Стабилизация частоты вращения коллекторных двигателей

Исторически сложилось, что самыми первыми по времени появления и до сих пор самыми распространёнными электродвигателями постоянного тока являются коллекторные двигатели.

Они используются в детских игрушках, вибраторах мобильных телефонов, бытовых электроинструментах, вспомогательном оборудовании автомобилей и в качестве тяговых двигателей тепловозов. Основной их недостаток — коллекторный (щёточный) узел, подверженный износу. Кроме того, продукты износа — пыль от щёток — загрязняют двигатель и окружающее пространство и иногда становятся причинами короткого замыкания.

В этой статье мы не будем рассматривать разные способы возбуждения таких двигателей, ограничившись одним из них — возбуждением от постоянных магнитов. Подвижный якорь такого двигателя содержит несколько обмоток и пластины коллектора, а в корпусе неподвижно закреплены постоянные магниты статора и две щётки, обеспечивающие скользящий контакт. В случае мощных двигателей, например в электростартерах автомобилей, используются четыре щётки.

Во многих случаях, при эксплуатации подобных электрических машин, возникает необходимость стабилизации частоты вращения и/или измерения этой частоты. Дело в том, что частота вращения зависит от двух параметров: напряжения, подводимого к двигателю и нагрузки на вал. В меньшей степени частота вращения зависит от температуры двигателя, поскольку при изменении температуры меняется сопротивление обмоток и, соответственно, величина текущего через них тока. А именно ток, а не напряжение, создаёт магнитное поле, которое и вращает вал.

Задача стабилизации скорости вращения одной из первых возникла при конструировании лентопротяжных механизмов магнитофонов, поскольку даже при незначительном изменении скорости движения ленты возникают существенные искажения воспроизводимого звука. Самый простой способ стабилизировать обороты — использовать двигатель с большим запасом по мощности — в этом случае незначительные колебания нагрузки мало сказываются на частоте вращения. Более точный и надёжный метод — использование обратной связи. В этом случае большой запас по мощности не требуется, но появляется необходимость установки дополнительного датчика числа оборотов (таходатчик, энкодер), что не всегда возможно и, вдобавок, удорожает конструкцию. Однако, любой коллекторный двигатель уже содержит в своём составе «датчик оборотов» - его функцию выполняют щётки, переключающие ток в обмотках якоря. Остаётся только воспользоваться этой информацией. Информационным сигналом в данном случае является сигнал датчика тока, который присутствует в любом контроллере двигателей, как минимум, для обеспечения защиты. Сигнал датчика тока проходит через фильтр, очищающий его от коммутационных помех и в виде последовательности импульсов, частота следования которых пропорциальна скорости вращения умноженной на число пластин коллектора, поступает на управляющую схему (микроконтроллер), которая отслеживает изменение скорости и компенсирует отклонения за счёт изменения напряжения, приложенного к двигателю.

Аналогичный способ, кстати, используется в некоторых доводчиках стёкол, входящих в состав автомобильных сигнализаций. Такие доводчики, подсчитывая импульсы, запоминают положение стекла перед постановкой на охрану и после снятия с охраны возвращают стекла в исходное положение.

Таким образом, используя пульсацию тока, вызванную переключением обмоток якоря, мы получаем возможность, не используя дополнительные датчики, в некоторых пределах стабилизировать обороты двигателя и приблизительно оценивать количество сделанных оборотов. Кроме этого, оценивая величину тока при каждом переключении можно распознать такую часто встречающуюся неисправность коллекторных двигателей, как наличие короткозамкнутых витков в обмотках якоря (по разности токов в соседних обмотках).