Для чего нужен контроллер для электродвигателя
Как правильно выбрать контроллер для электровелосипеда
Контроллер управления – важный узел в оснащении электровелосипеда. Он выполняет функции мозгового центра е-байка, координирует работу электромотора и аккумуляторной батареи, регулирует крутящий момент и защищает двигатель от перегрузок. Именно контроллер отвечает за включение и выключение электроники, регулировку скорости, круиз-контроль, рекуперативное торможение и другие возможности в работе электровелосипеда.
Без этого связующего звена невозможно даже запустить мотор или подключить его напрямую к аккумулятору. Мотор-колесо имеет 3 фазных провода, а АКБ – 2 полюса. Поэтому соединить их в единую электросистему можно только с использованием контроллера. Именно он создает в обмотке статора электродвигателя вращающееся магнитное поле, по получаемым сигналам отслеживает положение ротора и управляет работой мотора.
Виды и подвиды
Классификация контроллеров управления по основным критериям приведена в таблице:
Принцип связи с электромотором
Модели, работающие с установленными в моторе датчиками.
Они отслеживают положение ротора по сигналам, получаемым от датчиков Холла.
Модели, функционирующие без датчиков.
Они определяют положение ротора по противо-ЭДС.
Сочетают возможности устройств предыдущих типов – могут работать и с датчиками, и без них.
Форма выходного сигнала
Выдающие сигнал с прямоугольным графиком (меандр).
Бюджетные модели. Обеспечивают высокие скорости вращения, но из-за микровибраций обмоток электромотор работает с повышенным шумом (с характерным звуком вращения мотор-колеса).
Выдающие синусоидальный сигнал.
При их использовании двигатель работает тихо, но с меньшей максимальной скоростью (если сравнивать с меандровым контроллером при идентичном вольтаже батареи).
Выдающие сигналы в форме сглаженного меандра или модифицированной синусоиды.
Тип реакции на сигналы ручки газа
Модели, управляющие скоростью, крутящим моментом или мощностью мотора.
Возможность настройки рабочих параметров
С возможностью Bluetooth соединения и настройки рабочих параметров.
Без возможности настройки рабочих характеристик.
Производятся для внутреннего рынка Китая. У них нет большого набора функций. Такие модели просто дают возможность ехать на электротяге. Обычно они 2-режимные, с возможностью работы с датчиками Холла и без них.
Производятся в Китае для экспорта. Предусматривают возможность подключения дисплея и беспроводного управления по Bluetooth.
Производятся в Германии и США.
Как выбрать контроллер для электровелосипеда?
При выборе контроллера управления нужно учитывать характеристики электромотора и АКБ электровелосипеда, прежде всего – их напряжение и максимальный ток. Также играет роль номинальная мощность двигателя и расположение в нем датчиков Холла (при их наличии) – через 60 или 120°. Характеристики контроллеров указываются в их маркировке. Главный совет при выборе – обратить внимание на рекомендованные производителем рабочие характеристики и сопоставить их с техническими параметрами мотора и АКБ.
Контроллеры для е-байков производятся в широко диапазоне мощности – от 350 до 2000 Вт и выше. Если мощность не указана, ее можно рассчитать, умножив максимальные значения силы тока и напряжения. Что касается вольтажа и величины батарейного тока, для электромотора на 350 Вт подойдет контроллер 36 В, 15 А. Для мотора на 1000 Вт рекомендуется купить и установить контроллер вольтажом 48 В, рассчитанный на силу тока 30, 35 или 40 А.
Вопрос совместимости
Контроллер, созданный для использования с АКБ вольтажом 36 В, недопустимо подключать к батареям большего вольтажа. Вначале нужно проверить, рассчитаны ли на подобные нагрузки силовые транзисторы и конденсаторы, находящиеся внутри устройства. Возможно, придется заменить и резистор в делителе напряжения. Более гибкие в этом плане универсальные модели с расширенным диапазоном входного напряжения: 48–72 В, 24–100 В и т.п.
