Электронный редуктор или как кардинально увелич ить крутящий момент коллекторного двигателя пер еменного тока на низких оборотах. Часть 2

Arduino

Ноя 022021

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2019

Алексей Кузьминов

Принципиальная схема устройства регулятора-стабилизатора скорости на базе микросхемы U2010B

Схема регулятора-стабилизатора скорости вращения двигателя для дрели «TUNGFULL 1806B» (Рисунок 1), как можно убедиться, не отличается особой сложностью. Здесь необходимо заметить, что нумерация резисторов и конденсаторов схемы Рисунок 1 соответствует оригинальной нумерации на схеме, приведенной в справочном листке на U2010B.


Рисунок 1.	Принципиальная схема стабилизатора скорости вращения электродвигателя 260 Вт на базе микросхемы U2010B.

Входное переменное напряжение выбрано на 10 В больше указанного выше (140 В) и с запасом составило 150 В. Это напряжение с помощью двухконтактной сетевой вилки X7 подается на устройство с ЛАТРа. Вместо него можно использовать и обычный трансформатор со вторичной обмоткой, рассчитанной на напряжение 150 В, или работающий в режиме ЛАТРа, то есть имеющий отвод от первичной обмотки, подключенной к сетевому напряжению 220 В. Главное требование к трансформатору или ЛАТРу – максимальный ток, на который они рассчитаны, при напряжении 150 В должен быть не менее 2 А. Кроме того, пожертвовав некоторой мощностью дрели (10% – 15%), можно использовать известное стандартное напряжение 127 В, полученное с широко распространенного трансформатора 220 В/127 В.

Балластный резистор номиналом 13 кОм (R1), диод СМ4007 (VD1), работающий как однополупериодный выпрямитель, и сглаживающий конденсатор C1 служат для получения напряжения питания микросхемы U2010B (DA1). Это отрицательное напряжение (около –13 В) образуется на выводе 11 (VS) благодаря внутреннему коммутатору, соединяющему вывод 12 (High load), куда подключен анод диода VD1, с выводом 11 (VS), куда подключен минус конденсатора C1, а его плюс подключен к «земле» (GND). Номинал резистора R1 при напряжении питания 220 В по справочному листку составляет 18 кОм. Но поскольку рабочее напряжение, подаваемое на DA1, снижено до 150 В, пропорционально снижен и номинал резистора R1 – до 13 кОм. Мощность резистора R1 – 3 Вт (это проволочный резистор KNP300). При его мощности 2 Вт (рекомендуемой в справочном листке) он достаточно сильно нагревается (по ощущениям автора – до 50 °C и более), нагревая саму плату и её компоненты, а при мощности 3 Вт его температура поднимается не выше 40 °C при достаточно долговременной работе устройства. Светодиод красного свечения LD1, индицирующий перегрузку, подключен к выводам 11 и 12 DA1 с помощью двух двухконтактных разъемов X3 и X4. Разъем X3 – два цанговых штыря с расстоянием 2.54 мм между собой (PSLM-2), впаянные в плату устройства и соединенные с выводами 11 и 12 DA1. К разъему X4 – ответному X3 (два цанговых гнезда, SIP-2) – припаян один конец двухжильного провода (два провода МГТФ-0.1), второй конец которого соединен со светодиодом LD1.

Если представить себе сетевое напряжение в виде синусоиды U(t) = UMAXsin(ωt), то при ωt = 0, π и 2π эта функция пересекает 0 (строго говоря, она пересекает 0 при ωt = nπ, где n – целое). Угол φ, при котором открывается симистор VD2 (BTA24-600CW) в положительной полуволне напряжения, отсчитывается от π в сторону нуля, или, другими словами, это угол π–φ, а угол, при котором открывается симистор при отрицательной полуволне, соответственно, равен 2π–φ. Резисторы R8 и R8_1, общий номинал которых по обозначению справочного листка составляет Rφ, подключены между напряжением питания VS (вывод 11 DA1) и входом VRφ (вывод 14 DA1), управляя напряжением (VRφ) на котором с помощью изменения Rφ можно изменять начальный угол открытия симистора φ. А чем больше угол φ, тем раньше открывается симистор и тем бóльшую площадь соответствующей полусинусоиды он пропускает в нагрузку (в данном случае это мотор М). Другими словами, регулируя Rφ, можно задавать начальную скорость вращения мотора М.

Помимо Rφ на угол φ влияет конденсатор C3, подключенный к выводу Cφ (вывод 3 DA1). Этот конденсатор совместно с Rφ образует RC-цепочку RφCφ (Rφ = R8 + R8_1, Cφ = C3), постоянная времени которой и определяет угол φ. Мотор М подключается к двухконтактной сетевой розетке X1 с помощью двухжильного провода, на одном конце которого установлена двухконтактная сетевая вилка X2, а второй конец соединен с мотором М. Розетка X1 одним контактом (2-й вывод X1) подключена ко входному напряжению (~150 В), а вторым (вывод 1 X1) – к выводу А2 симистора VD2. С вывода OUT (вывод 16 DA1) через резистор R3 на УЭ симистора VD2 подаются короткие импульсы, открывающие его как раз во время, соответствующее углам π–φ и 2π–φ. Для синхронизации с сетевым напряжением, то есть для определения момента перехода сетевого напряжения через ноль (от момента которого и отсчитывается угол φ) используется резистор R2, подключенный между сетевым напряжением (~150 В) и входом VSYNC (вывод 15 DA1). Вывод симистора VD2 A1 через токоизмерительный резистор (параллельно соединенные резисторы R6 и R6_1) подключен к «земле». Напряжения с двух концов токоизмерительного резистора (R6||R6_1) через резисторы R4 и R5 подаются на два входа ISNS (выводы 1 и 2 DA1), служащих для измерения значения тока через симистор. Максимальное напряжение на входах ISNS составляет 0.25 В (по справочному листку). Если учесть, что максимальный ток через симистор составляет 1.88 А (см. выше), нетрудно подсчитать номинал токоизмерительного резистора: 0.25 В/1.88 A = 0.133 Ом. Автор использовал два резистора R6 = 0.15 Ом и R6_1 = 1 Ом, соединенные параллельно, общее сопротивление которых, как нетрудно подсчитать, составляет 0.13 Ом.

На выводе VREF (вывод 8 DA1) формируется опорное напряжение, которое используется тремя потребителями.

Первый потребитель – вход CSOFT (вывод 7 DA1), к которому подключен конденсатор C2, служащий для «мягкого старта» (Soft Start) двигателя после включения питания. Второй вывод конденсатора подключен к напряжению VREF.

Второй потребитель – вход ILOAD (вывод 6 DA1), к которому подключены резистор R11 и параллельно ему конденсатор C5, вторые выводы которых также подключены к опорному напряжению VREF. Вход ILOAD служит для настройки срабатывания защиты по току, то есть при превышении тока определенного порога (например, 1.8 А) срабатывает защита; в этом случае двигатель отключается от входного напряжения, и загорается светодиод LD1. Через некоторое время, если причина срабатывания защиты устранена, на двигатель вновь подается напряжение, и он продолжает работать с той же скоростью, с которой работал до срабатывания защиты. Условием срабатывания защиты является отсутствие подключения к выводу 9 DA1 (MODE – режим) какого-либо напряжения, то есть этот вывод должен оставаться свободным (как на Рисунке 1). Если же этот вывод подключить к VREF, то защита по току отключается, то есть двигатель после превышения тока, например, 1.8 А, продолжает работать (режим «c»).

Третий потребитель VREF – вход CTRL (вывод 4 DA1). К этому входу одновременно подключены два напряжения: первое – с вывода 5 (COMP – Compensation output), служащего для компенсации токовой нагрузки, второе – снятое с движка потенциометра P1, которое через подстроечный резистор R10 и включенный последовательно с ним резистор R10_1 также подключено к входу CTRL. Один из выводов потенциометра P1 через резистор R14 подключен к VREF, а второй, через резистор R7 – к «земле» (вывод 10 DA1). Сам потенциометр P1 расположен вне платы устройства и подключается к ней с помощью 3-штырькового цангового разъема с шагом 2.54 мм (PSLM3 – X5), впаянного в плату. К этому разъему подключается ответный разъем – 3-контактное цанговое гнездо (SIP3 – X6), которое припаяно к одному концу трехжильного провода, а второй его конец припаян непосредственно к P1. Ручка этого потенциометра выведена на лицевую поверхность корпуса устройства (см. далее), а сам потенциометр служит для задания необходимой скорости вращения дрели. Как видно из Рисунка 1, на входе CTRL складываются два напряжения: одно – с вывода COMP, второе – с движка P1 (через R10 и R10_1). Подстроечный резистор R10 служит для настройки компенсации нагрузки, о чем будет подробно рассказано далее. Здесь же, на взгляд автора, необходимо объяснить сам принцип компенсации нагрузки. Этот принцип заключается в следующем.

Выходное напряжение на выводе COMP, в соответствии со справочным листком, прямо пропорционально напряжению, снятому с двух концов токоизмерительного резистора (выводы 1 и 2 DA1) или току, проходящему через него. Но крутящий момент, как было упомянуто выше, прямо пропорционален квадрату тока, то есть увеличение крутящего момента в 2 раза (например, при торможении вала) увеличивает ток через двигатель дрели в 4 раза. Квадратичная зависимость тока от тормозного момента имеет одну особенность, проявляющуюся в том, что при малом крутящем моменте имеет место некая «слепая» зона, в которой на малых скоростях вращения, то есть при малом крутящем моменте при торможении вала ток возрастает незначительно. В этом можно легко убедиться, если, например, рассмотреть две функции: линейную y(x) = x и квадратичную z(x) = x2 на интервале 0 < x < 1. На этом интервале линейная функция y(x) всегда больше квадратичной z(x). И только при x > 1 функция z(x) > y(x). Этот факт приводит к тому, что на самых малых скоростях вал двигателя легко затормозить, поскольку ощутимого увеличения тока при этом не будет, а значит, не будет и компенсации нагрузки, или, другими словами, вал не будет сопротивляться торможению.

Теперь сравним между собой два режима работы. В первом подадим на двигатель напряжение U1 = 220 В, во втором, – например, уменьшенное до U2 = 150 В. Очевидно, что при одной и той же мощности, поданной на двигатель, или при одной и той же скорости вращения ток I150В > I220В. Поскольку мощность, передаваемая на двигатель, пропорциональна площади под полусинусоидой двух разных напряжений (220 В и 150 В), начиная от момента открытия симистора, то есть от угла π–φ до π и от 2π–φ до 2π, то при более низком напряжении (150 В) угол φ150В > φ220В. Другими словами, «слепая» зона при напряжении 150 В существенно меньше таковой при напряжении 220 В, поэтому при напряжении 150 В можно добиться меньшей скорости вращения вне «слепой» зоны.

Как видно из схемы Рисунка 1, на выводе CTRL складываются два напряжения: выходное напряжения с вывода COMP и выходное напряжение, снятое с движка потенциометра P1 с учетом падения напряжения на R10 и R10_1. A угол φ прямо пропорционален напряжению на выводе CTRL. Так вот, принцип компенсации нагрузки состоит в том, что при торможении вала двигателя напряжение на выводе COMP возрастает, а с ним и возрастает напряжение на выводе CTRL, отчего увеличивается угол φ, на двигатель подается бóльшая мощность, что приводит к существенному сопротивлению торможения и сохранению первоначальной скорости вращения, определяемой положением движка потенциометра P1. А подстроечный резистор R10 определяет превалирующее воздействие на вывод CTRL либо напряжения с вывода COMP, либо напряжения, снятого с движка потенциометра P1. При увеличении R10 влияние напряжения с вывода COMP, очевидно, увеличивается, а влияние напряжения, снятого с движка потенциометра P1, уменьшается (и наоборот). Этот принцип и положен в основу настройки схемы.

И последний момент, который нуждается в пояснении. Он связан с использованием трансформатора. Как известно, при увеличении нагрузки на трансформатор его выходное напряжение падает. В связи с этим падает и напряжение питания микросхемы VS. Однако если посмотреть на схему Рисунка 1, то можно заметить, что вывод VRφ, определяющий начальное состояние угла открытия φ симистора (или, в том числе, начальную скорость дрели), соединен с выводом питания VS (через резисторы R8 и R8_1), а не с выводом опорного напряжения VREF, которое практически не зависит от напряжения питания (на то оно и опорное). Это приводит к тому, что при уменьшении напряжения питания VS скорость дрели увеличивается (и наоборот). Таким способом реализуется одна из особенностей работы микросхемы U2010B, состоящая в компенсации изменения входного напряжения (Mains supply variation compensated). Был даже проведен простой эксперимент: уменьшив выходное напряжение ЛАТРа со 150 В до 130 В, можно было убедиться в том, что скорость дрели несколько увеличилась, а при увеличении напряжения со 130 В до 150 В – восстановилась до первоначальной. Таким образом и происходит компенсация падения выходного напряжения трансформатора.

Настройка схемы Рисунок 1 достаточно проста. В самом начале к напряжению на двигателе необходимо подключить стрелочный тестер. Движок потенциометра P1 установить на минимальную скорость вращения, то есть ближе к R14. Вывод 9 DA1 соединить с выводом 8, то есть отключить режим защиты по току (см. справочный листок, режим «c»), чтобы он не мешал настройке.

При включении напряжения питания, если двигатель не вращается совсем или вращается слабо, либо наоборот, вращается очень быстро, изменяют положение движка подстроечного резистора R8, добиваясь приемлемых минимальных оборотов (300 – 500 об/мин). После этого необходимо притормозить вал, например, рукой (лучше в перчатке, чтобы не повредить кожу). Если двигатель легко останавливается, и напряжение, измеренное тестером, не увеличивается, необходимо увеличить R10, при этом скорость вращения уменьшится, и ее необходимо восстановить до первоначального значения, изменяя R8. Если при торможении вала скорость вращения, наоборот, начинает увеличиваться, и при этом напряжение, измеренное тестером, также резко увеличивается, необходимо уменьшить значение R10, что приведет к увеличению скорости, и ее опять необходимо скорректировать, изменив значение R8. Так, путем последовательных приближений добиваются таких значений минимальной скорости, при которых вал будет существенно сопротивляться торможению, а напряжение, измеренное тестером, при торможении также будет увеличиваться (вплоть до напряжения питания при максимальном торможении). После этого необходимо проверить, не увеличивается ли скорость на средних и максимальных оборотах (до примерно 2000 об/мин) при торможении вала. При ее увеличении (перерегулирование) необходимо подкорректировать (уменьшить) номинал резистора R10 и соответственно подкорректировать R8.

Далее необходимо настроить режим срабатывания защиты по току при перегрузке. Для этого вывод 9 отключить от вывода 8, то есть оставить свободным (режим «b»), а вместо R11 подключить потенциометр (переменный резистор) номиналом 200 – 300 кОм. Затем, при существенном торможении вала вплоть до полной его остановки, подобрать номинал R11 так, чтобы при этом режиме торможения загорелся светодиод LD1, с двигателя на короткое время снялось напряжение питания, а при отпускании вала двигатель восстановил первоначальную скорость вращения. После этого, измерив значение переменного резистора R11, установить вместо него постоянный резистор. В данном случае, как видно из схемы Рисунок 1, его номинал равен 82 кОм.

Если предполагается настроить схему для работы с другим типом дрели, то настройка несколько усложняется (но ненамного), однако принцип её остается прежний. В этом случае, вместо R7, R14 и P1 необходимо установить переменные резисторы по 50 кОм, а вместо R8 – переменный резистор 500 кОм. Резистор R14 установить на минимум (0 Ом), движок P1 повернуть к R14, а R7 установить в среднее положение (25 кОм). После настройки, аналогичной вышеописанной в некотором диапазоне P1, измерить значения P1 при минимальной и максимальной скорости, разбить его на два постоянных резистора и один переменный, но уже меньшего номинала (например, 20 кОм), а, если потребуется, аналогично заменить 20 кОм на 10 кОм (как на схеме Рисунок 1).

Как видно из вышеописанного, настройка схемы не представляет каких-либо сверхъестественных сложностей. Здесь главное – не бездумно крутить все подстроечные резисторы, а использовать строгую последовательность их настройки.

И последнее, что необходимо особенно подчеркнуть, это достаточно высокое напряжение (150 В), которое присутствует на плате. При настройке следует быть очень аккуратным, чтобы ненароком не коснуться этого напряжения. Кроме того, при настройке автор настоятельно рекомендует использовать отвертку с пластиковой ручкой и керамическим шлицем, а ручка потенциометра P1 также должна быть пластиковой, то есть должна быть хорошо изолирована от металлического стержня потенциометра.

Принципиальная схема устройства регулятора-стабилизатора скорости на базе микросхемы U2008B

Как указывалось выше, микросхема U2008B – упрощенная версия U2010B, поэтому схема устройства на ее основе (Рисунок 2) более проста.


Рисунок 2.	Принципиальная схема стабилизатора скорости вращения электродвигателя 480 Вт на баз микросхемы U2008B.

Хотя наиболее предпочтительным рабочим напряжением для дрели «SKRAB 56000» оказалось напряжение 190 В (см. выше), было решено использовать для этой цели сетевое напряжение 220 В. Это было сделано по двум причинам. Во-первых, напряжение 220 В ненамного отличается от 190 В, в связи с чем для работы устройства не требуется трансформатор 220 В/190 В, что существенно упрощает все устройство. Во-вторых, на основе дрели «SKRAB 56000» были сконструированы циркулярная пила и точило, скорости работы которых почти на порядок больше скоростей при сверлении. Поэтому максимальная и минимальная скорости вращения дрели были выбраны в диапазоне 2000 об/мин (минимальная) и 10000 об/мин (максимальная). В связи с этим, при минимальной скорости в 2000 об/мин даже при работе от напряжения 220 В, как было выявлено из эксперимента, «слепая зона», о которой говорилось выше, отсутствует, поскольку при такой скорости вращения ток, потребляемой дрелью, довольно значителен и поэтому вполне достаточен для его «захвата» петлей компенсации нагрузки в микросхеме U2008B.

Здесь следует заметить, что минимальная и максимальная скорости вращения мини дрели «TUNGFULL 1806B» (300 – 2000 об/мин – см. выше) и мини дрели «SKRAB 56000» (2000 – 10000 об/мин) взяты «не с потолка». Эти скорости были измерены автором достаточно точным способом с помощью головки для поверки газовых счетчиков, оснащенной крыльчаткой (звездочкой), инфракрасным светодиодом и фототранзистором, между которыми она вращается. Для измерения частоты вращения был использован частотомер. Более подробно о подобном способе измерении скорости вращения написано в статье автора [2].

Для получения напряжения питания микросхемы также используется гасящий резистор R1 номиналом 22 кОм (как в справочном листке) мощностью 5 Вт (цементный резистор SQP-5), так как при его мощности в 2 Вт (по справочному листку) его нагрев (по ощущениям автора) составлял более 50-60 °C, тогда как при мощности в 5 Вт – только около 40 °C. Диод SM4007 (VD1) используется для однополупериодного выпрямления погашенного R1 напряжения, а конденсатор C1, включенный между напряжением питания –VS (вывод 5 DA1) и «землей» (вывод 4 DA1), – как сглаживающий. Это напряжение питания через подстроечный резистор R8 и последовательно включенный с ним резистор R8_1 подается на вход Rφ (вывод 6 DA1), предназначенный для начальной установки угла φ открытия симистора BTA24-600CW (VD2). Таким образом, сумма номиналов резисторов R8 и R8_1 определяет номинал Rφ: R8 + R8_1 = Rφ, который совместно с конденсатором C3 (Cφ), подключенным к выводу Cφ (вывод 2 DA1), образует RC-цепочку, RφCφ, постоянная времени которой и определяет начальный угол φ открытия симистора VD2. Резистор R2 включен между сетевым напряжением ~220 В и входом VSYNC (вывод 7 DA1) и служит для синхронизации с сетевым напряжением. Импульсы для открытия симистора VD2 поступают на его УЭ с выхода OUT (вывод 8 DA1) через резистор R3. Мотор М с помощью 2-контактной сетевой вилки X2 подключен к 2-контактной розетке X1 устройства. Как видно из схемы, мотор М оказывается включенным между сетевым напряжением ~220 В и силовым электродом A2 симистора VD2, второй силовой электрод A1 которого через токоизмерительный резистор номиналом 0.1 Ом (R6) подключен к «земле». При максимальном токе 2.5 А (см. выше) максимальное напряжение на R6, как нетрудно подсчитать, составляет 0.25 В, что согласовывается с его максимальным значением по справочному листку.

В отличие от микросхемы U2010B микросхема U2008B имеет только один вход ISNS (вывод 1 DA1), предназначенный для измерения напряжения на токоизмерительном резисторе R6. Фактически – это его потенциал относительно «земли». В микросхеме отсутствуют две опции: защита по току (поэтому в схеме не предусмотрен светодиод и вывод для него) и выход опорного напряжения (VREF), как в U2010B. Кроме того, выход напряжения компенсации нагрузки (COMP) уже соединен с входом CTRL внутри микросхемы. Этот вывод (вывод 3 DA1) так и называется Control input/compensation output. В связи с этим один конец потенциометра P1 через резистор R14 подключен к напряжению питания –VS (а не к VREF, как в U2010B), второй его конец через резистор R7 подключен к «земле», а движок – через подстроечный резистор R10 и последовательно с ним включенный резистор R10_1 – к входу CTRL. Резистор R10 также служит для настройки компенсации нагрузки. Сам потенциометр P1 расположен отдельно от платы (на корпусе – см. далее) и подключается к ней с помощью 3-жильного провода, один конец которого припаян к P1, а второй – к 3-контактному разъему X4, представляющему собой три цанговых гнезда с расстоянием между собой 2.54 мм (SIP-3). Этот разъем подключается к ответному разъему X3, расположенному на плате и представляющему собой 3 цанговых штыря (PSLM-3).

Конденсатор C4 служит для сглаживания напряжения на входе CTRL, поскольку, как уже отмечалось, для получения этого напряжения используется напряжение питания –VS, полученное одополупериодным выпрямителем и имеющее значительные пульсации. Устройство подключается к сетевому напряжению ~220 В с помощью стандартной двухконтактной вилки X5.

Настройка схемы Рисунок 2 абсолютно аналогична настройке схемы Рисунок 1, исключая настройку защиты по току, поскольку такой защиты в U2008B не предусмотрено. Обозначения всех резисторов, используемых для настройки (R8, R10, R7, R14 и P1), схемы на Рисунке 2 – те же, что и на Рисунке 1, поэтому, чтобы не повторяться, подробное описание настройки не приводится.

Здесь следует еще раз упомянуть, что на плате присутствует достаточно высокое напряжение ~220 В, поэтому при настройке автор настоятельно рекомендует использовать отвертку с пластиковой ручкой и керамическим шлицем, а ручка потенциометра P1 также должна быть пластиковой, то есть должна быть хорошо изолирована от металлического стержня потенциометра.