Методическое пособие 703

Схема на рис. 2.13 отличается от предыдущей использованием составного транзистора VT1, VT2, что позволяет значительно уменьшить ток, протекающий через контакты регулятора. Транзисторы VT1, VT2 также представляют собой переменное сопротивление, включаемое контактами в цепь питания двигателя.

2.3.2. Регуляторы скорости по схеме стабилизатора

напряжения (мостовые схемы)

В настоящее время для стабилизации частоты вращения вала электродвигателя постоянного тока с металлическими щетками на коллекторе широкое применение получили мостовые схемы, которые позволяют стабилизировать частоту вращения вала при изменении как нагрузки на валу, так и напряжения питания без центробежного регулятора.

На рис. 2.14, а показана принципиальная схема моста. Ротор электродвигателя М и резистор Rа образуют два плеча моста. Еще два плеча образуются с помощью резисторов Rб и Rв. Если сопротивления резисторов удовлетворяют условию:

где Rд - суммарное сопротивление обмоток ротора и контакта между коллектором и щетками, напряжение UАБ между точками А и Б моста будет пропорционально частоте вращения n и не будет зависеть от нагрузки на валу электродвигателя и напряжения питания.

91

Рис. 2.14. Схема стабилизации частоты вращения вала электродвигателя без применения центробежного регулятора. а) - принципиальная схема моста; б)- практическая схема включения электродвигателя

UAB=k n (2.21)

В практической схеме (рис. 2.14, б) напряжение UAB сравнивается с опорным напряжением на стабилитроне VD. Полученный сигнал рассогласования после усиления транзистором VT1 управляет проходным транзистором VT2.

Работа транзистора VT2 аналогична работе такого же транзистора в схеме с центробежным регулятором. Функцию резистора Ra мостовой схемы здесь выполняет резистор R4, а остальных - резисторы R2, R3, R5 и R6.Переменным резистором R3 можно изменять соотношение сопротивлений плеч моста и тем самым сбалансировать его при номинальной частоте вращения вала. Резистор R5 служит для температурной стабилизации и представляет собой катушку из медного провода, сопротивление которой подобрано так, что при изменении температуры окружающей среды обеспечивается минимальное изменение частоты вращения вала. Такие мостовые схемы представляют фактически схемы стабилизаторов напряжения, включенные последовательно с двигателем.

92

В качестве примера применения мостовой схемы рассмотрим схемное решение системы стабилизация скорости двигателя кассетного магнитофона

В кассетном магнитофоне обычно устанавливается один двигатель постоянного тока, который не меняет направления вращения. В подавляющем большинстве магнитофонов установлен двигатель с трех полюсным ротором, работа и устройство которого представлены на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Устройство двигателя с трехполюсным ротором

Стрелкой указано направление магнитного поля, которое будем считать совпадающим с направлением тока. К северному

(N) полюсу магнита притягивается обмотка, ток в которой протекает к центру. Как видно из рисунка, полюса ротора, расположенные сверху (в данный момент полюс А) будут всегда притягиваться к южному полюсу магнита, расположенные снизу – к северному. Положение верх-низ устанавливается относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ось ротора.

93

Рис. 2.16. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока

Требования к стабильности скорости удовлетворяются схемой стабилизатора, работающего на измерение напряжения самоиндукции двигателя. Это напряжение прямо пропорционально скорости вращения и, следовательно, может служить датчиком скорости. Схема стабилизации должна поддерживать напряжение самоиндукции равным заданному. На рис. 2.16 представлена одна из наиболее наглядных схем, реализующих эту идею. В этой схеме стабилизация скорости производится сравнением напряжений на двигателе и его модели. Двигатель представлен резистором RM и источником напряжения ЕМ. Модуль состоит из резистора R2 и источника напряжения управления VC. Резистор R2 представляет сопротивление двигателя, VC – задаваемое напряжение самоиндукции Sw0, соответствующее вращению двигателя с угловой скоростью w0. Резисторы RM, R1, R2, R3 образуют мост для измерения разницы напряжений VC и ЕМ. При коэффициенте усиления усилителя равным К, схема описывается уравнениями:

94

(V1 V2 )K V,

EM Sw.

Ясно, что при достаточно большом К можно считать V1 = V2. В этом случае, если мост сбалансирован (R3/RM = R1/R2), то EM = VC = Sw0, то есть двигатель будет вращаться с заданной скоростью w0 независимо от нагрузки на его валу. Как видно на этом примере, решение системы уравнений, описывающих схему управления двигателем, состоит из двух выражений: условие баланса и связь в явном виде скорости w с напряжением управления VC. Применительно к рассматриваемой схеме решения выглядят следующим образом:

w VC - связь скорости с напряжением управления в явном

S

виде.

На рис. 2.17 приведена структурная схема интегральной схемы TA7768F фирмы Toshiba, в которой опорное напряжение непосредственно вычитается из напряжения двигателя. Пренебрегая для ясности опорным током IR, протекающим по резистору RK, представим уравнения, описывающие эту схему как:

95

Рис. 2.17. Устройство интегральной схемы TA7768F фирмы Toshiba и подключение к ней двигателя

Таблица 2.1 Назначение выводов схемы, приведенной на рис. 2.17

Следует отметить, что для применения этой схемы необходимо знать отношение резисторов R1/R2. Оно обычно не входит в список параметров микросхемы, но величины резисторов приводятся на структурной схеме.

Для случая фиксированной скорости наиболее популярна трехвыводная схема, приведенная на рис. 2.18. В ней на резистор R1 через токовое зеркало подается ток kIM,

97

пропорциональный току IM, протекающему через двигатель. Коэффициент k называют шунтирующим отношением. Как следует из рисунка, k = 1/N, N – количество параллельно соединенных транзисторов выходного каскада. (Резисторы в эмиттерах транзисторов одинаковы.) Ток резистора R2 и ток потребления схемой управления также протекают по резистору R1, поэтому ток двигателя должен быть достаточно большим, чтобы можно было пренебречь падением напряжения на этом резисторе, вызванного другими токами. При пренебрежении указанными токами и бесконечном коэффициенте усиления операционного усилителя схема описывается уравнениями:

Вэтой схеме отношение резисторов R1/R2 изменить можно, и после выполнения балансировки скорость двигателя будет определяться произведением опорного напряжения VR на (1+R1/R2). Поэтому в интегральных схемах этого рода опорное напряжение не перестраивается, а скорость регулируется резистором R2.

Вмагнитофонах с реверсивным движением ленты требуется стабилизировать скорость вращения двигателя в обоих направлениях. Для этого обычный стабилизатор дополняется переключателем для подключения двигателя в требуемой полярности.

98

Рис. 2.18. Устройство интегральной схемы TDA1059 фирмы Philips и подключение к ней двигателя

Таблица 2.2 Назначение выводов схемы, приведенной на рис. 2.18

При настройке описанных схем вначале подбирается резистор, имитирующий сопротивление обмоток двигателя. Его подбор производится из условия минимального влияния

99

нагрузки на скорость двигателя. Затем подбирается резистор, задающий скорость вращения.

Все рассмотренные в этом разделе интегральные схемы предназначены для стабилизации постоянной скорости двигателя и не предназначены для регулировки скорости. Предназначенные для этого схемы называются контроллерами скорости. Схема контроллера, работающего на измерении возвратной ЭДС, представлена на рис. 2.19. Она отличается от рассмотренных главным образом тем, что в ней предусмотрена удобная регулировка опорного напряжения, путем изменения напряжения на выводе управления VC. При этом изменяется ток, протекающий по резистору RR, падение напряжения на котором является опорным напряжением схемы управления двигателем. Схема управления состоит из операционного усилителя и токового зеркала, в мощное плече которого встроен резистивный делитель на резисторах R1 и R2. Пренебрегая током, протекающему по делителю, и полагая, что отношение токов в плечах зеркала равно k, как показано на рисунке, можно сразу написать уравнения, описывающие эту схему:

их решения:

RT RM , k

(2.30)

w VRM (1 R2 ).

S R1

100