Sterowanie silnikami małej mocy. cz. 1

Sterowanie silnikami małej mocy. cz. 1
Pobierz PDF Download icon
Współcześnie trudno znaleźć urządzenie automatyki, w którym nie byłby stosowany jakiś napęd elektryczny. Przewiduje się, że najbliższe lata przyniosą dalszy wzrost zastosowań różnych silników i że będzie to związane przede wszystkim z motoryzacją - z samochodami napędzanymi energią elektryczną (czy wiecie, że prawdopodobnie pierwszy samochód elektryczny skonstruowano w 1884 r.?). Niemniej pomimo użycia do napędu silnika spalinowego, już dziś każde auto zawiera kilka - kilkadziesiąt silników elektrycznych, które przesuwają wycieraczki, otwierają i zamykają nawiewy, przepustnice, zawory itd. Obok zastosowań w motoryzacji nie sposób nie zauważyć, że wiele urządzeń AGD i RTV w naszym otoczeniu też wymaga jakiegoś silnika. Mogą np. być wyposażone w wentylator chłodzący podzespoły (najczęściej o regulowanych obrotach, bo nie lubimy jego szumu), napęd płyty CD, jakąś sprężarkę itd. Konstruując urządzenia elektroniczne wcześniej czy później napotkamy problem zasilania silnika elektrycznego - warto co nieco wiedzieć na temat gotowych rozwiązań, które oszczędzają czas i pieniądze.

Silniki elektryczne zasilane prądem stałym lub prądem przemiennym, są dobrze znane od wielu lat, podobnie jak metody ich zasilania. Dlatego rozwój napędów elektrycznych zmierza przede wszystkim w kierunku uzyskania wyższej sprawności za niższą cenę.

Obniżenie cen umożliwiło np. zastosowanie silników trójfazowych prądu stałego przez modelarzy lotniczych, którym oddano do dyspozycji stosunkowo niedrogie rozwiązania napędów o mocy nawet kilkuset watów, z regulowaną prędkością obrotową i ze sporym momentem obrotowym, zasilane z lekkich akumulatorów litowo-polimerowych.

Zasilanie silnika elektrycznego rodzi pewne problemy. Na przykład, najprostszą metodą regulowania prędkości obrotowej silnika szczotkowego zasilanego prądem stałym jest zmiana wielkości napięcia przyłożonego do jego zacisków, ale ze względu na straty mocy znacznie chętniej jest stosowano regulacja za pomocą PWM.

Zasilanie uzwojeń silnika impulsami prostokątnymi powoduje wyidukowanie się napięcia o przeciwnym zwrocie, które przedostając się do driverów wyjściowych może je uszkodzić. Oprócz tego, komutatorowy silnik prądu stałego obracając się również przerywa obwody swoich uzwojeń, co powoduje przepięcia. A więc nawet zasilając silnik z baterii również musimy niwelować przepięcia. Odrębne dyscypliny wiedzy, to zasilanie silników krokowych lub 3-fazowych. Celem tego artykułu nie jest jednak omawianie problemów, ale wskazanie gotowych rozwiązań ułatwiających życie konstruktorowi.

Układy scalone do zasilania silników, tzw. drivery silników, zawierają nie tylko elementy sterujące, ale mają wbudowane zabezpieczenia przed prądem płynącym od strony silnika, zabezpieczenia przed przegrzaniem, przepięciami czy przeciążeniem itp. Jednym zdaniem - chronią nie tylko same siebie, ale również system nadrzędny, sterujący silnikiem.

Gama spotykanych rozwiązań jest przeogromna - od nieskomplikowanych mostków H wbudowanych w strukturę układu aż do funkcjonalnych, pełnych rozwiązań np. umożliwiających kontrolowanie silnika krokowego czy też wejść dla czujników Halla, które pozwalają na stosowanie tzw. czujnikowej metody sterowania silnikiem w dużym skrócie polegającej określeniu położenia wirnika względem stojana i zsynchronizowaniu załączania faz zasilających z położeniem wirnika.

O prędkości obrotowej silnika decydują szerokość impulsów zasilających (PWM) oraz ich częstotliwość. Na koniec tego krótkiego wstępu warto też wspomnieć, że silniki bezszczotkowe prądu przemiennego (BLSM) i stałego (BLDC) są rozróżniane z przyjęciem kryterium kształtu napięcia rotacji, które jest uzależnione od geometrii obwodu magnetycznego silnika i rodzaju uzwojenia. Przyjmuje się, że w silnikach BLDC kształt napięcia rotacji jest trapezoidalny, natomiast w silnikach BLSM - sinusoidalny.

Allegro MicroSystems

Firma o nazwie zbliżonej do znanego, polskiego serwisu aukcyjnego, nie ma z nim jednak nic wspólnego. No może za wyjątkiem tego, że układy scalone Allegro MicroSystems można kupić również na aukcjach. Firma jest jedynym z wiodących, narzucających trendy, producentów układów scalonych mocy oraz czujników pola magnetycznego wykorzystujących zjawisko Halla.

Tabela 1. Sterowniki silników małej mocy produkowane przez firmę Allegro Microsystems

Oferuje ona mnóstwo gotowych rozwiązań przystosowanych do zasilania silników różnych typów. Wytwarzane przez nią układy scalone charakteryzują się: wyjściami o dużej obciążalności, szerokim zakresem temperatury pracy, wbudowanymi zabezpieczeniami przed przepięciami, przetężeniami, przegrzanie. Skrócony wykaz układów scalonych z oferty Allegro MicroSystems zamieszczono w tabeli 1. Są one dostępne w ofercie wielu dystrybutorów, również w sprzedaży detalicznej.

STMicroelectronics

STMicroelectronics to francusko-włoska firma produkująca układy elektroniczne. Z rocznymi obrotami wynoszącymi ponad 10 mld dolarów jest największym producentem układów elektronicznych w Europie. Powstała w 1987 roku z połączenia włoskiej firmy SGS Microelettronica z francuską Thomson Semiconducteurs. Początkowo przyjęła nazwę SGS-Thomson, a po wycofaniu udziałów Thomsona w 1998 r., przyjęła obecną nazwę.

Układy sterujące silnikami elektrycznymi są dobrze znane konstruktorom i Czytelnikom EP. Wspomnijmy chociaż bardzo rozpowszechniony w wielu konstrukcjach L298 - podwójny driver zawierający dwa pełne mostki H. Firma ST od dawna dostarcza układy scalone dla przemysłu motoryzacyjnego.

Tabela 2. Sterowniki silników małej mocy produkowane przez firmę STMicroelectronics

Zapewne dlatego oferowane przez nią komponenty, nawet w wykonaniu standardowym, charakteryzują się rozszerzonym zakresem temperatury pracy oraz bardzo dobrą odpornością na różne hazardy elektryczne. "Silnikowe" układy scalone produkcji STMicroelectronics zamieszczono w tabeli 2.

Texas Instruments

Do niedawna firma Texas Instruments kojarzyła się wielu osobom z produkcją kalkulatorów. I całkiem słusznie, jednak od wielu lat firma produkuje doskonałe układy scalone, a chyba najbardziej znana jest ze swoich rozwiązań dla DSP. Potencjał TI dodatkowo wzmocnił zakup National Semiconductor, kolejnego znanego producenta półprzewodników.

Mnie osobiście sterowanie silnikiem z użyciem układów od TI kojarzy się przede wszystkim ze znakomitymi procesorami sygnałowymi. Niemniej jednak, sam procesor nie wystarczy, więc w ofercie tego producenta można znaleźć również liczne drivery silników niejako dopełniające ofertę. Drivery te wymieniono w tabeli 3.

Tabela 3. Sterowniki silników małej mocy produkowane przez firmę Texas Instruments

Co ciekawe, gdy prowadziłem "śledztwo" przed napisaniem tego artykułu okazało się, że firma TI przywiązuje dużą wagę do układów scalonych przeznaczonych nie tylko dla odbiorcy przemysłowego, ale również na rynek konsumencki. Odrębną grupę jej produktów stanowią zintegrowane sterowniki do zastosowań w modelach napędzanych silnikami 3-fazowymi. Czy w ten sposób firma testuje pewne rozwiązania, czy też faktycznie przywiązuje wagę do tej grupy odbiorców?

Trudno powiedzieć, jak duży jest to rynek pod względem obrotów, ale z całą pewnością znaczenie napędu elektrycznego w różnego rodzaju zastosowaniach hobbystycznych będzie rosło i jest to niewątpliwie kawałek tortu do "ugryzienia".

Jacek Bogusz, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2013
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów