Меню

Контроллер для управления электродвигателем постоянного тока

Контроллер для электровелосипеда и электроскутера

Контроллер управления для бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC, PMSM) – это важное звено в системе электрокомпонентов. Без контроллера электродвигатель не сможет даже запуститься, не говоря о его полноценной работе. Аккумуляторная батарея имеет 2 полюса – положительный и отрицательный, а мотор-колесо – 3 фазных провода. Поэтому подключить аккумулятор и двигатель напрямую невозможно. Для этого используется дополнительное звено – контроллер управления.

Выполняемые функции

Именно контроллер формирует в обмотке статора мотор-колеса вращающееся магнитное поле и получает ответные сигналы о позиции ротора. Сигналы поступают от датчиков Холла, а при управлении моторами без датчиков позиция роторов определяется по противо-ЭДС.

К тому же, контроллер управляет электродвигателем:

  • позволяет менять скорость движения – при смене положения ручки газа меняется число импульсов напряжения, подаваемых за секунду на обмотки, и вращение колеса ускоряется или замедляется;
  • обеспечивает рекуперацию энергии при торможении двигателем.

Контроллер выступает в роли понижающего преобразователя, поэтому проходящий по обмоткам мотора фазный ток может быть гораздо выше батарейного тока, поступающего от АКБ к контроллеру. Именно от него зависит мощность, поступающая на двигатель. Например, при использовании мотор-колеса номинальной мощностью 1000 Вт можно кратковременно получать значения до 2000–2500 Вт. Главное – использовать подходящий контроллер и постоянно контролировать температуру, чтобы не допустить перегрева двигателя.

Схема контроллера для электровелосипеда или электроскутера

Контроллер для электрического велосипеда или скутера имеет алюминиевый корпус, из которого выходят разноцветные провода с разъемами для подключения разных устройств. Внутри скрыты:

  • главный узел – микроконтроллер;
  • силовые компоненты – шунты для измерения тока, конденсаторы, транзисторы;
  • понижающие преобразователи на 12 В и 5 В – обеспечивающие питание микроконтроллера и периферических устройств (датчиков положения, рычага газа).

Схема подключения

Контроллер для электроскутера, е-байка или электросамоката подключается в соответствии с прилагаемой к нему схемой. Главное – не спешить и внимательно разобраться с назначением проводов. Лучше всего покупать контроллер в комплекте с мотор-колесом, тогда их разъемы будут гарантированно совместимыми.

Общий принцип подключения выглядит так:

  1. Толстые провода черного и красного цвета – с соблюдением полярности подводятся к аккумуляторной батарее. При этом может появиться «искра», и даже возможно подгорание разъемов. Это нормально – так заряжаются конденсаторы на входе контроллера. Чтобы исключить искрение, достаточно ненадолго соединить контроллер и АКБ через резистор с сопротивлением в десятки Ом или воспользоваться лампочкой. Когда конденсаторы зарядятся, контроллер можно спокойно соединить с АКБ без посредников.
  2. Тройка толстых проводов разных цветов – обеспечивают подключение к фазным проводам 3-фазного электромотора.
  3. Связка из 5 тоненьких разноцветных проводов – идет к проводкам мотор-колеса, обеспечивают питание и передачу сигналов от датчиков положения.
  4. Отдельный красный проводок – «зажигание». При его замыкании на «плюс» АКБ происходит включение контроллера.
  5. Тройка тонких проводов (обычно – черный, красный и зеленый) – для подключения ручки газа.

Разновидности контроллеров управления

Критерий сравнения

Особенности

По принципу взаимодействия с электромотором

Для использования с датчиками Холла

Совместимы с мотор-колесами, оснащенными датчиками Холла.

Для работы без датчиков

Совместимы с моторами без датчиков, определяют позицию роторов по противо-ЭДС.

Могут работать и с датчиками положения, и без них.

По виду выходного сигнала

Создающие сигналы прямоугольного вида (меандр)

Цена таких моделей – ниже. При их использовании обеспечивается увеличенная скорость, но из-за вибрации обмоток двигатель шумит сильнее.

Создающие чистые синусоидальные сигналы.

Дороже. Обеспечивают тихую работу мотора и небольшое снижение максимальной скорости – по сравнению с меандровым контроллером при том же напряжении АКБ.

Сознающие сигналы в виде «модифицированной синусоиды» или сглаженного меандра.

По принципу реагирования на сигналы ручки газа

Обеспечивающие управление скоростью, мощностью или крутящим моментом.

Как выбрать контроллер для электровелосипеда?

При выборе контроллера для электровелосипеда или другого транспорта на электротяге нужно оценить рабочие характеристики устройства. Ключевые параметры обычно указаны в маркировке. По ней можно узнать:

  • рабочее напряжение батареи и мощность мотора (номинал), для применения с которыми предназначено устройство;
  • предельный ток АКБ;
  • минимум напряжения АКБ, когда происходит отключение контроллера;
  • подходящее расположение датчиков Холла в электромоторе – в электрических градусах по отношению друг к другу.

Для расчета предельной мощности контроллера находим произведение допустимых величин напряжения и силы тока. Диапазон мощности у таких приборов широкий. Для велосипедов на электротяге обычно используются модели с номиналом мощности от 350 до 2000 Вт. Для электрических скутеров – от 1000 до 4000 Вт. Для электромотоциклов – от 5000 до 10 000 Вт. Для электромобилей – от 10 000 до 50 000 Вт и более.

О совместимости

Контроллер, рассчитанный на использование с батареей напряжением 36 В, не стоит подключать к АКБ большего вольтажа. Вначале необходимо вскрыть контроллер и проверить, рассчитаны ли на увеличенное напряжение его компоненты, включая транзисторы и конденсаторы. Возможно, понадобится заменить и резистор в делителе напряжения. Но в продаже встречаются универсальные контроллеры с большим разбросом допустимых входных напряжений, к примеру, от 48 до 72 В или от 24 до 100 В.

Программируемые модели и их задачи

Программируемые контроллеры соединяются по Bluetooth со смартфоном и позволяют настраивать рабочие характеристики – от значений аккумуляторного и фазного токов до углов фазного опережения.

Читайте также:  Какова номинальная частота переменного тока в российской федерации

При выборе управляющих контроллеров учитывается и наличие второстепенных функций:

  • круиз-контроля;
  • обратного хода;
  • возможности выбора скоростного режима или мощности;
  • рекуперации энергии при торможении;
  • отдельного выхода для электропитания фары и габаритных огней.

Расширение функционала

Широкий ассортимент контроллеров позволяет выбрать прибор, по максимуму подходящий под конкретные цели. Наряду с интернет-магазинами, есть специализированные мастерские, для которых не составляет проблемы вывести из контроллера управления провода под нужные заказчику функции.

Многие печатные платы имеют большой функционал, но в серийно поставляемых моделях он используется только частично. К примеру, у многих моделей не выведен провод для круиз-контроля, заднего хода, рекуперации энергии и других возможностей. Но специалисты мастерской VoltBikes могут вывести провода под конкретные задачи непосредственно при покупке контроллера.

О цене

Контроллеры можно купить в разных категориях:

  1. Дешевые модели, предназначенные для внутреннего китайского рынка. Они не имеют расширенного функционала и просто позволяют ехать. Как правило, бывают 2-режимные, могут работать совместно с датчиками Холла и без них.
  2. Китайские модели, ориентированные на экспорт. Позволяют подключать дисплеи и обеспечивать беспроводное управление по Bluetooth.
  3. Устройства производства Германии и США – самые дорогие.

Источник

Управление щёточными моторами с Arduino

Как вы знаете, никакую нагрузку мощнее светодиода нельзя подключать к Ардуино напрямую, особенно моторчики. Ардуино, да и вообще любой микроконтроллер – логическое устройство, которое может давать только логические сигналы другим железкам, а те уже могут управлять нагрузкой. Кстати, урок по управлению мощной нагрузкой постоянного и переменного тока у меня тоже есть. “Драйвером” мотора могут быть разные железки, рассмотрим некоторые из них.

При помощи обычного реле можно просто включать и выключать мотор по команде digitalWrite(пин, состояние) , прямо как светодиод:

При помощи двойного модуля реле (или просто двух реле) можно включать мотор в одну или другую сторону, а также выключать:

Купить модуль реле можно на Aliexpress.

Мосфет

Полевой транзистор, он же мосфет, позволяет управлять скорость вращения мотора при помощи ШИМ сигнала. При использовании мосфета обязательно нужно ставить диод, иначе индуктивный выброс с мотора очень быстро убьёт транзистор. Скорость мотора можно задавать при помощи ардуиновской analogWrite(пин, скорость) .

Вместо “голого” мосфета можно использовать готовый китайский модуль:

Купить мосфет модуль можно на Aliexpress.

Реле и мосфет

Если объединить реле и мосфет – получим весьма колхозную, но рабочую схему управления скоростью и направлением мотора:

Специальный драйвер

Лучше всего управлять мотором при помощи специального драйвера, они бывают разных форм и размеров и рассчитаны на разное напряжение и ток, но управляются практически одинаково. Рассмотрим основные драйверы с китайского рынка:

Остальные драйверы смотри у меня вот тут. Схемы подключения и таблицы управления:




Пины направления управляются при помощи digitalWrite(pin, value) , а PWM – analogWrite(pin, value) . Управление драйвером по двум пинам может быть двух вариантов:

Моторы переменного тока

Мотором переменного тока (220V от розетки) можно управлять при помощи диммера на симисторе, как в уроке про управление нагрузкой.

Библиотеки

У меня есть удобная библиотека для управления мотором – GyverMotor, документацию можно почитать вот здесь. Особенности библиотеки:

  • Контроль скорости и направления вращения
  • Работа с ШИМ любого разрешения
  • Программный deadtime
  • Отрицательные скорости
  • Поддержка всех типов драйверов
  • Плавный пуск и изменение скорости
  • Режим “минимальная скважность”

Помехи и защита от них

Индуктивный выброс напряжения

Мотор – это индуктивная нагрузка, которая в момент отключения создаёт индуктивные выбросы. У мотора есть щетки, которые являются источником искр и помех за счёт той же самой индуктивности катушки. Сам мотор потребляет энергию не очень равномерно, что может стать причиной помех по линии питания, а пусковой ток мотора так вообще сильно больше рабочего тока, что гарантированно просадит слабое питание при запуске. Все четыре источника помех могут приводить к различным глюкам в работе устройства вплоть до срабатывания кнопок на цифровых пинах, наведения помех на аналоговых пинах, внезапного зависания и даже перезагрузки микроконтроллера или других железок в сборе устройства.

Отсечь индуктивный выброс с мотора можно при помощи самого обычного диода, чем мощнее мотор, тем мощнее нужен диод, то есть на более высокое напряжение и ток. Диод ставится встречно параллельно мотору, и чем ближе к корпусу, тем лучше. Точно таким же образом рекомендуется поступать с электромагнитными клапанами, соленоидами, электромагнитами и вообще любыми другими катушками. Логично, что диод нужно ставить только в том случае, если мотор или катушка управляется в одну сторону. Важные моменты:

  • При работе с драйвером и управлением в обе стороны диод ставить не нужно и даже нельзя!
  • При управлении ШИМ сигналом рекомендуется ставить быстродействующие диоды (например серии 1N49xx ) или диоды Шоттки (например серии 1N58xx).
  • Максимальный ток диода должен быть больше или равен максимальному току мотора.
  • Защитный диод, принимающий на себя обратный выброс ЭДС самоиндукции, также называется шунтирующим диодом, снаббером, flyback диодом.
  • В природе существуют мосфеты со встроенным защитным диодом. Этот диод является отдельным элементом и такой мосфет обычно имеет нестандартный корпус, читайте документацию на конкретный транзистор.
  • Диод, который показан на схематическом изображении мосфета, не является защитным диодом: это слабый и медленный “паразитный” диод, образованный при производстве транзистора. Он не защитит мосфет от выброса, нужно обязательно ставить внешний!
Читайте также:  Каким током заряжать автомобильный аккумулятор 60ач необслуживаемый кальциевый

Помехи от щёток

Искрящиеся щетки мотора, особенно старого и разбитого, являются сильным источником электромагнитных помех, и здесь проблема решается установкой керамических конденсаторов с ёмкостью 0.1-1 мкФ на выводы мотора. Такие же конденсаторы можно поставить между каждым выводом и металлическим корпусом, это ещё сильнее погасит помехи. Для пайки к корпусу нужно использовать мощный паяльник и активный флюс, чтобы залудиться и припаяться как можно быстрее, не перегревая мотор.

Помехи по питанию, просадка

Мотор потребляет ток не очень равномерно, особенно во время разгона или в условиях переменной нагрузки на вал, что проявляется в виде просадок напряжения по питанию всей схемы. Беды с питанием решаются установкой ёмких электролитических конденсаторов по питанию, логично что ставить их нужно максимально близко к драйверу, то есть до драйвера. Напряжение должно быть выше чем напряжение питания, а ёмкость уже подбирается по факту. Начать можно с 470 мкф и повышать, пока не станет хорошо.

Разделение питания

Если описанные выше способы не помогают – остаётся только одно: разделение питания. Отдельный малошумящий хороший источник на МК и сенсоры/модули, и отдельный – для силовой части, в том числе мотора. Иногда ради стабильности работы приходится вводить отдельный БП или отдельный аккумулятор для надёжности функционирования устройства.

Экранирование

В отдельных случаях критичными являются даже наводки от питающих проводов моторов, особенно при управлении ШИМ мощными моторами и управлении мощными шаговиками в станках. Такие наводки могут создавать сильные помехи для работающих рядом чувствительных электронных компонентов, на аналоговые цепи, наводить помехи на линии измерения АЦП и конечно же на радиосвязь. Защититься от таких помех можно при помощи экранирования силовых проводов: экранированные силовые провода не всегда удаётся купить, поэтому достаточно обмотать обычные провода фольгой и подключить экран на GND питания силовой части. Этот трюк часто используют RC моделисты, летающие по FPV.

Видео


Источник



Устройства управления электродвигателями

Устройство управления электродвигателем может включать ручные или автоматические средства для запуска и остановки двигателя, средства выбора прямого или обратного направления вращения, выбора и регулирования скорости вращения, регулирования или ограничения момента, защиту от перегрузки и от неисправности.

Каждый электродвигатель должен иметь своего рода систему управления (контроллер). Система управления электродвигателем в зависимости от задачи будет иметь различные характеристики и сложность.

Простейшим случаем управления электродвигателем является выключатель который соединяет электродвигатель с источником энергии, например как в небольших бытовых приборах или электроинструменте (дрели и др.). Переключение может осуществляться вручную, с помощью реле или контактора подсоединенного к датчику для автоматического запуска или остановки электродвигателя. Переключатель может иметь несколько положений для выбора различных способов подключения электродвигателя, что может позволить уменьшить пусковое напряжение, выбирать направление и скорость вращения.

Более сложные системы управления электродвигателями могут использоваться для точного управления скорости и момента электродвигателя, могут быть частью системы для точного управления угловым положением управляемого механизма.

Устройства управления электродвигателями могут управляться вручную, удаленно или автоматически. Они могут иметь, как только функции старта и остановки двигателя, так и многие другие функции.

Устройства управления двигателями можно классифицировать по типам управляемых электродвигателей (таких как СДПМ, КДПТ и др.) или по назначению.

Источник

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

  • главная
  • инфо
  • блог
  • словарь электромеханика
  • электроника
  • крюинговые компании
    • Одесса/Odessa
    • Николаев/Nikolaev
  • Обучение
    • Предметы по специальности
      • АГЭУ
      • АСЭЭС
      • Диагностика и обслуживание судовых технических средств
      • Мехатронные системы
      • Микропроцессоры
      • Моделирование электромеханических систем
      • МПСУ
      • САЭП
      • САЭЭС
      • СДВС
      • СИВС
      • Силовая электроника
      • Судовые компьютерные ceти
      • СУЭ и ОСУ
      • ТАУ
      • Технология судоремонта
      • ТЭП
      • ТЭЭО и АС
    • Общие предметы
      • Безопасность жизнедеятельности
      • Высшая математика
      • Ділова українська мова
      • Интеллектуальная собственность
      • Культурология
      • Материаловедение
      • Охрана труда
      • Политология
      • Системы технологий
      • Судовые вспомогательные механизмы
      • Судовые холодильные установки
    • I курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • II курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • III курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • IV курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
    • V курс
      • конспекты
      • ргр
      • контрольные
      • лабораторные
      • курсовые
      • зачёты
      • экзамены
  • Теория
    • английский
    • интернет-ресурсы
    • литература
    • тематические статьи
  • Практика
    • типы судов
    • пиратство
    • видеоуроки
  • мануалы
  • морской словарь
  • технический словарь
  • история
  • новости науки и техники
    • авиация
    • автомобили
    • военная техника
    • робототехника

13.11.2014

Контроллерное управление электродвигателем

Контроллерное управление применяется главным образом для электродвигателей постоянного тока повторно-кратковременного режима работы. Оно предусматривает, помимо пуска и остановки также регулирование скорости вращения, изменение направления вращения (реверсирование) и торможение электродвигателя. Кроме того, при контроллерном управлении часто осуществляют защиту электродвигателей от ненормальных условий работы: перегрузки, понижения или исчезновения напряжения в питающей его сети. Такая защита достигается при помощи релейно-контакторной аппаратуры.

Читайте также:  Что будет если в катушку с током ввести железный сердечник

Релейно-контакторная аппаратура размещается на особой, так называемой защитной панели, встраиваемой в контроллер или монтируемой отдельно от него.

Регулирование скорости вращения электродвигателя постоянного тока при контроллерном управлении чаще всего осуществляется при помощи сопротивлений, включаемых в цепь якоря.

Сопротивление параллельно цепи якоря

Динамическое торможение электродвигателя

Иногда при малых нагрузках падение напряжения на зажимах последовательно включенного сопротивления оказывается недостаточным для получения низкой скорости вращения электродвигателя. В этом случае, кроме последовательного сопротивления, применяют еще сопротивление, подключаемое параллельно цепи якоря (рис. 1).

Низкая устойчивая скорость вращения электродвигателя («ползучая» скорость) получается потому, что в этом случае падение напряжения на зажимах якоря обусловливается не только током якоря, а суммой токов, проходящих по якорю Iя и по параллельно включенному сопротивлению Iш.

Довольно часто в схемах контроллерного управления применяют комбинированный способ регулирования скорости вращения: понижение номинальной скорости достигается введением сопротивления в цепь якоря, а повышение — введением сопротивления в цепь параллельной обмотки возбуждения.

Изменение направления вращения электродвигателей обычно достигается изменением направления тока в цепи якоря.

Электрическое торможение двигателя осуществляется одним из трех способов. Рекуперативное торможение чаще всего предусматривается в схемах управления грузовыми лебедками. При опускании тяжелого груза его вес может разогнать электродвигатель до скорости, превышающей скорость вращения холостого хода. Так как обмотка возбуждения электродвигателя включена на полное напряжение сети, то противоэлектродвижущая сила двигателя становится выше приложенного напряжения и электродвигатель начинает отдавать энергию в сеть, в связи с чем он и затормаживается. Никаких специальных переключений схемы в режиме рекуперативного торможения в этом случае не требуется, и оно осуществляется автоматически, когда скорость вращения двигателя увеличивается сверх допустимой.

Для динамического торможения якорь электродвигателя отключается от питающей сети и замыкается на сопротивление торможения (рис. 2).

При этом у электродвигателя параллельного возбуждения обмотка возбуждения остается включенной на полное напряжение сети (рис. 2, а), а у электродвигателя последовательного возбуждения эта обмотка отключается от якоря и получает питание от сети через добавочное сопротивление (рис. 2, б).

У электродвигателей смешанного возбуждения динамическое торможение осуществляется при отключенной последовательной обмотке и при питании параллельной обмотки возбуждения от полного напряжения сети. При динамическом торможении направление тока в якоре электродвигателя меняется на обратное, так как напряжение сети равно нулю.

Эффективность динамического торможения зависит от величины тормозного сопротивления. Чем это сопротивление меньше, тем больше ток, отдаваемый якорем, и тем быстрее двигатель останавливается. Однако по мере уменьшения скорости вращения ток, отдаваемый электродвигателем, уменьшается и эффективность торможения снижается.

Торможение противотоком производится изменением полярности приложенного к якорю двигателя напряжения. При этом двигатель в момент остановки отключается от сети, так как иначе он начнет вращаться в противоположную сторону. Следовательно, торможение противотоком имеет место у каждого реверсируемого электродвигателя, если реверс производится до остановки двигателя.

При торможении противотоком знак э. д. с. электродвигателя остается прежним, а знак приложенного напряжения меняется и совпадает со знаком э. д. с. Поэтому величина тока, проходящего через якорь электродвигателя, увеличивается почти вдвое против имеющей место при нормальном пуске, даже в случае наличия в цепи якоря (в момент торможения противотоком) пускового сопротивления.

На рис. 3 изображена схема контроллерного управления электродвигателем параллельного возбуждения. Схема предусматривает пуск, реверсирование и торможение электродвигателя. При включении рубильника Р в нулевом положении контроллера обмотка возбуждения электродвигателя подключается на полное напряжение сети.

В положении контроллера «I вперед» ток от зажима плюс сети через контакты 10 и 9 контроллера проходит через якорь и дополнительные полюсы электродвигателя; далее через искрогасительную катушку ИК, контакты 1 и 2 контроллера ток, пройдя все пускорегулирующее сопротивление P1 — P4, через зажимы 6,8 и 7 возвращается в минус сети. Электродвигатель начинает вращаться с наименьшим числом оборотов.

Схема контроллерного управления электродвигателем параллельного возбуждения

В положении контроллера «II вперед» из цепи выводится сопротивление P1, вследствие чего электродвигатель увеличивает скорость вращения.

В последующих положениях («III, IV и V вперед») поочередно выводятся сопротивления Р2, Р3, P4 и якорь электродвигателя, подключенный на полное напряжение сети, развивает номинальную скорость вращения. При повороте маховика контроллера из положения «V вперед» в нулевое якорь электродвигателя отсоединяется от сети и подключается на тормозное сопротивление СТ. Так как обмотка возбуждения осталась включенной, электродвигатель переходит в режим динамического торможения.

При повороте маховика контроллера в положение «I назад» ток от зажима + (плюс) сети через контакты контроллера 10, 11, 8 и 6 проходит через пускорегулирующее сопротивление в направлении от P4 к P1; затем через контакты 2, 1, через катушку ИК, дополнительные полюсы, через якорь электродвигателя, зажимы 9 и 7 контроллера ток возвращается в — (минус) сети.

Таким образом, ток в якоре изменяет направление, что при неизменном направлении потока влечет реверс электродвигателя.

Если из положения «V назад» (или V вперед») перевести маховик контроллера в положение «I вперед» (или «I назад»), не дожидаясь остановки электродвигателя при нулевом положении контроллера, то начинается торможение электродвигателя противотоком через пусковое сопротивление P1— P4.

Сопротивление PC, включенное параллельно обмотке возбуждения, служит для ее защиты от повышения напряжения при выключении рубильника Р.

Источник