Управление двигателем постоянного тока
Коллекторный двигатель постоянного тока – один из самых распространенных и недорогих типов электродвигателей в настоящий момент. Простейшая конструкция и, как следствие, высокая надежность и невысокая стоимость этих двигателей способствовали росту их популярности.
Однако, чтобы повысить эффективность и расширить область применения, в современной промышленности они применяются совместно со специализированными устройствами управления. В случае шаговых или бесколлекторных двигателей подобные устройства являются обязательными, так как без них не происходит коммутация фаз и вращение ротора невозможно. Для коллекторного двигателя постоянного тока блок управления выполняет вспомогательную функцию: корректирует скорость вращения, управляет направлением, регулирует ускорение и замедление двигателя при его пуске и остановке. В случае оснащения мотора энкодером возможно решение задач позиционирования и стабилизации частоты вращения.
Скорость, ускорение, замедление
Вследствие особенностей конструкции частота вращения двигателя постоянного тока зависит от протекающего в его обмотке тока. Величина тока в свою очередь зависит от приложенного напряжения питания. Таким образом, существуют два способа регулирования скорости:
- Изменение напряжения, подаваемого на обмотку.
- Включение сопротивления в цепь питания.
Для изменения напряжения, подаваемого на двигатель, чаще всего применяется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Данный метод подразумевает, что в цепи питания происходит включение и выключение источника напряжения с высокой частотой. При циклическом включении можно выделить периоды, когда напряжение подано («ON») и снято («OFF»). От соотношения длительности периодов «ON» и «OFF» зависит результирующее среднее значение напряжения, которое приложено к двигателю. В современных устройствах управления дополнительно устанавливаются фильтры, сглаживающие выходное напряжение и снижающие уровень шума.
Другая известная особенность двигателей постоянного тока – снижение скорости при увеличении нагрузки на валу. Если конечное устройство предъявляет требования к точности выходной скорости, блок управления двигателем должен иметь функцию стабилизации скорости. Для этого либо используется внешний датчик (энкодер), установленный на второй вал или непосредственно на ротор, либо контроллер управления должен иметь функцию определения скорости вращения на основе изменения электрических параметров в процессе работы двигателя. К примеру, контроллер может использовать информацию от датчиков тока или анализировать скачки индуктивности, образующиеся в процессе работы коллекторного двигателя.
Позиционирование
Естественным продолжением темы стабилизации скорости является решение задачи позиционирования. При использовании закрытой системы обратной связи (информация от энкодера поступает в контроллер, обрабатывается микропроцессором и используется для дальнейшего управления двигателем) двигатели постоянного тока могут использоваться в станках и манипуляторах для позиционирования инструмента в соответствии с имеющимся заданием и информацией о текущем положении вала. Для управления положением обычно используются внешние энкодеры, так как тема обработки информации о положении ротора на основе изменения электрических параметров в настоящий момент недостаточно развита.
Сфера применения таких двигателей для решения задач позиционирования ограничена еще и недостатком конструкции – при частых стартах и остановках сильнее изнашивается коллекторный узел, что приводит к более быстрому выходу двигателя из строя. В стандартных задачах позиционирования (координаты станков, оси роботов и манипуляторов) при управлении положением резкие старты и остановки неизбежны. Для увеличения срока службы рекомендуется при управлении двигателем постоянного тока реализовывать плавные пуск и остановку.
Направление
Для рассматриваемого типа двигателей направление вращения зависит от полярности напряжения питания. Таким образом, задача устройства управления сводится к смене плюса и минуса цепи питания двигателя постоянного тока. Так как при смене направления вращения в процессе работы происходит кратковременная остановка и старт в обратном направлении, в случае реверса также желательно избегать частых резких пусков и использовать по возможности плавное ускорение двигателя. Эта задача, как правило, возлагается на блок управления двигателем.
Как контроллер получает задание
Для отправки задания на управление контроллеру используются внешние физические входы, радиосигналы, промышленные сети (RS-485, CAN, LAN и др.) и интерфейсы (Modbus, CANopen, EtherCAT, TCP/IP и др.).
Для старта и остановки вращения существуют два принципиальных варианта управления: отдельный физический сигнал или команда, подаваемая через коммуникационный интерфейс, либо установка нулевого или ненулевого значения скорости.
При использовании задания значения скорости для старта и остановки двигателя из устройства управления исключаются лишние входы и команды, что упрощает систему. Однако, в некоторых случаях такой подход может оказаться недостаточно удобен (если нужно сначала задать контроллеру все параметры работы мотора, а затем осуществить старт) или даже недостаточно надежен. Кроме того, такой способ исключает подачу дискретных сигналов управления стартом и остановкой (например, от датчика или кнопки).
В случае, когда старт и остановка двигателя осуществляются дискретными сигналами, существуют два принципиальных варианта обработки таких сигналов: обрабатывается импульс или анализируется уровень сигнала на входе контроллера. Обработка уровня сигнала характерна для работы совместно с промышленными контроллерами ПЛК, так как исключает возникновение случаев неопределенности. Импульсный сигнал удобнее использовать, например, для подключения кнопок включения/выключения оператором.
Цифровое управление на основе общепромышленных стандартов и интерфейсов (например, CANopen) унифицирует алгоритмы взаимодействия оборудования и облегчает процесс интеграции контроллеров разных производителей в единую систему. Кроме того, цифровое (программное управление) существенно расширяет возможности контроллера.