О токе и мощности
Контроллер выполняет функции понижающего преобразователя. Это значит, что фазный ток, который проходит по обмоткам электромотора, может быть в разы больше тока, поступающего к контроллеру от аккумулятора. Так, при наличии электромотора с номинальной мощностью 1 кВт можно кратковременно получать величины до 2–2,5 кВт. Но это возможно только при наличии подходящего контроллера управления. А чтобы избежать перегрева мотора, важно реализовать постоянный контроль температуры.
Дополнительные функции
Дополнительные функцииПечатные платы многих контроллеров имеют широкий функционал, который обычно реализован частично. Но во многих случаях есть возможность вывести провода под решение дополнительных задач. Например, можно вывести провод для заднего хода, круиз-контроля, рекуперации, отдельного питания светотехники и других функций. При покупке контроллера в интернет-магазине VoltBikes его функционал может быть расширен по запросу, с учетом пожеланий заказчика.
Контроллер для электровелосипеда и электроскутера
Контроллер управления для бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC, PMSM) – это важное звено в системе электрокомпонентов. Без контроллера электродвигатель не сможет даже запуститься, не говоря о его полноценной работе. Аккумуляторная батарея имеет 2 полюса – положительный и отрицательный, а мотор-колесо – 3 фазных провода. Поэтому подключить аккумулятор и двигатель напрямую невозможно. Для этого используется дополнительное звено – контроллер управления.
Выполняемые функции
Именно контроллер формирует в обмотке статора мотор-колеса вращающееся магнитное поле и получает ответные сигналы о позиции ротора. Сигналы поступают от датчиков Холла, а при управлении моторами без датчиков позиция роторов определяется по противо-ЭДС.
К тому же, контроллер управляет электродвигателем:
Контроллер выступает в роли понижающего преобразователя, поэтому проходящий по обмоткам мотора фазный ток может быть гораздо выше батарейного тока, поступающего от АКБ к контроллеру. Именно от него зависит мощность, поступающая на двигатель. Например, при использовании мотор-колеса номинальной мощностью 1000 Вт можно кратковременно получать значения до 2000–2500 Вт. Главное – использовать подходящий контроллер и постоянно контролировать температуру, чтобы не допустить перегрева двигателя.
Схема контроллера для электровелосипеда или электроскутера
Контроллер для электрического велосипеда или скутера имеет алюминиевый корпус, из которого выходят разноцветные провода с разъемами для подключения разных устройств. Внутри скрыты:
Схема подключения
Контроллер для электроскутера, е-байка или электросамоката подключается в соответствии с прилагаемой к нему схемой. Главное – не спешить и внимательно разобраться с назначением проводов. Лучше всего покупать контроллер в комплекте с мотор-колесом, тогда их разъемы будут гарантированно совместимыми.
Общий принцип подключения выглядит так:
Разновидности контроллеров управления
По принципу взаимодействия с электромотором
Для использования с датчиками Холла
Совместимы с мотор-колесами, оснащенными датчиками Холла.
Для работы без датчиков
Совместимы с моторами без датчиков, определяют позицию роторов по противо-ЭДС.
Могут работать и с датчиками положения, и без них.
По виду выходного сигнала
Создающие сигналы прямоугольного вида (меандр)
Цена таких моделей – ниже. При их использовании обеспечивается увеличенная скорость, но из-за вибрации обмоток двигатель шумит сильнее.
Создающие чистые синусоидальные сигналы.
Дороже. Обеспечивают тихую работу мотора и небольшое снижение максимальной скорости – по сравнению с меандровым контроллером при том же напряжении АКБ.
Сознающие сигналы в виде «модифицированной синусоиды» или сглаженного меандра.
По принципу реагирования на сигналы ручки газа
Обеспечивающие управление скоростью, мощностью или крутящим моментом.
Как выбрать контроллер для электровелосипеда?
При выборе контроллера для электровелосипеда или другого транспорта на электротяге нужно оценить рабочие характеристики устройства. Ключевые параметры обычно указаны в маркировке. По ней можно узнать:
Для расчета предельной мощности контроллера находим произведение допустимых величин напряжения и силы тока. Диапазон мощности у таких приборов широкий. Для велосипедов на электротяге обычно используются модели с номиналом мощности от 350 до 2000 Вт. Для электрических скутеров – от 1000 до 4000 Вт. Для электромотоциклов – от 5000 до 10 000 Вт. Для электромобилей – от 10 000 до 50 000 Вт и более.
О совместимости
Программируемые модели и их задачи
Программируемые контроллеры соединяются по Bluetooth со смартфоном и позволяют настраивать рабочие характеристики – от значений аккумуляторного и фазного токов до углов фазного опережения.
При выборе управляющих контроллеров учитывается и наличие второстепенных функций:
Расширение функционала
Широкий ассортимент контроллеров позволяет выбрать прибор, по максимуму подходящий под конкретные цели. Наряду с интернет-магазинами, есть специализированные мастерские, для которых не составляет проблемы вывести из контроллера управления провода под нужные заказчику функции.
Многие печатные платы имеют большой функционал, но в серийно поставляемых моделях он используется только частично. К примеру, у многих моделей не выведен провод для круиз-контроля, заднего хода, рекуперации энергии и других возможностей. Но специалисты мастерской VoltBikes могут вывести провода под конкретные задачи непосредственно при покупке контроллера.
О цене
Контроллеры можно купить в разных категориях:
Шаг 5. Устройства управления электродвигателями.
Какие бывают устройства управления
Устройства управления электродвигателями необходимы для создания вашего робота. Теперь выбрана конструкция робота, исполнительные механизмы или моторы и контроллер для робота. Наконец пришло время заставить все двигаться. Первый вопрос, который многие новички задают при создании своего первого робота, — «как я могу управлять моторами?».
Для этого служат такие устройства управления электродвигателями, как контроллер двигателя. После небольшого исследования выражения «контроллер двигателя» появилось много вопросов. Что такое контроллер двигателя и зачем он мне нужен?
Контроллеры двигателей
Контроллер двигателя — это электронное устройство (обычно это монтажная плата без корпуса), которое служит в качестве промежуточного устройства между микроконтроллером, блоком питания или батареями и моторами (двигателями).
Микроконтроллер (мозг робота) задает скорость и направление двигателей. Но он не может управлять ими напрямую из-за его очень ограниченной мощности (тока и напряжения). С другой стороны, контроллер двигателя может обеспечивать ток при требуемом напряжении. При этом не может решить, как быстро двигатель должен вращаться.
Таким образом, микроконтроллер и контроллер двигателя должны работать вместе. Для того, чтобы моторы двигались так как нам нужно, используются устройства управления электродвигателями. Обычно микроконтроллер может подавать команду на контроллер двигателя о том, как приводить в действие двигатели с помощью стандартного и простого метода связи.
Физический размер и вес контроллера двигателя могут значительно различаться. От устройства, меньшего, чем кончик пальца, используемого для управления мини-сумо роботом до большого контроллера весом в несколько килограммов. Вес и размер контроллера двигателя обычно оказывает минимальное влияние на робота.
Хотя бывает необходимо сделать робота маленького размера или беспилотный летательный аппарат. В результате вес и размер контроллера может быть критичным. Размер контроллера двигателя обычно связан с максимальным током, который он может обеспечить. Увеличенный ток также означает необходимость использования проводов большего диаметра.
Типы контроллеров электромоторов
Существует несколько типов исполнительных механизмов (шаг 3). Следовательно, существует несколько типов контроллеров двигателей.
Выбор контроллера мотора
Контроллеры двигателей можно выбрать только после того, как вы выбрали свои двигатели, приводы. Кроме того, номинальный ток двигателя связан с крутящим моментом, который он может обеспечить. Так как маленький двигатель постоянного тока не потребляет много тока, но не может обеспечить большой крутящий момент. Тогда как большой двигатель может обеспечить более высокий крутящий момент, но для этого потребуется более высокий ток.
Управление двигателем постоянного тока
Первое соображение — это номинальное напряжение двигателя. Устройства управления электродвигателями постоянного тока обычно предлагают диапазон напряжения. Например, ваш двигатель работает с номиналом 3 В. Следовательно вам не следует выбирать контроллер двигателя, который может управлять двигателем только между 6 и 9 В. Это поможет вам исключить некоторые контроллеры двигателя из списка.
Итак, вы нашли ряд контроллеров, которые могут приводить в действие двигатель с соответствующим напряжением. Следующим соображением будет постоянный ток, который контроллер должен будет подавать. Вам нужно найти контроллер двигателя, который будет обеспечивать ток, равный или превышающий номинальный ток, потребляемый двигателем.
Если вы выберете контроллер двигателя 5А для двигателя 3A, то двигатели будут потреблять столько тока, сколько потребуется. С другой стороны, двигатель на 5А, скорее всего, выведет контроллер на 3A. Многие производители двигателей обеспечивают ток выключения двигателя постоянного тока. В результате это не дает вам четкого представления о контроллере двигателя, который вам понадобится. То есть вы не можете найти постоянный рабочий ток двигателя. В этом случае простым правилом является оценка постоянного тока двигателя примерно на 20-25% меньше тока останова.
Все контроллеры двигателя постоянного тока обеспечивают максимальный ток. Убедитесь, что этот показатель примерно в два раза выше, чем номинальный ток двигателя. Обратите внимание, что, когда двигателю требуется больше крутящего момента (например, движение вверх по склону), он требует большего тока. Выбор контроллера двигателя со встроенным охлаждением и тепловой защитой — очень хороший выбор. Еще одним важным соображением является метод управления.
ШИМ управление моторами
Устройства управления электродвигателями используют следующие методы:
Если вы используете микроконтроллер, проверьте, какие типы соединений у вас имеются, и какие двигатели являются совместимыми для вас. Если ваш микроконтроллер имеет последовательные контакты, вы можете выбрать контроллер последовательного двигателя. Для PWM вам, вероятно, потребуется один канал PWM на двигатель.
Методы контроля
На практике остается выбрать какой контроллер двигателя нужен — одиночный или двойной. Двойной контроллер постоянного тока может управлять скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока независимо. Наконец часто экономит ваши деньги (и время).
Двигатели не обязательно должны быть идентичными. Хотя для мобильного робота приводные двигатели должны быть в большинстве случаев одинаковыми. Вам нужно выбирать двойной контроллер двигателя на основе более мощного двигателя постоянного тока.
Обратите внимание, что контроллеры двух двигателей имеют только одну входную мощность. Потому что если вы хотите контролировать один двигатель на 6 В, а другой на 12 В, это будет невозможно. Обратите внимание, что действующее напряжение всегда поддерживается на каждом канале. Стандартные сервомоторы предназначены для использования определенных напряжений для максимальной эффективности. Большинство из них работают от 4,8 В до 6 В, а их потребление тока аналогично, шаги для выбора несколько упрощены.
Тем не менее вы можете найти сервомотор, который работает при напряжении 12 В. При этом важно, чтобы были дополнительные сведения о контроллере, если ваш сервомотор не считается «стандартным». Также большинство хобби-сервомоторов используют стандартный сервопривод R / C. Это три провода, которые являются землей, напряжением и сигналом.
Теперь нужно выбрать метод управления. Некоторые контроллеры сервомоторов позволяют вам управлять положением сервопривода вручную с помощью набора кнопок / переключателей. Другие — с помощью команд UART (последовательных) или других средств. Определите количество сервоприводов, которые нужно контролировать.
Контроллеры могут управлять многими сервоприводами (обычно 8, 16, 32, 64 и выше). Вы, конечно же, можете выбрать контроллер серводвигателя, способный управлять большим количеством сервомеханизмов, чем вам потребуется. Как и контроллеры двигателя постоянного тока, метод управления является важным фактором.
Управление шаговым двигателем
Какой вы выбрали двигатель — однополюсный или двухполюсный? Выберите тип контроллера шагового двигателя соответственно, хотя почти все устройства управления электродвигателями могут управлять обоими типами. Количество проводов обычно помогает определить тип двигателя. Если двигатель имеет 4 провода, то он является двухполюсным. Если он имеет 6 или более контактов, то он является однополюсным. Выберите диапазон напряжения контроллера двигателя, чтобы он соответствовал номинальному напряжению вашего двигателя.
шаговый двигатель
Определите, сколько тока требуется для каждого мотора, и узнайте, сколько тока (на катушку) контроллер шагового двигателя может обеспечить. Если вы не можете найти ток катушки, то большинство производителей указывает сопротивление катушки, R. Используя Закон Ома (V = IR), вы можете рассчитать ток (I). Как и для контроллера двигателя постоянного тока, метод управления является важным фактором.
Управление линейным приводом
Линейные приводы имеют три основных метода управления: DC, R / C или обратная связь. Большинство линейных приводов постоянного тока используют редукторный двигатель постоянного тока. Поэтому обычно необходим контроллер постоянного тока.
Однако некоторые линейные приводы принимают сервопривод R / C, поэтому вы выбираете контроллер серводвигателя. Если управляемый R / C линейный привод работает с более высоким напряжением, чем диапазон контроллера, привод может включать в себя отдельные провода для более высокого требуемого напряжения питания.
линейный привод
Другие приводы — это многочисленные электромеханические устройства. Например, искусственные мышцы из проволоки или соленоиды также должны управляться с помощью контроллеров двигателей. Ниже приведены некоторые вопросы для того, чтобы определить, нужен ли вашему приводу контроллер двигателя.
Большой мотор LEGO MINDSTORMS Education EV3
На шаге 3 мы выбрали большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3. Для этого мотора не требуется отдельного контроллера двигателя.
большой двигатель Lego EV3
Он подключается напрямую к выходному порту микроконтроллера EV3. В результате полностью соответствует нашей цели – созданию роботизированной платформы.
Шаг 5. Выбор контроллера мотора.
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
13.11.2014
Контроллерное управление электродвигателем
Контроллерное управление применяется главным образом для электродвигателей постоянного тока повторно-кратковременного режима работы. Оно предусматривает, помимо пуска и остановки также регулирование скорости вращения, изменение направления вращения (реверсирование) и торможение электродвигателя. Кроме того, при контроллерном управлении часто осуществляют защиту электродвигателей от ненормальных условий работы: перегрузки, понижения или исчезновения напряжения в питающей его сети. Такая защита достигается при помощи релейно-контакторной аппаратуры.
Релейно-контакторная аппаратура размещается на особой, так называемой защитной панели, встраиваемой в контроллер или монтируемой отдельно от него.
Регулирование скорости вращения электродвигателя постоянного тока при контроллерном управлении чаще всего осуществляется при помощи сопротивлений, включаемых в цепь якоря.
Иногда при малых нагрузках падение напряжения на зажимах последовательно включенного сопротивления оказывается недостаточным для получения низкой скорости вращения электродвигателя. В этом случае, кроме последовательного сопротивления, применяют еще сопротивление, подключаемое параллельно цепи якоря (рис. 1).
Низкая устойчивая скорость вращения электродвигателя («ползучая» скорость) получается потому, что в этом случае падение напряжения на зажимах якоря обусловливается не только током якоря, а суммой токов, проходящих по якорю Iя и по параллельно включенному сопротивлению Iш.
Довольно часто в схемах контроллерного управления применяют комбинированный способ регулирования скорости вращения: понижение номинальной скорости достигается введением сопротивления в цепь якоря, а повышение — введением сопротивления в цепь параллельной обмотки возбуждения.
Изменение направления вращения электродвигателей обычно достигается изменением направления тока в цепи якоря.
Электрическое торможение двигателя осуществляется одним из трех способов. Рекуперативное торможение чаще всего предусматривается в схемах управления грузовыми лебедками. При опускании тяжелого груза его вес может разогнать электродвигатель до скорости, превышающей скорость вращения холостого хода. Так как обмотка возбуждения электродвигателя включена на полное напряжение сети, то противоэлектродвижущая сила двигателя становится выше приложенного напряжения и электродвигатель начинает отдавать энергию в сеть, в связи с чем он и затормаживается. Никаких специальных переключений схемы в режиме рекуперативного торможения в этом случае не требуется, и оно осуществляется автоматически, когда скорость вращения двигателя увеличивается сверх допустимой.
Для динамического торможения якорь электродвигателя отключается от питающей сети и замыкается на сопротивление торможения (рис. 2).
При этом у электродвигателя параллельного возбуждения обмотка возбуждения остается включенной на полное напряжение сети (рис. 2, а), а у электродвигателя последовательного возбуждения эта обмотка отключается от якоря и получает питание от сети через добавочное сопротивление (рис. 2, б).
У электродвигателей смешанного возбуждения динамическое торможение осуществляется при отключенной последовательной обмотке и при питании параллельной обмотки возбуждения от полного напряжения сети. При динамическом торможении направление тока в якоре электродвигателя меняется на обратное, так как напряжение сети равно нулю.
Эффективность динамического торможения зависит от величины тормозного сопротивления. Чем это сопротивление меньше, тем больше ток, отдаваемый якорем, и тем быстрее двигатель останавливается. Однако по мере уменьшения скорости вращения ток, отдаваемый электродвигателем, уменьшается и эффективность торможения снижается.
Торможение противотоком производится изменением полярности приложенного к якорю двигателя напряжения. При этом двигатель в момент остановки отключается от сети, так как иначе он начнет вращаться в противоположную сторону. Следовательно, торможение противотоком имеет место у каждого реверсируемого электродвигателя, если реверс производится до остановки двигателя.
При торможении противотоком знак э. д. с. электродвигателя остается прежним, а знак приложенного напряжения меняется и совпадает со знаком э. д. с. Поэтому величина тока, проходящего через якорь электродвигателя, увеличивается почти вдвое против имеющей место при нормальном пуске, даже в случае наличия в цепи якоря (в момент торможения противотоком) пускового сопротивления.
На рис. 3 изображена схема контроллерного управления электродвигателем параллельного возбуждения. Схема предусматривает пуск, реверсирование и торможение электродвигателя. При включении рубильника Р в нулевом положении контроллера обмотка возбуждения электродвигателя подключается на полное напряжение сети.
В положении контроллера «I вперед» ток от зажима плюс сети через контакты 10 и 9 контроллера проходит через якорь и дополнительные полюсы электродвигателя; далее через искрогасительную катушку ИК, контакты 1 и 2 контроллера ток, пройдя все пускорегулирующее сопротивление P1 — P4, через зажимы 6,8 и 7 возвращается в минус сети. Электродвигатель начинает вращаться с наименьшим числом оборотов.
В положении контроллера «II вперед» из цепи выводится сопротивление P1, вследствие чего электродвигатель увеличивает скорость вращения.
В последующих положениях («III, IV и V вперед») поочередно выводятся сопротивления Р2, Р3, P4 и якорь электродвигателя, подключенный на полное напряжение сети, развивает номинальную скорость вращения. При повороте маховика контроллера из положения «V вперед» в нулевое якорь электродвигателя отсоединяется от сети и подключается на тормозное сопротивление СТ. Так как обмотка возбуждения осталась включенной, электродвигатель переходит в режим динамического торможения.
При повороте маховика контроллера в положение «I назад» ток от зажима + (плюс) сети через контакты контроллера 10, 11, 8 и 6 проходит через пускорегулирующее сопротивление в направлении от P4 к P1; затем через контакты 2, 1, через катушку ИК, дополнительные полюсы, через якорь электродвигателя, зажимы 9 и 7 контроллера ток возвращается в — (минус) сети.
Таким образом, ток в якоре изменяет направление, что при неизменном направлении потока влечет реверс электродвигателя.
Если из положения «V назад» (или V вперед») перевести маховик контроллера в положение «I вперед» (или «I назад»), не дожидаясь остановки электродвигателя при нулевом положении контроллера, то начинается торможение электродвигателя противотоком через пусковое сопротивление P1— P4.
Сопротивление PC, включенное параллельно обмотке возбуждения, служит для ее защиты от повышения напряжения при выключении рубильника Р.