Какое напряжение является опасным для техники, двигателей и микросхем?

Одна микросхема – один двигатель. STSPIN32F0 – готовое решение для управления BLDC-моторами

STMicroelectronics – мировой лидер по производству микроконтроллеров. За последние десять лет компания совершила революцию и создала наиболее мощную экосистему на базе бюджетных семейств STM8 и STM32.

Также STMicroelectronics может похвастаться интересными наработками в области управления электродвигателями. Иногда компания экспериментирует и выпускает на рынок инновационные специализированные продукты.

Ярким примером этого является микросхема STSPIN32F0, объединяющая микроконтроллер с ядром ARM Cortex-M0 и систему управления электродвигателем.

Рис. 1. STSPIN32F0 – готовое решение для управления BLDC-моторами

При современном уровне развития электроники не возникает никаких проблем в случае с двигателями постоянного тока небольшой мощности – существующие интегральные решения позволяют организовывать их питание, контроль скорости вращения и положения даже без дополнительных внешних компонентов. Однако все усложняется, если мощность двигателя увеличивается.

Это требует внешних силовых каскадов, а значит необходима громоздкая силовая печатная плата, учет паразитных индуктивностей, работа с высоковольтными сигналами. Еще хуже обстоит дело с управлением бесколлекторными BLDC-двигателями, даже если их мощность составляет единицы ватт.

Бесколлекторные BLDC-двигатели имеют явные преимущества перед обычными щеточными моторами: большой ресурс, простота обслуживания, высокий КПД. Интересно, что структура схемы управления такими двигателями мало чем отличается от схемы управления щеточными моторами (рис. 2). Тем не менее, долгое время они не были востребованы. Причиной этого была сложная система коммутации силового каскада.

Рис. 2. Упрощенная схема управления электродвигателем

Для управления бесколлекторными двигателями требуется как минимум трехфазный мост, включение плеч которого производится по сложному алгоритму. При этом, обратная связь по положению является обязательным компонентом системы управления (рис. 3).

Коммутация обмоток происходит обычно по 6-шаговой схеме, при которой каждый следующий шаг делается только тогда, когда ротор двигателя находится в конкретном положении. Таким образом, для выполнения такого алгоритма переключений даже в самом простом случае требуется автомат состояний.

Если же необходимо прецизионное управление с контролем скорости вращения при переменном моменте на валу, то без микроконтроллера не обойтись.

Рис. 3. Упрощенная функциональная схема управления BLDC-двигателями

Таким образом, для создания схемы управления BLDC-двигателем потребуется: микроконтроллер, драйверы трехфазного моста, сам трехфазный мост, датчики обратной связи ОС (или система измерения обратной ЭДС), система нормирования сигналов ОС (компараторы, операционные усилители и т. д.).

Не стоит забывать и о необходимости развитой системы питания: низковольтный источник для цифровых микросхем, источник для питания драйверов и аналоговых схем (ОУ, АЦП, компараторы), мощный источник для двигателя. Если речь идет о настраиваемой системе, то в приведенный перечень потребуется добавить интерфейс с пользователем или канал связи, например, RS-485.

Как видно, список получается достаточно длинным, особенно если строить схему на дискретных компонентах. А теперь мысленно перенесите все это на печатную плату, и представьте, какой сложной она получается.

Естественно, у любого здравомыслящего инженера появится вопрос: нельзя ли как-то упаковать хотя бы часть из всего перечисленного в корпус интегральной микросхемы? Действительно, ведь микроконтроллеры, регуляторы напряжения, драйверы, АЦП, ОУ, компараторы и другие компоненты выпускаются в интегральном исполнении.

Однако, чтобы выполнить эту задумку, нужно иметь богатый опыт в проектировании полупроводников и SIP-систем (система в корпусе, System in Package). Такой опыт есть у STMicroelectronics, и он был использован при создании SIP-микросхемы STSPIN32F0.

STSPIN32F0– SIP-микросхема, созданная для управления работой трехфазных бесколекторных двигателей и позволяющая реализовывать различные методы определения положения ротора. STSPIN32F0 объединяет в одном корпусе значительную часть списка, приведенного выше (рис. 4):

• микроконтроллер STM32F031x6x7 с 32-битным ядром ARM® Cortex®-M0, рабочей частотой до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт FLASH и программированием по SWD;
• три полумостовых драйвера силовых транзисторов со встроенными бустрепными диодами и выходным током до 600 мА;
• четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС от датчиков Холла или от бездатчиковой схемы;
• программируемый компаратор для контроля тока;
• встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева для питания низковольтных схем;
• встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева для питания драйверов, компараторов и ОУ;
• широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
• коммуникационные интерфейсы: I2C, USART и SPI.

Рис. 4. Функциональная схема STSPIN32F0

Все эти функциональные блоки умещаются в корпусе размером всего 7 x 7 x 1,0 мм!

Контроллер STM32F031x6x7 хорошо известен пользователям STMicroelectronics. На субъективный взгляд автора статьи, это один из наиболее успешных микроконтроллеров на российском рынке, как в плане его собственной цены, так и в плане стоимости средств разработки и их доступности.

Отдельно стоит остановиться на встроенных драйверах мощных транзисторов. Они обеспечивают выходной ток до 600 мА, имеют логику защиты от сквозных токов и интегрированные бустрепные диоды. Все это приводит к минимальному количеству внешних компонентов (рис. 5).

Рис. 5. Дополнительные внешние компоненты силовых каскадов при использовании STSPIN32F0

Как говорилось выше, обязательным компонентом системы управления бесколекторным двигателем является схема обработки сигналов ОС. Для этих целей в STSPIN32F0 предусмотрено четыре ОУ с размахом входного напряжения ±12 В (рис. 6).

Контроль тока осуществляется с помощью ОУ или дополнительного программируемого компаратора, который защищает схему от перегрузок и КЗ.

Рис. 6. Схема нормирования сигналов ОС

Благодаря наличию встроенных регуляторов 3,3 В и 12 В, схема питания максимально упрощается (рис. 7). При этом, диапазон напряжений составляет 8…45 В, а количество внешних компонентов остается минимальным.

Рис. 7. Схема встроенного DC/DC-регулятора 3,3 В

Встроенный контроллер предоставляет пользователям ряд полезных функциональных блоков: порты ввода-вывода, многоканальный АЦП, таймеры, коммуникационные интерфейсы SPI, I2C, USART. Благодаря этому разработчик может создать полноценный привод с широким функционалом:

• управление скоростью вращения с учетом внешнего аналогового сигнала (тахометр, потенциометр управления);
• работа под управлением внешнего ПЛК с коммуникацией по протоколам на базе RS485/422;
• организация светодиодной индикации;
• организация интерфейса с пользователем с помощью клавиатур, кнопок;
• прием и передача дискретных сигналов.

Можно привести следующие примеры целевых приложений для STSPIN32F0: роботы, бытовая техника, квадрокоптеры, игрушки и многое другое. При этом, если учесть, что диапазон рабочих температур для STSPIN32F0 составляет-40…+125°C, то это делает возможным его использование и в промышленных приложениях.

Как было сказано выше, одним из основных достоинств продуктов STMicroelectronics является мощная поддержка в виде развитой системы средств разработки. STSPIN32F0 укладывается в программно-аппаратную платформу STM32 и имеет собственную отладочную плату STEVAL-SPIN3201 (рис. 8).

STEVAL–SPIN3201 – пример реализации привода для бесколлекторного двигателя с рабочими напряжениями 8…45 В и выходным током до 15 А. Кроме микросхемы контроллера STSPIN32F0, на плате размещен мощный трехфазный мост на базе MOSFETSTD140N6F7.

Для контроля тока предлагается использовать шунтовые резисторы. Также на плате располагается программатор-отладчик ST-LINK/V2-1, который подключается к ПК с помощью разъема mimiUSB и без проблем позволяет начать работу со встроенным микроконтроллером STM32F031.

Рис. 8. Внешний вид отладочной платы STEVAL-SPIN3201

Характеристики контроллера STSPIN32F0:

• встроенный контролер STM32F031x6x7: ядро 32-битное ARM® Cortex®-M0, рабочая частота до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт FLASH, программирование SWD;
• три полумостовых драйвера силовых транзисторов: выходной ток 600 мА, встроенные бустрепные диоды, защита от сквозных токов;
• четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС;
• компаратор для контроля тока;
• схема декодирования сигналов ОС: от датчиков Холла и от бесдатчиковой схемы;
• встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева;
• встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева;
• широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
• коммуникационные интерфейсы: I2C, USART иSPI;
• напряжение питания: 8…45 В;
• диапазон рабочих температур: -40…+125°C;
• корпус: 7x7x1,0мм VFQFPN-48L.

Характеристики отладочного набора STEVAL-SPIN3201:

• выходной ток 15 А;
• силовой 3-фазный мост на базе MOSFET STD140N6F7;
• поддержка STM32 PMSM FOC Software Development Kit (STSW-STM32100);
• встроенный отладчик ST-LINK/V2-1;
• напряжение питания: 8…45 В;
• три шунта для контроля тока;
• пользовательские кнопки и подстроечные резисторы.

Источник: https://www.terraelectronica.ru/news/4461

Микросхемы НПО Интеграл для автомобильной электроники

2006 №8

В статье представлены новые микросхемы и полупроводниковые приборы производства НПО «Интеграл» для различных блоков автомобильной электроники: электронной системы управления двигателем, генераторной установки, панели приборов, стеклоочистителя, указателя поворотов, усилителя руля, бортовой системы контроля и др.

Применение электронных приборов и систем в автомобилях постоянно расширяется. Стоимость электронного оборудования сейчас составляет до одной трети стоимости автомобиля.

Развитие электронных систем автомобильной электроники идет в двух направлениях: замена существующих механических систем электронными (электронные системы зажигания, регуляторы напряжения, тахометры и др.

), разработка электронных приборов, функции которых не могут быть выполнены механическими приборами (автоматические противоблокировочные системы, различные автоматические устройства, задающие режим работы двигателя и движения автомобиля) [1].

Все электронные приборы по функциональности могут быть разделены на четыре основные группы: система электропитания (аккумулятор и генераторная установка), система управления двигателем внутреннего сгорания, система управления трансмиссией и ходовой частью и система управления салоном (климат-контроль, панель приборов, компас, стеклоочиститель, указатель поворотов с индикатором перегоревших ламп, блокировка замков дверей и др.). Условия работы электронных блоков автомобиля являются достаточно неблагоприятными: изменения температур в широких пределах (–60…+150 °С) при высокой относительной влажности воздуха (до 80%), значительные вибрации с ускорением до 50 g в широком спектре частот, импульсы напряжения до 400 В, электромагнитные помехи, изменение напряжения питания с 8 до 15,5 В при 12-вольтовом источнике электроэнергии, грязь, вода и др. [2].

НПО «Интеграл» в 2001–2005 гг. освоило в серийном производстве и предлагает производителям электрооборудования и устройств автомобильной электроники широкий ряд новых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). Разработки проводились для различных систем автомобиля.

Эти компоненты по параметрам, режимам, условиям и схемам применения соответствуют аналогичным микросхемам зарубежного производства при существенно более низких ценах. Разработан также ряд модификаций микросхем для российских предприятий, производящих автомобильную электронику. ИМС производятся в пластмассовых корпусах, в том числе и для поверхностного монтажа.

В таблице приведены основные блоки автомобильной электроники с разработанными в НПО «Интеграл» микросхемами.

