2.1. Импульсный режим работы двигателя
Управление частотой вращения бесколлекторного двигателя осуществляется путем изменения напряжения на фазных обмотках.
В настоящее время в основном используется импульсный метод управления частотой вращения и электромагнитным моментом двигателя. Для этого на коммутатор К, кроме напряжения питания UП, подается сигнал управления UУ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), рис.3.2.
Рис.2.2. Импульсное управление бесколлекторным микродвигателем
Изменяя
относительную длительность управляющих
импульсов
,
можно изменять среднее значение
напряжения на обмотках - U0,
|
(3.12) |
,
следовательно, регулировать частоту вращения n об/мин.
Поскольку
частота управляющих импульсов
,
поступающих на коммутатор К, может быть
достаточно высокой, то индуктивность
фазных обмоток двигателя будет влиять
на форму импульсов тока, протекающих
через обмотки. Поэтому процессы в
двигателе при регулировании скорости
необходимо исследовать с учетом
электромагнитной постоянной обмотки
TЭ
и периода следования управляющих
импульсов T.
На рис.2.3.а,б,в показаны временные диаграммы БДПТ в импульсном режиме. Управляющий сигнал UУ формирует прямоугольные импульсы, прикладываемые к обмоткам двигателя, рис.3.3,а.
Рис.2.3. Импульсный режим работы двигателя, не зашунтированного
диодом - а, б, в; механические характеристики - г.
Если период следования импульсов Т достаточно большой по сравнению с ТЭ (ТЭ << Т), то ток iН обмотки, рис.3.3,б за время импульса tИ успевает достигнуть максимального значения IП, а после окончания импульса практически мгновенно уменьшается до нуля. Ток обмотки прерывистый. Среднее значение этого тока
|
(3.13) |
.
Угловая скорость Ω носит колебательный характер, рис.3.3,в. Колебания скорости ΔΩ определяются выражением
|
(3.14) |
,
где J - момент инерции вращающихся частей двигателя.
Механическая характеристика при прерывистом токе в обмотках двигателя становится "мягкой", рис.3.3,г. "Мягкие" характеристики затрудняют работу системы автоматического регулирования угловой скорости исполнительного двигателя.
Импульсный метод управления мокродвигателем имеет целый ряд преимуществ. Основное из них - это уменьшение мощности потерь на транзисторных ключах, которые входят в состав коммутатора.
Вместе с тем, при импульсном режиме на коллекторном переходе транзисторных ключей появляется перенапряжение uК из-за активно-индуктивного характера нагрузки, рис.3.4,а. Последовательно с каждым транзистором включена обмотка двигателя, которая носит активно-индуктивный характер LН - rН, где LН - индуктивность фазной обмотки, rН - активное сопротивление обмотки.
Рис.2.4. Появление перенапряжений на транзисторном ключе
при импульсном режиме работы
При периодическом закрывании транзисторного ключа ток iН быстро убывает, при этом наводится ЭДС самоиндукции eL, которая суммируется с напряжением питания UП. К транзистору оказывается приложенной сумма напряжений
|
(3.15) |
.
Это напряжение может оказаться выше предельно допустимого и транзистор выйдет из строя. Поэтому на практике активно-индуктивную нагрузку всегда шунтируют диодом VD, рис.3.4,б. В этом случае возникающая ЭДС самоиндукции eL замыкается через диод VD и напряжение на транзисторе не превышает значения напряжения питания, uK ≈ UП.
Подключение шунтирующего диода VD параллельно фазным обмоткам не только устраняет перенапряжение на транзисторах, но также обеспечивает высокую экономичность схемы. Электромагнитная энергия, запасенная в цепи обмотки во время действия импульса tИ не теряется, а поддерживает ток обмотки и вращательный момент двигателя в режиме паузы tП.
На основании математического анализа процессов, протекающих в схеме двигателя в импульсном режиме работы при наличии шунтирующего диода, построены временные диаграммы, рис.3.5. На диаграммах видно, как изменяется ток в нагрузке (обмотке двигателя) при различных соотношениях между ТЭ и Т. Из рисунка следует: ток нагрузки становится непрерывным при соизмеримых значениях ТЭ и Т, и тем более при ТЭ >>Т, рис.3.5,г.
Рис.2.5. Импульсный режим работы двигателя с шунтирующим диодом