KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW

ELEKTRYCZNYCH

Kierunek studiów: ED
Specjalność: AP
Przedmiot: Elementy i Podzespoły Automatyki 3
Kod przedmiotu: E29310

BADANIE SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z KOMUTACJĄ

ELEKTRONICZNĄ

dr inż. Adam Sołbut

2004-11-15

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI

I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Ogólne zasady bezpieczeństwa

Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją
dydaktyczną do stanowiska laboratoryjnego.

Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu,
a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić
prowadzącego.

Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody
prowadzącego.

Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu
dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy
dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich działań.

Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez
zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą
prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania stanowiska.

Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana
przyrządu) w

układzie znajdującym się pod napięciem jest

niedozwolone.

W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego
o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed
uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od tych części
czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym.

Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż
opisane w instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie
obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska.

Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym
stanowiskiem laboratoryjnym.

Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów
sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych
podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.

W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania
(np. swąd spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko
i odłączyć przewód zasilający.

Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności
serwisowe, oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane
przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu stanowiska.

Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych
podanych w instrukcji lub na obudowie urządzenia.

2

Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej
szmatki. Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników.

Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory,
zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:

- Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego

wyrobu.

- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy

są one dołączone do źródła napięcia.

- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny

w kablu zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być
podłączony do przewodu ochronnego sieci.

- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia

ochronnego. Nie należy podłączać go do punktów o wyższym potencjale.

- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać

palce nad pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych
części grotu, gdy sonda jest podłączona do źródła napięcia

- Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania

pomiarów

3

BADANIE SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z KOMUTACJĄ

ELEKTRONICZNĄ

1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem

ćwiczenia jest poznanie podstawowych właściwości silników

prądu stałego z komutacją elektroniczną, ich właściwości statycznych
i dynamicznych.

2. Zasada działania silnika wykonawczego prądu stałego z komutacją
elektroniczną

W żłobkowanym, blachowanym stojanie silnika znajduje się uzwojenie

trójpasmowe, symetryczne, połączone w gwiazdę o osiach magnetycznych pasm
przesuniętych w przestrzeni o 120 stopni. Wirnik silnika stanowi dwubiegunowy
magnes trwały, spolaryzowany średnicowo, wykonany w formie walca
o symetrycznie ściętych bokach tak, aby współczynnik zapełnienia podziałki
biegunowej

∝

=b/τ zawierał się w granicach 0,6 – 0,7, tak jak w każdej maszynie

prądu stałego (b – długość łuku bieguna, τ=

π

D/p – podziałka biegunowa,

D-średnica wirnika).

W korpus silnika wbudowany jest czujnik położenia magneśnicy. Jego

nadajnik, połączony mechanicznie z wałem magneśnicy, ma postać półwalca
wykonanego z magnesu trwałego i jest umieszczony wewnątrz
ferromagnetycznego „stojana”, w którym rozmieszczone są trzy czujniki
hallotronowe, podobnie jak pasma uzwojeń przesunięte względem siebie
w

przestrzeni o 120 stopni. Wskutek działania na hallotrony pola

magnetycznego nadajnika wykrywacza położenia generowane są impulsy
napięciowe sterujące pracą komutatora. W realnych komutatorach impulsy te są
na ogół wzmacniane i kształtowane na przebieg prostokątny.
Komutator omawianego silnika składa się z trzech tranzystorów T1, T2, T3,
połączonych szeregowo odpowiednio z pasmami 1, 2, 3, uzwojenia, pracujących
w układzie klucza. W położeniu pokazanym na rys.1, hallotron1 wysterowuje
tranzystor T1 i przez pasmo 1 uzwojenia płynie prąd I

1

, podczas gdy tranzystory

T2 i T3 znajdują się w stanie zablokowanym. Współdziałanie przepływu
pasma

1 uzwojenia ze strumieniem magneśnicy daje moment

elektromagnetyczny, powodujący obrót wirnika, a wraz z nim również magnesu
wykrywacza położenia. W chwili, gdy kąt obrotu wirnika przekroczy 30 stopni
hallotron 2 wysterowuje tranzystor T2 i prą zaczyna płynąć również przez
pasmo 2 uzwojenia, a po przekroczeniu 90 stopni zostają zablokowane
tranzystory T1 i T3, a przewodzi tylko tranzystor T2 itd. Warto zauważyć,
że moduł przepływu uzwojenia jako całość nie ulega zmianie (suma
geometryczna dwóch jednakowych fazorów przesuniętych w przestrzeni o 120
stopni jest równa jednemu z nich), natomiast zmienia się skokowo w trakcie

4

obrotu wirnika kat

ϑ między osiami przepływu uzwojenia twornika i strumienia

wzbudzenia.

Moment elektromagnetyczny opisywanego silnika jest proporcjonalny do

iloczyn przepływu uzwojenia twornika, strumienia wzbudzenia i sinusa kąta
między ich kierunkami:

M=k

ΦΘ

sin

ϑ

gdzie:

Θ - przepływ uzwojenia.

1

T1

3’

2’

1’

2

3

T3

T2

I

1

S

N

+

U

-

Rys.1 Zasada konstrukcji i działania mikrosilnika bezszczotkowego prądu stałego

o magnesach trwałych.

1, 2, 3 – pasma uzwojenia stojana,

1’, 2’, 3’ – hallotrony,

T1, T2, T3 – tranzystory.

30

0

90

0

150

0

210

0

270

0

330

0

M

α

Rys.2 Zależność momentu elektromagnetycznego mikrosilnika bezszczotkowego od kąta

położenia magneśnicy M = f(

α

).

5

Podobnie jak w trójżłobkowym mikrosilniku komutatorowym, będziemy tu

mieli do czynienia z pulsacjami prądu i momentu. Na rysunku 2 widać
zależność rozwijanego przez silnik momentu od kąta obrotu wału wskutek
skokowo zmieniającego się kąta

ϑ.

Warto podkreślić dwie szczególne cechy silników z komutacją elektroniczną:

pojawienie się wskutek zmian kąta

ϑ podłużnej składowej oddziaływania

twornika - domagnesowującej obwód główny przy

ϑ ≤ π/2 i rozmagnesowującej

przy

ϑ ≥ π/2 – tej ostatniej mogącej spowodować całkowite lub częściowe

rozmagnesowanie w czasie rozruchu niewłaściwie dobranego magnesu wirnika
oraz „zmiękczenie” w stosunku do silnika konwencjonalnego charakterystyki
mechanicznej ze względu na znacznie większą indukcyjność komutującego
pasma uzwojenia w stosunku do indukcyjności kilku zwojów uzwojenia silnika
komutatorowego zwieranych w czasie komutacji. Duża indukcyjność
komutującego pasma bezpośrednio powiększa elektromagnetyczna stałą czasu
silnika, a poprzez opóźnienie w narastaniu i zaniku prądu w przełączanym
paśmie powoduje zmniejszenie wydawanego momentu.

Na rysunku 3 można zaobserwować jakościowo wpływ indukcyjności

uzwojenia na przebieg charakterystyki mechanicznej.

W maszynach elektrycznych walcowych pole magnetyczne w szczelinie jest

prostopadłe do osi wału, a prąd płynie w przewodach ułożonych równolegle do
osi wału. Zgodnie z regułą lewej ręki siła elektrodynamiczna jest prostopadła
zarówno do wektora indukcji, jak i wektora prądu. W silnikach tarczowych
położenie wektora indukcji i wektora prądu zostały ze sobą zamienione, wektor
indukcji jest równoległy do osi wału, a wektor prądu prostopadły do osi wału.
Kierunek działania siły elektrodynamicznej pozostaje niezmieniony.

W silnikach tarczowych wielobiegunowe osiowe pole magnetyczne jest

wzbudzane przez magnesy trwałe rozmieszczone na tarczy stalowej, która pełni
funkcję jarzma. Wirnik jest bezrdzeniowy i ma kształt tarczy. Konstrukcyjnie
wirnik zawiera kilka warstw przewodów miedzianych uformowanych
promieniowo i zalanych żywicą. Połączenia czołowe uzwojenia pełnią
równocześnie funkcję komutatora, po którym ślizgają się szczotki.

Komutator w silniku tarczowym jest elementem najbardziej zawodnym. Duże

przeciążenia prądowe, w szczególności przy rozruchu, powodują miejscowe
przegrzanie uzwojenia i prowadzą do jego uszkodzenia. Magnesy trwałe
z pierwiastków ziem rzadkich (SmCo lub NdFeB) umożliwiają odwrócenie
budowy silnika, tzn. wykonanie tarczy wirnika o małej bezwładności
z magnesów trwałych i nieruchomego uzwojenia twornika. W tym przypadku
uzwojenie twornika musi współpracować z komutatorem elektronicznym.

Problemem konstrukcyjnym silników tarczowych z komutatorem

elektronicznym jest wykonanie jarzma stojana i uzwojenia twornika. Przy
wirujących magnesach trwałych pole magnetyczne w jarzmie stojana jest polem
zmiennym. Ze zmiennością tego pola są związane zarówno straty mocy czynnej

6

histerezowe, jak i straty od prądów wirowych. Zatem tarczowe jarzmo stojana
muszą być wykonane z cienkiej blachy stalowej. W silnikach tego typu
uzwojenia twornika są wykonane jako:

- uzwojenie

rdzeniowe

lub

- uzwojenie

bezrdzeniowe.

m=M/M

l

ν=Ω

r

/

Ω

0

1,0

0,5

0

1,0

0,5

L=0

L

1

≠0

α

st

=1

L=0

L

1

≠0

α

st

=0,5

Rys.3 Charakterystyki mechaniczne bezszczotkowego silnika prądu stałego dla parametru:

α

st

= U/U

N

, przy uwzględnieniu indukcyjności uzwojenia: M

l

– początkowy moment

rozruchowy,

Ω

0

– prędkość stanu jałowego

.

Uzwojenie rdzeniowe nawinięte jest na prostokątnym lub trapezowym

rdzeniu wykonanym z blachy ferromagnetycznej i przyklejone razem
z rdzeniem do wewnętrznej powierzchni jarzma. Zaleta tego wykonania jest
mała szczelina powietrzna, co umożliwia zastosowanie płaskich magnesów, tym
samym uzyskuje się tarczę wirnika cienką (około 3-5 mm) o małej
bezwładności. Wadą tego rozwiązania jest moment reluktancyjny silnika,
związany ze zmienną reluktancją. Moment elektromagnetyczny w tych silnikach
jest funkcją prądu i funkcją kąta położenia wirnika. Czujniki położenia wirnika
w silnikach o większych gabarytach można zabudować w pobliżu zewnętrznej
walcowej powierzchni tarczy wirnika. W tym przypadku czujniki będą
sterowane polem rozproszenia magnesu trwałego. Jeśli pole rozproszenia jest
zbyt słabe, wówczas w silniku nie zabudowuje się dwóch kolejnych cewek
(np. 15 i 16 rys.4), a w ich miejsce umieszcza się czujniki hallotronowe, które
sterują pracą komutatora elektronicznego.

Drugim wariantem wykonania uzwojenia twornika jest uzwojenie

bezrdzeniowe. Uzwojenie jest uformowane w kształcie płaskich cewek
i przyklejone do jarzma stojana. Tarcza wirnika jest wykonana z magnesu
NdFeB.

7

Silniki tarczowe z wirującym magnesem mają bardzo dobre parametry

i wydaje się, że są to silniki, które znajdują szerokie zastosowanie praktyczne,
w szczególności w robotyce z uwagi na ich dużą trwałość determinowaną tylko
trwałością łożysk.

a)

b)

c)

N

S

N

S S

S

N

N

1

2

14

3

4

6

5

7

8

9

10

15

13

12

16

11

H1

H1

I

H

Fe

Cu

Rys.4 Elementy silnika tarczowego z komutacją elektroniczną

a) tarcza wirnika z magnesami trwałymi
b) jarzmo stojana z rdzeniami uzwojenia
c) uzwojony rdzeń.

Rys.5 Uzwojenie bezrdzeniowe silnika tarczowego z komutacją elektroniczną:

a) rozmieszczenie uzwojenia na powierzchni tarczowej jarzma stojana,

b)

schemat połączenia cewek.

Rys.6 Charakterystyki elektromechaniczne silnika tarczowego z wirującym magnesem.

8

3.Opis sterownika M56635AFP (Mitsubishi)

Układ ten stosowany jest w napędach dyskietek w komputerach.

Wyposażony jest on w:

- wzmacniacz

mocy,

- stabilizator

prędkości obrotowej,

- oscylator,

- wzmacniacz

sygnału z generatora

FG,

- układ zabezpieczenia termicznego.
Schemat blokowy układu M56635AFP przedstawia rysunek 7. W układzie

zastosowano ciekawe rozwiązania systemu kontroli prędkości obrotowej.
Informacja o aktualnej prędkości pobierana jest z nadrukowanego uzwojenia na
obwodzie stojana. Obracający się wirnik indukuje w uzwojeniu przebieg
sinusoidalny, którego częstotliwość zależy od prędkości silnika. Duża
częstotliwość sygnału na jeden obrót pozwala uzyskać dobrą dynamikę. Czas
reakcji jest bardzo krótki, układ może więc szybko reagować na chwilowe
zmiany momentu obciążenia. Wysoką precyzję i stabilność prędkości obrotowej
uzyskujemy dzięki zastosowaniu układu regulacji prędkości. Regulator posiada
budowę podobną do pętli fazowej. Detektor fazy porównuje częstotliwość
sygnału sprzężenia prędkości (FG) z częstotliwością zadaną z oscylatora (OSC).

Zwiększenie momentu obciążenia wywołuje chwilowe zmniejszenie prędkości
silnika, powodując zmianę fazy sygnału pomiarowego w stosunku do wielkości
zadanej. Następnie przestrojenie generatora VCO powoduje zwiększenie
częstotliwości DSC

OUT.

Prędkość silnika zostaje zwiększona. Moment wzrasta,

aż do osiągnięcia synchronizmu pętli fazowej. Układ działa więc, identycznie
jak klasyczny PLL, przy czym sygnał sprzężenia pętli fazowej przechodzi
pośrednio przez układ sterowania silnikiem.

Jak widać z rysunku 7 sygnał z dyskryminatora DSC

OUT

przez rezystor R

3

doprowadzony jest do układu całkującego ERR. Ukształtowane impulsy
z wyjścia ERR

out

sterują częstotliwością pracy bloku Logic. Układ ten pełni

funkcję komutatora elektronicznego, w którym elementy półprzewodnikowe
sterowane są z czujników położenia. Sygnały z czujników hallotronowych
wzmacniane są w wzmacniaczach H1, H2, H3. Następnie na podstawie tych
przebiegów wytwarzane są impulsy, które sterują załączaniem kluczy
w układzie sterującym. Czas załączania poszczególnych par uzwojeń wyznacza
szerokość impulsu wynosząca 120

o

.

Przy kącie obrotu wirnika pomiędzy 0-2/3

π impuls u

u

wysterowuje

tranzystory T1 i T5, powodując przepływ prądu przez uzwojenia U-V.
Przy położeniu wirnika w zakresie 2/3

π-4/3π, impuls u

v

załącza tranzystory T2

i T6 sterując uzwojeniami V-W. Natomiast w zakresie kątów 4/3

π-2π impuls u

w

załącza

M56635AFP wyposażony jest w moduł kontroli napięcia zasilania OVSD

(ang. Over Voltage Shoutdown). W przypadku, gdy napięcie ma zbyt małą lub

9

zbyt dużą wartość, układ automatycznie blokuje sygnały na wyjściu

.

Podobnie

dzieje się w przypadku zwiększenia się temperatury układu, gdzie blok TSD
(ang. Over-Temperature Shoutdown) blokuje sygnały wyjściowe. Dopuszczalna
moc układu zależy od temperatury otoczenia. Charakterystykę dopuszczalnej
mocy P

dp

w funkcji temperatury przedstawia rysunek 11.

Rys.7 Schemat blokowy układu M56635AFP.

OSC

f

OSC

Detektor

fazy

Generator

VCO

DYSKRYMINATOR

DSC

OUT

1/N

Silnik +

sterownik

Ukł. Pomiaru

prędkości

ω

z

f

FG

Rys.8 Schemat blokowy regulatora prędkości.

10

Rys.9 Histogram załączania tranzystorów w funkcji kąta obrotu wirnika.

Rys.10 Schemat układu załączającego pasma U,V,W.

11

Rys.11 Charakterystyka wydzielanej mocy P

dp

w funkcji temperatury otoczenia T

a

.

Podstawowe parametry układu M56635AFP.

Wartość

Parametr

Min Typ

Max

Napięcie zasilania V

CC

V 10,8 12 15

Prąd wyjściowy A

- -

1

Częstotliwość oscylatora kHz

-

-

1000

Temperatura pracy

o

C -20

- 70

Tab.1 Układ dostępny jest w obudowie DIP 36 lub 36P2R-D.

Schemat ideowy sterownika M56635AFP i silnika przedstawiony jest na

rysunku 12. Układ został zaadoptowany do potrzeb ćwiczenia laboratoryjnego.
Wprowadzona została regulacja prędkości obrotowej za pomocą potencjometru
obrotowego P o wartości 100k. Z układu zostały wyprowadzone sygnały,
których analiza pozwoli zrozumieć zasadę działania układu.

Stanowisko laboratoryjne zostało wyposażone w układ wzmacniaczy

pomiarowych umożliwiających obserwację przebiegów z czujników
hallotronowych. Pomiar przebiegów bez tego typu układów byłby niemożliwy.
Napięcie na czujnikach wynosi 5mV i włączenie jakiegokolwiek układu
pomiarowego zakłóciłby pracę silnika. Dlatego sygnały zostały wzmocnione do
wartości 1V

p-p

.

Schemat ideowy układów wzmacniaczy pomiarowych przedstawia rysunek

13. Wzmocnienie układów wyraża wzór:

1

5

6

5

1

2

2

1

R

R

R

R

R

R

K

ur

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

+

=

12

W celu wzmocnienia sygnału do wartości około 1V

p-p

, wzmocnienie ustalone

zostało na 200V/V. Dla takiej wartości wzmocnienia rezystory w układzie mają
wartość:

R

1

=R

3

=10k, R

5

=R

7

=20k, R

2

=R

4

=390k, R

6

=10k

Rys. 12 Schemat ideowy układu M56635AFP.

Rys.13 Schemat ideowy układu wzmacniaczy pomiarowych

13

Zasilacz stanowiska laboratoryjnego składa się z trzech klasycznych

stabilizatorów z serii LM. Zaopatruje on poszczególne bloki w napięcie
zasilające:

-

± 12V (blok wzmacniaczy pomiarowych),

- + 5V, +12V (blok układu sterownika).

Układy LM7812, LM7912 i LM7805 posiadają w swoich strukturach

ograniczenia prądowe. Prąd wyjściowy zasilacza ograniczony jest na poziomie
1A. Dzięki temu układ sterujący zabezpieczony jest przed przeciążeniem.
Maksymalny prąd wyjściowy układu M56635AFP wynosi 2A.

Schemat ideowy zasilacza przedstawia rysunek 14.

220 V

+5V

+12V

-12V

-

+

800m

A

2/12

Wylacznik

LM7905

VIN

3

GND

1

VOUT

2

LM7912

VIN

3

GND

1

VOUT

2

LM7812

VIN

1

GND

3

VOUT

2

+

C11

4700uF

+

C9
10uF

+

C10

4700uF

+

C7
10uF

+

C8
10uF

C1

220nF

C2

220nF

C3

220nF

C6
100nF

C5
100nF

C4
100nF

D1

R1
5k

Rys.14 Schemat ideowy zasilacza

Stanowisko zostało wyposażone w gniazda radiowe do podłączenia

przyrządów pomiarowych. Na płytę czołową został wyprowadzony
potencjometr regulacji prędkości obrotowej silnika oraz przełącznik skokowej
zmiany obrotów. W projekcie płyty czołowej zostało uwzględnione miejsce na
badany silnik, układ obciążający oraz czujnik optyczny.

Czerwona dioda elektroluminescencyjna sygnalizuje włączone zasilanie

stanowiska laboratoryjnego.

4. Program ćwiczeń laboratoryjnych

a) zapoznać się ze stanowiskiem laboratoryjnym
b) zarejestrować wybrane przebiegi napięć i prądów badanego układu

w stanie ustalonym

c) zarejestrować wybrane przebiegi układu przy skokowej zmianie sygnału

zadającego prędkości obrotowej

d) zbadać wpływ momentu obciążenia na wartość prędkości obrotowej oraz

dostępnych pomiarowo wielkości układu sterującego

14

Rys.15 Płyta czołowa stanowiska laboratoryjnego.

6. Literatura

a) Owczarek J. (red), Elektryczne maszynowe elementy automatyki, WNT,

Warszawa 1983.

b) Sołbut A. „Instrukcja obsługi programu ANAGRAF”, materiały

wewnętrzne Politechniki Białostockiej, Białystok 1998

c) Glinka T., Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi,

Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995.

15