Электронный регулятор хода

Электронный регулятор хода

Электронный регулятор хода (англ.  ESC, Electronic Speed Controller ) — устройство для управления оборотами электродвигателя, применяемое на радиоуправляемых моделях с электрической силовой установкой.

Электронный регулятор хода позволяет плавно варьировать электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель. В отличие от более простых резистивных регуляторов хода (в настоящее время практически не применяются в моделизме), которые управляли мощностью двигателя путём включения в цепь последовательно с мотором активной нагрузки, превращающей избыточную мощность в тепло, электронный регулятор хода обладает значительно более высоким КПД, не расходуя энергию аккумуляторной батареи на бесполезный нагрев.

Виды двигателей и принцип работы

Двигатели делятся на три типа: коллекторный, асинхронный и бесколлекторный. В большинстве электроинструментов стоит первый тип. Этот электродвигатель имеет довольно компактный размер. Его мощность значительно выше, чем у асинхронного, а цена довольно низкая. Что касается асинхронных, то этот тип в основном используется в металлообрабатывающей отрасли, а также широкое распространение они получили в угледобывающих шахтах. Довольно редко их можно встретить в быту.

Бесколлекторный электродвигатель используется там, где нужны большие обороты, точное позиционирование и малые размеры. Например, в различной медицинской технике, авиамоделировании. Принцип работы довольно прост. Если рамку прямоугольной формы, которая имеет ось вращения, поместить между плюсами постоянного магнита, то она начнет вращаться. Направление зависит от направления тока в рамке. В составе этого типа присутствуют якорь и статор. Якорь вращается, а статор стоит неподвижно. Как правило, на якоре стоит не одна рамка, а 4,5 или более.

Асинхронный двигатель работает по другому принципу. Благодаря эффекту переменного магнитного поля в статорных катушках он приводится во вращение. Если углубиться в курс физики, то можно вспомнить, что вокруг проводника, через который проходит ток, создается своеобразное магнитное поле, заставляющее вращаться ротор.

Принцип работы бесколлекторного типа основан на включении обмоток так, чтобы магнитные поля статора и ротора были ортогональны друг другу, а вращающий момент регулируется специальным драйвером.

На рисунке отчетливо видно, что для перемещения ротора нужно выполнить необходимую коммутацию, но и регулировать обороты не представляется возможным. Тем не менее бесколлекторный двигатель может очень быстро набирать обороты.

Режимы работы.

1. Индикация перегрузки и последующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.
2. Индикация перегрузки, последующий сброс на минимальные обороты, после снятие нагрузки с инструмента, восстанавливаются установленные обороты, т.е. происходит авто старт. Данный режим устанавливается при отсутствии перемычки, и является режимом по умолчанию.
3. Только индикация перегрузки, без остановки двигателя и защиты.

Внешний вид и расположение элементов.

1. Напряжение питания ≈220 В.
2. Нагрузка, коллекторный двигатель. Максимальная нагрузка 2.2 кВт
3. Светодиод индикации перегрузки. (в версии 2021 года,установлен SMD светодиод — посмотреть)
4. Регулировка компенсации нагрузки.
5. Регулировка перегрузки.
6. Переменный резистор регулировки оборотов двигателя.
7. Регулировка пределов регулировки скорости.
8. Перемычка для установки режима работы устройства.
9. Шунт R6, измерителя тока.

В версии 2021 года установлен smd светодиод, при этом отверстия для монтажа обычного светодиода оставлены, если вы хотите установить выводной светодиод (иногда это необходимо, если вы хотите удалить индикацию от платы при установке его в корпус), удалите штатный smd светодиод и впаяйте необходимый вам.

Обращаю ваше внимание на то, что включая устройство с неподключенным шунтом вы можете вывести из строя ИМС U2010B! Не подавайте питание на регулятор пока не смонтируете на нем шунт и переменный резистор.

Размеры изделия (63 мм x 42 мм).

Регулировка изделия.

