Servo regulatori motora jednosmerne struje sa četkicama (i sa kolektorom)

UvodMotori jednosmerne struje sa četkicama (DC motori) danas su najzastupljeniji tip motora jednosmerne struje i imaju širok spektar upotrebe. Motori ovog tipa nisu skupi i proizvode se u različitim veličinama, odnosno, sa različitim performansama. DC motori se mogu naći u mašinama različite namene i konstrukcije, kako u običnim igračkama, tako i u industrijskim mašinama velike snage.

Takođe, metodi upravljanja ovim motorima nisu komplikovani, kao ni realizacija pogonske elektronike, odnosno drajvera koji upravljaju samim radom motora, u skladu sa instrukcijama upravljačke jedinice.

Postoje dve osnovne konstrukcije DC motora sa četkicama: Sa permanentnim magnetom. Sa namotajima na statoru, koji služe kao elektromagneti.

Sledi kratak opis konstrukcije DC motora sa permanentim magnetom, a princip funkcionisanja motora sa elektromagenetom na statoru je isti.

Glavni konstrukcioni delovi DC motora sa četkicama su (slika 1):1. Mehanički komutator.2. Četkice. 3. Rotor.4. Stator.

Mehanički komutator. Za razliku od AC indukcionih motora i DC motora bez četkica (brushless DC), kod DC motora sa četkicama nije potrebno menjati elektronskim putem protok stuje kroz namotaje motora u cilju kontinualnog obrtanja rotora. Ovaj problem se rešava upotrebom komutatora koji je konstruisan u vidu prstena sa više delova spregnutih sa rotorom, koji tokom svoje rotacije zajdno sa rotorom, menja u određenim trenucima, smer protoka struje kroz namotaje rotora i omogućava kontinualno obrtanje rotora, slika 1.

Slika 1- DC motor sa četkicama. Slika 2 - Rotor DC motora sa četkicama

1/6

Četkice. Četkice, prema slici 1, odnosno grafitni segmenti, koji su prislonjeni uz komutator uz pomoć opruga, kao na slici 2, služe da snabdevaju motor, odnosno rotor, strujom tokom njegovog rada. One su podložne trošenju, odnosno habanju u toku vremena i to je jedna od mana motora sa četkicama. Četkice imaju svoj radni vek i ako se motor intenzivno koristi posle određenog vremena potrebno ih je zameniti.

Rotor.Kako mu i samo ime kaže, to je sklop motora koji proizvodi obrtni moment, slika 2. Sastoji se od namotaja koji se napajaju strujom i proizvode magnetsko polje u svojoj okolini. Interakcija magnetskih polja suprotnih polova rotora i statora i održavanje ispravnog smera protoka struje u vremenu kroz komutator, omogućava razvijanje obrtnog momenta na vratilu rotora srazmerno pobudi, odnosno jačini struje koja se propušta kroz namotaje rotora.

Stator.Stator, slika 1, proizvodi konstanto magnetsko polje primenom permanentnih magneta, ili i upotrebom elektromagneta, odnosno, upotrebom namotaja kroz koje protok struje izaziva magnetsko polje. Stator može biti višepolni, odnosno, može se sastojati iz više magneta različitih polova. Najprostiji je primer dvopolnog statora sa permantnim magnetom, kakav je prikazan na slici 1.

Momentna karakteristika DC motora sa četkicama.

Pri izboru motora jedna od najbitnijih karakteristika motora je njegova momentna karakteristika, odnosno, zavisnost obrtnog momenta na vratilu rotora od brzine obrtanja rotora. Na slici 3 su prikazane momentne karakteristike jedne familije DC motora sa permanentnim magnetima, pod oznakom AXEM od proizvođača PARVEX.

↑Slika -4 Generalizovana momentna karakteristika DC motora

←Slika -3 Momentne karakteristike jedne familije DC motora

2/6

Sa slike 3 je moguće zaključiti da jednosmerni motori imaju (zavisno od serije) manje, ili više konstantan moment do maksimalnog broja obrtaja, koji je proizvođač propisao za određeni tip motora. Ukoliko se ovaj broj obrtaja prekorači, motor ulazi u režim slabljenja polja i njegova momentna krakteristika naglo opada. DC motori nisu predviđeni da rade van opsega maksimalnog broja obrtaja, niti bi ih trebalo izlagati uslovima koji zahtevaju brzine koje su blizu maksimalnog broja propisanog za određeni tip motora. Takođe, na momentnim karakteristikama su kosim vertikalnim crtama propisane granične vrednosti maksimalnog broja obrtaja motora u zavisnosti od napajanja iz servo pojačavača, slika 4. Vidi se da ako se napon napajanja dodatno poveća, moguće je poboljšati momentnu karakteristiku motora, odnosno ostvariti veći maksimalni broj obrtaja motora i zadržati zadovoljavajući obrtni moment u isto vreme. Međutim, ovakvo rešenje može prouzrokovati implikacije u vidu pregrevanja motora. Na slikama 3 i 4 su osenčeni zelenom bojom regioni sa termički stabilnim područijem rada, u kojima motor može da nesmetano radi. Takođe, za motore koji nose oznake F9M2 i F12M2 (slika 3), proizvođač, iako je propisao maksimalnu vrednost napajanja servo pojačavača do 22, odnosno 36 V, ne može da garantuje da će oni raditi termički stabilno, odnosno, bilo bi potrebno uvesti dodatno hlađenje. Trebalo bi izbegavati upotrebu motora u ovim regionima, odnosno u startu se opredeliti za motore koji imaju povoljniju momentnu karakteristiku u odnosu na zahteve koje treba da ispune. Uporedo je na slici 4 pokazana i generalizovana momentna karateristika, kojom se može predstaviti DC motor. Na slici je bitno primetiti sledeće činjenice: DC motor će imati prilično konstantan obrtni moment, odnosno nominalni obrtni moment do trenutka dostizanja maksimalnog

broja obrtaja . Ovakva aproksimacija je prilično precizna, a takođe olakšava sve potrebne proračune. Ako se maksimalni broj obrtaja prekorači, momentna karakteristika se naglo pogoršava i motor dalje ne može normalno da radi zbog izrazitog slabljenja obrtnog momenta i efekta dodatnog zagrevanja. Iz izloženog je jasno da je momentna karakteristika motora jedan od najbitnijih parametara pri izboru motora, odnosno pri projektovanju sistema u kojem će on biti implementiran.

Struktura servo regulatora brzine motoraNa slici 5 prikazan je blok dijagram PID regulatora koji upravlja brzinom DC motora (M). Na slici je pokazana zatvorena brzinska petlja, odnosno negativna povratna sprega koja je zatvorena upotrebom taho generatora (T).

Slika 5 – Blok šema DC regulatora

3/6

Napon na taho generatoru je srazmeran ostvarenoj brzini motora ( ). Taj napon se sa predznakom “-” uvodi u sabirač. U sabirač se takođe uvodi i napon koji je srazmeran zadatoj, odnosno željenoj brzini motora ( ). Izlaz iz sabirača je napon srazmeran greški brzine

motora . Napon greške se dalje uvodi u PID regulator, koji se sastoji iz P, I i D blokova. Izlazni naponi iz tih blokova se sabiraju i predstavljaju napon koji se dalje pojačava u izlaznom Linearnom, ili u PWM stepenu, radi korigovanja ostvarene brzine na zadatu.Svaki od P, I i D blokova ima svoju konstantu ( , i ), koje se podešavaju po određenim procedurama (jedna od njih je klasična Ziegler-Nichols), kako bi se sistem doveo u stabilno (željeno stanje.).

Ulazni sabirač, kao i PID regulator, danas se najčešće realizuju upotrebom analognih interisanih kola, kao što su operacioni pojačavači i dodatnih pasivnih komponenata, uglavnom kondenzatora i otpornika, od čijih vrednosti i zavise konstante , i .

Servo pojačavački stepen, odnosno izlazni stepen, može biti izrađen kao linearan, ili kao stepen koji primenjuje tehniku širinske modulacije. Linearni stepen je karakterističan po manjem stepenu iskorišćenja, većim dimenzijama i većoj disipaciji. Prednost ove realizacije je što emituje manju količinu elektromagnetskih smetnji u svoju okolinu.PWM (Pulse Width Modulation) je tehnika koja koristi metodu širinske modulacije u pobuđivanju izlaznog stepena. Izlazni tranzistori se pobuđuju kvadraturnim signalom sa promenjlivim vremenom trajanja širine impulsa, od čega direktno zavisi izlazna snaga. Na ovaj način postižu se veća efikasnost, manja disipacija i manje dimenzije regulatora.

Diferencijalna jednačina sistema nultog reda sa PID regulatorom, kakav je pokazan na slici 5, ima sledeći oblik:

,

gde su: : odziv sistema, brzina motora,

: signal greške,

: pojačanje proporcionalnog dejstva,

: pojačanje integralnog dejstva i

: pojačanje diferencijalnog dejstva.Motor u ovom sistemu ne savladava inerciono opterećenje. U tablici 1 prikazan je uticaj pojedinačnih pojačanja na ponašanje sistema sa PID regulatorom.

Tablica 1 Efekti uzajamno nezavisnog povećavanja pojačanja

PojačanjeVreme porasta

PrebačajVreme

stabilizacijeStatička greška

Stabilnost sistema

Smanjuje Povećava Malo menja Smanjuje Narušava

Smanjuje Povećava Povećava Eliminiše Narušava

Neznatno menja

Smanjuje SmanjujeTeorijski bez

efektaPopravlja ako je malo

4/6

Neki od uticaja pojedinačnih pojačanja iz tablice 1 pokazani su i na slici 6. Ulaz u sistem je klasična Hevisajdeova odskočna funkcija. Može se videti da kompletni PID regulator eliminiše statičku grešku zahvaljujući prisustvu integracionog dejstva. Takođe, nema ni oscilovanja, jer je uključeno i diferencijalno dejstvo.

Slika 6 – Tipično dejstvo pojedinih komponenata PID regulatora

Komercijalo raspoloživi sistemiPrimer jednog komercijalno raspoloživog DC servo sistema, koji obuhvata DC motor i DC PWM servo regulator, prikazan je na slici 7.

Slika 7- Parvex DC servo regulator i DC motori sa četkicama

Sistem sa slike 7 je kompletno komercijalno raspoloživo rešenje, gde su prikazani DC motori sa četkicama i odgovarajući regulator za njihovo upravljanje. Neki parametri sistema motora sa regulatorom sa slike 7 su: Opseg maksimalne sanage regulatora do 6500 W. Tip servo pojačavačkog stepena: PWM. Integrisani kočioni otpornici i potrebne naponske reference.

5/6

Mogućnost povezivanja sa taho generatorom. Kontrola brzine, ili obrtnog momenta motora. Kontrola struje u zavisnosti od brzine ili zagrevanja motora, itd.

Na slici 7 je takođe prikazano nekoliko vrsta motora. Prvi motor (gledano odozgo) je AXEM “pločasti” motor, koji je jako popularan i prodat je u više od 2 miliona primeraka.Obrtni momenti ovih motora se mogu kretati od 0,14 Nm do 44 Nm, sa radnim strujama od 6,4 do 44 A i maksimalnim brzinama motora od 3000 do 4800 o/min. ZaključakIako danas upotreba DC motora nije više široko rasprostranjena, još uvek se proizvode zajedno sa potrebnim servo regulatorima i dalje imaju svoja polja primene. Mogu se naći u mašina malih dimenzija i snaga, kao što su CD plejeri, Hard diskovi, u nekim igračkama itd. Takođe, oblast njihove primene uključuje i mašine velikih dimenzija i snaga, kao što su prese, mašine za valjanje (valjaonički stanovi), štamparske mašine itd. Prednosti DC motora su tiši rad, nemaju problema sa rezonatnim pojavama, mogu razvijati velike snage naspram svojih dimenzija i ne greju se mnogo. Glavne mane su što se četkice vremenom troše i moraju se menjati, dok je komutator izložen habanju, pa je i njega potrebno servisirati posle intenzivnog korišćenja motora. DC motori, iako danas nisu više zastupljeni u širokoj upotrebi kao nekada, mogu pronaći svoju primenu u mašinama za koje zadovoljavaju odnos cene i performansi, a koje ovi motori pružaju. DC motrori, kao i DC servo regulatori, relativno su jeftini i laki za realizaciju i pogodni su za primenu u mašina koje nemaju zahteve za vrhunskim performansama i tačnošću rada. Takođe, DC motori i prateća oprema i dalje se proizvode i u vidu rezevnih delova za postojeće mašine i postrojenja.

6/6