Схема стабилизатора оборотов электродвигателя для проигрывателя

Всем привет, история следующая:

Имеется советский магнитофон Электроника 302-1, нужна помощь в создании простой схемы для изменения диапазона и регулировки скорости коллекторного двигателя постоянного тока. Регулировка скорости мне необходима для того, чтобы можно было сводить два музыкальных трека между собой, с разным количеством ударов в минуту (BPM), соответственно с двух проигрывателей, аудио-микшером.

Сама схема желательно должна обладать стабилизатором напряжения и оборотов для двигателя с обратной связью, чтобы при вращении «неидеально» ровных движущих частей магнитофона (пассика, прижимного ролика, тонвала и т.д.) уменьшить детонацию.

Если тема с обратной связью слишком геморройна, тогда можно придумать что-нибудь со стабилизатором напряжения LM317.
Питание всех частей мафона (движка, фонокорректора, светодиодов с резисторами) – 9В, 1А (б.п. от какой-то электроники), поэтому хочу чтобы под 9В пахало

Идея в том, что нужно регулировать одним переменным резистором напряжение в таком виде (один на схеме виртуальный, для показа принципа работы, на схеме он должен быть один, с одним тумблером переключения диапазона):

То есть чтобы схема с серединой регулировки переменника выдавала ровно 4.8 В (при таком значении более-менее ровно по тону играет магнитофон, ну потом юстировать буду)

Еще нужно придумать схему, которая включает зеленый светодиод, при достижении 4.8 В на двигателе (либо в определенном диапазоне, например 4.79-4.81 В). Это поможет на вид определить так называемый «ноль»:

За помощь буду очень благодарен

В широко распространенных ныне переносных магнитолах производства стран Юго-Восточной Азии и некоторых стран Европы используются коллекторные двигатели постоянного тока (КДПТ) со встроенными регуляторами частоты вращения (с правым или левым вращением) на напряжение 6, 9 и 12В.

Рис. 1. Регулятор частоты двухскоростного электродвигателя на напряжение 12 В

Надежность этих стабилизаторов, мягко говоря, оставляет желать лучшего, и они довольно часто (особенно при интенсивной эксплуатации) выходят из строя. Стоимость двигателей в сборе довольно существенна. По моему мнению, проще заменить интегральную микросхему стабилизатора. Для упрощения ремонта и возможной модернизации привожу принципиальные схемы наиболее часто встречающихся КДПТ фирм «Matsuschita» и «Mabushi». На рис.1 – регулятор частоты двухскоростного электродвигателя на напряжение 12 В, на рис.2 – односкоростного, на 9 В. Схемы составлены непосредственно по печатным платам стабилизаторов. Включение дополнительных элементов для регулировки скорости вращения в первой схеме показано на рис.3.

Рис. 2. Регулятор частоты односкоростного электродвигателя на напряжение 9 В

Направление вращения вала КДПТ определяется по обозначению в правом нижнем углу заводской таблички: двигатель левого вращения обозначается CCW («contra clock way» – «против часовой стрелки»), правого вращения – CW («clock way» – «по часовой стрелке»). Описанные здесь стабилизаторы можно использовать и в отечественных кассетных магнитофонах и магнитолах взамен устаревших регуляторов РЧВ-1-02 и РС-1-09. К сожалению, примененные в них интегральные микросхемы не имеют отечественных аналогов.

Рис. 3. Включение дополнительных элементов для регулировки скорости вращения

Плавная работа двигателя, без рывков и скачков мощности – это залог его долговечности. Для контроля этих показателей используется регулятор оборотов электродвигателя на 220В, 12 В и 24 В, все эти частотники можно изготовить своими руками или купить уже готовый агрегат.

Зачем нужен регулятор оборотов

Регулятор оборотов двигателя, частотный преобразователь – это прибор на мощном транзисторе, который необходим для того, чтобы инвертировать напряжение, а также обеспечить плавную остановку и пуск асинхронного двигателя при помощи ШИМ. ШИМ – широко-импульсное управление электрическими приспособлениями. Его применяют для создания определенной синусоиды переменного и постоянного тока.

Фото – мощный регулятор для асинхронного двигателя

Самый простой пример преобразователя – это обычный стабилизатор напряжения. Но у обсуждаемого прибора гораздо больший спектр работы и мощность.

Частотные преобразователи используются в любом устройстве, которое питается от электрической энергии. Регуляторы обеспечивают чрезвычайно точный электрический моторный контроль, так что скорость двигателя можно изменять в меньшую или большую сторону, поддерживать обороты на нужном уровне и защищать приборы от резких оборотов. При этом электродвигателем используется только энергия, необходимая для работы, вместо того, чтобы запускать его на полной мощности.

Фото – регулятор оборотов двигателя постоянного тока

Зачем нужен регулятор оборотов асинхронного электродвигателя:

1. Для экономии электроэнергии. Контролируя скорость мотора, плавность его пуска и остановки, силы и частоты оборотов, можно добиться значительной экономии личных средств. В качестве примера, снижение скорости на 20% может дать экономию энергии в размере 50%.
2. Преобразователь частоты может использоваться для контроля температуры процесса, давления или без использования отдельного контроллера;
3. Не требуется дополнительного контроллера для плавного пуска;
4. Значительно снижаются расходы на техническое обслуживание.

Устройство часто используется для сварочного аппарата (в основном для полуавтоматов), электрической печки, ряда бытовых приборов (пылесоса, швейной машинки, радио, стиральной машины), домашнего отопителя, различных судомоделей и т.д.

Фото – шим контроллер оборотов

Принцип работы регулятора оборотов

Регулятор оборотов представляет собой устройство, состоящее из следующих трех основных подсистем:

1. Двигателя переменного тока;
2. Главного контроллера привода;
3. Привода и дополнительных деталей.

Когда двигатель переменного тока запускается на полную мощность, происходит передача тока с полной мощностью нагрузки, такое повторяется 7-8 раз. Этот ток сгибает обмотки двигателя и вырабатывает тепло, которое будет выделяться продолжительное время. Это может значительно снизить долговечность двигателя. Иными словами, преобразователь – это своеобразный ступенчатый инвертор, который обеспечивает двойное преобразование энергии.

Фото – схема регулятора для коллекторного двигателя

В зависимости от входящего напряжения, частотный регулятор числа оборотов трехфазного или однофазного электродвигателя, происходит выпрямление тока 220 или 380 вольт. Это действие осуществляется при помощи выпрямляющего диода, который расположен на входе энергии. Далее ток проходит фильтрацию при помощи конденсаторов. Далее формируется ШИМ, за это отвечает электросхема. Теперь обмотки асинхронного электродвигателя готовы к передаче импульсного сигнала и их интеграции к нужной синусоиде. Даже у микроэлектродвигателя эти сигналы выдаются, в прямом смысле слова, пачками.

Фото – синусоида нормальной работы электродвигателя

Как выбрать регулятор

Существует несколько характеристик, по которым нужно выбирать регулятор оборотов для автомобиля, станочного электродвигателя, бытовых нужд:

1. Тип управления. Для коллекторного электродвигателя бывают регуляторы с векторной или скалярной системой управления. Первые чаще применяются, но вторые считаются более надежными;
2. Мощность. Это один из самых важных факторов для выбора электрического преобразователя частот. Нужно подбирать частотник с мощностью, которая соответствует максимально допустимой на предохраняемом приборе. Но для низковольтного двигатель лучше подобрать регулятор мощнее, чем допустимая величина Ватт;
3. Напряжение. Естественно, здесь все индивидуально, но по возможности нужно купить регулятор оборотов для электродвигателя, у которого принципиальная схема имеет широкий диапазон допустимых напряжений;
4. Диапазон частот. Преобразование частоты – это основная задача данного прибора, поэтому старайтесь выбрать модель, которая будет максимально соответствовать Вашим потребностям. Скажем, для ручного фрезера будет достаточно 1000 Герц;
5. По прочим характеристикам. Это срок гарантии, количество входов, размер (для настольных станков и ручных инструментов есть специальная приставка).

Хорошо себя зарекомендовали приборы марки Sinus, E-Sky и Pic.

При этом также нужно понимать, что есть так называемый универсальный регулятор вращения. Это частотный преобразователь для бесколлекторных двигателей.

Фото – схема регулятора для бесколлекторных двигателей

В данной схеме есть две части – одна логическая, где на микросхеме расположен микроконтроллер, а вторая – силовая. В основном такая электрическая схема используется для мощного электрического двигателя.

Видео: регулятор оборотов электродвигателя с ШИро V2

Как сделать самодельный регулятор оборотов двигателя

Можно сделать простой симисторный регулятор оборотов электродвигателя, его схема представлена ниже, а цена состоит только из деталей, продающихся в любом магазине электротехники.

Для работы нам понадобится мощный симистор типа BT138-600, её советует журнал радиотехники.

Фото – схема регулятора оборотов своими руками

В описанной схеме, обороты будут регулироваться при помощи потенциометра P1. Параметром P1 определяется фаза входящего импульсного сигнала, который в свою очередь открывает симистор. Такая схема может применяться как в полевом хозяйстве, так и в домашнем. Можно использовать данный регулятор для швейных машинок, вентиляторов, настольных сверлильных станков.

Принцип работы прост: в момент, когда двигатель немного затормаживается, его индуктивность падает, и это увеличивает напряжение в R2-P1 и C3, то в свою очередь влечет более продолжительное открытие симистора.

Тиристорный регулятор с обратной связью работает немного по-другому. Он обеспечивает обратный ход энергии в энергетическую систему, что является очень экономным и выгодным. Данный электронный прибор подразумевает включение в электрическую схемы мощного тиристора. Его схема выглядит вот так:

Здесь для подачи постоянного тока и выпрямления требуется генератор управляющего сигнала, усилитель, тиристор, цепь стабилизации оборотов.

Стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя

Стабилизатор частоты вращения коллекторного двигателя

Предлагаемый стабилизатор частоты вращения предназначен для работы с коллекторными двигателями и представляет собой полностью аналоговое устройство. Стабилизатор имеет обратную связь по частоте вращения, в то же время он не требует установки никакого тахогенератора.

Наиболее распространенным типом стабилизаторов частоты вращения ведущего двигателя кассетных магнитофонов является регулятор с положительной обратной связью по току [1]. Регулирование происходит параметрически, поэтому частота довольно сильно меняется при изменении нагрузки на валу двигателя. Для повышения качества работы стабилизатора необходимо ввести обратную связь по частоте вращения. Обычно при этом на вал двигателя устанавливается специальный датчик, чаще всего оптический [2]. Такой датчик включает в себя оптопару, световой поток которой прерывается крыльчаткой (или диском с отверстиями), которая насаживается на вал двигателя. Крыльчатка прерывает световой поток, и на выходе оптопары формируются импульсы с частотой вращения двигателя, умноженной на количество прорезей в крыльчатке. Иногда применяется и другой вид датчиков — магнитный. Тогда на вал двигателя устанавливается шестеренка из ферромагнитного материала, рядом с которой крепится магнитная головка. При вращении шестеренки на выводах головки появляется переменное напряжение с амплитудой около милливильта и частотой, равной частоте вращения двигателя, умноженной на количество зубъев на шестеренке. Однако, при доработке готового ЛПМ часто бывает трудно найти место для установки какого-либо датчика. Но это и не обязательно. Дело в том, что информацию о частоте вращения коллекторного двигателя можно извлечь из потребляемого им тока. Этот ток содержит переменную составляющую, первая гармоника которой имеет частоту, равную частоте вращения двигателя, умноженную на число пластин коллектора. Двигатели, которые чаще всего применяются в магнитофонах, имеют три пластины коллектора. Поэтому эта частота равна утроенной частоте вращения двигателя. Именно на этом принципе и построен описываемый регулятор.

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора частоты вращения.

Для получения сигнала обратной связи в цепь питания двигателя включен датчик тока R1 (рис. 1). Ток, потребляемый двигателем, создает на этом резисторе падение, которое имеет переменную составляющую около 100 мВ peak-to-peak (рис.2, график 1). Основная гармоника выделяется с помощью простейшего ФНЧ R2C1 и через разделительный конденсатор C2 поступает на вход усилителя, собранного на ОУ U1A. Коэффициент усиления задан резисторами R4R5 так, чтобы усилитель работал в режиме ограничения. На его выходе формируетя практически прямоугольный сигнал с частотой, равной утроенной частоте вращения двигателя (рис. 2, график 2). Этот сигнал дифференцируется с помощью цепочки C3R6R7R8 (рис. 2, график 3). Отрицательный выброс ограничивается диодом VD1. Далее сигнал поступает на компаратор, в роли которого использован ОУ U1B. Опорное напряжение задается с помощью делителя R9R10. На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы постоянной длительности (рис. 2, график 4). Постоянная составляющая такой импульсной последовательности пропорциональна частоте следования импульсов, т.е. частоте вращения двигателя. Импульсная последовательность интегрируется с помощью цепочек R11R12C5 и R13C6. Постоянное напряжение, пропорциональное частоте вращения, поступает на пропорционально-интегрирующий регулятор, собранный на ОУ U1C. Для получения образцового напряжения применен регулируемый стабилитрон U2. Нужную частоту вращения устанавливают регулировкой этого напряжения с помощью переменного резистора R19. Выход ОУ U1C умощнен комплементарным эмиттерным повторителем на транзисторах VT1VT2. Казалось бы, направление тока питания двигателя всегда одно и то же и достаточно было бы одиночного эмитерного повторителя, который обеспечивал бы вытекающий ток. Но на самом деле с двухтактным эмиттерным повторителем гораздо лучше поведение системы во время переходных процессов (при пуске двигателя или при резких колебаниях нагрузки на валу) [2].

Рис.2. Форма сигналов в контрольных точках.

Нужно отдельно остановиться на проблеме устойчивости системы автоматического регулирования. В данной ситуации дело усложняется тем, что на устойчивость влияют и механические параметры системы, которые количественно учесть очень трудно. Поэтому в некоторых случаях придется подобрать АЧХ регулятора с помощью элементов R16C7 или даже ограничить коэффициент усиления, включив параллельно этой цепочке резистор. Подбор нужно вести по критерию устойчивости регулятора как в установившемся режиме, так и во время переходных процессов. Для этого нужно с помощью осциллографа контролировать напряжение питания двигателя. При включении оно должно плавно достичь номинального значения, причем без колебательного процесса. Если при работающем двигателе изменить нагрузку на валу, напряжение питания также должно принять новое значение без колебательного процесса. В регуляторе вместо LM324 можно применить практически любые ОУ, например, LM2902, или сдвоенные LM358, LM2904, или даже обычные KP140УД6, УД7. В зависимости от потребляемого двигателем тока может понадобиться установить транзистор VT1 на теплоотвод. Транзистор VT2 теплоотвода не требует.

Литература:
1. З. Гасымов. Стабилизатор частоты вращения электродвигателя. Радио, №12, 1987 г., стр. 48.
2. В. Псурцев. Модернизация ЭПУ G-602. Радиоежегодник, 1987 г., стр. 132 – 140.