Импульсный регулятор снижает мощность, потребляемую тормозом двигателя

Texas Instruments LM2575

Двигатель, приводящий в движение критически важный для безопасности электромеханический узел, часто снабжают электромагнитным тормозом, установленным на ведущий вал. Тормоз обычно содержит катушку соленоида, которая приводит в действие механическую муфту, и, когда она активируется, тормоз позволяет ведущему валу вращаться. Такая конструкция тормоза проста и надежна, но требует много энергии для освобождения муфты – намного больше, чем нужно для того, чтобы она оставалась отпущенной.

Вебинар Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок - 30.09.2021

Измерения показывают, что тормоз, рассчитанный на напряжение постоянного тока 24 В, требует как минимум 18 В для отпускания и всего лишь 8 В для удержания. Подстановка этих чисел в формулу

показывает, что в освобожденном состоянии тормоз потребляет менее четверти мощности, необходимой для его первоначального отпускания.

Здесь

PCOIL – мощность, рассеиваемая катушкой соленоида,
V – напряжение на катушке,
RCOIL – сопротивление катушки постоянному току.

Преобразование в тепло избыточной мощности, расходуемой на отпускание, обычно не создает проблем. Однако прецизионный механизм позиционирования, в котором используется тормоз, установленный на длинном приводном винте, может стать недопустимо неточным, если из-за теплового расширения изменится монтажное положение винта.

Один из методов решения проблемы заключается в активации тормоза путем кратковременной подачи постоянного напряжения 24 В с последующим снижением удерживающего напряжения до 12 В. В этих условиях тормоз рассеивает только четверть начальной мощности и, таким образом, работает при приемлемой температуре. Рисунок 1 иллюстрирует влияние напряжения активации на температуру тормоза. Как и ожидалось, снижение напряжения после активации резко снижает температуру тормоза и, следовательно, его влияние на приводной винт.

При непрерывной работе под напряжением 24 В температура тормоза стабилизируется на уровне 75 °C
Рисунок 1. При непрерывной работе под напряжением 24 В температура
тормоза стабилизируется на уровне 75 °C, что на 53 °C выше
температуры окружающей среды (кривая А). Подача на несколько
секунд импульса активации 24 В с последующим переходом на
напряжение удержания 12 В стабилизирует температуру тормоза
на уровне 34 °C, что лишь на 12 °C выше температуры окружающей
среды (кривая Б).

На Рисунке 2 показан один очевидный способ снижения напряжения, когда для того, чтобы вдвое уменьшить напряжение, подаваемое на тормоз, используются реле и мощный резистор. При установке сопротивления токоограничивающего резистора RPOWER, равного сопротивлению соленоида тормоза RBRAKE, возникает несколько проблем. Во-первых, мощный резистор должен рассеивать такую же мощность, как катушка тормозного соленоида. Во-вторых, реле и мощный резистор занимают значительное место на печатной плате. В-третьих, подбор номиналов компонентов цепи задержки R1 и C1 для достижения задержки в несколько секунд может оказаться непростым.

Активация тормоза замыкает реле K1, подавая на тормоз напряжение 24 В
Рисунок 2. Активация тормоза замыкает реле K1, подавая на тормоз напряжение 24 В.
RC-цепочка задерживает срабатывание реле K2. Когда нормально замкнутое
реле K2 размыкается, резистор RPOWER снижает напряжение, подаваемое
на тормоз, до уровня удержания.

На Рисунке 3 показан другой подход, в котором используется индуктивность катушки тормозного соленоида, а реле заменено микросхемой. Напряжение, подаваемое на тормоз, не обязательно должно быть непрерывным. Напряжение от широтно-импульсного модулятора (ШИМ) работает так же, как и постоянное удерживающее напряжение, поскольку индуктивность катушки интегрирует импульсы тока.

Внешняя команда включает микросхему ШИМ регулятора IC1
Рисунок 3. Внешняя команда включает микросхему ШИМ регулятора IC1, а конденсатор C1
поддерживает низкий уровень на входе обратной связи IC1, обеспечивая подачу
на тормоз максимального выходного напряжения 24 В до тех пор, пока C1 полностью
не зарядится. По мере того как напряжение обратной связи медленно повышается
до 1.23 В, выходное напряжение регулятора уменьшается примерно
до 12 В – номинального напряжения удержания тормоза.

Импульсный стабилизатор напряжения может обеспечить недорогое и эффективное ШИМ управление напряжением. Например, микросхема регулируемого импульсного стабилизатора LM2575 (IC1), работающая при входных напряжениях в диапазоне от 7 В до 40 В, имеет управляющий вход включения/выключения и высокоомный вход обратной связи. Однако при наличии этих двух характеристик подойдет и любая другая микросхема импульсного регулятора. Сопротивления резисторов R1 и R2 определяют напряжение удержания (Рисунок 4). Конденсатор C3 фильтрует сигнал ШИМ до постоянного напряжения на входе обратной связи FB, а также в течение нескольких секунд во время запуска поддерживает напряжение на входе обратной связи на низком уровне, заставляя регулятор выдавать полное входное напряжение для активации тормоза. Диод D1 быстро разряжает конденсатор при выключении регулятора, диод D2 ограничивает скачки напряжения, создаваемые при выключении катушкой тормоза, а диод D3 защищает микросхему IC1 от обратного напряжения. Оптопара IC2 изолирует контроллер тормоза от схемы управления.

После подачи на тормоз импульса активации полной амплитуды выходное напряжение регулятора постепенно уменьшается до номинального напряжения удержания.
Рисунок 4. После подачи на тормоз импульса активации полной амплитуды выходное напряжение
регулятора постепенно уменьшается до номинального напряжения удержания.

Во время запуска длительность выходного 24-вольтового импульса активации, формируемого регулятором, колеблется от 1 до 4 секунд (Рисунок 4). К счастью, этот разброс не влияет на работу схемы, но может создать проблему, если другому приложению требуется точно синхронизированный импульс активации. После активации тормоза регулятор выдает удерживающее напряжение 12 В, снижая потребляемую мощность до четверти от пускового значения. В качестве бонуса в схеме используются недорогие компоненты, она занимает на печатной плате всего несколько квадратных сантиметров и устраняет необходимость в двух электромеханических реле. Провода, по которым подается напряжение ШИМ управления, могут излучать электрические помехи, если схема не находится рядом с тормозом. Поэтому для удаленного подключения следует использовать экранированную витую пару, минимизирующую излучение помех.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM2575
  2. Datasheet ON Semiconductor 1N5821

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Switching regulator reduces motor brake's power consumption

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

8 предложений от 7 поставщиков
Импульсные регуляторы напряжения 1A 1.23-37V ADJ Buck PWM
LM2575T-ADJG
ON Semiconductor
101 ₽
AliExpress
Весь мир
B14NK60Z 14N60 UTC10N65L 10N65 DAF30A DG301 RJP30H3A FQB12P20 12P20 27N25 FQB27N25 LM2575S-5.0 2575-5,0 TA36N30P 36N30 RJP63G4
13 ₽
Десси
Россия
Микросхема LM2575T ADJ
74 ₽
LM2575T-ADJG
ON Semiconductor
от 148 ₽
Прецизионный высоковольтный операционный усилитель ADA4097−1 с низким потреблением от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя