Современная электроника №1/2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 39 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2021 можно использовать для увеличения мощности, подаваемой на двигатель. В работе автора [1] показано, что если питать подобный двигатель выпрям- ленным напряжением 12…18 В с часто- той 50 Гц (т.е. пульсирующим напряже- нием с частотой 100 Гц) и использовать для подачи на двигатель часть этого напряжения с помощью тиристора, на управляющий электрод (УЭ) которого подавать импульсы для его открытия в определённое время, зависящее от противо-ЭДС, то таким способом мож- но стабилизировать скорость враще- ния двигателя. В схеме [1] входное напряжение подаётся на двигатель через тири- стор, а простейшая RC-цепочка под- ключена к аноду и катоду тиристора. Напряжение, снятое с конденсатора C, подаётся на базу n-p-n транзистора, коллектор которого подключен к аноду тиристора, а эмиттер – к УЭ тиристора. При торможении вала двигателя воз- никает противо-ЭДС, которая с помо- щью транзистора включает тиристор раньше, вследствие чего на двигатель подаётся бо ′ льшая площадь полусину- соиды (выпрямленного напряжения), отчего крутящий момент увеличивает- ся и скорость вращения вала остаётся прежней, т.е. той, которая изначально была установлена. Но коллекторный двигатель перемен- ного тока (его ещё называют универ- сальным, поскольку он может работать и от напряжения постоянного тока), используемый в мини-дрелях, работа- ющих от сетевого напряжения ~ 220 В, устроен иначе, чем двигатель постоян- ного тока. Основное отличие коллекторных двигателей – устройство статора. Если в двигателях постоянного тока магнит- ное поле статора, как правило, посто- янно, поскольку статор представляет собой постоянный магнит кольцевой формы, то в двигателях переменно- го тока статор (как и ротор) является электромагнитом. Часто в таких двига- телях в качестве статора используются два электромагнита, обмотки которых подключены последовательно к обмот- кам ротора с помощьющёток. Сетевое напряжение подаётся на одни концы обмоток, а вторые их концы подклю- чены к щёткам (коллектору) ротора. Направление обмоток статора и ротора выбрано таким образом, что при любой полуволне переменного напряжения магнитное поле заставляет вращаться ротор в одну и ту же сторону. Кстати, если поменять направление обмоток статора, то вал будет вращаться в обрат- ную сторону. Это свойство использу- ется в дрелях и шуруповёртах для так называемого реверса – переключения направления вращения в обратную сто- рону. В такой конфигурации двигате- ля при его торможении, к сожалению, противо-ЭДС не возникает (или воз- никает, но очень слабая). Поэтому все попытки автора применить к такому двигателю описанную в одной из пре- дыдущих статей схему [1] ни к чему не привели. Для стабилизации скорости вра- щения двигателей, работающих от сетевого напряжения ~ 220 В, немец- кой компанией Telefunken (Temic Semiconductors) разработаны специ- ализированная микросхема U2010B и её несколько упрощённый вариант U2008B. Впоследствии эти микросхе- мы выпускались компанией ATMEL, которая больше известна как разра- ботчик микроконтроллеров. Микросхе- мы U2008B/U2010B используют эффект коллекторных двигателей переменно- го тока, возникающий при торможении вала. Этот эффект состоит в том, что при торможении вала ток через дви- гатель увеличивается. Если этот ток пропустить через токоизмерительный резистор достаточно малого номинала (десятые доли Ома), измерить напря- жение на этом резисторе и в зависи- мости от этого напряжения открыть симистор (симметричный тиристор) раньше или позже, то таким способом можно достаточно просто стабилизи- ровать скорость вращения двигателя. Фактически на этих микросхемах орга- низован хорошо известный из теории автоматического управления (ТАУ) так называемый ПИД-регулятор (пропор- ционально-интегрально-дифферен- циальный регулятор) – устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управле- ния для поддержания заданного зна- чения измеряемого параметра. Такой ПИД-регулятор обладает одним непри- ятным свойством (впрочем, присущим всем ПИД-регуляторам) – перерегули- рованием, возникающем при торможе- нии вала двигателя. Скорость двигате- ля может не только оставаться прежней (в том числе и на холостом ходу), но даже увеличиваться и очень существен- но. Кроме того, она может и осцилли- ровать с небольшой частотой. Всё зави- сит от соответствующей настройки. Сами микросхемы U2008B/U2010B достаточно распространены, недоро- ги, и в Интернете можно найти мас- су схем стабилизаторов скорости вра- щения двигателей переменного тока на базе этих микросхем. Однако все подобные схемы в качестве исходных используют базовые схемы, приведён- ные в справочных листках на микро- схемы U2008B/U2010B, и, кроме того, сконструированы (схемы) на устарев- шей элементной базе. Здесь необхо- димо особо подчеркнуть, что сами по себе схемы хорошо известны, и главное тут заключается в номиналах и типах компонентов, а также в настройке этих компонентов. Aвтором разработаны конкретные устройства на базе U2008B/U2010B, которые показали удовлетворительную работу. Описание таких устройств и их настройка с конкретными двигателями переменного тока и являются предме- том настоящей статьи. Дальнейшее изложение будет постро- ено следующим образом. Вначале будут рассмотрены принципиальные схемы устройств – стабилизаторов скорости вращения электродвигателей на базе микросхем U2008B/U2010B, описан принцип их работы и настройка. Затем будут приведены разводка и фотогра- фии плат, а также фотографии собран- ных устройств. Далее будут показаны примеры применения этих устройств с двигателем, установленным в стойку для дрели, и двигателем, на базе кото- рого сконструированы небольшая циркулярная пила и точильный ста- нок (последние две опции объединены в одном общем устройстве). Предварительные замечания о характеристиках электродвигателей Как известно, крутящий момент дви- гателя, рассматриваемого в настоящей статье, нелинеен. Он имеет два макси- мума: один – при нулевой частоте, т.е. при полностью заторможенном дви- гателе, второй – при относительно высоких частотах, приближающих- ся к максимальным. Наиболее интере- сен диапазон низких частот вплоть до нулевой частоты (особенно в режимах сверления). Кроме того, крутящий момент M про- порционален квадрату тока I, протекаю- щего через двигатель, т.е. M = kI 2 , где k – коэффициент пропорциональности. В качестве «подопытных кроликов» для проверки работоспособности устройств на базе микросхем U2008B/