Контроллер двигателя постоянного тока: теория, практика, особенности проектирования

Двигатель постоянного тока (ДПТ) – старейший тип электродвигателя, применяющийся в различных электронных приборах и оборудовании. Конструкции таких двигателей разнообразны, и каждая из них имеет свои эксплуатационные особенности.

Двигатель постоянного тока имеет ряд существенных преимуществ, и одно из них – простота его системы управления. В статье мы расскажем, как работает контроллер двигателя постоянного тока и каковы особенности его конструкции. Мы также поделимся собственным опытом проектирования контролеров ДПТ.

Эта статья посвящена контроллерам щеточных двигателей постоянного тока. О конструкции и принципах работы контроллера бесщеточного двигателя вы можете прочесть в отдельной нашей публикации.

Контроллер предназначен для управления производительностью электродвигателя и, независимо от его типа, может выполнять следующие функции:

• запускать/останавливать двигатель;
• изменять направление вращения;
• управлять скоростью и крутящим моментом;
• обеспечивать защиту от перегрузки;
• предотвращать поломки.

Контроллеры могут иметь различные особенности, определяемые типом двигателя (щеточный, бесщеточный, шаговый, асинхронный, синхронный с постоянными магнитами и т.д.) и устройством, в котором двигатель используется. Например, контроллер промышленного щеточного электродвигателя использует принципы работы, отличные от тех, что применяются в контроллерах двигателей постоянного тока электромобилей и, соответственно, имеет собственный вариант конструкции.

Роднит все двигатели постоянного тока наличие двух основных элементов: статора и ротора (якоря). Это не единственные важные части мотора. Коллекторный двигатель постоянного тока состоит из следующих узлов:

• статора с обмотками электромагнита или постоянными магнитами;
• якоря, или ротора, с обмотками;
• коллектора со щетками, соединяющими ротор с источником постоянного тока.

При подаче электрического тока на обмотки ротора создается электромагнитное поле и заставляет ротор вращаться. Одноименные полюса поля вокруг статора и ротора отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются, что вызывает однонаправленное движение.

Как только противоположные полюса встречаются, коллектор переключает направление тока, подаваемого на ротор. Это создает обратную полярность магнитного поля, и все повторяется вновь, ротор продолжает вращаться.

Контроллер управляет скоростью и крутящим моментом двигателя, регулируя ток и напряжение, подаваемые на него. Конструкция и принципы работы контроллеров могут различаться в зависимости от типа щеточного электродвигателя постоянного тока.

Существуют различные типы контроллеров двигателей постоянного тока. Разнообразие их классификаций показано в инфографике.

Контроллеры различаются в зависимости от типа двигателя постоянного тока. Например, в отличие от щеточного ДПТ, у бесщеточного ДПТ, как следует из названия, электронный коллектор без щеток. Такой контроллер имеет ротор с постоянными магнитами и статор с обмотками.

Контроллер бесщеточного ДПТ использует датчики для определения положения ротора. Он переключает ток в обмотках с помощью транзисторов. В нашей статье, посвященной контроллеру БДПТ, мы подробно описываем его принципы работы и конструктивные особенности.

Шаговый двигатель относится к группе бесщеточных двигателей постоянного тока, но его отличительной особенностью является то, что он вращается ступенями или шагами. После каждого шага ротор останавливается под определенным углом. Это позволяет устройству, работающему от этого двигателя, с высокой точностью перемещаться и фиксировать положения. Контроллер шагового двигателя подает ток импульсами, возбуждая полюса статора и заставляя ротор вращаться.

Остальные классификации применимы практически для любого контроллера электродвигателя. Давайте кратко рассмотрим их на примере контроллера щеточного двигателя постоянного тока.

В контроллере щеточного ДПТ скорость и крутящий момент регулируются изменением подачи энергии с помощью регуляторов напряжения и тока. Регуляторы могут быть как отдельной системой, так и частью контроллера. Для разных целей инженеры могут использовать линейные и импульсные регуляторы.

Линейный регулятор поддерживает выходное напряжение на постоянном уровне с переменной резистивной нагрузкой. Выходное напряжение стабильно независимо от того, какое входное напряжение подается источником питания. В импульсном регуляторе выходное напряжение стабилизируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Подробнее о линейных и импульсных регуляторах можно прочитать в нашей статье о преобразователях постоянного напряжения.

Контроллер двигателя постоянного тока с ШИМ может подавать напряжение импульсами. Изменяя скважность (отношение длины импульса к периоду между импульсами) можно управлять скоростью двигателя. Импульсный регулятор имеет высокую эффективность, а ШИМ широко используется при проектировании контроллеров скорости для ДПТ.

Мощность двигателя зависит от подаваемого на него тока. Таким образом, маломощному щеточному ДПТ нужен маломощный контроллер и наоборот. Мощный контроллер ДПТ обычно использует импульсный регулятор.

В зависимости от напряжения, необходимого для работы двигателя, можно выбрать контроллер низкого или высокого напряжения. Импульсный регулятор хорошо подходит для контроллеров с широким диапазоном рабочего напряжения. Линейный регулятор лучше подходит для низковольтного контроллера ДПТ, поскольку высокое входное напряжение необходимо рассеять в тепло, что может привести к потере мощности или перегреву.

В соответствии с типом управляющего сигнала контроллеры делятся на цифровые и аналоговые. Основное различие между цифровым контроллером ДПТ и его аналоговым вариантом заключается в том, что первый включает в себя аппаратное обеспечение на основе микроконтроллера и встроенное ПО.

Контроллеры, не получающие обратной связи от двигателя, называются контроллерами разомкнутого управления или без обратной связи или прямого управления. Можно сказать, они работают вслепую, поскольку не могут отследить результаты своих команд. Такие контроллеры используются в простых системах, не требующих автоматического управления.

Контроллеры, которые получают обратную связь от двигателя с помощью различных датчиков, называются контроллерами замкнутого контура управления или обратной связи. Они могут обнаруживать отклонения от требуемых значений и соответствующим образом корректировать управляющий сигнал. Чтобы поддерживать регулируемый параметр на требуемом уровне, инженеры часто используют ПИД регуляторы в управляющих контурах с обратной связью.

Системы с разомкнутым и замкнутым контуром управления являются основополагающими концепциями теории автоматического управления. В зависимости от требований к электронному устройству или его сложности можно реализовать систему управления с обратной связью или без нее. Например, шаговый двигатель может работать с контроллером разомкнутого контура. Контроллер серводвигателя постоянного тока, используемый для точного позиционирования в высокопроизводительных приложениях, является системой замкнутого контура управления

На рисунке выше показаны примеры систем с замкнутым и разомкнутым контурами управления. В первом случае контроллер двигателя робота получает обратную связь и регулирует скорость в соответствии с условиями ландшафта. Во втором случае контроллер не получает никакой обратной связи, и скорость устройства снижается при подъеме в горку.

Сфера применения двигателя постоянного тока зависит от его характеристик. Так, шаговые и серводвигатели работают на оборудовании, требующим точного позиционирования, таком как:

• роботизированные устройства;
• принтеры;
• камеры;
• станки с ЧПУ.

Усовершенствованные серводвигатели постоянного тока с регулятором скорости и замкнутым управляющим контуром демонстрируют высокую производительность и надежность в сложных промышленных системах.

Отсутствие щеток, которые подвержены износу, делает бесщеточные ДПТ более долговечными. Кроме того, электронный коллектор не создает искр и снижает электромагнитные помехи (EMI, англ. Electromagnetic Interference). Благодаря своей надежности и безопасности эти двигатели нашли широкое применение в электромобилях, системах отопления и вентиляции. Подробнее о конструкции и применении бесщеточных двигателей вы можете узнать из нашей статьи о контроллере БДПТ.

Коллекторные двигатели постоянного тока используются уже около двухсот лет. Хотя более современные технологии частично заменили их, они по-прежнему популярны в различных отраслях и сферах.

Щеточные двигатели постоянного тока могут иметь очень простую конструкцию и легкое управление (некоторые из них могут даже не нуждаться в контроллере). Это экономически эффективное решение, которое может идеально подходить для низковольтных устройств, работающих от литий-ионных аккумуляторов, включая робототехнику и бытовую электронику.

Создавая автономную роботизированную газонокосилку, мы установили на нее реверсивный контроллер с импульсным ШИМ-регулятором для щеточного ДПТ, выбранного заказчиком. Идея заключалась в разработке экономичной энергосберегающей системы.

Робот может двигаться в любом направлении, обходить препятствия, останавливаться и сразу же двигаться снова. Мы добились этого, используя контроллер ДПТ с широтно-импульсной модуляцией, который регулировал скорость и направление вращения двигателя.

Доступность и простота реализации щеточных двигателей постоянного тока и их контроллеров делают эти решения подходящими для множества проектов. У нас имеется богатый опыт в проектировании и реализации контроллеров щеточных ДПТ, которым мы поделимся в статье. Расскажем также о нюансах самостоятельного проектирования контроллера.

Традиционная схема контроллера щеточного двигателя постоянного тока – это H-мост. Это электронная схема с четырьмя управляемыми электронными ключами, которые по очереди подают положительное и отрицательное напряжение. Замыкая ключи верхнего и нижнего плеча одной диагонали, двигатель вращается в одном направлении. Направление вращения изменится, как только эти переключатели будут разомкнуты, а противоположные – замкнуты.

Если речь идет о двигателе с однонаправленным вращением, можно разработать контроллер щеточного ДПТ, используя более простую схему с одним ключом. При выборе транзисторного ключа нужно убедиться, что он соответствует требуемым параметрам двигателя, например, максимальному току, иначе транзистор попросту сгорит.

Соответствие системным требованиям – основной принцип, которого нужно придерживаться при выборе компонентов для схемы контроллера двигателя постоянного тока. Это касается микроконтроллера, драйверов силовых ключей, необходимых для управления транзисторами, и других компонентов.

Интегрированный драйвер H-моста представляет собой схему со встроенными силовыми транзисторами. Конструкция интегральной схемы драйвера затвора проста и надежна, но тем не менее предназначена для применения в низковольтных и маломощных устройствах. Кроме того, такие драйверы не взаимозаменяемы. Если их снимут с производства, скорее всего придется перепроектировать схему вместе с печатной платой.

При проектировании схемы контроллера щеточного ДПТ необходимо учитывать тип сигнала, тип регулирования мощности, системы управления и другие характеристики. Вы можете выбрать подходящий вариант, исходя из технических характеристик устройства и вашего бюджета.

В сотрудничестве с Basicmicro Motion Control мы создали настраиваемые контроллеры щеточного ДПТ с импульсным регулятором напряжения для роботов в наборах для самостоятельной сборки. Важной особенностью такого контроллера является то, что он может использовать как систему с открытым, так и с замкнутым контуром управления.

С помощью наших 2-канальных контроллеров ДПТ пользователи могут управлять роботами удаленно через беспроводной коммуникационный модуль. Для этого проекта наша команда разработала аппаратное и программное обеспечение.

Для наших контроллеров мы использовали схему H-мост. Поскольку это набор для самостоятельной сборки, то они должны быть ремонтопригодными. Инженерам КЕДР Solutions пришлось выбирать микроконтроллеры и драйверы силовых транзисторов с отдельными полупроводниковыми ключами. Мы выбрали силовые МОП-транзисторы, так как они хорошо подходят для низковольтных контроллеров из-за следующих преимуществ:

• низкая цена;
• простота обслуживания;
• доступность;
• высокая эффективность.

При проектировании схемы контроллера ДПТ с высоким потреблением тока мы использовали биполярный транзистор с изолированным затвором – БТИЗ (англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT), – который сочетает в себе преимущества силовых МОП-транзисторов и биполярных транзисторов. Он коммутирует высокие токи и хорошо подходит для сложных систем силовой электроники.

Для подобного проекта можно выбрать GaN транзистор на основе нитрида галлия – чрезвычайно устойчивого к перегрузкам полупроводникового материала. Он может выдерживать высокие температуры и работать в очень высоких диапазонах частот и напряжений. GaN транзисторы используются в мощных электронных устройствах, промышленном и аэрокосмическом оборудовании. Однако их высокая себестоимость вызывает удорожание схемы.

Результатом проекта стала разработка программируемого контроллера ДПТ с несколькими режимами работы. Он может управляться с помощью аналоговых и цифровых сигналов, использует замкнутую систему управления и считывает данные с цифрового квадратурного энкодера, установленного на роторе.

Энкодер отвечает за преобразование положения вала и направления вращения двигателя в цифровые сигналы, распознаваемые контроллером. При возникновении изменений контроллер корректирует управляющее воздействие по мере необходимости.
Для обеспечения безопасной работы двигателя наши разработчики реализовали системы защиты от перегрузки по току, перенапряжения и перегрева. Для этого мы добавили соответствующие датчики в конструкцию контроллера ДПТ.

Разработка контроллера щеточного ДПТ может быть довольно простым делом, но все же она сопряжена с некоторыми сложностями, которые могут относиться как к проектированию схемы, так и к написанию прошивки. Перечислим те моменты, на которые нужно обратить внимание.

Как мы уже упоминали ранее, в схеме H-мост переключатели размыкаются и замыкаются по диагонали, но эти действия не могут происходить одновременно. Это может привести к снижению напряжения и мощности. В противном случае - к короткому замыканию, если противоположные переключатели верхнего и нижнего плеча находятся в положении «включено», потому что одна диагональ ещё не успела закрыться, а другая - уже открылась.

Чтобы избежать подобной ситуации, можно ввести бестоковую паузу (или мертвое время). Это короткий промежуток, когда все переключатели схемы H-моста разомкнуты. Используя такую паузу, можно гарантировать, что переходный процесс закончится и ключ верхнего плеча разомкнется до того, как будет замкнут ключ нижнего плеча.

Важный параметр, который требует верной настройки, – это частота ШИМ (число импульсов в секунду). Чем она выше, тем выше потери мощности на силовых ключах из-за переходных процессов, но амплитуда биений вращающего момента вала двигателя и скорости меньше и наоборот. Однако, если частота ШИМ слишком высокая, у микроконтроллера могут возникнуть проблемы с генерацией сигналов ШИМ требуемого значения. Кроме того, слишком высокая частота может привести к неисправности драйвера силового транзистора и самих транзисторных ключей, поскольку они могут быть несовместимы с ней и не успевать полностью закрыться и открыться, пропуская паразитный ток и сильно греться.

При написании прошивки важно настроить правильную частоту ШИМ, чтобы обеспечить плавную работу контроллера двигателя и малый нагрев силовых транзисторов.

При работе с щеточным ДПТ может возникнуть проблема чрезмерных электромагнитных помех, которые возникают из-за искрения при переключении коллектора. Они влияют на соседние электронные компоненты. Уменьшить помехи можно с помощью различных фильтров защиты от ЭМП.

При проектировании контроллеров щеточных ДПТ для нашего робототехнического проекта нам пришлось поломать голову. Основные требования заказчика касались обеспечения широкого диапазона рабочего напряжения и тока. На тот момент не было подходящих готовых интегрированных драйверов затворов или полупроводников GaN. Кроме того, диапазон не подходил для БТИЗ. Поэтому нам пришлось искать решение среди дискретных силовых МОП-транзисторов.

Рассмотрев несколько вариантов схем, мы остановили свой выбор на стандартном драйвере затворов с внешними МОП-транзисторами. Решение на основе дискретных компонентов позволило упростить принципиальную электрическую схему и сократить расходы на разработку. В результате мы добились стабильной работы контроллера щеточного ДПТ в диапазоне от 6 до 24 вольт и до 25 ампер.

Так как мы использовали дискретную схему, за основные функции контроллера ДПТ отвечал микроконтроллер. Наши инженеры реализовали алгоритмы, которые генерировали сигналы ШИМ с требуемыми рабочими циклами и бестоковыми паузами.

При реализации системы управления с обратной связью мы столкнулись с проблемой: доступный микроконтроллер с прошивкой, содержащей бизнес-логику, коммуникацию и алгоритмы регулирования, не успевал обрабатывать сигналы энкодеров.

Мы добавили маленькую интегральную схему CPLD (англ. Complex Programmable Logic Device), которая могла считывать высокочастотные сигналы. Планируя разработку контроллера щеточного двигателя постоянного тока с обратной связью, необходимо убедиться, что микроконтроллер подходит для поставленных задач