Таблица. Интегральные микросхемы для автомобильной электроники

Известно, что наиболее совершенными системами управления зажиганием двигателя внутреннего сгорания являются цифровые системы и системы на основе микроконтроллера. Они наиболее полно реализуют алгоритм управления двигателем, обеспечивают его оптимальную мощность, максимальную долговечность и экономичность, минимальную токсичность выхлопных газов [1].

Для ЭСУД типа «МИКАС», «Январь», «АВТРОН» и др.

производятся микросхемы усилителя-формирователя сигнала с датчиков IL1815N и IL1815D, энергонезависимой памяти 512×8 бит с управлением по I2C шине IN24LC04, специализированного стабилизатора напряжения ILE4267G [3], стандартной логики IN74HC14AD (шесть триггеров Шмитта) и IN74HC573ADW (восьмиразрядный регистр), прецизионных датчиков температуры IL135Z и IL235Z, управления коммутатором зажигания IL1055DW. Разрабатывается микросхема приемопередатчика CAN интерфейса ILA82С251.

Однако сигнал с датчика не может быть подан непосредственно на вход микропроцессора. Сигнал должен быть обработан и усилен. В НПО «Интеграл» для этой цели разработаны микросхемы IL1815N и IL1815D усилителя-формирователя сигнала с датчиков. N в названии означает пластмассовый DIP-корпус, D — пластмассовый SO-корпус для поверхностного монтажа.

Микросхемы IL1815N и IL1815D усиливают аналоговый сигнал с датчика и преобразуют его в цифровую форму с КМОП-уровнями, который непосредственно поступает на вход контроллера управления двигателем. Микросхемы обеспечивают один короткий выходной импульс, передний фронт которого совпадает с проходящей через ноль отрицательной полуволной входного сигнала.

Используются микросхемы для усиления сигнала с датчиков частоты вращения двигателя, с датчика положения коленчатого вала.

В датчиках температуры охлаждающей жидкости и температуры воздуха используются микросхемы IL135Z и IL235Z. Микросхемы представляют собой прецизионные датчики контроля температуры с возможностью калибровки. Изменение выходного напряжения микросхемы определяется соотношением 104Т(°К) (мВ), где Т(°К) — температура в градусах Кельвина.

Полное динамическое сопротивление схемы составляет менее 1 Ом при рабочем токе 450 мкА — 5 мА. Откалиброванный при температуре 25 °С датчик имеет типовое значение ошибки менее 1 °С в температурном диапазоне от –55 до +150 °С. Особенностью микросхем IL135Z и IL235Z является линейная зависимость выходного напряжения от температуры.

Выпускаются микросхемы в пластмассовых трехвыводных корпусах ТО-92 (КТ-26).

Микросхема IL1055DW применяется в составе двухканального коммутатора модуля зажигания автомобилей с микропроцессорным управлением двигателя внутреннего сгорания.

Микросхема управляет двумя мощными IGBT-транзисторами по сигналу от микропроцессора, осуществляет формирование управляющих импульсов по сигналам микропроцессора на входе мощного выходного ключа (IGBT-транзистора), задающего ток через катушку зажигания, и ограничение тока через катушку зажигания на уровне, достаточном для гарантированного формирования искры. Кроме того, она обеспечивает равенство токов через каждую катушку зажигания.

В современном автомобиле электроника выполняет большое количество функций.

С точки зрения надежности передачи данных между электронными блоками и организации интерфейса все их можно условно разделить на две части: первая — это обеспечение надежного функционирования основных узлов автомобиля (электронное управление двигателем, АBS, подушки безопасности, навигационная система, трансмиссия и др.).

Ко второй половине можно отнести различные электронные системы управления, служащие для обеспечения комфорта пассажиров (электропривод зеркал, дверных замков, стеклоочистителей, стеклоподъемников, климат-контроль и др.), а также систему диагностики.

В первом случае нужен высоконадежный, достаточно скоростной канал связи, способный передать информацию от одного узла к другому, во втором — простой и дешевый. В качестве первого выступает скоростной высоконадежный протокол CAN (Controller Area Network). В качестве второго утвержден стандарт LIN (Local Interconnection Network).

В настоящее время разрабатывается микросхема ILA82С251 приемопередатчика CAN-интерфейса. О микросхемах LIN-интерфейса будет сказано ниже.

Генераторная установка

Генератор автомобиля предназначен для обеспечения питанием электрооборудования и заряда аккумуляторной батареи при работающем двигателе. Выходные параметры генератора должны быть такими, чтобы при любых режимах движения автомобиля не происходил разряд аккумулятора.

Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок [5]. Для поддержания стабильности напряжения наиболее эффективным является применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Реализуется ШИМ микросхемой регулятора напряжения.

Для генераторной установки в НПО «Интеграл» выпускается ряд микросхем и полупроводниковых приборов.

Микросхема формирует ШИМ-характеристику управления током в обмотке возбуждения автомобильного генератора и содержит входной делитель напряжения, встроенный генератор импульсов, делитель частоты, цифро-аналоговый преобразователь, компаратор.

Размещенные на кристалле мощные демпферный диод и транзистор рассчитаны на ток 5 А, при этом остаточное напряжение транзистора — не более 0,5 В. Напряжение регулирования — 14,1±0,2 В, температурный коэффициент изменения напряжения 7,0±1,5 мВ/°С.

Для выпрямительных мостов автомобильных генераторов на напряжение 14 В изготавливаются выпрямительно-ограничительные диоды Зенера IW3527 с пробивным напряжением 27 В.

Панель приборов

Для подсветки шкалы приборов автомобиля предназначена микросхема ШИМ-контроллера IL6083N, который управляет внешним мощным MOSFET-транзистором, используемым в качестве ключа для напряжения на нагрузку.

Микросхема используется для управления яркостью свечения ламп освещения с помощью широтно-импульсной модуляции с частотой до 2 кГц и коэффициентом заполнения от 18 до 100%. Микросхема имеет защиту от короткого замыкания, повышенного напряжения питания и напряжения питания обратной полярности, а также защиту от обрыва «земли».

Разработана модификация микросхемы IL6083AN с коэффициентом заполнения от 10 до 100% для предприятий, производящих автомобильную электронику в России.

Стеклоочиститель

Схема управления стеклоочистителем выполняет не очень сложную, но чрезвычайно важную функцию, поскольку создает хорошую видимость из автомобиля в дождливую погоду, обеспечивая безопасность движения [6].

Микросхемы IL33197AN и IL33197AD выполняют функции таймера стеклоочистителя для бортовых систем автомобилей, обеспечивают функцию прерывистой очистки с возможностью регулирования временного интервала очистки от 0,5 до 30 с, функцию очистки после включения омывателя, функцию непрерывной очистки и применяются для непосредственного управления реле двигателя стеклоочистителя. Микросхемы могут применяться в стеклоочистителях переднего и заднего стекол.

Для расширения области применения в ИМС IL33197AN-01 и IL33197AD-01 по просьбам заказчиков для защиты от всплесков напряжения при выключении реле двигателя стеклоочистителя на выходе встроен 30-вольтовый шунтирующий диод Зенера (у IL33197AN и IL33197AD — 20-вольтовый диод Зенера).

Указатель поворотов

Для микросхем управления реле указателя поворотов в настоящее время наблюдается тенденция совмещения функций: помимо основной функции (подачи сигналов на реле поворотов) микросхема определяет перегорание одной из ламп и короткое замыкание в нагрузке.

Микросхемы IL33193N и IL33193D предназначены для управления реле указателя поворотов. В режиме ожидания они потребляют очень малый ток.

На входе детектора неисправности ламп (вывод 7) реализован высокочастотный фильтр для устранения электромагнитных помех. Частота мигания определяется внешними элементами R и C.

При неисправности одной из ламп опознается изменение тока нагрузки на шунте, и частота мигания увеличивается в 2,2 раза.

По предложениям потребителей разработаны и изготавливаются модификации IL33193N-01, IL33193D-01, IL33193N-02, IL33193D-02, IL33193N-03, IL33193D-03, IL33193N-04 и IL33193D-04 микросхемы управления реле поворотов, которые имеют следующие отличия:

• отсутствует вывод 6 «Вход разрешения», внутри ИМС реализуется функция постоянного разрешения;
• пороговый уровень детектора неисправной лампы составляет 85±10 мВ (при 51±5 мВ и сопротивлении шунта 20 мОм у микросхем IL33193N и IL33193D), что позволяет работать с шунтом 30 мОм;
• при неисправности одной из ламп частота мигания увеличивается в 2,5 раза;
• микросхемы IL33193N-03 и IL33193D-03 имеют в своем составе детектор короткого замыкания.

В остальном эти микросхемы по функционированию и схеме применения идентичны IL33193N и IL33193D.

Другие системы (иммобилизатор, усилитель руля, бортовая система контроля и др.)

Для таких систем предлагаются ИМС широкого применения, которые, однако, по своим характеристикам и условиям использования соответствуют требованиям к компонентам автомобильной электроники.

Микросхемы IL33091AN и IL33091AD являются драйверами управления высокопотенциональным мощным полевым МОП-транзистором. Работают при наличии высоковольтных помех по шине питания, возникающих вследствие быстрой коммутации нагрузок.

Микросхема обеспечивает посредством выходной емкости накачку заряда на выводе Gate управления затвором силового МОП-транзистора.

Важной особенностью ИМС IL33091N и IL33091D является наличие блока квадратирования тока (I2), с помощью которого контролируется мощность, выделяющаяся на внешнем мощном МОП-транзисторе.

Внешние элементы C и R, подключаемые к выводу 8, определяют время, которое мощный МОП-транзистор может работать при данном уровне превышения допустимой мощности.

Этот способ очень эффективен для защиты мощного МОП-транзистора.

Микросхемы приемопередатчика ISO K-line интерфейса IL33290DA и IL33290DB применяются в автомобильной электронике и предназначены для обеспечения двунаправленного полудуплексного соединения по стандарту ISO 9141-2 бортовых автомобильных электронных систем и внешних диагностических устройств.

В настоящее время разрабатывается микросхема IL33399 приемопередатчика LIN-интерфейса.

Серия интеллектуальных стабилизаторов напряжения ILE42XX с низким остаточным напряжением специализирована для применения в автомобильной электронике [3].

Литература

1. Ходасевич А. Г., Ходасевич Т. И. Катушки зажигания, датчики, октан-корректоры, контроллеры. Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей. Часть 2. Электронные системы зажигания. М.: АНТЕЛКОМ. 2003.
2. Данов Б. А. Электронные системы управления иностранных автомобилей. М.

   : Горячая линия-Телеком. 2002.

3. Ефименко С. А., Кособуцкая Н. В, Сякерский В. С., Шведов С. В. Микросхемы стабилизаторов напряжения для автомобильной электроники // Компоненты и технологии. 2006. № 6.
4. Автомобильный стандарт LIN и контроллеры для его реализации. СПб.: Microchip. www.gamma.spb.ru.
5. Акимов А. В.

   и др. Генераторы зарубежных автомобилей. М.: ЗАО «КЖИ «За рулем». 2003.

6. Сига Х., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику / Пер. с японского. М.: Мир. 1989.

Компания maxon motor приступила к серийному производству нового бесколлекторного двигателя серии EC-powermax 22 мощностью 120 Вт, диаметром 22 мм и массой 160 г.

В настоящее время доступно четыре варианта исполнения двигателей серии EC-powermax 22 для номинальных напряжений 18, 24, 36 и 48 В с обмотками ротора, рассчитанными на максимальные токи 6,72; 5,0; 3,62 и 2,55 А соответственно. Номинальная скорость вращения — 14 800 об/мин. Номинальный момент — 79 мН⋅м. КПД составляет порядка 91%. Температурный диапазон — от –40 до +100 °С.

Четырехполюсный ротор выполнен из современного и высокотехнологичного магнитного сплава, что позволяет осуществлять коммутацию обмоток двигателя на основе изменения магнитного поля ротора. Градиент механической характеристики составляет порядка 14,2.

Использование усовершенствованного типа подшипников качения позволяет значительно увеличить диапазон осевых и радиальных нагрузок на вал, сохранив небольшой размер двигателя, что делает EC-powermax 22 уникальным.

Двигатель может комбинироваться с планетарным редуктором серии GP32C (керамическая версия), что позволяет развить момент нагрузки до 6 Н⋅м в длительном режиме работы.

В сочетании с блоком управления серии DEС или DES, осуществляющим управление по току и скорости, или с контроллером серии EPOS или MIP, осуществляющим позиционирование, мотор EC-powermax 22 представляет собой высокотехнологичный управляемый прецизионный электропривод постоянного тока.

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/chip/2006_8_138.php

Управление шаговым двигателем. Схема и описание

Шаговые двигатели не сильно отличаются от многих классических двигателей. Для управления шаговым двигателем необходимо подавать постоянное напряжение на обмотки в точной последовательности. Благодаря этому принципу, можно обеспечить точный угол поворота оси.

Более того, оставив напряжение питания на одной или нескольких обмотках двигателя, мы переводим двигатель в режим удержания. Шаговые двигатели получили широкое распространение в технике, к примеру, их можно найти в гибких дисководах, сканерах и принтерах. Существует несколько типов шаговых двигателей.

Типы шаговых двигателей

Существуют три основных типа шаговых двигателей:

1. Двигатель с постоянным магнитом
2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением
3. Гибридный двигатель

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами применяется наиболее часто в устройствах бытового назначения, нежели в промышленных устройствах. Это недорогой двигатель, имеющий низкий крутящий момент и низкую скорость вращения. Он идеально подходит для устройств компьютерной периферии.

Производство шагового двигателя с постоянными магнитами несложно и экономически оправдано, когда дело касается производства больших объемов. Однако из-за его относительной инертности, применение ограничено в устройствах, где требуется точное позиционирование по времени.

 Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

В шаговом двигателе с переменным магнитным сопротивлением нет постоянного магнита, и как результат этого — ротор вращается свободно, без остаточного крутящего момента. Этот тип двигателя часто используется в малогабаритных устройствах, например, в системах микро-позиционирования. Они не чувствительны к полярности тока и требуют систему управления отличную от других типов двигателей.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный двигатель, на сегодняшний день, является самым популярным двигателем в промышленной сфере. Его название происходит от того, что он сочетает в себе принципы работы двух других типов двигателя (с постоянными магнитами и переменным магнитным сопротивлением). Большинство гибридных двигателей имеют две фазы.

Как работает гибридный двигатель

Работу гибридного шагового двигателя легко понять, глядя на очень простую модель, которая производит 12 шагов за один оборот.

Ротор этой машины состоит из двух частей, каждая из которых имеет три зуба. Между двумя частями находится постоянный магнит, намагниченный в направлении оси ротора, создавая, таким образом, южный полюс на одной части детали, и северного полюса на другой. Статор состоит из трубки, имеющей четыре зуба внутри нее. Обмотки статора намотаны вокруг каждого такого зуба.

Когда ток протекает через одну из обмоток, ротор занимает одно из положений, показанных на рисунках. Это связано с тем что, постоянный магнит ротора пытается минимизировать магнитное сопротивление обмотки. Крутящий момент, что стремится держать ротор в этих положениях, как правило, небольшой и называется «релаксация крутящего момента». Ниже изображена схема работы двигателя с 12 шагами.

Изменяя ток первой до второй обмотки (В), магнитное поле статора поворачивается на 90 градусов и притягивает новую пару полюсов ротора.

В результате этого ротор поворачивается на 30 градусов, что соответствует полному шагу.

Возвращение к первому набору обмоток статора, но с питанием обратной полярности, изменяет магнитное поле статора еще на 90 градусов, и ротор поворачивается на 30 градусов (С).

Очевидно, что если полярность питания обмоток будет противоположной описанной, то вращение двигателя так же сменится на противоположное.

Режим полшага

Подавая питание поочередно на одну обмотку, а затем на две, ротор будет совершать вращение на 15 градусов в каждом шаге и таким образом количество шагов на один оборот увеличится в два раза.

Этот режим называется режимом «полшага», и большинство промышленных устройств применяют этот режим.

Даже если это иногда вызывает небольшую потерю крутящего момента, режим в полшага намного плавнее на низких скоростях и вызывает меньший резонанс в конце каждого шага.

Когда шаговый двигатель находится под контролем в режиме «неполного шага», две фазы одновременно находятся под напряжением и крутящий момент обеспечивается на каждом шаге. В режиме полушага, питание чередуется между двумя фазами, и отдельной обмоткой, как показано на рисунке.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

От того какая у шагового двигателя форма обмоток, двигатели делятся на униполярные и биполярные. У биполярного двигателя по 1 обмотке в каждой фазе. Всего две обмотки и соответственно 4 вывода (рис. а).

Для обеспечения вращения вала на эти обмотки должно подаваться напряжение с изменяемой полярностью. Поэтому для биполярного двигателя необходим полумостовой либо мостовой драйвер, снабженный двухполярным питанием.

Униполярный двигатель также как и биполярный, для каждой фазы имеет по одной обмотке, но каждая обмотка содержит отвод от середины. В связи с этим, путем переключения половинок обмотки шагового двигателя, появляется возможность менять направление магнитного поля.

В данном случае значительно упрощается структура драйвера двигателя. Он должен обладать всего лишь четырьмя силовыми ключами. Соответственно, в униполярном двигателе применяется иной метод изменения направления магнитного поля. Отводы обмоток зачастую объединяются внутри двигателя, вследствие этого данный тип двигателя может обладать пятью или шестью проводами (рис. б).

Порой униполярные двигатели снабжаются четырьмя обмотками, каждая из которых содержит собственные выводы – то есть их всего восемь (рис. в).

При определенном соединении этих обмоток подобный шаговый двигатель возможно использовать как биполярный либо униполярный.

Кстати, униполярный двигатель, имеющий две обмотки с отводами по середине, возможно использовать и как биполярный. В этом случае провода, идущие от середины обмоток не используются.

Управление шаговым двигателем

В качестве примера управления шаговым двигателем возьмем униполярный шаговый двигатель ШД-1ЕМ, имеющий характеристики: количество шагов — 200/об., ток обмотки – 0,5А, мощность — 12 Ватт.

Драйвером, управляющим обмотками шагового двигателя выберем микросхему ULN2003A. Эта уникальная микросхема, не что иное, как транзисторная сборка по схеме Дарлингтона с открытым коллектором, снабженная диодом, защищающим цепь питания нагрузки. ULN2003A имеет семь каналов управления с током нагрузки 500мА каждый.

Входы микросхемы ULN2003A можно напрямую подключать к выходам цифровых микросхем, поскольку она имеет резисторы, подключенные к базам транзисторов. Еще одним немаловажным моментом является то, что выходы ULN2003A снабжены диодами, которые защищают микросхему от индукционных выбросов в момент коммутации обмоток шагового двигателя.

Вывод 9 микросхемы ULN2003A подведен к источнику питания через стабилитрон, который защищает схему от ЭДС самоиндукции, появляющейся в момент выключения блока питания схемы. Управление шаговым двигателем производится с помощью компьютера через LPT порт при помощи программы:

Скачать программу управления шаговым двигателем (скачено: 1 750)

Источник: http://fornk.ru/1369-upravlenie-shagovym-dvigatelem/

Пуск двигателя постоянного тока

Как и в случае с асинхронными двигателями, пуск двигателей постоянного тока осложнен возникающими при пуске большими значениями пусковых токов и моментов.

Но в отличие от асинхронных двигателей, в ДПТ пусковые токи превышают номинальные в 10-40 раз.

Такое громадное превышение может привести к выводу двигателя из строя, повреждению связанных с двигателем механизмов и большим просадкам напряжения в сети, что может сказаться на других потребителях. Поэтому пусковые токи стараются ограничить до значений (1,5…2) Iн.

Когда двигатель работает при постоянном напряжении и сопротивлении обмотки якоря, ток в якоре можно найти с помощью формулы

В этой формуле U – напряжение питающей сети, Епр – противоЭДС, ∑r – сопротивление обмоток якоря. ПротивоЭДС Епр возникает при вращении якоря в магнитном поле статора, при этом в двигателе, она направлена против якоря. Но когда якорь не движется, Епр не возникает, а значит, выражение для тока примет следующий вид

Это и есть выражение для определения пускового тока.

Глядя на формулу можно прийти к выводу, что снижения пускового тока возможно либо снижением напряжения, либо увеличением сопротивления якорной обмотки.

Пуск двигателя снижением напряжения применяется, если питание двигателя организовано от независимого источника энергии, который можно регулировать. На практике такой пуск используется для двигателей средней и большой мощности.

Мы рассмотрим более подробно способ пуска двигателя постоянного тока с помощью введения дополнительного сопротивления в цепь якоря. При этом пусковой ток будет равен

Таким образом, можно добиться величины пускового тока, в нужном диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.

Следует знать, что с дополнительным сопротивлением в обмотке якоря двигатель работает не на естественной, а на более мягкой искусственной характеристике, которая не подходит для нормальной работы двигателя.

Пуск двигателя осуществляется в несколько ступеней. После некоторого разгона двигателя, Епр ограничит ток, а следовательно пусковой момент, чтобы поддержать его на прежнем уровне, нужно уменьшить сопротивление, то есть переключить реостат или шунтировать резистор.

Допустим, что ступени у нас четыре, тогда механическая характеристика будет выглядеть следующим образом

На первой ступени, когда добавочное сопротивление максимально и равно R1+R2+R3 двигатель начинает свой разгон. После достижения определенной точки, которую получают с помощью расчетных данных, сопротивление R3 шунтируют.

При этом двигатель переходит на новую характеристику, и разгоняется на ней все до той же точки. Таким образом, двигатель выходит на естественную характеристику, не пострадав от действия больших пусковых токов и моментов.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4.00 (1 Голос)

Источник: https://electroandi.ru/elektricheskie-mashiny/dpt/pusk-dvigatelya-postoyannogo-toka.html

Как узнать на какое напряжение питания рассчитан коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель применяется отнюдь не только в электрических приборах, но даже в стиральных машинах  в виде двигателя привода барабана.

Ещё 20 лет назад и по сегодняшний день очень большое количество стиральных машин работают  на коллекторных двигателях.

Почему они настолько популярны до сих пор? Дело в том, что коллекторные двигатели по своим параметрам имеют не большие размеры и оснащены достаточной мощностью.

Это устройство функционирует для работы от сети постоянного/переменного тока. Коллекторный двигатель зачастую называют универсальным.

Будьте внимательны при подборки двигателя, учитывайте его напряжение.

Приведём пример, в двигатели модели под названием  «Speed 400» есть моторы, напряжение который составляет  4,8 Вт, 6 Вт, и 7,2 Вт.

Благодаря этим значениям можно узнать о количестве банок в батарее, с которыми работает устройство. Напряжение на NiCd либо NiMH аккумуляторе равно 1,2 Вт.

Но такие  показатели всё равно приблизительные, ведь  даже  при высоком напряжении моторы могут хорошо работать.

Коллекторный двигатель состоит из таких важных частей:

1) статор;

2) коллектор якорь;

3) 2 щётки;

4) магнитный якорь тахогенератора;

5) обмотка; 6) клеммная обмотка;

7)стопорная крышка;

8)шкив;

9) корпус из алюминия.

Намотка якоря коллекторного двигателя видео 

Якорь является динамичной составляющей двигателя.

Намотка якоря  коллекторного двигателя последующего возбуждения будет равна напряжению захватов, а также значению магнитного потока, которое зависит от нагрузки двигателя.

Во время холостого хода движение якоря способно увеличить номинальную в 3 — 4 раза и более, но это нежелательно по причине значительных сил, в результате которых якорь портиться.

Но если двигатель перезагружен и соединён к сети переменного напряжения, движение якоря будет идти на уменьшение, следовательно, когда происходит разгрузка – на увеличение.

Когда холостой ход движение якоря, возможно, будет увеличиваться и превысит почти в 3 и даже больше номинальную. Отметим, что такой режим работы будет негативно влиять на якорь.

Поэтому такой режим подходит для устройств, мощность которых невысокая. Двигатели с мелкими техническими затратами должны иметь можность не меньше 25 процентов.

Намотка якоря коллекторного двигателя целесообразна после того, как  измерены  размеры якоря и ликвидирована  прежняя обмотка.

Интересно! Стартер для бензокосы, здесь!

Разрезаем провода старой обмотки и убираем их из пазов якоря. Затем отпаиваем провода от пластин коллектора и хорошо чистим участки пайки проводов и пазы якоря.

Устанавливаем  в пазы якоря изоляционные прокладки электрокартона, режем их согласно длине паза якоря, загибаем  по форме паза и вставляем пазы.

В процессе намотки происходит расположение якорей необходимого сечения при этом соблюдая шаги по пазам.

Щетки для коллекторных двигателей

Щетка коллекторного двигателя является узлом устройства, благодаря которому соединяются цепи ротора с цепями, находящиеся в недвижимом участки машины.

Щетка имеет коллектор и щётки (скользящие контакты, расположенные за ротором и придавленные к  коллектору).

Щётка выполняет такие задачи:

• как датчик угловой позиции ротора;
• как переключатель направления тока.

Благодаря постоянному трению скользящих контактов щётка быстро портиться. Поэтому щётка относиться к одним из частей коллекторного двигателя, которая весьма ненадёжна.

Таким образом, мы ознакомились с работой коллекторного двигателя и  изучили работу основных его составляющих.

Подобрано для вас:

Источник: http://stroysvoy-dom.ru/kak-uznat-na-kakoe-napryazhenie-pitaniya-rasschitan-kollektornyj-dvigatel/

ПОИСК

Заметные остаточные деформации появляются в пластичных материалах, когда напряжения достигают предела текучести. Разрушение наступает, когда напряжения достигают величины временного сопротивления при этом деформации хрупкого материала могут быть незначительными.

Итак, для деталей, изготовленных из пластичного материала, опасным напряжением можно считать предел текучести, а для деталей из хрупкого материала — временное сопротивление.  [c.118]
Для пластичных материалов в случае статической нагрузки опасным напряжением, как уже сказано, следует считать предел текучести, т. е. о° = а. , а п = п . Тогда  [c.

119]

Для хрупких материалов при статических нагрузках опасным напряжением является временное сопротивление и тогда  [c.119]

Стержень равного сопротивления. При расчете на прочность стержня постоянного сечения с учетом собственного веса во всех сечениях стержня, кроме опасного, напряжения оказываются ниже допускаемого, т. е.

материал недогружен (см., например, рис. 136, в). Однако можно спроектировать стержень такого переменного сечения, у которого во всех поперечных сечениях напряжения будут одинаковыми и равными допускаемому.

Такой стержень  [c.131]

По опасным напряжениям устанавливают допускаемые напряжения [04.] при растяжении или [а ] при сжатии (см. 34), обеспечивая известный коэффициент запаса против наступления предельного состояния. Таким образом, условие прочности для одноосного напряженного состояния (рис. 171, а) принимает вид  [c.182]

Эффект поверхностных упрочнений складывается из собственно упрочнения поверхностного слоя и из создания в нем остаточных напряжений сжатия, которые вычитаются из опасных напряжений растяжения от полезной нагрузки.  [c.25]

Особенно опасны напряжения растяжения, увеличивающие активность металла. Значение остаточных или внешних напряжений в металле будет зависеть от объема металла, в котором аккумулирована энергия  [c.294]

Следовательно, у бруса на рис, 2.104, а наиболее опасное напряженное состояние возникает в точках, наиболее удаленных от оси х. Выделим одну из таких точек (точку А) и изобразим ее в виде элемента, имеющего форму прямо-  [c.240]

Чтобы найти опасную точку, будем рассуждать следующим образом напряжения от растяжения одинаковы во всех точках поперечного сечения, максимальные растягивающие напряжения от изгиба возникают в верхних крайних точках сечения, значит эти точки и будут опасными. Напряжения в опасных точках  [c.306]

Приведем краткие сведения о выборе (назначении) требуемого коэффициента запаса прочности [п]. Кроме того, несколько дополним приведенные в разделе Сопротивление материалов сведения об опасных напряжениях.  [c.327]

Допускаемые напряжения при статическом нагружении. Как известно из предыдущего, для пластичных материалов роль опасного напряжения играет предел текучести (часто говорят физический предел текучести) и допускаемое напряжение принимают как некоторую часть от предела текучести (допускаемые напряжения при растяжении [о]р и при сжатии [а] для этих материалов одинаковы)  [c.330]

Для хрупких материалов при статической нагрузке опасным напряжением является предел прочности ав, когда  [c.62]

При растяжении пластичного материала за опасное состояние могут быть приняты начало текучести, начало образования шейки и разрушение материала. Опасными напряжениями соответственно могут быть предел текучести, предел прочности и истинное напряжение в момент разрушения (см. 6.2).

Появление линий сдвигов при возникновении остаточных деформаций и разрушение образцов по поверхностям, наклоненным к направлению растягивающей силы под углом 45° ( 6.2), дают основание считать, что как образование и развитие пластических деформаций, так и разрушение происходит за счет скольжения и сдвигов под действием наибольших касательных напряжений.

Такой вид разрушения называется разрушением путем среза.  [c.94]

По формуле 13.1.4 находим опасное напряжение в заделке балки.  [c.226]

Важнейшей задачей инженерного расчета является оценка прочности детали по известному напряженному состоянию. Наиболее просто эта задача решается для простых видов деформации, в частности для одноосных напряженных состояний, так как в этом случае значения предельных (опасных) напряжений легко установить экспериментально.

Под опасными напряжениями, как уже указывалось, понимают напряжения, соответствующие началу разрушения (при хрупком состоянии материала) или появлению остаточных деформаций (в случае пластического состояния материала).

Так, испытания образцов из данного материала на простое растяжение или сжатие позволяют без особых трудностей определить значения опасных напряжений  [c.200]

Общее уравнение прочности. Наиболее ответственный этап расчета — выполнение условий прочности, т. е. обеспечение надежности элемента конструкции в заданных условиях его эксплуатации.

Для одноосного напряженного состояния выполняется эксперимент на растяжение или сжатие с выявлением разрушающего или опасного напряжения ар зр и последующим введением коэффициента запаса п.

Частное от деления о р зр на коэффициент запаса и дает допускаемое напряжение  [c.161]

Величина допускаемого напряжения [р] устанавливается в зависимости от предельного (опасного) напряжения для данного материала, которое определяется путем лабораторных испытаний.  [c.20]

Для элементов конструкций, выполненных из хрупкого материала, опасное состояние характеризуется появлением трещин (разрушением материала). За опасное напряжение следует принимать предел прочности  [c.53]

При повторно переменных нагрузках опасное состояние характеризуется появлением трещин усталости. За опасное напряжение принимается предел выносливости  [c.53]

Как видно из предыдущего, деление на напряжения первого, второго и третьего родов является условным. Все они тесно переплетаются друг с другом и могут быть местными, зональными и общими. Для практических целей существенно, что внутренние напряжения могут действовать разупрочняюще и упрочняюще.

Опасны напряжения того же знака, что и рабочие, например разрывающие напряжения в случае растяжения. Благоприятны напряжения, знак которых противоположен знаку рабочих, например сжатия в случае растяжения.

Следует отметить, что внутренние напряжения одного знака всегда сопровождаются Появле нием в смежных объемах уравновешивающих напряжений противоположного знака относительная величина напряжений разного знака зависит от протяженности охватываемых ими объемов.

Таким образом, опреде-ляющихг для прочности является, во-первых, расположение и ориентация напряженных объемов относительно действующих рабочих напряжений и, во-вторых, величина внутренних напряжений, одноименных и одинаково направленных с рабочими напряжениями.

Так как для пластичных материалов опасным напряжением является также предел текучести Оу, то на диаграмме наносится горизонтальная линия KL, ордината которой равна Оу.

(Для пластичных материалов, диаграмма растяжения которых не имеет площадки текучести, роль Су играет условный предел текучести ао, 2-) Следовательно, диаграмма предельных напряжений окончательно имеет вид APKL.  [c.312]

Отожженные латуни, если к ним не приложено высокое растягивающее напряжение, не подвергаются коррозионному растрескиванию.

Чтобы проверить, являются ли остаточные напряжения в холоднообработанной латуни достаточными для стимулирования КРН в аммиачной атмосфере, металл погружают в patTBop, который содержит 100 г нитрита ртути (I) Hg2(N03)2 и 13 мл HNOs (плотность 1,42) в литре воды.

В связи со сказанным очевидна необходимость более подробно остановиться на типовых признаках напряженных состояний и проследить, в каких условиях возникает то или иное состояние. Иа основе такого обзора в дальнейшем нронье будет ориентироваться в вопросах прочности и легче дать оценку степени опасности напряженного состояния для материала.  [c.245]

Допускаемые напряжения оп )сделяются, как некое опасное напряжение, деленное на рекомендуемое значение коэффициента запаса  [c.59]

При статической нагрузке для хрупких материалов за опасное напряжение чаще всего принимается предел прочности, для пластичных и хрупкопластичных — предел текучести.  [c.59]

Кстати, о терминологии. В литературе наряду с термином предельное напряжение применяют опасное напряжение . Одинаково ли они удачны Предпочтительнее все-таки предельное напряжение .

Действительно, когда мы говорим о том, что какое-то явление пли событие опасно, это слово не ассоциируется, скажем, с неизбежной гибелью.

Ведь, если мы видим плакат Не разрешайте детям играть на мостовой—это опасно для жизни , мы верим сказанному, но отнюдь не считаем, что каждый ребенок, выбежавший на проезжую часть, обязательно попадает под машину.

Но если напряжение достигло предела прочности, то нет никаких сом нений в возникновении трещины, начинается разрушение, это предельное, а не опасное состояние. Не знаем, в какой мере этот пример будет способствовать утверждению высказанного мнения, но по самому духу языка термин предельное лучше соответствует сушестпу вопрос.з.  [c.77]

В тех случаях, когда опасное сечение нельзя установить непосредственно по эпюрам М и М , прих эдится проверять прочность бруса в нескольких его сечениях и таким путем устанавливать опасные напряжения.  [c.380]

Для элементов конструкций, выполненных из пластичных материалов, опасное состояние характеризуется появлением больших остаточных деформаинн, и опасным напряжением можно считать предел текучести  [c.53]

Источник: http://mash-xxl.info/info/289453/