12. Двигатели постоянного тока.

На первый взгляд моторы постоянного тока кажутся довольно простыми. Подаем напряжение на оба контакта, и даааа, он крутится! А если мы хотим изменить направление движения ? Правильно, меняем провода местами. А что если нужно заставить двигатель вращаться на меньших оборотах? Нужно использовать меньшее напряжение питания. Но как робот может сделать все это автоматически? Как определить, какое напряжение подавать? Почему не 50 а 12 вольт? Что случится, если мотор перегреется? Управление двигателем намного интереснее чем кажется!

Напряжение

Считается, что мотор постоянного тока не имеют полярности - имеется в виду, что можно менять полярность питания без каких-то вредных последствий. Обычно моторы постоянного тока питаются напряжением от 6 до 12В. Более мощные питаются от 24В и выше. Но для роботов лучше всего использовать питание в диапазоне 6-12В. Так почему же моторы работают на различном напряжении? Как известно (или должны быть известно), напряжение прямо пропорционально вращающему моменту. Больше напряжение, выше момент. Но не подавайте на мотор 100В, ничего хорошего из этого не выйдет )) Мотор рассчитан на напряжение, при котором он будет работать наиболее эффективно. Если подать слишком маленькое напряжение, мотор едва будет крутиться, если слишком много, он перегреется и обмотки расплавятся. Так что основным правилом можно считать подачу напряжения, приближенного к номинальному. К тому же, несмотря на то, что 24В двигатель может быть мощнее, разве стоит нагружать робота 24В батареями, которые значительно тяжелее и больше? Я предлагаю не использовать напряжения выше 12 вольт для до тех пор, пока не понадобится действительно высокая мощность.

Ток

Обязательно нужно обратить внимание на ток. Слишком мало, не будет крутиться. Слишком много и получим расплавившиеся обмотки. Когда покупаете мотор, следует обратить внимание на два значения. Первое - рабочий ток. Это среднее количество тока, потребляемое двигателем для работы при стандартной нагрузке. Умножим это значение на напряжение и получим среднюю мощность, потребляемую двигателем. Другое значение, на которое нужно обратить внимание это ток потребления при заблокированном роторе. Эта величина получается при подаче питания на двигатель и приложении достаточной силы что бы остановить его. Это максимальное значение потребляемого двигателем тока, а значит и максимальное значение потребляемой мощности. Поэтому нужно создавать систему управления таким образом, что бы она выдерживала ток при заблокированном роторе. К тому же, если вы планируете постоянно использовать двигатель, или подавать напряжение выше номинального, хорошо бы охлаждать двигатель для предупреждения перегрева.

Уровень мощности

Насколько большое напряжение можно подать на двигатель? Обычно все моторы рассчитаны (или должны рассчитываться) на определенную мощность. Мощность это энергия. Неэффективность преобразования электричества в движение напрямую связано с нагревом. Слишком много тепла и обмотки двигателя расплавятся. Поэтому производители моторов (качественных) знают, какая мощность приведет к повреждению двигателя и дают эту информацию в документации на двигатель.Поэкспериментируйте, что бы определить, какое количество тока потребляет двигатель при используемом напряжении.

Уравнение следующее:

Мощность [Ватт] = Напряжение [Вольт] * Ток [Ампер]

Выбросы напряжения

Для смены направления вращения необходимо изменить полярность питания. Двигатель обладает собственной индукцией и моментом, которые сопротивляются этому изменению напряжения. Поэтому при смене направления вращения двигателя происходит мощный кратковременный выброс. Напряжение импульса может вдвое превышать напряжение питания. Ток примерно равняется максимальному. Отсюда вывод, силовая система управления должна быть рассчитана на мощные электрические импульсы.

Момент

При покупке двигателя постоянного тока нужно обратить внимание на два значения крутящего момента. Первый - рабочий крутящий момент. Это момент, на который рассчитан двигатель. Обычно это заявленное значение. Другое значение - момент при заблокированном роторе. Это момент, требуемый для остановки двигателя при вращении. Обычно используется только рабочий момент, но бывают случаи, когда нам нужно знать, насколько можно нагрузить двигатель. Если вы создаете колесного робота, большой момент означает хорошее ускорение. Мое личное правило - если на роботе 2 двигателя, момент каждого должен превышать вес робота на плече равном радиусу колеса. Всегда отдавайте предпочтение моменту перед скоростью. Помните, как сказано выше, значение крутящего момента может изменяться в зависимости от поданного напряжения. Так что если требуется чуть больший момент для того, что бы сломать что-то, подаем напряжение на 20% больше номинального, это безопасно для нас, но даст прирост мощности. Главное помните что это снижает КПД и требует дополнительного охлаждения двигателя.

Скорость вращения

Скорость довольно сложное понятие когда речь заходит о моторах постоянного тока. Основное правило - двигатель работает наиболее эффективно на максимально возможных оборотах. Очевидно, что это не возможно. Бывает, нам нужно что бы робот двигался медленно. Первое что приходит в голову - шестерни, с их использованием двигатель может крутиться быстро, а с него можно снимать высокий момент. К сожалению, шестерни автоматически снижают эффективность, имея КПД не более 90%, Поэтому заложим 90% скорости и момента на каждую шестерню при расчете редуктора. Например, у нас есть 3 прямозубые шестерни, следовательно соединяя их дважды, мы получим КПД 90% x 90% = 81%. Напряжение и сопротивление вращению очевидно снижают скорость.

Способы управления

Наиболее важной технологией управления мотором постоянного тока на сегодня является Н-мост. После того как Н-мост будет подключен к двигателю, для определения скорости вращения и положения вала нужно использовать энкодер. И наконец, нужно найти хороший способ торможения двигателя.

Дополнительная информация

Подключение конденсатора емкостью несколько микрофарад между клеммами двигателя поможет продлить срок службы. Этот способ отлично работает с шумными и другими недорогими двигателями, почти удваивает ресурс двигателя. Однако, это намного меньше по сравнению с дорогими высококачественными моторами. Дополнительные способы выбора мотора для робота можно найти в статье про динамику роботов.