

Когда ни одна из кнопок не нажата

В этом случае на базы транзисторов не подается открывающего напряжения, следовательно транзисторы закрыты – поэтому на катушки реле не подается ток от контакта Vin платы Arduino.

Когда одна кнопка нажата

В этом случае на базу транзистора с цифрового контакта платы Arduino поступает открывающее напряжение и транзистор открывается. Теперь ток от контакта Vin поступает на катушку реле, что приводит к переключению реле (RELAY A) в положение NO (нормально разомкнуто). В это время другое реле (RELAY B) остается в положении NC (нормально замкнуто). Поэтому ток начинает протекать от положительного вывода батареи к ее отрицательному выводу через двигатель, то есть ток течет от relay A к relay B. Это приводит к вращению двигателя по часовой стрелке.

Когда другая кнопка нажата

Теперь ток подается уже на другое реле — RELAY B. Этот ток переключает реле в положение NO. В это время другое реле (RELAY A) находится в положении NC. Поэтому ток начинает протекать от положительного вывода батареи к ее отрицательному выводу через двигатель. Но в этой ситуации ток течет уже от relay B к relay A, что приводит к вращению двигателя против часовой стрелки.

Когда обе кнопки нажаты

В этой ситуации оба транзистора открыты, что приводит к тому что оба реле находятся в положении NO, поэтому в этой ситуации ток уже не протекает от положительного вывода батареи к ее отрицательному выводу через двигатель, поэтому двигатель не вращается.

Управление скоростью вращения двигателя

Затвор MOSFET транзистора подключен к ШИМ контакту 6 платы Arduino UNO. Под действием ШИМ на этом контакте Mosfet транзистор включается и выключается (открывается и закрывается) с высокой частотой, а поскольку двигатель соединен последовательно со стоком mosfet, значение коэффициента заполнения ШИМ оказывает непосредственное влияние на скорость вращения двигателя. А значение коэффициента заполнения ШИМ управляется с помощью потенциометра – вращение его оси приводит к изменению напряжения на контакте A0, следовательно изменяется значение на выходе АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) данного контакта (более подробно об АЦП в Arduino). Arduino считывает значение с выхода этого АЦП и в соответствии с ним изменяет коэффициент заполнения ШИМ на контакте 6.

Исходный код программы

Код программы для рассмотренного двунаправленного двигателя постоянного тока с изменяемой скоростью вращения достаточно простой. Я думаю, он не вызовет у вас никаких затруднений.

Схема реверсивного управления электродвигателем двумя тактовыми кнопками

Устройство предназначена для управления электродвигателя для детских игрушек, работающего от пальчиковой батарейки. Осуществляет его включение с выбором направления вращения ротора. Функции элементов управления выполняют копки на замыкание, предусмотрена также светодиодная индикация.

Основные достоинства схемы

  • Первый и главный плюс: не требуется использовать громоздкий переключатель с несколькими контактными группами для реверса;
  • при сборке используются недефицитные компоненты;
  • не требуется подборка транзисторов по параметрам;
  • возможно применение даже разнотипных транзисторов при условии близости их максимальной рассеиваемой мощности и совпадения структуры.

Схемные особенности устройства

Принципиальная схема представлена на рисунке и состоит фактически из двух идентичных транзисторных ключей.

Транзисторы работают в ключевом режиме и включаются последовательно с нагрузкой, которой является маломощный электродвигатель М постоянного тока. При нажатии на кнопку Кл1 плюс источника питания поступает на один из выводов электродвигателя и через резистор R1 – на базу транзистора Т1. Последний открывается, через электродвигатель М протекает ток и его ротор начинает вращаться. Одновременно начинает светиться светодиод Сд1, ток через который ограничивается резистором R3.

При замыкании кнопки Кл2 ровно таким же образом работает второе плечо и поставленный ему в соответствие индикаторный светодиод. Отличие состоит в том, что ток через электродвигатель М протекает в противоположном направлении. Соответственно, его ротор вращается в другую сторону.

Максимальный ток через транзисторы Т1, Т2 ограничивается сопротивлением электродвигателя М. Конденсатор С выполняет функции элемента защиты от перенапряжений в момент коммутации.

Элементная база

Монтаж и наладка

Из-за небольшого количества компонентов монтаж может быть выполнен на весу с пайкой выводов радиодеталей друг на друга и использованием в качестве несущей платформы электродвигателя. Выводы элементов в местах пересечения друг с другом следует защитить кембриками.

Читать еще:  Как выбрать мотор-колесо

Припаиваем конденсатор в начале в полюсам двигателя.

Формуем вывода транзисторов и припаиваем по схеме.

Припаиваем резисторы. Вывод одного изолируем кембриком.

Шину сделаем из куска медной проволоки.

Соединяем кнопки последовательно и припаиваем.

Подключаем провода питания.

Соединяем светодиоды паралельно и подключаем к семе через резистор.

Устройство не требует наладки и при правильной сборке начинает функционировать немедленно после подключения питания и нажатия на одну из управляющих кнопок.

Смотрите видео

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

  • изменения расхода воздуха в системе вентиляции
  • регулирования производительности насосов
  • изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

  • изменение напряжения питания двигателя
  • изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n1 скорость вращения магнитного поля

n2 — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

      • неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
      • хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

      • большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
      • все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

  • устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
  • добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
  • ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
  • используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

      • низкая стоимость
      • малая масса и размеры

Недостатки:

      • можно использовать для двигателей небольшой мощности
      • при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
      • при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
      • все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Читать еще:  Выбираем лучшее масло для 4-х тактного двигателя мотоблока и культиватора

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

        • Небольшие габариты и масса прибора
        • Невысокая стоимость
        • Чистая, неискажённая форма выходного тока
        • Отсутствует гул на низких оборотах
        • Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

        • Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
        • Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

  • специализированными однофазными ПЧ
  • трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

        • интеллектуальное управление двигателем
        • стабильно устойчивая работа двигателя
        • огромные возможности современных ПЧ:
          • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
          • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
          • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
          • различные выходы
          • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
          • предустановленные скорости
          • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

        • ограниченное управление частотой
        • высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

  • более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
  • разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

          • более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
          • огромный выбор по мощности и производителям
          • более широкий диапазон регулирования частоты
          • все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

          • необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
          • пульсирующий и пониженный момент
          • повышенный нагрев
          • отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями

Источники:

Управление скоростью и направлением вращения электродвигателя с помощью Arduino, реле и MOSFET

http://sdelaysam-svoimirukami.ru/7802-shema-reversnogo-upravlenija-jelektrodvigatelem-dvumja-taktovymi-knopkami.html

http://masterxoloda.ru/4/upravlenie-skorostyu-vrashheniya-odnofaznyh-dvigatelej

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector