Silniki elektryczne w praktyce elektronika - EP.pdf
(
1519 KB
)
Pobierz
K U R S
Silniki elektryczne w praktyce
elektronika, część 1
Jak dzia³a silnik elektryczny
ìNa przewodnik z†pr¹dem w†polu
magnetycznym dzia³a si³a F rÛwna....î
- tyle mniej wiÍcej kaødy pamiÍta ze
szko³y. Øeby zrobiÊ z†tego silnik elek-
tryczny, potrzebny jest nieruchomy sto-
jan i†osadzony na ³oøyskach wirnik.
Kaødy z†tych elementÛw musi spe³niaÊ
przynajmniej jeden warunek:
- musi umoøliwiÊ przep³yw pr¹du,
- musi wytwarzaÊ w³asne pole magne-
tyczne.
Øeby chcia³o siÍ to jeszcze krÍciÊ,
potrzebna jest cykliczna zmiana kierun-
ku przep³ywu pr¹du lub zmiana orien-
tacji i†natÍøenia (wirowanie) pola mag-
netycznego. Takie minimum teorii wy-
starczy do zrozumienia dzia³ania wiÍk-
szoúci silnikÛw elektrycznych.
Na co dzieÒ nie zdajemy sobie sprawy, jak olbrzymia
liczba rÛønych silnikÛw elektrycznych nas otacza. Wielu
elektronikÛw buduj¹c sterowniki mikroprocesorowe,
chcia³oby skorzystaÊ z†tego bogactwa, ale nie zawsze
wiadomo, jak to zrobiÊ.
Dlatego postanowi³em przybliøyÊ Czytelnikom temat
w³aúciwoúci i†sposobÛw sterowania typowych silnikÛw
elektrycznych - moøe w†sposÛb nienaukowy, przystÍpnie
i†bez stosowania wyøszej matematyki.
tzn. moc pobierana przez silnik pod-
czas pracy z†normaln¹ prÍdkoúci¹ obro-
tow¹. Moc mechaniczna, tzw. moc na
wale, jest mniejsza i†zaleøy od spraw-
noúci silnika (typowo 40...80%).
NapiÍcie zasilania
. Znamionowa
wartoúÊ napiÍcia zasilaj¹cego (sta³ego
lub zmiennego), przy ktÛrej okreúlane
s¹ inne parametry. WiÍkszoúÊ silnikÛw
moøe byÊ zasilana napiÍciem niøszym
(minimalnie od 5%U
z
dla silnikÛw ko-
mutatorowych i†od 70%U
z
dla induk-
cyjnych). Nie naleøy stosowaÊ napiÍÊ
duøo wyøszych od znamionowego (mak-
simum +15%).
Moment obrotowy
. W†uproszczeniu
jest to si³a, z†jak¹ silnik potrafi krÍciÊ
obci¹øeniem. Podawany jest w†Nm (niu-
ton * metr), typowe wartoúci dla ma-
³ych silnikÛw: od 0,01 do 50 Nm.
Moment rozruchowy
. Jest to bardzo
waøny parametr, informuj¹cy o†tym, czy
silnik jest w†stanie wystartowaÊ pod ob-
ci¹øeniem. Moøe byÊ podany w†Nm lub
w†procentach momentu obrotowego.
W†zaleønoúci od rodzaju silnika moment
rozruchowy moøe byÊ ma³y (do 150%),
úredni (150...250%) lub duøy (powyøej
250%). Moment rozruchowy moøe byÊ
parametrem decyduj¹cym o†przydatnoúci
silnika do okreúlonych zastosowaÒ. Naj-
mniejsze wymagania stawia napÍd wen-
tylatorÛw - obci¹øenie startowe jest ze-
rowe i†roúnie z†kwadratem prÍdkoúci ob-
rotowej, moøna zastosowaÊ nawet silnik
z†momentem rozruchowym niøszym od
100%. Najtrudniejsze warunki rozruchu
wystÍpuj¹ w†napÍdach sprÍøarek, düwi-
gÛw oraz pojazdÛw.
Obroty znamionowe
. Zawsze s¹ poda-
wane obroty w†normalnych warunkach
pracy, tzn. przy znamionowym obci¹øe-
niu i†napiÍciu zasilania. Obroty silnikÛw
mog¹ zawieraÊ siÍ w†granicach
100...100000 obr./min., ale najczÍúciej spo-
tykane wartoúci to 1000...4000 obr./min.
Pr¹d znamionowy i†pr¹d rozrucho-
wy
. Pr¹d znamionowy jest to pobÛr
pr¹du w†normalnych warunkach pracy.
