Методическое пособие 703

сформированный МК для поддержания заданной частоты вращения, а YYY— заданная частота вращения привода в процентах от номинальной в интервале от 0 до 100 % с шагом 5 %.

Режим стабилизации отключен Пользователь задает необходимый коэффициент

заполнения К, Сигнал обратной связи по частоте вращения не используется. На индикатор выводится информация в формате

XXXYYY, где XXX — измеренная текущая частота вращения вала электродвигателя (измеряется несколько раз в секунду), a

YYY-заданный коэффициент заполнения К, от 0 до 100 % с шагом 2 %.

Спомощью встроенного в МК таймера/счетчика программа подсчитывает отработанное двигателем время в минутах, периодически сохраняя его значение в энергонезависимой памяти данных. Соответствующая информация выводится на индикатор после нажатия на кнопку SB2 при остановленном приводе. По достижении счетчиком минут значения 8192 (около 136,5 ч) происходит его обнуление.

Импульсы управления двумя силовыми ключами формируются МК на выходах RB4, RB5 по прерываниям от таймера/счетчика в последовательности, приведенной на рисунке 18. Как следствие, при К3 ≤ 0,5 в каждый момент к источнику питания подключен только один из двух двигателей, а при К3 > 0,5 происходит частичное наложение токов потребления электродвигателей, что улучшает режим работы источника питания.

Константы, необходимые для формирования временных интервалов согласно рисунку 18, загружаются в таймер из таблицы, размещенной в памяти программ МК. Адрес в таблице определяется по требуемой величине коэффициента заполнения Кз.

В случае непредвиденного поведения управляющей программы, вызванного любыми причинами, по команде

131

сторожевого таймера производятся сброс МК и экстренная остановка привода.

Описанное устройство можно использовать не только для управления частотой вращения электроприводов, но и для поддержания заданных значений других физических параметров ,например, температура в комнате, инкубаторе, бассейне, аквариуме или других объектах. В подобном случае вместо датчика частоты вращения к входу RB7 МК подключают преобразователь температура.

132

3.ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

СБЕСКОНТАКТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1.Бесконтактные двигатели постоянного тока

Прежде чем перейти к рассмотрению устройства и принципа действия бесконтакных (бесщеточных) двигателей постоянного тока (БДПТ) остановимся на основных достоинствах и недостатках коллекторных двигателей постоянного тока (КДПТ). Достоинства КДПТ: высокий КПД, большой пусковой момент, хорошие регулировочные свойства. Недостатки КДПТ: малый срок службы, сравнительно низкая надежность, повышенная чувствительность к воздействию окружающей среды, высокий уровень радиопомех, щеточная пыль и др.

Основным негативным фактором при износе КДПТ следует назвать значительное падение мощности на валу, вызванное обгоранием щеток и пластин коллекторов, их неравномерной выработкой, засорением и подобными причинами. Износ КДПТ часто приводит к заклиниванию их валов и последующему выходу из строя микросхем управления.

Но несмотря на недостатки, присущие КДПТ, эти электродвигатели находят широкое применение в различных технических устройствах и системах в том числе и в устройствах записи и воспроизведения аудио и видеосигналов.

Например, до сих пор практически во всех типах лентопротяжных механизмов (ЛПМ) видеомагнитофонов КДПТ находят применение в системах заправки ленты и кассеты, а во многих типах ЛПМ такие двигатели использовались и для вращения ведущего вала (ВВ).

Например в конце 80-х годов фирма JVC в одной из своих линеек видеомагнитофонов (HR-D210ЕЕ, HR-D211EM и др.) применила для вращения ведущего вала плоский КДПТ с

133

непосредственным приводом. КДПТ широко применялись

вразличных моделях видеомагнитофонов фирм JVC,

TELEFUNKEN и др.Наиболее распространенным КДПТ, применяемым в видеомагнитофонах является двигатель PU 48854 фирмы MABUCHI (рис.3.1).

Рис. 3.1. Коллекторный двигатель PU 48854 фирмы MABUCHI. 1 - пластмассовая втулка (плотно без резьбы и насечки, насажена на вал 2 двигателя); 2 - вал двигателя; 3 - корпус двигателя; 4 - фиксаторы (их два, фиксируют ротор двигателя в корпусе)

Практика эксплуатации таких двигателей показала, что износ КДПТ часто приводит к рывкам при воспроизведении, повышенной детонации и заклиниванию ведущего вала во время работы.

Следует также признать, что реставрация КДПТ не представляется сложной и заключается, в основном, очистке (иглой) воздушных зазоров между сегментами коллектора от

134

серебряной крошки и его шлифовке.

Значительная толщина серебряного покрытия коллекторных пластин позволяет эксплуатировать отреставрированный двигатель еще в течении нескольких сотен часов . В отдельных случаях перематывают подгоревшие обмотки ротора (обычно они выполнены проводом ПЭВ-2 размером 0,14 мм). С учетом перечисленных недостатков применение КДПТ, в отдельных системах современной аппаратуры стало ограниченным. Это ограничение появилось после разработки бесконтактного (или бесщеточного) двигателя постоянного тока. Эти двигатели, обладая практически всеми положительными свойствами обычных двигателей постоянного тока лишены их основного недостатка - наличия щеточно-коллекторного узла. В этих двигателях механический коммутатор щетка-коллектор заменен полупроводниковым. Разумеется БДПТ существенно сложнее обычных КДПТ.

Бесконтактные двигатели постоянного тока - сравнительно новая разновидность электрических машин, представляют собой электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие датчик углового положения ротора и полупроводниковый коммутатор. БДПТ содержит три основных функциональных элемента (рис. 3.2).

Датчик положения встроен в электродвигатель. Он состоит из ротора и статора, жестко соединенных соответственно с ротором и статором двигателя.

На рис. 3.3 представлена структурная схема бесконтактного электродвигателя постоянного тока. Такой электродвигатель имеет вращающийся постоянный магнит возбуждения 1, соединенный с валом. На том же валу находится дополнительный магнит 2 датчика положения ротора.

135

Рис. 3.2. Блок-схема бесконтактного двигателя постоянного тока. 1 - исполнительный элемент ЭД - m - фазный бесконтактный, синхронный двигатель с ротором в виде постоянного магнита; 2 - управляемый коммутатор ППК, выполненный на бесконтактных переключаемых элементах (транзисторах, тиристорах и т.д.); 3 - датчик положения ротора двигателя ДПР относительно фаз обмотки, являющийся логическим элементном и определяющий момент и последовательность коммутации обмотки

Статор электродвигателя выполнен из электротехнической стали с пазами, в которых расположены обмотки С1, С2 и С3, соединенные в звезду. Через транзисторы коммутатора VT1, VT2 и VT3 обмотки поочередно подключаются к источнику питания. Открывание того или иного транзистора коммутатора осуществляется датчиком положения, который питается переменным током с частотой 5 30кГц от вспомогательного маломощного генератора 3 и состоит из трех специальных трансформаторов Т1, Т2 и Т3, намотанных на ферритовых сердечниках.

Работает бесконтактный электродвигатель следующим образом: в какой-то момент времени ферромагнитный сердечник одного из трансформаторов датчика положения ротора, например Т1, не насыщен и в его вторичной обмотке трансформируется напряжение, которое выпрямляется диодом VD1 и подается на базу транзистора VT1.

136

Рис. 3.3. Структурная схема бесконтактного электродвигателя постоянного тока

Это напряжение открывает транзистор коммутатора VT1 и подключает обмотку С1 к источнику питания. Протекающий по ней ток образует магнитное поле, которое заставляет магнит 1 поворачиваться и занимать положение вдоль оси магнитного поля этой обмотки. Но при повороте вала к трансформатору Т1 приближается магнит 2, происходит насыщение его сердечника и магнитная связь между обмотками I и II трансформатора Т1 нарушается. Благодаря этому напряжение на базе транзистора VT1 резко уменьшается и он закрывается. Поступление тока в обмотку С1 прекращается.

При повороте магнита 2 исчезает насыщение в сердечнике трансформатора Т2, а в его вторичной обмотке

137

возникает напряжение, которое после выпрямления поступает на базу транзистора VT2. Он открывается и подключает к источнику питания обмотку С2, заставляя магнит 1 продолжить движение.

При непрерывном вращении ротора сигналы с датчика положения будут поступать на детектор в виде высокочастотных импульсов еII, как показано на первых трех диаграммах рис. 3.4. Ниже на рисунке показаны базовые точки в первом, втором и третьем транзисторах, которые получены в результате детектирования импульсов с датчика положения. На последних трех эпюрах показаны напряжения на каждой фазе обмотки двигателя, которые получаются в результате коммутации транзисторов.

Таким образом, при пуске БДПТ вследствие ключевого режима работы транзисторов изменяет свое положение скачкообразно, в рассматриваемом примере - на угол 600. Следовательно, момент, развиваемый двигателем, не будет величиной постоянной, так как его величина зависит от угла рассогласования между полями ротора и статора двигателя.

Двигатель будет устойчиво запускаться, если момент М, развиваемый им на валу, превышает момент нагрузки Мс. Тогда возникает динамический момент

который вызывает поворот ротора в направлении действия момента двигателя с угловым ускорением

где J - момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя.

138

Рис. 3.4. Формирование фазного напряжения бесконтактного двигателя, изображенного на рис. 3.3

Увеличение скорости вращения ротора приводит к уменьшению момента Мj вследствие увеличения э.д.с., наводимой в обмотке двигателя результирующим полем ротора

139

и статора. Эта э.д.с. противодействует напряжению, приложенному к обмотке, и тем самым уменьшает ток в фазах, что и приводит к снижению развиваемого двигателем момента. Уменьшение М приводит к тому, что при достижении некоторой скорости динамический момент Мj становится равным нулю и скорость двигателя устанавливается.

При увеличении нагрузки на валу появляется отрицательный динамический момент, приводящий к уменьшению скорости вращения ротора и, следовательно, к увеличению тока в обмотке и момента, развиваемого двигателем. Снижение скорости будет происходить до такой величины, пока момент двигателя сравняется с моментом нагрузки.

Таким образом, в БДПТ, как в обычном двигателе постоянного тока, с увеличением скорости вращения увеличивается э.д.с., индуктируемая в обмотке якоря, что приводит к снижению тока и момента, и наоборот.

Изменение скорости вращения ротора приведет к соответствующему изменению частоты переключения транзисторов и, следовательно, скорости вращения поля статора. Поэтому ротор всегда вращается синхронно - со скоростью, равной скорости вращения поля статора.

Скорость вращения ротора зависит также от напряжения сети Uс: с увеличением напряжения скорость увеличивается, а с уменьшением падает. Таким образом, скорость вращения n ротора БДПТ зависит как от нагрузки на валу, так и от напряжения сети:

где f - частота основной гармоники тока в обмотке, Гц; p - число пар полюсов.

Зависимость (3.3) отражает основную особенность режима работы синхронного двигателя в качестве БДПТ.

Второй особенностью режима работы синхронного

140