Podstawy Automatyzacji i Mechatroniki

(1)

Katedra Automatyki, Biomechaniki i Mechatroniki

90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1/15, budynek A22

tel. 42 631 22 25, e-mail: K-16@adm.p.lodz.plwww.abm.p.lodz.pl

Strona 1 z 11

Podstawy

Automatyzacji i

Mechatroniki

Ćw. 2

Układy regulacji silników DC

2017

Opracował dr. inż. Bartosz Stańczyk

(2)

Strona 2 z 11

Silnik DC

Budowa silnika prądu stałego [1].

Silnik prądu stałego [2]– silnik elektryczny zasilany prądem stałym służący do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną.

Jako maszyna elektryczna prądu stałego może pracować zamiennie jako silnik lub prądnica. W tym drugim przypadku wirnik napędzany jest energią mechaniczną dostarczona z zewnątrz, a na zaciskach uzwojenia twornika odbierana jest wytworzona energia elektryczna.

Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe, to znaczy takie, w których uzwojenie twornika zasilane jest prądem poprzez komutator. Jednak istnieje wiele silników prądu stałego które nie posiadają komutatora lub też komutacja przebiega na drodze elektronicznej.

(3)

Strona 3 z 11 Silnik krokowy

Silnik krokowy, silnik skokowy [3] – silnik elektryczny, w którym impulsowe zasilanie prądem elektrycznym powoduje, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalonym kącie.

Dzięki temu kąt obrotu wirnika jest ściśle zależny od liczby dostarczonych impulsów prądowych, a prędkość kątowa wirnika jest dokładnie równa częstotliwości impulsów pomnożonej przez wartość kąta obrotu wirnika w jednym cyklu pracy silnika.

Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różną wartość, zależnie od budowy silnika – jest to zwykle wartość od kilku do kilkudziesięciu stopni.

Silniki krokowe, zależnie od przeznaczenia są przystosowane do wykonywania od ułamków obrotu na minutę do kilkuset obrotów na minutę.

Są trzy podstawowe typy silników krokowych pod względem budowy:

1. silnik z magnesem trwałym, 2. silnik o zmiennej reluktancji, 3. silnik hybrydowy.

Inny podział wyróżnia silniki bipolarne (4 wyprowadzenia) i unipolarne (5 lub 6 wyprowadzeń).

Schemat podłączeń silnika krokowego [4].

(4)

Strona 4 z 11

Sterowanie silnikami DC

PWM[5] - Pulse Width Modulation - modulacja szerokości impulsu - jest to najbardziej popularna metoda sterowania silnikami elektrycznymi, polegająca na regulacji sygnału napięciowego lub prądowego przez zmianę szerokości impulsu o stałej amplitudzie.

Sterowanie PWM jest typowym przykładem sterowania dwupołożeniowego (dwuwartościowego), gdzie steruje się obiektem za pomocą dwóch stanów logicznych 0 i 1, odpowiadających podaniu odpowiednich wartości napięć.

Jak zmienia się prędkość obrotowa silnika elektrycznego przy sterowaniu PWM:

Sterowanie prędkością obrotową silnika elektrycznego przez podanie stałego napięcia oraz sterowanie PWM

W przypadku, gdy na silnik zostanie podane stałe napięcie U= const., silnik rozpocznie pracę i po pewnym czasie osiągnie pewną prędkość obrotową nmax, maksymalną dla danego napięcia zasilającego. Przy utrzymaniu stałego napięcia, silnik będzie utrzymywał stałą prędkość obrotową. Oczywiste jest, że im wyższe napięcie, tym wyższa prędkość obrotowa silnika.

W przypadku sterowania PWM nie mamy do czynienia ze stałym napięciem, ponieważ podane napięcie ma charakter przebiegu prostokątnego o stałej amplitudzie.

Prędkość obrotowa silnika zależy od : - amplitudy napięcia wejściowego, - okresu T,

- stałej czasowej obiektu τ, - procentu wypełnienia D.

(5)

Strona 5 z 11 Aby silnik pracował poprawnie, okres przebiegu prostokątnego napięcia powinien być dużo mniejszy od stałej czasowej obiektu : T << τ . Przyjmuje się, że dobrym rozwiązaniem dla silników elektrycznych jest :

T ≈ 1/10 τ T ≈ 2,5 ms

Wówczas częstotliwość wyniesie : f = 400 Hz

Przyjmujemy, że przy sterowaniu PWM dobrą częstotliwością dla silników elektronicznych jest częstotliwość 400Hz.

Wypełnienie D jest to stosunek szerokości impulsu b do okresu T. Wypełnienie podawane jest w procentach :

D = b / T [%]

Innym parametrem charakteryzującym sterowanie układami PWM jest napięcie średnie. Z matematycznego punktu widzenia, napięcie średnie równe jest :

Uśr = A · b/T

Napięcie średnie jesteśmy w stanie zmierzyć za pomocą multimetru. Wynika to z tego, że multimetr ma charakter całkujący – oblicza całkę (pole powierzchni), a następnie odnosi ją do okresu T.

Wykres przedstawia Sterowanie prędkością obrotową silnika elektrycznego przez podanie stałego napięcia oraz sterowanie PWM.

Mostek H [6] jest układem elektrycznym umożliwiającym sterowanie kierunkiem działania silników prądu stałego (DC). Są one często używane w robotyce. Dostępne

(6)

Strona 6 z 11 jako układy scalone, mogą też być budowane z oddzielnych części (elementów dyskretnych).

Pojęcie "mostek H" wywodzi się z typowego graficznego odwzorowania układu.

Mostek ten jest zbudowany z czterech styków (elementy półprzewodnikowe - często tranzystory MOSFET lub IGBT, bądź mechaniczne). Kiedy styki S1 i S4 są zamknięte, a S2 i S3 otwarte, do silnika będzie doprowadzone napięcie i zacznie się on obracać.

Poprzez otwarcie styków S1 i S4 oraz zamknięcie S2 i S3 zmieniamy kierunek przepływu prądu, tym samym zmieniając kierunek obrotu wirnika.

Schemat mostka H

Zasada działania mostka H [7]

Jeśli włączymy jednocześnie przekaźniki S1 i S4 spowoduje to uruchomienie silnika, jeśli włączymy S2 i S3 to też włączymy silnik ale będzie się on kręcił w drugą stronę.

Nie należy włączać jednocześnie S1 i S2 lub S3 i S4 bo powoduje to zwarcie!

Natomiast jeśli uruchomimy silnik, a potem włączymy S1 i S3 lub S2 i S4 to będzie to powodowało wyhamowanie silnika. Układ mostka z tranzystorami będzie wyglądał tak:

Schemat mostka H opartego na tranzystorach

(7)

Strona 7 z 11 W przypadku tranzystorów MOS, górne tranzystory powinny mieć kanał P, ponieważ jest on włączany gdy potencjał bramki jest niższy od potencjału źródła i łatwiej jest nam taki tranzystor sterować. W tym układzie można również zastosować jako górne tranzystory MOSFET z kanałem n, ale wtedy aby je włączyć potrzebujemy napięcia między bramką a masą układu większego niż napięcie zasilania (w tym przypadku 12V, ale jest to tylko przykład, zarówno na tym jak i na wszystkich innych pokazanych tutaj schematach). To wyższe napięcie możemy uzyskać z dodatkowego źródła, co jest kłopotliwe lub za pomocą sprytnego, ale skomplikowanego układu z kondensatorami.

W przypadku tranzystorów bipolarnych, górne tranzystory praktycznie muszą być typu PNP, ponieważ jeszcze trudniej wstawić tu NPN, niż MOSFET z kanałem n na schemacie z lewej strony.

Sterowanie silnikami krokowymi

Prąd elektryczny płynący przez uzwojenia stojana, powoduje odpowiednie namagnesowanie jego biegunów. Rotor dąży do zminimalizowania oporu magnetycznego (reluktancji) pomiędzy jego zębami, a stojanem. Inaczej mówić, kiedy uzwojenia są zasilane, w stojanie powstaje pole magnetyczne i rotor ustawia się tak, aby zamknąć obwód magnetyczny. W ten sposób silnik wykonuje krok. Aby rotor silnika krokowego mógł się obracać, wymagane jest odpowiednie zasilanie uzwojeń.

Ponieważ rotor nie jest zasilany, komutacji podlega jedynie stojan. Prąd doprowadzany jest do faz silnika za pomoc zewnętrznych komutatorów. Komutatory te można traktować jako przełączniki prądu.

Typowy dwufazowy silnik krokowy ma komutację czterotaktową:

1. Po zasileniu cewki 1 napiciem o dodatniej biegunowości, wytworzy ona strumień magnetyczny, a wirnik zajmie położenie by kierunek jego strumienia był zgodny z kierunkiem strumienia stojana.

2. Po zasileniu cewki 2 napiciem o dodatniej biegunowości strumień magnetyczny zmieni kierunek o 90˚ , co spowoduje obrót wirnika o ten sam kąt.

3. Zasilając cewkę 1 napiciem o ujemnej biegunowości otrzymamy strumień przemieszczony o kąt 90˚ w porównaniu z taktem poprzednim, wirnik znów podąży za tą zmianą tak jak to jest pokazane na rysunku 7.

4. W ostatnim takcie zasilamy cewkę 2 napiciem o ujemnej biegunowości, w wyniku czego otrzymujemy analogiczny skutek jak w pozostałych taktach.

(8)

Strona 8 z 11 Fazy ruchu silnika krokowego

Cały takt komutacji możemy zapisać w postaci: (+1) – (+2) – (-1) – (-2).

[9]Dalsze zwiększenie rozdzielczości kątowej wirnika jest możliwe po wprowadzeniu dodatkowych kroków pomiędzy wzbudzeniem jednej pary a wzbudzeniem dwóch par biegunów. Taki tryb pracy silnika można nazwać trybem zróżnicowanego udziału sąsiednich par wzbudzanych biegunów. Na rysunku 9 pokazano przebieg zmian prądów biegunów A i B w pełnym cyklu obrotu wirnika silnika pracującego w tym trybie.

Tryb pobudzania silnika jedną i dwoma parami biegunów standardową częstotliwością

(9)

Strona 9 z 11 Tryb pobudzania standardową częstotliwością zegarową ze zróżnicowanym

udziałem sąsiednich par biegunów

Z każdym narastającym zboczem zegara zostaje ustalone nowe natężenie prądów IA

i IB. Liczba 16 impulsów zegarowych, przypadających w tym trybie na pełen obrót wirnika, jest dwukrotnie większa od 8 w trybie zwykłym. Wirnik potrzebuje dwa razy dłuższego czasu na wykonanie jednego obrotu, ale jego ruch staje się bardziej gładki i mniej hałaśliwy, a rozdzielczość kątowa wzrasta.

Zwiększanie liczby pozycji pomiędzy dwoma sąsiednimi parami biegunów osiąga się, nadając natężeniom prądu IA i IB odpowiednio dobrane pośrednie wartości z przedziału od 0 do 100%, tak aby wirnik był kątowo ustawiany w odpowiednich pozycjach pomiędzy biegunami. Jest to bardzo użyteczne w aplikacjach wymagających silnika krokowego o dużej rozdzielczości kątowej, obracającego się cicho i gładko.

Tranzystor

Obudowy w których występują tranzystory.

(10)

Strona 10 z 11

Tranzystor[10] – trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego.

Nazwa urządzenia wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) z "półprzewodnikowym" przyrostkiem - stor jak w warystor (varistor).

ULM 2003

Obudowa oraz schemat Ulm 2003

Układ zawierający 7 par tranzystorów w układzie darlingtona, wspólny emiter. Nadaje się do sterowania silnikami lub przekaźnikami.

Wyjście każdej pary jest zabezpieczone diodą (ochrona przed przepięciami np podczas sterowania przekaźnikiem)

(11)

Strona 11 z 11

Bibliografia

[1]. http://silnikielektryczne.prv.pl/html/silnik_dc.html

[2]. https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_pr%C4%85du_sta%C5%82ego [3]. https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_krokowy

[4]. http://silniki-krokowe.com.pl/informacje-techniczne/sterowanie-silnikami-krokowymi/

[5]. http://www.falowniki.ppp.pl/info/52-sterowanie-silnikiem-pwm.html [6]. https://pl.wikipedia.org/wiki/Mostek_H

[7]. http://rab.ict.pwr.wroc.pl/~arent/rr/mpr/elektronika2.html [8].

http://www.heilig.up.krakow.pl/mikrokontrolery/Pomoc/Sterowanie%20silnikami%20krokowymi.pdf [9]. http://automatykab2b.pl/technika/6465-zastosowanie-techniki-mikrokrokow-w-sterowaniu- silnikami-krokowymi