Pr¹d rozruchowy wystÍpuje tylko pod-
czas rozpÍdzania silnika i†jest 2...8-krot-
nie wiÍkszy od pr¹du znamionowego
(najwiÍksze pr¹dy rozruchowe maj¹ sil-
niki indukcyjne). Warto o†tym pamiÍ-
taÊ, projektuj¹c uk³ad sterowania i†zasi-
lania silnika.
Podzia³ silnikÛw elektrycznych
Istnieje ponad sto rodzajÛw silni-
kÛw, rÛøni¹cych siÍ zasad¹ pracy, bu-
dow¹ i†w³aúciwoúciami. NiektÛre rodza-
je wystÍpuj¹ tylko w†podrÍcznikach
i†prÛøno ich szukaʆw†sklepach. Poniø-
szy podzia³ obejmuje najwaøniejsze ty-
py silnikÛw, produkowane masowo:
Silniki pr¹du sta³ego
- komutatorowe, w†rodzinie ktÛrych s¹
produkowane:
- silniki z†magnesem trwa³ym;
- silniki szeregowe;
- silniki bocznikowe;
- silniki szeregowo-bocznikowe;
- z†wiruj¹cym magnesem, w†rodzinie
ktÛrych s¹ produkowane:
- dwubiegunowe z†czujnikami Halla,
- wielobiegunowe z†czujnikami Halla
lub enkoderem,
- krokowe, w†rodzinie ktÛrych s¹ pro-
dukowane:
- unipolarne,
- bipolarne,
- liniowe.
Silniki pr¹du zmiennego
- komutatorowe (uniwersalne),
- asynchroniczne 1-fazowe, w†rodzinie
ktÛrych s¹ produkowane:
- kondensatorowe;
- ze zwart¹ faz¹ rozruchow¹;
- z†od³¹czanym uzwojeniem rozruchowym;
- asynchroniczne 3-fazowe,
- synchroniczne.
Silniki komutatorowe pr¹du
sta³ego z†magnesem trwa³ym
(PMDC)
Konstrukcja silnika komutatorowego
jest znana od 100 lat i†mimo swoich
wad silniki te nadal s¹ powszechnie
stosowane, g³Ûwnie ze wzglÍdu na ³at-
woúÊ regulacji obrotÛw i†momentu ob-
rotowego.
KonstrukcjÍ silnika komutatorowego
z†magnesem trwa³ym przedstawiono na
rys. 1
. Uzwojenia wirnika umieszczo-
ne s¹ w†szczelinach øelaznego rdzenia
i†pod³¹czone do komutatora. Komutator
sk³ada siÍ z†wielu p³ytek miedzianych
umieszczonych na bocznej powierzchni
walca, po ktÛrym úlizgaj¹ siÍ wÍglowe
szczotki zasilane pr¹dem. Zadaniem
komutatora jest prze³¹czanie kierunku
przep³ywu pr¹du w†uzwojeniach, tak
aby oddzia³ywanie z†polem magnetycz-
nym stojana wprawi³o wirnik w†ruch
obrotowy. Obroty silnika komutatoro-
wego zaleø¹ liniowo od napiÍcia zasi-
lania, a†moment obrotowy od natÍøe-
nia pr¹du. ZmianÍ kierunku obrotÛw
uzyskuje siÍ poprzez zmianÍ bieguno-
Wybrane parametry silnikÛw
elektrycznych
Podstawowe parametry silnika s¹
zwykle podane na jego tabliczce zna-
mionowej, pozosta³e - np. moment roz-
ruchowy, pr¹d rozruchowy, moøna zna-
leüÊ tylko w†katalogach lub oszacowaÊ
wed³ug w³aúciwoúci poszczegÛlnych ro-
dzajÛw silnikÛw.
Moc znamionowa
. Zazwyczaj jest
podawana moc elektryczna w†watach,
Rys. 1. Budowa silnika komutatorowe−
go z magnesem trwałym
Elektronika Praktyczna 12/2003
85
K U R S
jemy wtedy silnik z†dwoma uzwojenia-
mi: stojana i†wirnika. W†zaleønoúci od
uk³adu po³¹czeÒ otrzymamy silnik sze-
regowy, bocznikowy lub szeregowo-
bocznikowy (
rys. 3
). Silnik szeregowy
ma bardzo duøy moment obrotowy
i†rozruchowy, ale ìmiÍkk¹î charakterys-
tykÍ obci¹øenia, tzn. obroty bardzo sil-
nie zaleø¹ od obci¹øenia silnika. Bez
obci¹øenia silnik szeregowy moøe roz-
pÍdzaÊ siÍ bez ograniczeÒ, aø do jego
zniszczenia - tzw. ìrozbieganie siÍî sil-
nika. Wady tej jest pozbawiony silnik
bocznikowy - jego obroty s¹ sta³e i†pra-
wie niezaleøne od obci¹øenia. Niestety
silniki bocznikowe (poza bardzo ma³y-
mi) wymagaj¹ skomplikowanych uk³a-
dÛw p³ynnego rozruchu ograniczaj¹cych
pr¹d rozruchowy, a†moment rozruchowy
jest duøo mniejszy niø w†silnikach sze-
regowych. Silnik szeregowo-bocznikowy
ma charakterystykÍ zbliøon¹ do szere-
gowego, dodatkowe uzwojenie boczniko-
we ogranicza maksymalne obroty przy
pracy bez obci¹øenia.
Regulacja obrotÛw jest moøliwa po-
przez zmianÍ napiÍcia zasilania. Kie-
runek obrotÛw jest sta³y bez wzglÍdu
na biegunowoúÊ zasilania, zmiana kie-
runku wymaga zamiany miejscami koÒ-
cÛwek jednego z†uzwojeÒ: wirnika lub
stojana.
Szeregowe silniki pr¹du sta³ego na
12 V†i†24 V s¹ powszechnie stosowane
w†samochodach (dmuchawa - 120 W,
wycieraczki - 50 W, rozrusznik - 1200
W) oraz w†wiertarkach akumulatoro-
wych. Silniki wiÍkszej mocy spotyka
siÍ w†napÍdach maszyn oraz - bardzo
duøe - w†pojazdach szynowych. Silniki
bocznikowe i†szeregowo-bocznikowe
uøywane s¹ g³Ûwnie w†przemyúle -
m.in. do napÍdu düwigÛw.
niska czÍstotliwoúÊ moøe powodowaÊ
skokowe zmiany momentu obrotowego
a†zbyt wysoka - straty indukcyjne w†sil-
niku. Naleøy tak dobraÊ czÍstotliwoúÊ,
aby na kaødy obrÛt silnika przypada³o
przynajmniej kilka impulsÛw.
Taki sposÛb sterowania jest bardzo
wygodny w†przypadku mikroproceso-
rÛw - generator PWM moøe byÊ ³at-
wo zrealizowany programowo (niektÛ-
re procesory maj¹ teø sprzÍtowy ge-
nerator PWM). Przyk³adowy uk³ad ste-
rowania obrotami silnika 12†V/20†W
przedstawiono na
rys. 4
. W†uk³adzie
dodatkowo wprowadzono moøliwoúÊ
zmiany kierunku obrotÛw za pomoc¹
przekaünika sterowanego wyjúciem
DIR. Jeøeli nie ma takiej potrzeby to
silnik pod³¹cza siÍ bezpoúrednio miÍ-
dzy dren tranzystora mocy i†ìplusî
zasilania. Przy doborze elementÛw na-
leøy zwrÛciÊ uwagÍ na kilka istotnych
szczegÛ³Ûw:
- Dioda D1 jest nie tylko elementem
t³umi¹cym przepiÍcia, ale umoøliwia
takøe zachowanie ci¹g³oúci przep³ywu
pr¹du w†indukcyjnoúci silnika. Nie
powinna to byÊ zwyk³a dioda pros-
townicza 1N4001, lecz dioda szybka
na pr¹d 1...3 A†(np. BY299, BY397,
BYT03, BYW72).
- Tranzystor kluczuj¹cy moøe byÊ typu
MOS lub bipolarny, powinien mieÊ
dopuszczalny pr¹d drenu (kolektora)
przynajmniej 3-krotnie wiÍkszy od
pr¹du znamionowego silnika. Jeøeli
stosujemy tranzystor bipolarny (np.
Darlington TIP122), to R1=R2=1,8 k
Rys. 2. Budowa silnika z wirnikiem bez
żelaza
woúci zasilania. Obroty moøna ³atwo
regulowaÊ w†szerokich granicach (od
5% do 110% obrotÛw znamionowych)
z†zachowaniem duøego momentu obro-
towego. Istnieje teø odmiana silnika
komutatorowego - tzw. silnik z†wirni-
kiem bez øelaza (
rys. 2
). W†takim sil-
niku wirnik nie posiada rdzenia øe-
laznego i†jest wykonany podobnie do
p³ytki drukowanej - uzwojenia s¹ wy-
konane w†postaci taúm miedzianych
przyklejonych do kr¹øka z†laminatu.
Ze wzglÍdu na bardzo ma³¹ masÍ
wirnika taki silnik ma ma³¹ bezw³ad-
noúÊ - moøe wiÍc startowaÊ bardzo
szybko i†osi¹gaÊ duøe prÍdkoúci obro-
towe. Szczotki s¹ dociskane do obrze-
øa wirnika, rolÍ komutatora pe³ni¹
pola stykowe na jego obwodzie. Sil-
niki tego typu uøywane s¹ do napÍdu
wirÛwek i†do bardzo szybkich serwo-
mechanizmÛw.
Dodatkow¹ zalet¹ silnikÛw z†magne-
sem trwa³ym jest ³atwoúÊ hamowania.
Wykorzystuje siÍ tutaj odwracalnoúÊ
pracy takiego silnika: obracanie wirni-
kiem bez zasilania powoduje, øe silnik
staje siÍ pr¹dnic¹. Wystarczy w†chwili
od³¹czenia zasilania zewrzeÊ zaciski sil-
nika, aby powsta³ duøy moment hamu-
j¹cy (zaawansowane sterowniki takich
silnikÛw potrafi¹ odzyskiwaÊ energiÍ
hamowania silnika i†zwracaÊ j¹ do
ürÛd³a zasilania).
Niestety silniki komutatorowe maj¹
teø wady. Najwaøniejsza z†nich to zu-
øywanie siÍ szczotek i†komutatora, co
wymaga okresowej konserwacji silnika
(trwa³oúÊ komutatora jest szacowana na
2...3 tysi¹ce godzin pracy). Poza tym
iskrzenie na komutatorze wytwarza spo-
re zak³Ûcenia elektromagnetyczne, do
tego dochodzi ha³aúliwa praca i†wyso-
kie koszty produkcji.
NiskonapiÍciowe silniki komutatoro-
we z†magnesem trwa³ym s¹ powszech-
nie uøywane w†zabawkach, starszych
modelach magnetofonÛw, niektÛrych
serwomechanizmach. Do niedawna by³y
to najczÍúciej stosowane silniki w†za-
kresie mocy do 20 W, obecnie s¹ wy-
pierane przez nowoczeúniejsze silniki
bezszczotkowe z†wiruj¹cym magnesem.
.
- Zastosowanie dwÛch po³¹czonych
rÛwnolegle inwerterÛw 74HC04
u³atwia szybkie prze³adowywanie
pojemnoúci bramki T1. W†tym celu
moøna zamiennie uøyÊ np. bufora
mocy 74HC240 i†R1=100
Ω
(dla
czÍstotliwoúci kluczowania powyøej
1 kHz lepiej jest uøyÊ tranzystora
bipolarnego).
- Warto zastosowaÊ w†uk³adzie ogra-
nicznik pr¹du obci¹øenia (lub bez-
piecznik) dla unikniÍcia uszkodzeÒ
w†przypadku przeci¹øenia silnika.
- W†programie steruj¹cym trzeba
uwzglÍdniÊ koniecznoúÊ zatrzymania
Ω
Sterowniki silnikÛw
komutatorowych
Opisane poniøej uk³ady mog¹ byÊ
stosowane do wszystkich rodzajÛw sil-
nikÛw komutatorowych, jednak zmiana
kierunku obrotÛw i†hamowanie jest
moøliwe tylko w†przypadku silnikÛw
z†magnesem trwa³ym.
Najprostszym sposobem regulacji ob-
rotÛw jest zastosowanie po-
tencjometru o†odpowiednio
duøej mocy, trochÍ lepszym
- regulowany stabilizator na-
piÍcia. Niestety podstawow¹
wad¹ obu uk³adÛw jest za-
miana duøej traconej mocy
w†ciep³o. Dlatego teø po-
wszechnie stosowane jest za-
silanie silnika fal¹ prostok¹t-
n¹ o†zmiennym wspÛ³czynni-
ku wype³nienia PWM. Ca³-
kowanie impulsÛw steruj¹-
cych, dziÍki czemu ruch
wirnika jest p³ynny, odbywa
siÍ w†sposÛb naturalny - po-
przez bezw³adnoúÊ wirnika.
CzÍstotliwoúÊ impulsÛw za-
wiera siÍ w†przedziale od
100 Hz do kilku kHz. Zbyt
Silniki komutatorowe szeregowe
i†bocznikowe
Zamiast magnesu trwa³ego moøna
do wytworzenia pola magnetycznego
stojana uøyÊ elektromagnesu, otrzymu-
Rys. 3. W zależności od układu połączeń uzwojeń
silniki mogą być szeregowe, bocznikowe lub
szeregowo−bocznikowe
86
Elektronika Praktyczna 12/2003
K U R S
S³owniczek wybranych angielskich
terminów i skrótów
Armature, winding - uzwojenie
BLDC (Brushless DC motor) - bezszczotkowy
silnik DC z wiruj¹cym magnesem
Brush motor - silnik komutatorowy
Cage motor - silnik indukcyjny AC z wirnikiem
klatkowym
Capstan motor - potoczna nazwa silnika g³ów-
nego w magnetowidach, magnetofonach
Clamp diode - dioda zamykaj¹ca obwód dla
pr¹du samoindukcji
PMDC (Permanent Magnet DC motor) - silnik
komutatorowy z magnesem trwa³ym
REPM (Rare Earth Permanent Magnet) - mag-
nes trwa³y wykonany z pierwiastków ziem
rzadkich (np. neodym)
Spindle motor - 1) potoczna nazwa silnika
g³ównego w napêdach dyskowych i CD, 2)
silnik z elementem napêdzanym zamocowa-
nym bezpoœrednio na osi wirnika
Rotor - wirnik
Stator - stojan
Torque - moment obrotowy
Torque ripple - wahania momentu obrotowego
zale¿ne od k¹ta obrotu wirnika
Voice Coil motor (actuator) - rodzaj silnika (si-
³ownika) liniowego z ruchom¹ cewk¹
X-Bridge (H-Bridge) - mostek 4-tranzystorowy
do bipolarnego sterowania uzwojeñ silników
Rys. 4. Układ sterowania obrotami silnika 12 V/20 W
silnika przed prze³¹czeniem kierunku
obrotÛw, w†przeciwnym razie przez
silnik pop³ynie bardzo duøy pr¹d
w†momencie zmiany kierunku.
- Iskrzenie komutatora moøe zak³ÛcaÊ
pracÍ mikrokontrolera. Silnik moøe
byÊ fabrycznie wyposaøony w†szere-
gowe d³awiki przeciwzak³Ûceniowe,
jeøeli ich brak, to naleøy zastoso-
waÊ dwa d³awiki 22...100
przewodz¹ tranzystory T2 i†T3, to pr¹d
p³ynie od ìplusaî zasilania przez T3,
silnik, T2 i†Rs do masy. W†momencie
zatkania tranzystorÛw pr¹d†samoindukcji
przep³ywa przez D2 i†D3. Sterowanie
T2 i†T3 impulsami z†generatora PWM
pozwala na regulacjÍ obrotÛw silnika.
W†przypadku wysterowania tranzystorÛw
T1 i†T4 pr¹d p³ynie przez silnik
w†przeciwnym kierunku, czyli mamy
zmian͆kierunku obrotÛw. Jednoczesne
przewodzenie tranzystorÛw T1 i†T2 to
zwarcie zaciskÛw silnika - hamowanie.
NapiÍcie z†rezystora Rs jest podawane
na wejúcie komparatora - ogranicznika
pr¹du. Nazwa mostek X†lub mostek
H†pochodzi od graficznego przedstawie-
nia przep³ywu pr¹du, przypominaj¹cego
literÍ X†lub H.
Na
rys. 6
przedstawiono schemat
aplikacyjny scalonego sterownika
A3953 firmy Allegro Microsystems,
dzia³aj¹cego wed³ug opisanych powyøej
zasad. Na wejúcie /ENABLE s¹ poda-
wane impulsy z†generatora PWM,
a†stan logiczny na wejúciu PHASE de-
cyduje o†kierunku obrotÛw. Na wejúcie
/BRAKE naleøy podaÊ '1' (stan '0' na
wejúciu /BRAKE powoduje hamowanie
silnika), wejúcie MODE powinno
mieʆstan '0'. Do wejúcia REF do³¹cza
siÍ napiÍcie sta³e z†zakresu 0...0,65
V†w†celu ustalenia wartoúci ogranicza-
nia pr¹du silnika (maksymalny pr¹d
wyjúciowy uk³adu 3953 wynosi 1,3 A).
Uk³ad moøe byÊ zasilany dwoma rÛø-
nymi napiÍciami: V
BB
(tranzystory wyj-
úciowe) i†V
CC
(czÍúÊ cyfrowa), dziÍki
temu moøliwe jest bezpoúrednie stero-
wanie wejúÊ A3953 z†wyjúÊ mikropro-
cesora.
H przy-
stosowane do odpowiednio duøego
pr¹du (miniaturowe d³awiki w†obu-
dowach ìrezystorowychî siÍ nie na-
daj¹).
Na
rys. 5
przedstawiono uproszczo-
ny schemat sterownika w†uk³adzie mos-
tkowym X, umoøliwiaj¹cy sterowanie
prÍdkoúci¹ obrotow¹, kierunkiem obro-
tÛw†oraz hamowanie silnika komutato-
rowego z†magnesem trwa³ym. Jeøeli
µ
w†tym samym kierunku niezaleønie od
biegunowoúci zasilania - czyli powinien
prawid³owo pracowaÊ takøe przy zasi-
laniu pr¹dem zmiennym. W†praktyce
czÍsto rdzeÒ wirnika i†stojana jest wy-
konany z†jednego kawa³ka metalu i†stra-
ty wywo³ane pr¹dami wirowymi by³yby
bardzo duøe. Dlatego teø w†silnikach
uniwersalnych rdzenie wykonane s¹
w†formie pakietÛw z†cienkich blaszek
(jak w†transformatorach sieciowych). Ta-
ki silnik moøe byÊ zasilany pr¹dem
zmiennym lub sta³ym i†dlatego nazywa-
ny jest silnikiem uniwersalnym. Tego
typu silniki s¹ powszechnie uøywane
Przydatne linki internetowe
Polskie:
- http://www.silniki.pl - dystrybutor silników
i sterowników, doskonale opracowane
informacje praktyczne i teoretyczne,
- http://www.robot.opole.pl - du¿o teorii na
temat silników komutatorowych i liniowych,
- http://www.mikroma.com, http://
www.elcar.com.pl, http://
www.wamel.com.pl - polscy producenci
silników,
Zagraniczne:
- http://www.allegromicro.com - firma
Allegro Microsystems - producent
scalonych sterowników silników, ciekawe
poradniki i noty aplikacyjne,
- http://us.st.com/stonline/books - karty
katalogowe i noty aplikacyjne sterowników
firmy ST Microelectronics,
- http://www.maxonmotor.com - strona
renomowanego szwajcarskiego producenta
silników DC,
Silniki komutatorowe
uniwersalne
Silniki uniwersalne wystÍpuj¹ w†kla-
syfikacji jako silniki pr¹du zmiennego,
jednak nie do koÒca jest to prawda.
Jak wspomniano wczeúniej, silnik ko-
mutatorowy szeregowy obraca siÍ
-
http://www.compumotor.com - strona
firmy Parker Motion & Control, która
opracowa³a doskona³y poradnik “Motor
Technologies” (dostêpny tak¿e na stronie
Allegro Microsystems).
Rys. 5. Uproszczony schemat sterowni−
ka w układzie mostkowym X
88
Elektronika Praktyczna 12/2003
K U R S
w†sprzÍcie gospodarstwa domowego (ro-
boty kuchenne, miksery, m³ynki, odku-
rzacze) oraz w†elektronarzÍdziach.
W†przypadku uøywania silnikÛw uni-
wersalnych z†odzysku, naleøy pamiÍtaÊ
o†moøliwoúci rozbiegania siÍ silnika
szeregowego przy braku obci¹øenia.
SzczegÛlnie dotyczy to silnikÛw z†od-
kurzaczy: maj¹ one prÍdkoúÊ znamiono-
w¹ ok. 12†000 obr./min. w†warunkach
obci¹øenia turbin¹, a†bez obci¹øenia po-
trafi¹ osi¹gn¹Ê kilkadziesi¹t tysiÍcy ob-
rotÛw. Przestrzegam przed prÛbami wy-
korzystania silnika z†odkurzacza do bu-
dowy szlifierki - przy np. 30†000 obr./
min. rozpadaj¹ca siÍ tarcza szlifierska
powoduje efekt zbliøony do wybuchu
granatu!
Elektroniczne uk³ady regulacji ob-
rotÛw silnikÛw uniwersalnych zwykle
budowane s¹ w†oparciu o†triaki ze
sterowaniem fazowym. Schematy ta-
kich uk³adÛw moøna bez problemu
znaleüÊ w†literaturze (np. z†uk³adem
U2008 lub U2010B firmy Temic).
Moøna teø zasiliÊ silnik uniwersal-
ny pr¹dem sta³ym o†napiÍciu 230 V,
ale zbudowanie odpowiedniego zasi-
lacza nie jest rzecz¹ prost¹ - wy-
prostowanie i†odfiltrowanie napiÍcia
sieci da na wyjúciu ok. 320 VDC.
Rys. 6. Schemat aplikacyjny scalonego sterownika silników − A3953
Gdyby jednak to siÍ uda³o, to uzys-
kamy odrobinÍ wiÍksz¹ sprawnoúÊ
silnika (brak strat na przemagneso-
wanie rdzenia) i†moøemy regulowaÊ
obroty opisan¹ wczeúniej metod¹
PWM. Do celÛw przemys³owych uøy-
wa siÍ czasem silnikÛw uniwersal-
nych, przewidzianych do pracy przy
napiÍciu 320 VDC (wyprostowane na-
piÍcie sieci) lub 550 VDC (wyprosto-
wane napiÍcie trÛjfazowe).
Jacek Przepiórkowski
Elektronika Praktyczna 12/2003
89
K U R S
Silniki elektryczne w praktyce
elektronika, część 2
Bezszczotkowe silniki DC s¹ znane od
bardzo dawna, jednak ich powszechne za-
stosowanie umoøliwi³y dopiero tanie sca-
lone sterowniki impulsowe. Budowa silni-
ka z†wiruj¹cym magnesem jest
"odwrÛceniem" budowy silnika komutatoro-
wego z†magnesem trwa³ym: uzwojenia
znajduj¹ siÍ w†stojanie a†wirnik wykonany
jest z†odpowiednio ukszta³towanego magne-
su. W†terminologii angielskiej uøywa siÍ
dla silnikÛw bezszczotkowych akronimu
BLDC, od
Brushless DC Motor
.
Ze wzglÍdu na liczbÍ uzwojeÒ, wyrÛø-
niamy silniki bezszczotkowe 2-fazowe i†3-
fazowe, natomiast w†zaleønoúci od sposo-
bu zasilania uzwojeÒ - silniki unipolarne
i†bipolarne.
Drug¹ czÍúÊ artyku³u poúwiÍcamy bezszczotkowym silnikom
DC z†wiruj¹cym magnesem. Silniki tego rodzaju nie
istnia³yby bez elektronicznych uk³adÛw steruj¹cych, ktÛre
takøe†opisujemy w†artykule.
tylko 2†zaciski zasilania, co uniemoøliwia
regulacjÍ kierunku i†prÍdkoúci obrotowej
(niektÛre wbudowane sterowniki zmieniaj¹
kierunek obrotÛw silnika przy zmianie bie-
gunowoúci zasilania). W†bardziej rozbudo-
wanych s¹ wejúcia steruj¹ce (analogowe
lub cyfrowe) do regulacji obrotÛw. Najwy-
øszej klasy sterowniki maj¹ takøe wejúcia
komunikacji szeregowej, umoøliwiaj¹ce
konfigurowanie sterownika za pomoc¹ mik-
roprocesora, komputera PC lub wspÛ³pracÍ
ze sterownikami PLC, czujnikami po³oøe-
nia i maj¹ wbudowane algorytmy roz-
pÍdzania/hamowania i†wiele innych ìbaje-
rÛwî. Sterowniki wyøszej klasy zwykle nie
s¹ wbudowane, lecz stanowi¹ modu³ do³¹-
czany do silnika.
W†uk³adzie o schemacie z rys. 7 czuj-
niki Halla powoduj¹ przep³yw pr¹du przez
uzwojenie A†lub B†w†zaleønoúci od po³o-
øenia k¹towego wirnika. Pole magnetyczne
cewek oddzia³uje z†polem magnesu, czego
efektem jest obrÛt wirnika. Analizuj¹c
dzia³anie uk³adu ³atwo zauwaøyÊ, øe mo-
ment obrotowy jest maksymalny w†momen-
cie poziomego ustawienia osi magnetycz-
nej wirnika (jak na rysunku), natomiast po
obrÛceniu wirnika o†90
o
moment obrotowy
wynosi zero. Konsekwencj¹ tego faktu jest
niemoøliwoúÊ uruchomienia silnika przy
niektÛrych po³oøeniach wirnika. Moøna so-
bie z†tym poradziÊ poprzez podzia³ uzwo-
jeÒ na pasma u³oøone naprzemiennie lub
zwiÍkszaj¹c liczbÍ biegunÛw magnetycz-
nych wirnika. Przyk³ad silnika o takiej
budowie pokazano na
rys. 8
. Kaøde uzwo-
jenie jest podzielone na 4†pasma, a†wirnik
ma 4†bieguny. Symbole ì+î i†ì-î oznacza-
j¹ kierunki uzwojeÒ, sekcje A1+, A2+, A1-
, A2- s¹ po³¹czone szeregowo (analogicz-
nie dla uzwojenia B). W†tak skonstruo-
wanym silniku zmiany momentu obrotowe-
go w†funkcji k¹ta obrotu s¹ mniejsze, ale
nadal dokuczliwe.
Nieco zmodyfikowany uk³ad z†rys. 7
jest powszechnie stosowany w†miniaturo-
wych wentylatorach, uøywanych m.in. do
ch³odzenia urz¹dzeÒ elektronicznych. Ze
wzglÍdu na brak generatora ustalaj¹cego
prÍdkoúÊ obrotow¹, moøna zmieniaÊ obro-
ty takich wentylatorÛw poprzez zmianÍ
napiÍcia zasilania (w zakresie 50...120 %
prÍdkoúci znamionowej). Niestety przy ta-
kim sterowaniu moment obrotowy maleje
przy zmniejszaniu obrotÛw. Powyøej pew-
nego napiÍcia granicznego wentylator mo-
øe przestaÊ pracowaÊ z†powodu zadzia³a-
nia uk³adÛw zabezpieczaj¹cych przed prze-
ci¹øeniem.
W³aúciwoúci i†zastosowanie
silnikÛw BLDC
Parametry mechaniczne bezszczotko-
wych silnikÛw DC s¹ porÛwnywalne z†sil-
nikami komutatorowymi z†magnesem trwa-
³ym - podobna moc i†moment obrotowy
przy zbliøonych wymiarach i†masie. Istot-
nymi ich zaletami s¹:
- wysoka trwa³oúÊ, ograniczona praktycz-
nie wytrzyma³oúci¹ ³oøysk wirnika,
- moøliwoúÊ bardzo precyzyjnej regulacji
obrotÛw - dziÍki zaawansowanym uk³a-
dom sterownikÛw moøna sterowaÊ k¹tem
obrotu wirnika podobnie jak w†silnikach
krokowych.
Cena silnika bezszczotkowego jest
2...3-krotnie wyøsza od podobnego silnika
komutatorowego, jednak kompensuje j¹ 20-
krotnie wiÍksza trwa³oúÊ. MoøliwoúÊ pre-
cyzyjnego sterowania powoduje, øe w†wie-
lu aplikacjach s¹†one stosowane zamiast
silnikÛw krokowych - od ktÛrych s¹
mniejsze, løejsze i†sprawuj¹ siÍ lepiej przy
duøych prÍdkoúciach obrotowych.
Obecnie silniki bezszczotkowe z†wiru-
j¹cym magnesem s¹ powszechnie stosowa-
ne w†serwonapÍdach maszyn oraz w†sprzÍ-
cie powszechnego uøytku (magnetowidy,
magnetofony, wideokamery, napÍdy CD/
DVD). Wypieraj¹ teø silniki krokowe w†na-
pÍdach dyskÛw komputerowych.
Bardzo czÍsto elektroniczny sterownik
jest wbudowany w†silnik. W†najprostszych
silnikach na zewn¹trz s¹ wyprowadzone
Zasada dzia³ania,
silnik 2-fazowy BLDC
ZasadÍ dzia³ania i†uproszczony sche-
mat sterowania silnika 2-fazowego przed-
stawiono na
rys. 7
. Elementy oznaczone
jako H1 i†H2 to czujniki Halla (scalone
czujniki pola magnetycznego). Typowy
czujnik Halla stosowany w†silnikach jest
elementem 3-koÒcÛwkowym (ì+î, ì-î
i†wyjúcie) w†obudowie zbliøonej do
obudowy tranzystorÛw ma³ej mocy. Pod
wp³ywem pola magnetycznego o†okreúlo-
nej biegunowoúci, wyjúcie czujnika zmie-
nia stan w†momencie przekroczenia pro-
gowej wartoúci natÍøenia pola. Czujniki
Halla produkuje wiele firm, m.in. Allegro
(A3240, A3280, A3141), Texas (TLE4905,
TLE4945), Everlight(HI300). Produkowane
s¹ takøe czujniki bipolarne, posiadaj¹ce
dwa wyjúcia S†i†N†(lub ì+î i†ì-î). Sygna³
pojawia siÍ na odpowiednim wyjúciu
w†zaleønoúci od biegunowoúci pola mag-
netycznego.
Rys. 7. Zasada działania i uproszczony
schemat sterowania silnika 2−fazowego
Rys. 8. Zmodyfikowane uzwojenie silnika
dwufazowego
Rys. 9. 2−fazowe sterowanie bipolarne
Elektronika Praktyczna 1/2004
95
Plik z chomika:
Headhunterz_ZKS
Inne pliki z tego folderu:
Różnice między płytami DVD+R,RW i DVD-R,RW.pdf
(143 KB)
Prostowniki i filtry - EdW.pdf
(406 KB)
Kable - EdW.pdf
(257 KB)
Montaż elementów SMD w obudowach QFN - EP.PDF
(2432 KB)
Super (ultra) kondensatory - EdW.pdf
(673 KB)
Inne foldery tego chomika:
6010
ARDUINO
ARDUINO(1)
Biblioteki Eagle
Datasheet'y po Polsku
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin