Регулятор оборотов с обратной связью для коллекторных двигателей переменного тока
Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью. На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена катушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обеспечивает максимально точную стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.
На основе измерения падения напряжения на электродвигателе
В этом случае измеряется падение напряжения на двигателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно настроен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.
Все промышленные регуляторы, собранные на микроконтроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в итоге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от стоимости самого электроинструмента.
В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на микросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если использовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тогда все наоборот.
Так как ИMC U2008B не может одновременно работать в режиме плавного пуска и обратной связи, она не подходит для нашей задачи. На рис.2 показана схема регулятора на микросхеме U2010B, у которой есть обратная связь по току, защита от перегрузки и плавный старт одновременно. Светодиод D2 индицирует перегрузку электродвигателя. Переключатель SA1 «Mode» обеспечивает возможность выбора действий при перегрузке на двигателе в трех режимах: Положение А — индикация перегрузки и последующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.
Положение В — индикация перегрузки, последующий сброс на минимальные обороты, после снятие нагрузки с инструмента, восстанавливаются установленные обороты, т.е. происходит авто старт.
Положение С — только индикация перегрузки, без остановки двигателя и защиты. Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плавность пуска двигателя.
Настройка регулятора.
В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, каким именно должен быть этот резистор.
Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощности двигателя по формуле:
R6 = UR6/(Рдвиг/Uпит),
где: UR6 — напряжение на R6 (250 мВ), Рдвиг — мощность двигателя, UПИТ — напряжение питания сети.
Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитываем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.
Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощности электродвигателя, приведены в таблице.
Главное правильно подбирать резистор R6 под мощность двигателя. Выше представленная формула правильная, но на практике может потребоваться некоторая коррекция по поведению двигателя под нагрузкой. Если резистор великоват, то двигатель довольно резко стартует (т.е. происходит большая компенсация нагрузки, чем надо), а потом отключается, а если резистор будет мал, то не будет обеспечиваться компенсация нагрузки.
В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдавалось несколько импульсов управления. В итоге, обороты электродвигателя практически не регулировались и двигатель работал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нужно ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.
Первый пуск
Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону резистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенсация нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить самые минимальные обороты двигателя.
Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель начинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на электродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная зависимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска. Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном измерения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, чтобы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборотами, независимо от нагрузки.
И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм выпаиваем и вместо него ставим подстроенный или переменный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем измерьте сопротивление переменного резистора тестером и запаяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11.
Детали регулятора
Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.
Печатная плата устройства изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Симистор VS1 лучше использовать с изолированной площадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощности двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на радиатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запаять обычным паяльником с тонким жалом.
Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой малогабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденсаторы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполнении. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегрузки, тогда вместо него можно установить перемычку.
Радиотворчество.
:Алексей Богомолов
Регулятор оборотов с обратной связью для коллекторных двигателей переменного тока
Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью. На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена катушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обеспечивает максимально точную стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.На основе измерения падения напряжения на электродвигателе
В этом случае измеряется падение напряжения на двигателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно настроен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.Все промышленные регуляторы, собранные на микроконтроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в итоге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от стоимости самого электроинструмента.
В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на микросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если использовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тогда все наоборот.
Положение С — только индикация перегрузки, без остановки двигателя и защиты.
Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плавность пуска двигателя.
Настройка регулятора.
В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, каким именно должен быть этот резистор.Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощности двигателя по формуле:
R6 = UR6/(Рдвиг/Uпит),
где:
UR6 — напряжение на R6 (250 мВ),
Рдвиг — мощность двигателя,
UПИТ — напряжение питания сети.
Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитываем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.
Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощности электродвигателя, приведены в таблице.
В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдавалось несколько импульсов управления. В итоге, обороты электродвигателя практически не регулировались и двигатель работал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нужно ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.
Первый пуск
Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону резистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенсация нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить самые минимальные обороты двигателя.Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель начинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на электродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная зависимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска.
Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном измерения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, чтобы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборотами, независимо от нагрузки.
И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм выпаиваем и вместо него ставим подстроенный или переменный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем измерьте сопротивление переменного резистора тестером и запаяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11.
Детали регулятора
Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.Печатная плата устройства изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.
Симистор VS1 лучше использовать с изолированной площадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощности двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на радиатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запаять обычным паяльником с тонким жалом.
Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой малогабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденсаторы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполнении. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегрузки, тогда вместо него можно установить перемычку.
Литература:
Бирюков С. Автомат плавного пуска коллекторных электродвигателей. // Радио. — 1997. — №7. — С.40-42.
Печатная плата для схемы показанной на рисунке 2: http://meandr.org/wp-content/uploads/2015/11/u2010b56b85c656fb82.rar