Установите переменный резистор в положение соответствующем минимальным оборотам , подстроечный резистор R10 (компенсация нагрузки) установить в среднее положение , включаем устройство к сети 220В. Резистором R8 (amax) выставить минимальные обороты, Минимальные обороты должны быть таковы чтобы при включении питания двигатель начинал устойчиво вращаться. Далее необходимо настроить компенсацию нагрузки. Необходимо отметить что компенсация нагрузки, работает не во всем диапазоне оборотов двигателя, например на максимальных оборотах невозможно регулировать нагрузку так как на двигатель всегда подается максимальное напряжение. Установите обороты двигателя в среднее положение, при этом увеличивая нагрузку на валу любым доступным способом, например зажимая вал двигателя тряпкой, добейтесь поворотом резистора R10 такого состояния чтобы обороты двигателя были стабильными в независимости от нагрузки. В последнюю очередь настройте защиту от перегрузки. Выставьте обороты двигателя близко к минимальным и попробуйте затормозить двигатель выставив резистором R11 такое положение при котором при повышенной нагрузке загорался светодиод VD2, а при чрезмерном либо при заклинивании двигатель обесточивался.

На симистор VS1 для охлаждения возможно придется установить радиатор, а при мощности устройства более 1 кВт его установить просто необходимо чтобы избежать выход из строя устройства в результате перегрева.

Устройство может работать некорректно, если на двигателе установлена «конкурирующая» электроника, как пример в дисковой пиле Интерскол ДП-190 (посмотреть), установлен «плавный старт» и если его не убрать, то пила будет дергатся, обороты плавать, убедитесь что у вас нет ничего подобного!

Типы регулировки

Существует довольно много вариантов регулировки оборотов. Вот основные из них:

• Блок питания с регулировкой выходного напряжения.
• Заводские устройства регулировки, которые идут изначально с электромотором.
• Регуляторы на кнопочном управлении и стандартные регуляторы, которые просто ограничивают напряжение.

Эти типы регулировки плохи тем, что с уменьшением или увеличением напряжения падает и мощность. В некоторых электроинструментах это допустимо, но, как показывает практика, в большинстве случаев это является неприемлемым из-за сильного падения мощности и, соответственно, КПД.

Наиболее приемлемым вариантом будет регулятор на основе симистора или тиристора. Мало того что такой регулятор не уменьшает мощность при уменьшении напряжения, он еще и позволяет осуществлять более плавный пуск и регулировку оборотов. К тому же такую схему можно сделать своими руками. Ниже изображен регулятор оборотов с поддержанием мощности. Схема собрана на базе симистора BTA 41 800 В.

Все номиналы электроэлементов обозначены на схеме. Это схема после сборки, работает довольно стабильно и обеспечивает плавную регулировку коллекторного двигателя. При уменьшении выходного напряжения мощность не уменьшается, что является весомым плюсом.

При желании можно собрать регулятор оборотов коллекторного двигателя 220 В своими руками. Эта схема собрана на базе симистора ВТА26−600, который предварительно необходимо установить на радиатор, так как при нагрузке этот элемент довольно сильно греется.

К готовой схеме возможно подключить электромотор, мощность которого не превышает 4 кВт.

Схема выглядит следующим образом.

Она успешно справится с регулировкой таких электроинструментов, как дрель, болгарка, циркулярка, лобзик. При желании можно использовать схему в качестве регулятора мощности ТЭН-ов, обогревателей и в качестве диммера. К минусам можно отнести невозможность регулировки мощности приборов, которые питаются от постоянного тока.

Регулятор оборотов

Понадобился регулятор оборотов коллекторного двигателя. Регулятор оборотов на Ардуино с поддержанием оборотов. Двигатель от стиральной машинки-автомата.

В схеме были сделаны небольшие изменения. Кое что выкинул. Некоторые компоненты заменены другими. Были добавлены 2 аналоговых входа, на них можно повесить датчик температуры и следить за температурой двигателя, и радиатора на котором сидит симистор управляющий двигателем.

Если вы выполняете кратковременные работы, то датчик температуры и не нужен. Ну а если двигатель будет много работать, то неплохо с помощью датчика, Ардуино следило за температурой, и при перегреве отключало двигатель пока тот не остынет.

На этом двигателе уже присутствует тахогенератор, но в моем случае он не работает — вышел из строя. Вместо тахогенератора буду устанавливать датчик холла. Выкидываем катушку нерабочего тахогенератора, оставляем только магнит на валу. Устанавливаю датчик холла на электродвигатель.

