Оценка маломощных бесколлекторных, коллекторных и шаговых двигателей и их драйверов. Коллекторный и бесколлекторный двигатель.

Двигатель
Коллекторный и бесколлекторный двигатель - Преимущества и недостатки Щетки для коллекторных двигателей Принцип работы бесколлекторного мотора Минусы коллекторных моторов Моторы для моделей. Немного теории. Часть 1 — DRIVE2

Типичными электроприводами постоянного тока являются моторизованные игрушки, бытовые приборы и компьютерная периферия. Автомобильные производители используют их в стеклоподъемниках, моторах сидений и других внутренних конструкциях из-за их низкой стоимости и простоты использования.

Содержание
  1. Категории
  2. Бренды
  3. Чем отличается коллекторный и бесколлекторный двигатель?
  4. Три основные топологии двигателя
  5. Для управления двигателем необходима как мощность, так и стратегия
  6. Сходства и различия интегральных схем для управления двигателем
  7. Электродвигатель для радиоуправляемой модели: какие бывают и что лучше купить – коллекторный или бесколлекторный
  8. Коллекторный электродвигатель: плюсы и минусы конструкции
  9. Бесколлекторный электродвигатель: в чем преимущества
  10. Как подключить коллекторный двигатель к Arduino
  11. 2Схема подключения коллекторного двигателяи драйвера двигателей к Arduino
  12. 3Скетч для управления коллекторным двигателем
  13. 4Управление коллекторным двигателем с помощью Arduino
  14. Проверка и ремонт коллекторного электродвигателя
  15. Как проверить коллекторный электродвигатель- наиболее частые поломки
  16. Как проверить коллекторный электродвигатель- редкие поломки
  17. Как узнать на какое напряжение питания рассчитан коллекторный двигатель
  18. Коллекторный двигатель
  19. Три основные топологии двигателя
  20. Бесколлекторный двигатель

Категории

  • Li-Pol/Li-Ion
    • Li-Pol 1S 3.7V
    • Li-Pol 2S 7.4V
    • Li-Pol 3S 11.1V
    • Li-Pol 4S 14.8V
    • Li-Pol 5S 18.5V
    • Li-Pol 6S 22.2V
    • 18650
    • Жесткий чехол для автомобиля
    • Аксессуары
      • Огнеупорные футляры и сумки
      • Тестеры и балансировщики аккумуляторов
      • Разъемы и балансировочные кабели
      • Адаптеры
      • Ремни на липучках и кабельные стяжки
      • Зарядные устройства
        • С подключением питания
        • Без подключения питания
        • Одиночный для Li-Pol/Li-Ion
        • Одиночный для NiMH/NiCD
        • Дуо и Кватро
        • Зарядные устройства для DJI
        • Аксессуары и запасные части
          • Удлинительные кабели
          • Дистрибьюторы и узлы
          • Кабели и разъемы
          • Сервотестеры и аксессуары
          • Рычаги и демпферы
          • Аппаратуры управления
            • Для автомобилей и лодок (2-4 канала)
            • Модели самолетов (4 канала или более)
            • Станции БПЛА
            • Ресиверы
            • Телеметрия и датчики
            • Тренажеры
            • Аксессуары и запасные части
            • PPM/S.BUS/.
            • Системы LRS и бустеры
              • Системы LRS DragonLink
              • Системы LRS 433 МГц
              • Системы LRS 900 МГц
              • Антенны для LRS
              • Радиочастотные усилители (ретрансляторы)
              • Фурнитура
                • Столы и жгуты
                • Крепления для экранов
                • Кабели и адаптеры
                • Мониторы и ротаторы
                • Модули телеметрии
                • Аксессуары
                • Электродвигатели
                  • Для моделей автомобилей
                  • Для моделей самолетов
                  • Для моделей самолетов
                  • Для мультикоптеров
                  • Коллекционеры
                  • Холодильники и охладители
                  • Охлаждение с помощью воды
                  • Компоненты двигателя
                  • Для моделей автомобилей
                  • Для мультикоптеров
                  • Регуляторы хода
                    • Для моделей автомобилей
                    • Для моделей самолетов
                    • Для моделей самолетов
                    • Для мультикоптеров
                    • Карты для программирования
                    • Запасные части для систем управления
                    • Винты и пропеллеры
                      • Пропеллер
                      • Пропеллер
                      • Краны
                      • Пропеллер
                      • Для складных пропеллеров
                      • Камеры
                        • Экшн-камеры
                        • Камеры FPV-курсов
                        • Аксессуары для фотоаппаратов
                        • Объективы и вспышки
                        • Камеры для БПЛА
                        • Системы FPV
                          • Приемник
                          • Передатчики
                          • Цифровые системы (HDMI)
                          • Антенны 5,8 ГГц
                          • Антенны 2,4 ГГц
                          • Антенны 1,2-1,3 ГГц
                          • Аксессуары
                          • Дисплеи и очки для FPV
                            • Видео-очки
                            • HD-мониторы
                            • 9″ мониторы
                            • 7″ мониторы
                            • Мониторы с приемниками
                            • Мониторы без приемников
                            • Аксессуары
                            • Комплектующие для FPV
                              • Мощность
                              • Экранные системы
                              • Микрофоны
                              • Видеорегистраторы
                              • Селекторы видео
                              • Кабели и адаптеры
                              • Антенные детекторы
                              • Системы стабилизации
                                • Контроллеры DJI
                                • Контроллеры Ardupilot
                                • Для мультикоптеров
                                • Для вертолетов
                                • Для самолетов
                                • Аксессуары
                                • Навигационные датчики

                                Бренды

                                • Квадрокоптер
                                • Аккумуляторы
                                • Зарядные устройства
                                • Радиоуправление
                                • Двигатели, контроллеры, пропеллеры
                                • Камеры и вешалки
                                • FPV оборудование
                                • Встроенная электроника
                                • Инструменты, сумки, химикаты
                                • Аксессуары для дронов
                                • Запчасти для вертолетов
                                • Квадрокоптер
                                • Аккумуляторы
                                • Сервоприводы
                                • Радиоуправление
                                • Камеры и вешалки
                                • Встроенная электроника
                                • Инструменты, сумки, химикаты
                                • Транспортные средства
                                • Моторные лодки
                                • Аккумуляторы
                                • Сервоприводы
                                • Двигатели, контроллеры, пропеллеры
                                • Инструменты, сумки, химикаты
                                • Запасные части для автомобилей
                                • Запасные части для лодок
                                • Квадрокоптер
                                • Зарядные устройства
                                • Двигатели, контроллеры, пропеллеры
                                • Камеры и вешалки
                                • FPV оборудование
                                • Встроенная электроника
                                • Инструменты, сумки, химикаты
                                • Запчасти для вертолетов
                                • Квадрокоптер
                                • Вертолеты
                                • Аккумуляторы
                                • Зарядные устройства
                                • Сервоприводы
                                • Радиоуправление
                                • Двигатели, контроллеры, пропеллеры
                                • Камеры и вешалки
                                • FPV оборудование
                                • Встроенная электроника
                                • Инструменты, сумки, химикаты
                                • Аксессуары для дронов
                                • Запчасти для вертолетов
                                • Самолет
                                • Моторные лодки
                                • Радиоуправление
                                • Камеры и вешалки
                                • Встроенная электроника
                                • Авиационные компоненты
                                • Запасные части для лодок
                                • Квадрокоптер
                                • Вертолеты
                                • Самолет
                                • Транспортные средства
                                • Моторные лодки
                                • Роботы и гаджеты
                                • Автомобили, машинки и фигурки
                                • Аксессуары для дронов
                                • Запасные части для автомобилей
                                • Запчасти для вертолетов
                                • Авиационные компоненты
                                • Запасные части для лодок

                                Чем отличается коллекторный и бесколлекторный двигатель?

                                Работа электродвигателя заключается в создании вращения, которое приводит дрон в движение. Часто одни и те же модели дронов — модели автомобилей, самолетов, кораблей — сильно различаются по цене — до двух раз дороже. Эти модели могут быть оснащены двигателями с инверторами или без них и соответствующими органами управления. Вам необходимо выяснить, какой двигатель выбрать.

                                Существует 2 основных типа электродвигателей, используемых в моделях с дистанционным управлением: Коллекторные и неинверторные двигатели.

                                Коллекторные двигатели (щеточные) дешевле, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость, и эти двигатели менее надежны.

                                Основной особенностью щеточно-коллекторных двигателей является наличие щеточного коллекторного узла, который обеспечивает движение радиоуправляемой модели. Основное внешнее отличие коллекторного двигателя от инверторного заключается в том, что у него два провода вместо трех. Коллекторный двигатель состоит из подвижной части, ротора, и неподвижной части, статора (корпуса). Коллектор состоит из ряда контактов, расположенных на роторе, а щетки представляют собой скользящие контакты, расположенные снаружи ротора и запрессованные в коллектор. Ротор и обмотки вращаются внутри статора. Щетки используются для передачи электрической энергии на катушки обмотки вращающегося ротора. Обычные двигатели с коммутатором имеют только два провода (положительный и отрицательный), с помощью которых двигатель подключается к регулятору скорости. Коллекторные двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях, работают на постоянном токе. Например, подав соответствующее напряжение от источника постоянного тока, такого как обычная батарея или блок батарей, на два провода двигателя, вы приводите вал двигателя в движение. Схема управления коллекторным двигателем проста, что также снижает стоимость такой системы. Ротор двигателя ускоряет магнитное поле, создаваемое в обмотках. Величина этого поля зависит от напряжения, приложенного к обмоткам; чем больше магнитное поле, тем быстрее вращается ротор. Число оборотов обмоток двигателя обычно указывается на двигателе; чем меньше число, тем выше скорость вращения вала двигателя. К преимуществам коммутаторных двигателей для моделей с дистанционным управлением относятся их небольшие размеры, малый вес и относительно низкая стоимость. Поэтому этот тип двигателя чаще всего используется в недорогих модельных наборах или моделях начального уровня. Что касается надежности двигателя с коммутатором, то он значительно уступает двигателю без коммутатора. Несмотря на свою простоту, они имеют один существенный недостаток — ограниченный срок службы. Наличие щеточно-коллекторного узла подразумевает наличие механической системы подвижных контактов, т.е. механическая работа щеток и коллектора может вызвать искрение в случае перегрева и быстрый износ в случае неблагоприятных условий эксплуатации (влажность, грязь, пыль). В процессе эксплуатации коллекторных двигателей графитовые щетки и металл коллектора, по которому скользят щетки, постепенно изнашиваются и рано или поздно выходят из строя. Перед эксплуатацией модели рекомендуется запустить двигатель при пониженной нагрузке, чтобы убедиться, что стеклоочистители правильно натирают коллектор. При агрессивном (возможно 2 запуска) или длительном использовании модели замена коллекторного двигателя является частым и нормальным явлением.

                                Коллекторные приводы используются повсеместно в индустрии игрушек, а также в автомобилестроении, производстве бытовой техники и электроинструментов. Это объясняется следующим:

                                Три основные топологии двигателя

                                Три широко используемые конфигурации маломощных двигателей постоянного тока — это двигатели с коммутатором, бескоммутаторные (BLDC) двигатели и шаговые двигатели. Каждый из них работает благодаря взаимодействию между токами в катушках (или обмотках) и постоянными магнитами (в большинстве конструкций), в результате чего возникает магнитное поле притяжения/отталкивания, вызывающее вращение. Все три типа двигателей имеют некоторые общие черты, но отличаются способом управления током, протекающим через обмотки ротора и статора.

                                Они также различаются по способности выполнять определенные задачи, качеству этого выполнения и гибкости управления.

                                • Исторически первым двигателем был двигатель с коммутатором: когда ротор вращается, контактные щетки, представляющие собой неподвижные контакты, обычно изготовленные из графита, касаются соответствующих участков на роторе (рис. 1). При вращении ротора изменение точек контакта щеток вызывает изменение направления протекания тока и, следовательно, магнитного поля. Затем взаимодействие магнитного поля между ротором и статором изменяется на противоположное, так что ротор продолжает двигаться.

                                Рис. 1. Коллекторный двигатель постоянного тока

                                Рисунок 1. Двигатель постоянного тока с коммутатором

                                Эта механическая система концептуально проста. Однако у них есть недостаток: щетки изнашиваются и требуют замены, интеллектуальное управление трудно реализовать, поскольку трудно включить двигатель, а щетки вызывают электромагнитные помехи (EMI), также известные как радиочастотные помехи (RFI).

                                В самом простом варианте коллекторный двигатель не нуждается в электронном управлении — он просто работает в ответ на ток и механическую нагрузку. В других вариантах токовая шина двигателя включается и выключается через транзисторную схему, что является самым простым вариантом управления. Также можно использовать чип-драйвер для повышения производительности и управления скоростью и крутящим моментом.

                                • В двигателе BLDC механическая цепь заменена электрической цепью с транзисторами. Наиболее часто используются МОП-транзисторы, управляемые драйвером затвора (в некоторых конструкциях используются биполярные транзисторы с изолированным затвором — IGBT). Отдельный контроллер управляет точным переключением индуктора в течение времени, необходимого для поддержания вращения двигателя на требуемой скорости (рис. 2).

                                Рис. 2. Бесколлекторный двигатель постоянного тока

                                Рисунок 2. Двигатель постоянного тока без коммутатора.

                                Примечания: Двигатели BLDC иногда называют двигателями с электронной коммутацией (EC), что является более точным определением.

                                В BLDC магнитное поле ротора всегда присутствует и создается постоянными магнитами. Когда ток перетекает из одной фазы двигателя в другую, магнитные поля объединяются, образуя переменное поле статора.

                                Двигатель управляется не только электроникой. Вместо этого переключение может быть произведено в драйвере затвора с контролируемым временем нарастания и спада для уменьшения электромагнитных помех/RFI. Основная проблема заключается в том, что более мягкое переключение приводит к потере мощности и снижению КПД двигателя, и в этом случае конструктор должен найти оптимальный компромисс. Некоторые новые драйверы ворот используют множество сложных и тонких приемов, чтобы облегчить эту задачу.

                                Для управления двигателем необходима как мощность, так и стратегия

                                Полная система управления двигателем состоит из нескольких модулей (Рисунок 4):

                                Рис. 4. Путь сигнала управления двигателем

                                Рисунок 4. Тракт сигнала управления двигателем.

                                • Контроллер Контроллер решает, что нужно сделать двигателю в данный момент времени для выполнения текущей задачи, и определяет, сколько энергии необходимо подать на полюса в данный момент времени. Это может быть отдельная интегральная схема с фиксированным режимом работы или часть микропрограммы более крупной системы.

                                Если двигатель имеет контур обратной связи, как это делают сегодня многие производители, прикрепляя датчик положения к валу ротора, контроллер также оценивает положение и скорость двигателя и определяет соответствующие изменения, необходимые для управления мощностью.

                                • Выходной сигнал контроллера передается на драйвер управления затвором, который преобразует команды включения/выключения с низким напряжением и низким током в более высокие токи (и часто более высокие напряжения), необходимые MOSFET (или IGBT). Очень часто драйвер имеет гальваническую развязку.
                                • MOSFET (или IGBT) — это собственно силовые переключатели, которые управляют током в катушках двигателя.
                                • Катушки двигателя. Ток, проходящий через обмотки катушки двигателя, создает электромагнитное поле, которое взаимодействует с неподвижными магнитами двигателя, заставляя его начать вращаться.

                                Сходства и различия интегральных схем для управления двигателем

                                Преимущество маломощных двигателей, помимо низких требований к току и напряжению, заключается в том, что драйверы затворов MOSFET могут быть интегрированы в системы управления и оптимизированы под конкретные требования. Три чипа от STMicroelectronics обладают множеством ключевых характеристик, которые позволяют использовать их в сочетании с различными типами двигателей. Кроме того, они облегчают моделирование и просты в освоении.

                                Вот некоторые из преимуществ этих продуктов:

                                • Максимальная интеграция за счет использования интерфейса микроконтроллера (MCU), логики управления, драйвера и MOSFET-моста (требуется мало пассивных компонентов и нет необходимости во внешних активных компонентах),
                                • Низкое рабочее напряжение 1,8…10 В, что подходит для низковольтных двигателей, особенно питающихся от небольших батарей,
                                • Высокий выходной ток до 1,3 А (среднеквадратичное значение) и 2 А (максимальное значение) для каждого выхода,
                                • потребление тока в режиме ожидания до 80 нА,
                                • Повышенная надежность благодаря прерыванию при отключении питания (UVLO), тепловой защите и защите от перегрузки по току,
                                • маленький корпус QFN с размерами 3 × 3 мм.

                                Давайте рассмотрим сходства и различия между этими тремя ИС управления двигателями. STSPIN220, разработанный для шаговых двигателей, сочетает в себе логику управления, высокую эффективность и низкое сопротивление исток-сток открытого RDS(ON) (Рисунок 5). Контроллер реализует управление током с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с программируемым временем отключения. STSPIN220 поддерживает разрешение 256 микрошагов на полный шаг, обеспечивая максимально плавное движение.

                                Рис. 5. Микросхема STSPIN220 для управления шаговым двигателем

                                Рисунок 5. Микросхема STSPIN220 для управления шаговым двигателем.

                                Микросхемы, аналогичные STSPIN220:

                                  — монолитный драйвер для трехфазных двигателей BLDC; — монолитный драйвер для двух независимых двигателей постоянного тока; — монолитный драйвер для одного двигателя постоянного тока.

                                Примечания: Драйвер STSPIN250 предназначен для одного двигателя, в отличие от двухдвигательного драйвера STSPIN240. STSPIN250 может обеспечивать более высокий ток — 2,6 А (среднеквадратичный) и 4 А (пиковый).

                                Все эти ИС имеют максимально похожие внешние интерфейсы и функциональные команды, функционально отличаются только интерфейсы со стороны двигателя.

                                Если двигатель имеет контур обратной связи, как это делают сегодня многие производители, прикрепляя датчик положения к валу ротора, контроллер также оценивает положение и скорость двигателя и определяет соответствующие изменения, необходимые для управления мощностью.

                                Электродвигатель для радиоуправляемой модели: какие бывают и что лучше купить – коллекторный или бесколлекторный

                                Если вы уже определились с выбором дрона и точно знаете, что ваш будущий внедорожник, самолет, беспилотник или скоростной катер будет оснащен электродвигателем, самое время подумать о том, какой тип двигателя является самым лучшим и надежным.

                                Современная RC-модель с электрическим двигателем может иметь двигатель с коммутатором или без коммутатора. Каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки. И разница здесь не только в цене, как могут сказать в соседнем магазине.

                                Итак, давайте рассмотрим все подробно, и каждый сможет сделать свои выводы о том, какой мотор выберет автомобиль (или любую другую модель) на радиоуправлении.

                                Коллекторный электродвигатель: плюсы и минусы конструкции

                                «Щеточный», «матовый», «коллекторный» — все это названия первого типа электродвигателей, которые пользуются популярностью как у новичков, так и у профессионалов, участвующих, например, в гонках или соревнованиях DRIFT.

                                Важной особенностью конструкции является наличие щеточного коллекторного узла, который является «сердцем» и непосредственно приводит в действие технологию RC.

                                Внешнее отличие электродвигателя с коммутатором от электродвигателя без коммутатора заключается в наличии только двух проводов («плюс» и «минус») в двигателях с коммутатором и трех проводов («фазы») в двигателях без коммутатора для подключения двигателя к регулятору скорости (ESC, сокращенно «ESC» на английском языке).

                                Ротор (подвижная часть) и статор (неподвижная часть) — это два основных компонента двигателя с коммутатором.

                                Внутри корпуса (статора) вращается подвижный ротор с медной обмоткой. На одной стороне вала ротора находится шестерня или шкив, а на другой — коммутатор, который представляет собой серию контактов.

                                Статор имеет графитовые щетки, также тип скользящего контакта, которые соприкасаются с коллектором. Сбрасыватели предназначены для передачи тока на обмотку вращающегося ротора.

                                Конструкция проста и проверена. Питание такого двигателя осуществляется от постоянного тока (от батареи или обычного аккумулятора). Чтобы изменить направление вращения, достаточно изменить полярность тока, подаваемого на обмотку.

                                Коллекторные двигатели были разработаны на заре развития технологии RC, поэтому они дешевле и проще в обслуживании, но они имеют гораздо меньшую мощность и время работы по сравнению с электродвигателями нового поколения.

                                Коллекторные двигатели

                                Преимущества

                                Низкая эффективность (около 60 %)

                                Относительно низкая скорость RC-модели

                                Простота эксплуатации и обслуживания

                                Быстрый износ компонентов, очень ограниченный срок службы

                                Отлично подходит для некоторых видов спортивных мероприятий

                                Перечисленные в таблице преимущества делают модели с коллекторными двигателями желательными как для начинающих, так и для профессиональных пилотов для использования в специальных соревнованиях.

                                Если вы покупаете модель с дистанционным управлением с коммутаторным двигателем, следует помнить, что графитовые щетки и коммутатор представляют собой подвижную контактную систему, где механическая составляющая двигателя имеет свои особенности. Возможны искрение и перегрев, поэтому следует избегать контакта с агрессивными средами (влажность, грязь, пыль).

                                Перед вводом в эксплуатацию модели с коллекторным двигателем его необходимо протестировать, т.е. «прогнать» на низких оборотах, чтобы щетки могли «нарастить» коллектор.

                                И будьте готовы к тому, что быстрый износ и замена компонентов такого двигателя — нормальное явление.

                                Бесколлекторный электродвигатель: в чем преимущества

                                «Brushless», «бесщеточный», «безщеточный», «бесключевой» — это электродвигатель для дистанционно управляемой модели (автомобиля, лодки, самолета, вертолета или квадрокоптера), разработанный уже в 21 веке. Он воплощает в себе все характеристики, которые хочет получить каждый профессиональный строитель RC-моделей: надежность, производительность и долговечность.

                                Основная проблема любого электродвигателя — перегрев. Когда ротор вращается в статоре двигателя с коммутатором, высокие температуры внутри механизма (и, как следствие, быстрый износ и частые отказы) неизбежны.

                                Умное техническое решение произвело революцию в мире моделей с дистанционным управлением и не только: «Что если бы вместо ротора вращался статор?». Тогда двигатель будет автоматически охлаждаться потоком воздуха, создаваемым самим двигателем!».

                                Бесинверторный двигатель получил широкое распространение в авиации, автомобилестроении и судостроении, а радиоуправляемые модели с такой «начинкой» стали летать гораздо быстрее и дольше.

                                Внешнее отличие этого двигателя от его «старшего брата с коммутатором» — три провода для подключения к контроллеру. Трехфазная обмотка ротора (которая в данном случае является одножильной) подключена к более сложному электронному регулятору скорости. Это не так просто, и поэтому стоимость модели с таким электродвигателем и контроллером во много раз выше, чем у модели с коммутатором.

                                Двигатель без коммутатора работает на переменном токе. В этом случае требуется специальный регулятор скорости (или губернатор, или контроллер) для преобразования постоянного тока батареи в трехфазный переменный ток. Техническая сложность конструкции определяет самый большой (и, пожалуй, единственный) недостаток этих двигателей — они намного дороже коммутаторных.

                                Двигатели без коллектора

                                Преимущества

                                Высокий КПД двигателя (до 92 %)

                                Более высокая мощность по сравнению с инверторными двигателями аналогичного размера

                                Больший вес по сравнению с аналогичным коллекторным двигателем

                                Высокая стойкость к истиранию благодаря тесной конструкции двигателя, что обеспечивает гораздо более длительный срок службы

                                Категорически не рекомендуется для детей

                                Высокая устойчивость к влаге, пыли и грязи

                                Чрезвычайно высокая скорость движения, например, наземные модели могут развивать скорость до 260 км/ч, воздушные — до 350 км/ч.

                                Бесинверторные двигатели долговечны, надежны и практически не подвержены износу. Что может выйти из строя, так это подшипники, которые легко заменить.

                                Одна особенность, которую новичок может не заметить в бесинверторном двигателе, но профессионал будет рад, — это наличие датчиков. Двигатели с датчиками более практичны, поскольку встроенные датчики обеспечивают очень плавную работу и быстрый запуск, а также более рациональное использование энергии.

                                Неопытный моделист может не заметить, есть датчик или нет, но стоимость сразу же становится очевидной — наличие датчиков делает цену двигателя «тяжелее».

                                Как я могу отличить их? Двигатели с датчиками имеют три соединительных провода, но к регулятору скорости подключен шлейф из тонких проводов.

                                Модель с дистанционным управлением и двигателем без инвертора — это выбор для профессионалов, которые придают большое значение скорости и гоночной выносливости.

                                Скорость вращения инверторного двигателя является как преимуществом, так и недостатком. С одной стороны, это позволяет работать на высоких скоростях, но с другой стороны, становится причиной перегрева двигателя и дальнейшего его повреждения.

                                Как подключить коллекторный двигатель к Arduino

                                Как вы знаете, существует три основных типа электродвигателей: коллективные, шаговые и серводвигатели. В этой статье мы подключим коллекторный двигатель на Arduino к драйверу двигателя на базе микросхемы L9110S или аналогичной микросхемы.

                                Нельзя подключать электродвигатель непосредственно к контактам Arduino: есть риск сжечь контакт, к которому подключен двигатель. Для безопасного подключения различных типов двигателей к Arduino вам понадобится самодельный или промышленно изготовленный так называемый драйвер двигателя.

                                Драйвер двигателя необходим для безопасного подключения двигателей различных типов к Arduino. Драйверы двигателей бывают разных типов, часто с микросхемами HG788, L9110S, L293D, L298N и другими.

                                Драйверы двигателей имеют клеммы питания, клеммы подключения двигателя и клеммы управления.

                                Различные типы драйверов электродвигателей

                                В этой статье используется драйвер двигателя на базе микросхемы L9110S. Обычно создаются платы, поддерживающие подключение нескольких двигателей. Однако в демонстрационных целях мы будем использовать только один.

                                2Схема подключения коллекторного двигателяи драйвера двигателей к Arduino

                                Самые простые двигатели — коллекторные. Эти двигатели имеют только два управляющих контакта. В зависимости от полярности приложенного напряжения изменяется направление вращения вала двигателя, а в зависимости от уровня приложенного напряжения изменяется скорость вращения.

                                Подключим двигатель в соответствии с прилагаемой схемой. Драйвер двигателя питается от 5 В Arduino, а клеммы управления подключены к клеммам Arduino, поддерживающим ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) для управления скоростью вращения двигателя.

                                Схема подключения двигателя с коммутатором к Arduino с помощью драйвера двигателя.

                                Это должно работать примерно так:

                                Двигатель подключается к драйверу двигателя и Arduino.

                                3Скетч для управления коллекторным двигателем

                                Давайте напишем скрипт для управления коллекторным двигателем. Объявите две константы для ножек, управляющих двигателем, и переменную для хранения значения скорости. Отправьте значения переменной Speed на последовательный интерфейс и измените скорость (значением переменной) и направление вращения двигателя (знаком числа).

                                Максимальная скорость достигается при самом высоком значении напряжения, которое может обеспечить драйвер двигателя. Мы можем управлять скоростью вращения, подавая напряжение от 0 до 5 вольт.

                                Поскольку мы используем цифровые выводы с ШИМ, напряжение на них управляется командой analogWtirte(pin, value), где pin — номер вывода, на котором мы хотим установить напряжение, а аргумент value — коэффициент, пропорциональный значению напряжения, принимающий значения от 0 (напряжение на выводе равно нулю) до 255 (напряжение на выводе равно 5 вольтам).

                                4Управление коллекторным двигателем с помощью Arduino

                                Загрузите скетч в память Arduino. Выполните его. Вал двигателя не вращается. Чтобы задать скорость вращения, необходимо отправить на последовательный интерфейс значение от 0 до 255. Направление вращения определяется знаком числа.

                                Подключитесь к порту через любое терминальное устройство, отправьте число «100», и двигатель начнет вращаться со средней скоростью. Если мы пошлем «минус 100», он начнет вращаться с той же скоростью в противоположном направлении.

                                Проверка и ремонт коллекторного электродвигателя

                                В быту почти все электродвигатели являются коммутаторными — это современные устройства. Подробнее об их устройстве и эксплуатации читайте в нашей предыдущей статье.

                                Коллекторные двигатели встречаются в стиральных машинах (но не во всех моделях), пылесосах, электроинструментах, детских игрушках и т.д. Их главная особенность заключается в том, что они имеют неподвижные обмотки статора и обмотки на валу (якорь), на которые подается напряжение через коллектор и графитовые щетки.

                                Если в вашем электроинструменте или другом устройстве сломался или вышел из строя двигатель, не выбрасывайте его сразу, потому что в большинстве случаев вы можете быстро и дешево отремонтировать его своими руками. О том, как определить и устранить проблему, вы узнаете далее в этой статье.

                                Прежде чем приступить к поиску причин неисправности электродвигателей, сначала проверьте исправность сетевого кабеля, сетевых выключателей и, если применимо, пускорегулирующих устройств.

                                Как проверить коллекторный электродвигатель- наиболее частые поломки

                                Для поиска и устранения неисправности необходимо разобрать сам электроинструмент или двигатель другого бытового прибора в соответствии с данной инструкцией.

                                Перед началом разборки сначала проверьте наличие искры в контактном механизме щетки.

                                Если он слишком большой (как на фотографии нижней щетки), это может указывать на износ или плохой контакт щеток или, что более редко, на короткое замыкание в коллекторе.

                                В большинстве случаев повреждение коллекторных двигателей связано с износом щеток и почернением коллектора. Изношенные щетки следует заменять новыми щетками той же формы и размеров.

                                Замена очень проста: вы можете снять или открутить замок или открутить защелку. В некоторых моделях заменяются не щетки, а щеткодержатель. Не забудьте подсоединить медный провод к контакту.

                                Если щетки целы, растяните пружины, удерживающие их на месте.

                                Если контактная зона коллектора потемнела, ее следует зачистить мелкой наждачной бумагой (наждачной бумагой для царапин).

                                Иногда между щетками и коллектором образуется канавка. Этот паз должен быть отшлифован с помощью станка.

                                Второе место по количеству отказов занимает износ подшипников. На необходимость их замены в электроинструменте указывает усталость патрона и повышение вибрации корпуса во время работы. Как проверить и заменить подшипники, подробно описано в этой статье. В худшем случае якорь и статор соприкасаются во время вращения — тогда следует заменить как минимум якорь.

                                Как проверить коллекторный электродвигатель- редкие поломки

                                Реже наблюдаются трещины или прожоги в обмотках или соединениях обмоток, оплавленная или короткозамкнутая графитовая пыль на пластинах коллектора. В большинстве случаев это можно обнаружить при внешнем осмотре. При этом обратите внимание на следующее:

                                • Целостность обмоток.
                                • Полное или частичное потемнение обмоток.
                                • Обеспечьте контакт между пластинами коллектора и соединительными проводами. При необходимости выполните повторную сварку.
                                • Если пространство между ламинатами забито графитовой пылью. Если да, очистите его.
                                • Если в изоляции проводов присутствует характерный запах гари.

                                Как узнать на какое напряжение питания рассчитан коллекторный двигатель

                                Двигатель с коммутатором используется не только в электроприборах, но даже в стиральных машинах в качестве двигателя привода барабана.

                                Даже 20 лет назад, и даже сегодня, очень многие стиральные машины работают с коммутаторными двигателями.

                                Почему они и сегодня так популярны? Причина в том, что двигатели с коммутатором имеют небольшие размеры и достаточную мощность.

                                Двигатель с коммутатором — это двигатель с одной фазой и последующим возбуждением обмоток.

                                Это устройство работает в режиме постоянного/переменного тока. Двигатель с коммутатором часто называют двигателем общего назначения.

                                Будьте внимательны при выборе двигателя и обращайте внимание на его напряжение.

                                Например, двигатель под названием Speed 400 имеет напряжение двигателя 4,8 Вт, 6 Вт и 7,2 Вт.

                                Вы можете использовать эти значения, чтобы узнать, сколько батарей хватит для питания устройства. Напряжение батареи NiCd или NiMH составляет 1,2 Вт.

                                Нетрудно подсчитать и увидеть, что двигатель имеет напряжение 4,8 Вт и рассчитан на работу от четырехэлементной батареи.

                                Однако эти цифры являются лишь приблизительными, поскольку двигатели могут хорошо работать при высоких напряжениях.

                                Коллекторный двигатель состоит из следующих важных частей:

                                2) якорь коллектора,

                                4) магнит якоря датчика скорости,

                                5) обмотка; 6) клеммная обмотка,

                                9) алюминиевый корпус.

                                Видео обмотки якоря двигателя с коллектором

                                Якорь является динамическим элементом двигателя.

                                Обмотка якоря двигателя коллектора равна напряжению рукоятки, а также величине магнитного потока, которая зависит от нагрузки двигателя.

                                При отсутствии нагрузки движение якоря может увеличить номинальное значение в 3-4 раза и более, но это нежелательно из-за значительных сил, вызывающих износ якоря.

                                Движение якоря остается неизменным, когда система номинальна и напряжение сети ответственно.

                                Однако, если двигатель перегружен и подключен к сети переменного тока, якорь будет двигаться вниз, тогда как в ненагруженном состоянии он будет двигаться вверх.

                                При отсутствии нагрузки прогиб якоря, скорее всего, увеличится и будет почти в три или более раз превышать номинальный прогиб. Следует отметить, что этот режим оказывает вредное воздействие на арматуру.

                                Поэтому этот режим подходит для маломощных устройств. Мощность маломощных двигателей должна составлять не менее 25 %.

                                Обмотка якоря двигателя коллектором целесообразна после измерения размеров якоря и устранения предыдущей обмотки.

                                Интересно! Запуск бензопилы, сюда!

                                Обрежьте провода старой обмотки и извлеките их из пазов якоря. Затем снимите провода с коллекторных пластин и тщательно очистите места соединения проводов и армирующие канавки.

                                Поместите в армирующие пазы изолирующие прокладки из электротехнического картона, отрежьте их по длине армирующего паза, согните по форме паза и вставьте в пазы.

                                Обмотка якоря коллекторного двигателя может быть выполнена руками. Для намотки якоря используются шелковые или нахлесточные провода с лаковой изоляцией фирм ПЭЛШКО, ПЭЛО, ПЭЛ и других.

                                Загрузите скетч в память Arduino. Выполните его. Вал двигателя не вращается. Чтобы задать скорость вращения, необходимо отправить на последовательный интерфейс значение от 0 до 255. Направление вращения определяется знаком числа.

                                Коллекторный двигатель

                                Многофункциональный двигатель — это двигатель со щетками или щеточным механизмом, который отвечает за приведение в движение механизма. Другими словами, коллектор состоит из нескольких контактов. Коллекторный двигатель довольно прост в эксплуатации и может работать как от аккумулятора, так и от перезаряжаемой батареи.

                                Преимущества коллекторного двигателя заключаются в следующем:

                                • он имеет относительно небольшой вес и компактные размеры,
                                • его стоимость значительно ниже, чем у бескоммутационного двигателя
                                • Двигатель коллектора можно отремонтировать.

                                Помимо этих преимуществ, данный тип двигателя имеет и недостатки:

                                • КПД коллекторного двигателя не превышает 50-60%,
                                • очень быстрый износ двигателя из-за высокой скорости трения его щеток.

                                Скорость вращения инверторного двигателя является как преимуществом, так и недостатком. С одной стороны, это позволяет работать на высоких скоростях, но с другой стороны, становится причиной перегрева двигателя и дальнейшего его повреждения.

                                Три основные топологии двигателя

                                Три широко используемые конфигурации маломощных двигателей постоянного тока — это двигатели с коммутатором, бескоммутаторные (BLDC) двигатели и шаговые двигатели. Каждый из них работает благодаря взаимодействию между токами в катушках (или обмотках) и постоянными магнитами (в большинстве конструкций), в результате чего возникает магнитное поле притяжения/отталкивания, вызывающее вращение. Все три типа двигателей имеют некоторые общие черты, но отличаются способом управления током, протекающим через обмотки ротора и статора.

                                Они также различаются по способности выполнять определенные задачи, качеству этого выполнения и гибкости управления.

                                • Исторически первым двигателем был двигатель с коммутатором: когда ротор вращается, контактные щетки, представляющие собой неподвижные контакты, обычно изготовленные из графита, касаются соответствующих участков на роторе (рис. 1). При вращении ротора изменение точек контакта щеток вызывает изменение направления протекания тока и, следовательно, магнитного поля. Затем взаимодействие магнитного поля между ротором и статором изменяется на противоположное, так что ротор продолжает двигаться.

                                Рис. 1. Коллекторный двигатель постоянного тока

                                Рисунок 1. Двигатель постоянного тока с коммутатором

                                Эта механическая система концептуально проста. Однако у них есть недостаток: щетки изнашиваются и требуют замены, интеллектуальное управление трудно реализовать, поскольку трудно включить двигатель, а щетки вызывают электромагнитные помехи (EMI), также известные как радиочастотные помехи (RFI).

                                В самом простом варианте коллекторный двигатель не нуждается в электронном управлении — он просто работает в ответ на ток и механическую нагрузку. В других вариантах токовая шина двигателя включается и выключается через транзисторную схему, что является самым простым вариантом управления. Также можно использовать чип-драйвер для повышения производительности и управления скоростью и крутящим моментом.

                                • В двигателе BLDC механическая цепь заменена электрической цепью с транзисторами. Наиболее часто используются МОП-транзисторы, управляемые драйвером затвора (в некоторых конструкциях используются биполярные транзисторы с изолированным затвором — IGBT). Отдельный контроллер управляет точным переключением индуктора в течение времени, необходимого для поддержания вращения двигателя на требуемой скорости (рис. 2).

                                Рис. 2. Бесколлекторный двигатель постоянного тока

                                Рисунок 2. Двигатель постоянного тока без коммутатора.

                                Примечания: Двигатели BLDC иногда называют двигателями с электронной коммутацией (EC), что является более точным определением.

                                В BLDC магнитное поле ротора всегда присутствует и создается постоянными магнитами. Когда ток перетекает из одной фазы двигателя в другую, магнитные поля объединяются, образуя переменное поле статора.

                                Двигатель управляется не только электроникой. Вместо этого переключение может быть произведено в драйвере затвора с контролируемым временем нарастания и спада для уменьшения электромагнитных помех/RFI. Основная проблема заключается в том, что более мягкое переключение приводит к потере мощности и снижению КПД двигателя, и в этом случае конструктор должен найти оптимальный компромисс. Некоторые новые драйверы ворот используют множество сложных и тонких приемов, чтобы облегчить эту задачу.

                                Бесколлекторный двигатель

                                Бескоммутационный двигатель, в отличие от коллекторного типа, не имеет щеточно-коллекторного механизма. Вместо этого у него есть ротор с магнитами и статор. Такая конструкция двигателя также имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества бескоммутаторного двигателя заключаются в следующем:

                                • Довольно высокий КПД (около 90 %),
                                • Конструкция двигателя этого типа защищает его от внешних воздействий окружающей среды (пыли, грязи и влаги).
                                • Бескоммутаторный двигатель имеет более высокую рабочую скорость, но в то же время он гораздо более устойчив к износу, чем двигатель с коммутатором.

                                Недостатки инверторного двигателя, в свою очередь, прямо противоположны достоинствам коммутаторного двигателя, то есть этот тип двигателя требует значительных финансовых затрат, а также достаточно сложен в ремонте.

Оцените статью