Схема регулятора оборотов будет содержать в себе:

• Ардуино Нано
• Блок настроек, и управления оборотами
• Силовая часть
• Датчика скорости
• Защита (реле)
• Дополнительные входы и выходы

Ардуино Нано будет контролировать и управлять силовой частью

• А0 — регулировка оборотов двигателя
• А1 — настройка минимальных оборотов двигателя
• А2 — настройка максимальных оборотов двигателя
• А3 — выход управления симистором
• А4 — дополнительный аналоговый вход (не задействован)
• А5 — выход управления реле
• А6 — дополнительный аналоговый вход (не задействован)
• А7 — разгон или плавный старт
• D2 — сигнал перехода через ноль
• D4 — дополнительный выход
• D6, D7 — тахогенератор
• D8 — датчик холла

Блок настроек, и управления оборотами

Силовая часть будет управлять двигателем. Разъем Р1 — для подключении к сети 220В. Р3 — для установки перемычки в зависимости от блока питания.

При установке блока питания с выходным напряжением 5 вольт, на разъеме Р3 нужно установить перемычку на контакты 2 и 3. При выходном напряжении блока питания 7-12 вольт перемычку устанавливаем на контакты 1 и 2.

Не забывайте, при выборе блока питания нужно учитывать, что реле питается выходным напряжением с блока питания. Поэтому выбирайте блок питания и реле на одно напряжение.

На выводы 220V0 И 220V1, подается сетевое напряжение 220 Вольт.

Схема будет питаться импульсным блоком питания с выходным напряжением 5 вольт. Импульсный блок питания, возьмём уже готовый. Так же схему можно питать от 7 до 12 вольт. На плате есть перемычка переключения напряжения 5/12v. Так же можно питать схему и зарядным от телефона, только проверьте выходное напряжение, там не должно быть выше 5 вольт.

При установки перемычки на 5 вольт напряжение поступает напрямую на шину +5 вольт. Реле надо будет установить на 5 вольт.

При установки перемычки на 12 вольт напряжение поступает на вход Ардуино Vin. В этом случае можно питать схему напряжением 7-12 вольт. но и реле должно быть на такое напряжение, какое выходит с блока питания.

Датчик скорости в двух исполнения. На тахогенераторе или на датчике холла.

Схема разрабатывалась так, что бы обороты можно было считывать с тахогенератора, уже установленные на двигателях машинок-автоматов. Разъем Р4 служит для подключения тахогенератора.

А так же при отсутствии или неисправности тахогенератора можно заменить на датчик холла.

Реле служит защитой от пробоя симистора. Когда симистор пробивает, двигатель будет выходить на максимальные обороты, и это очень опасно . А что бы этого не случилось, контроллер отслеживает частоту вращения двигателя, и при превышении установленных оборотов реле отключает двигатель. Как обороты упадут ниже нормы, реле включится. Разъем Р7 — для подключения коллекторного электродвигателя.

Дополнительные входы и выходы

Иногда к устройству охота еще что нибудь прикрутить для удобства. Здесь добавлен дополнительный выход, он сейчас на плате указан как светодиод LED1. этот выход можно использовать под свои нужды. Можно пустить этот выход для управления вентилятором охлаждения двигателя и тд.

Еще есть два дополнительных аналоговых входа, которые тоже можно задействовать как писал выше, например контролировать температуру двигателя и симистора.

Верхний слой печатной платы

В конце статьи находится архив со всеми файлами для повторения данного проекта

Настройка регулятора

Настройка не сложная, поэтапная, так же можно протестировать все узлы регулятора на правильную работу.

Виды и особенности устройства

Существует множество видов вентиляторов, они задействованы в работе систем климат-контроля, компьютеров, ноутбуков, холодильников, многой другой офисной и бытовой техники.

Чтобы контролировать скорость вращения его лопастей, часто применяется небольшой элемент – регулятор. Именно он позволяет продлить срок использования оборудования, а также, значительно снизить уровень шума в помещении.

Назначение прибора для управления скоростью

Когда кондиционер или вентилятор постоянно работает в режиме максимальной мощности, предусмотренной производителем, это неблагоприятно сказывается на сроке эксплуатации. Отдельные детали просто не могут выдержать такой ритм и быстро ломаются.

Поэтому часто можно встретить рекомендации делать запас по мощности при выборе различного рода оборудования, чтобы оно не работало на пределе.

Также часто в холодильных установках, компьютерах и другой технике определенные элементы перегреваются в процессе работы. Чтобы они не расплавились, производитель предусмотрел их охлаждение за счет работающих вентиляторов.

Но не все выполняемые задачи требуют максимальной скорости движения вентилятора/кулера. При офисной работе компьютера или поддержании постоянной температуры в холодильной установке нагрузка значительно меньше, чем при выполнении сложных математических вычислений или заморозке соответственно. А вентилятор, не имеющий регулятора, будет вращаться с одинаковой скоростью.

Скопление большого количества мощной техники, функционирующей в одном помещении, способно создавать шум на уровне 50 децибел и более за счет одновременно работающих вентиляторов на максимальных оборотах.

В такой атмосфере человеку сложно работать, он быстро утомляется. Поэтому целесообразно использовать приборы, способные снизить уровень шума вентилятора не только в производственных цехах, но и в офисных помещениях.

Помимо перегрева отдельных деталей и снижения уровня шума регуляторы позволяют рационально использовать технику, уменьшая и увеличивая при необходимости скорость вращения лопастей оборудования. Например, в системах климат-контроля, используемого во многих общественных местах и производственных помещениях.

Одной из важных деталей умных приборов потолочного вентилирования помещения являются регуляторы оборотов. Их работу обеспечивают показатели датчиков температуры, влажности, давления. Вентиляторы, используемые для перемешивания воздуха в помещении спортзала, производственного цеха или офисного кабинета, помогают экономить средства, затрачиваемые на отопление.

Это происходит за счет равномерного распределения нагретого воздуха, циркулирующего в помещении. Вентиляторы нагнетают верхние теплые слои вниз, перемешивая их с более холодными нижними. Ведь для комфорта человека важно, чтобы в нижней части комнаты, а не под потолком, было тепло. Регуляторы в таких системах следят за скоростью вращения, замедляя и ускоряя скорость движения лопастей.

Основные разновидности регуляторов

Контроллеры оборотов вентилятора востребованы. Рынок изобилует различными предложениями и рядовому пользователю, не знакомому с особенностями устройств, легко потеряться среди различных предложений.

Регуляторы отличаются по принципу действия.

Выделяют такие типы устройств:

• тиристорные;
• симисторные;
• частотные;
• трансформаторные.

Первый тип приборов применяется для корректировки оборотов однофазных приборов, имеющих защиту от перегрева. Изменение скорости происходит за счет влияния регулятора на мощность подаваемого напряжения.

Второй тип является разновидностью тиристорных устройств. Регулятор может одновременно управлять приборами постоянного и переменного тока. Характеризуется возможностью плавного понижения/повышения скорости оборотов при напряжении вентилятора до 220 В.

Третий тип устройств изменяет частоту подаваемого напряжения. Основная задача – получить питающее напряжение в пределах 0-480 В. Контроллеры применяются для трехфазного оборудования в системах вентилирования помещений и в мощных кондиционерах.

Трансформаторные контроллеры могут работать с одно- и трехфазным током. Они изменяют выходное напряжение, регулируя работу вентилятора и защищая прибор от перегрева. Могут использоваться в автоматическом режиме для регулировки оборотов нескольких мощных вентиляторов, учитывая показатели датчиков давления, температуры, влажности и прочие.

Чаще всего в быту применяются симисторные регуляторы. Их относят к типу XGE. Можно обнаружить много предложений от разных производителей – они компактные и надежные. Причем диапазон цен также будет весьма широк.

Трансформаторные же устройства довольно дорогие – в зависимости от дополнительных возможностей они могут стоить 700 долларов и более. Они относятся к регуляторам типа RGE и способны регулировать обороты очень мощных вентиляторов, используемых в промышленности.

Особенности использования приборов

Регуляторы оборотов вентилятора используются в промышленном оборудовании, в офисных помещениях, спортзалах, кафе, других местах общественного пользования. Также часто можно встретить такие контролеры в системах климат-контроля для домашнего использования.

Системы вентилирования, используемые в фитнес-центрах, а также, кондиционеры, включаемые для обогрева в офисных помещениях, чаще всего содержат регулятор скорости вращения. Причем это не простой дешевый вариант, а дорогостоящее трансформаторное устройство, способное регулировать скорость вращения мощных приборов.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

1. Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.

1. Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

• плавное регулирование;
• изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
• жесткие механические характеристики;
• экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

• жесткие механические характеристики двигателя;
• высокий КПД.

• ступенчатая регулировка;
• большой вес и габаритные размеры;
• высокая стоимость электромотора.

Работа регулятора

Включение

После включения двигатель издает 1 короткий сигнал (если звук не отключен), включается и постоянно светится светодиод. Регулятор готов к работе.

Для запуска двигателя следует увеличивать величину задающего сигнала. В случае использования задающего потенциометра, запуск двигателя начнется при достижении задающего напряжения уровня примерно 0.14 В. При необходимости можно выполнить калибровку входного сигнала, что позволяет использовать раные диапазоны управляющих напряжений. По умолчанию настроен демпфер задающего сигнала. При резком скачке задающего сигнала обороты двигателя будут расти плавно. Демпфер имеет несимметричную характеристику. Сброс оборотов происходит без задержки. При необходимости демпфер можно настроить или вовсе отключить.

Запуск

При опрокидывании двигателя или механическом заклинивании ротора срабатывает защита, и регулятор пытается перезапустить двигатель.

Запуск двигателя с датчиками Холла также выполняется с применением настроек для старта двигателя. Т.е. если для запуска двигателя с датчиками дать полный газ, то регулятор подаст напряжение, которое указано в настройках для старта. И только после того, как двигатель начнет вращаться, будет подано полное напряжение. Это несколько нестандартно для двигателя с датчиками, поскольку такие двигатели в основном применяются как тяговые, а в данном случае достичь максимального крутящего момента на старте, возможно, будет сложно. Тем не менее, в данном регуляторе присутствует такая особенность, которая защищает двигатель и регулятор от выхода со строя при механическом заклинивании двигателя.

Во время работы регулятор выдает данные об оборотах двигателя, токе, напряжении батарей через порт UART в формате:

Данные выдаются с периодичностью примерно 1 секунда. Скорость передачи по порту 9600.

Настройка регулятора

Переход регулятора в режим настройки происходит при включении регулятора, когда задающий сигнал потенциометра больше нуля. Т.е. Для перевода регулятора в режим настройки следует повернуть ручку задающего потенциометра, после чего включить регулятор. В терминале появится приглашение в виде символа «>«. После чего можно вводить команды.

Регулятор воспринимает следующие команды (в разных версиях прошивки набор настроек и команд может отличаться):

h — вывод списка команд; ? — вывод настроек; c — калибровка задающего сигнала; d — сброс настроек к заводским настройкам.

команда «?» выводит в терминал список всех доступных настроек и их значение. Например: Изменить нужную настройку можно командой следующего формата:

<настройка>=<значение>

pwm.start=15

Если команда была дана корректно, настройка будет применена и сохранена. Проверить текущие настройки после их изменения можно командой «?«.

Измерения аналоговых сигналов (напряжение, ток) выполняются с помощью АЦП микроконтроллера. АЦП работает в 8-ми битном режиме. Точность измерения занижена намеренно для обеспечения приемлемой скорости преобразования аналогового сигнала. Соответственно, все аналоговые величины регулятор выдает в виде 8-ми битного числа, т.е. от 0 до 255.

Список настроек, их описание:

* — числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя. Рассчитывается по формуле: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5 Где: U — напряжение в Вольтах; R5, R6 — сопротивление резисторов делителя в Омах.

** — числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя. Рассчитывается по формуле: ADC = U*255/5 Где: U — напряжение датчика тока в Вольтах, соответствующее требуемому току.

Фьюзы микроконтроллера должны быть выставлены на работу с внешним кварцем. Строка для программирования фьюзов с помощью AVRDUDE: