MOTORS
for MAKERS
A Guide to Steppers, Servos,
and Other Electrical Machines
Matthew Scarpino
800 East 96th Street
Indianapolis, Indiana 46240

ДВИГАТЕЛИ
для МОДЕЛИСТОВ
Руководство по шаговым двигателям,
сервоприводам и другим типам
электродвигателей
Мэттью Скарпино
Москва • Санкт-Петербург • Киев
2018

ББК 31.26
С42
УДК 621.08
Компьютерное издательство "Диалектика"
Главный редактор СИ. Тригуб
Зав. редакцией В. Р. Гинзбург
Перевод с английского и редакция И.В. Василенко
По общим вопросам обращайтесь в издательство "Диалектика" по адресу:
info@dialektika.com, http://www.dialektika.com
Скарпино, Мэттью.
С42 Двигатели для моделистов: руководство по шаговым двигателям, сервопри-
водам и другим типам электродвигателей.: Пер. с англ. — СПб.: ООО "Альфа-
книга", 2018. — 432 с.: ил. — Парал. тит. англ.
ISBN 978-5-9500295-5-4 (рус.)
ББК 31.26
Все названия профаммных продуктов являются зарегистрированными торговыми марками соответ-
ствующих фирм.
Никакая часть настоящего издания ни в каких целях не может быть воспроизведена в какой бы то ни
было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая фо-
токопирование и запись на магнитный носитель, если на это нет письменного разрешения издательства
Pearson Education.
Authorized Russian translation of the English edition of Motors For Makers: A Guide To Steppers, Servos, And
Other Electrical Machines (ISBN 978-0-13-403283-2), © 2016 by Pearson Education.
This translation is published and sold by permission of Pearson Education, which owns or controls all rights to
publish and sell the same.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system,
without the prior written permission of the copyright owner and the Publisher.
Научно-популярное издание
Мэттью Скарпино
Двигатели для моделистов: руководство по шаговым
двигателям, сервоприводам и другим типам электродвигателей
Литературный редактор Л.Н. Красножон
Верстка М.А. Удалое
Художественный редактор В,Г. Павлютин
Корректор Л.А. Гордиенко
Подписано в печать 28.02.2018. Формат 70x100/16
Гарнитура Times.
Усл. печ. л. 34,83. Уч.-изд. л. 20,4
Тираж 400 экз. Заказ № 1865.
Отпечатано в АО "Первая Образцовая типография"
Филиал "Чеховский Печатный Двор"
142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1
Сайт: www.chpd.ru, E-mail: sales@chpd.ru, тел. 8(499)270-73-59
ООО "Альфа-книга", 195027, Санкт-Петербург, Магнитогорская ул., д. 30, лит. А, пом. 848
ISBN 978-5-9500295-5-4 (рус.) © 2018, Компьютерное изд-во "Диалектика",
перевод, оформление, макетирование
ISBN 978-0-13-403283-2 (англ.) © 2016 by Pearson Education

Оглавление
Введение 14
Часть I. Общие сведения 19
Глава 1. Знакомство с электродвигателем 21
Глава 2. Основные характеристики электродвигателей 33
Часть II. Конструкция электродвигателя 53
Глава 3. Электродвигатели постоянного тока 55
Глава 4. Шаговые электродвигатели 97
Глава 5. Сервоприводы 123
Глава 6. Электродвигатели переменного тока 145
Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача 177
Глава 8. Линейные электродвигатели 195
Часть III. Электродвигатели в действии 219
Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino 221
Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi 257
Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black 289
Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino 315
Глава 13. Конструирование квадрокоптера 349
Глава 14. Электромобили 377
Часть IV. Приложения 403
Приложение А. Электрогенератор 405
Приложение Б. Словарь терминов 417
Предметный указатель 425

Содержание
Введение 14
Ha кого рассчитана эта книга 15
Структура книги 15
Ждем ваших отзывов! 17
Часть I. Общие сведения 19
Глава 1. Знакомство с электродвигателем 21
1.1 • Историческая справка 22
1.1.1. Компас Эрстеда 23
1.1.2. Самовращающийся ротор Йедлика 23
1.2. Конструкция электродвигателя 24
1.2.1. Внешний вид 25
1.2.2. Внутренняя структура 26
1.3. Обзор электродвигателей 27
1.3.1. Электродвигатели постоянного тока 28
1.3.2. Электродвигатели переменного тока 29
1.4. Структура и цели книги 29
1.5. Резюме 30
Глава 2. Основные характеристики электродвигателей 33
2.1. Вращающий момент и угловая скорость 34
2.1.1. Сила 34
2.1.2. Вращающий момент 35
2.1.3. Угловая скорость 38
2.1.4. Зависимость вращающего момента от частоты оборотов 39
2.2. Магниты 40
2.3. Схема замещения электродвигателя 44
2.3.1. Электрические потери 44
2.3.2. ПротивоЭДС 46
2.4. Мощность и КПД 47
2.4.1. Работа 47
2.4.2. Механическая мощность 48
2.4.3. Электрическая мощность 49
2.4.4. Коэффициент полезного действия 49
2.5. Резюме 51
Часть II. Конструкция электродвигателя 53
Глава 3. Электродвигатели постоянного тока 55
3.1. Основные характеристики двигателей постоянного тока 56
3.1.1. Вращающий момент и электрический ток 56

Содержание 7
3.1.2. Скорость (частота вращения) и напряжение 58
3.1.3. Взаимосвязь коэффициентов KTnKv 59
3.1.4. Устройства переключения 60
3.1.5. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) 64
3.2. Коллекторные электродвигатели 66
3.2.1. Механическая коммутация 66
3.2.2. Типы коллекторных электродвигателей 69
3.2.3. Преимущества и недостатки коллекторных
электродвигателей 72
3.2.4. Система управления 73
3.3. Вентильные электродвигатели 76
3.3.1. Конструкция вентильных электродвигателей 77
3.3.2. Внутрироторные и внешнероторные вентильные
электродвигатели 80
3.3.3. Управление вентильными электродвигателями 83
3.4. Электронный регулятор хода (ESC) 88
3.4.1. Стабилизация напряжения 90
3.4.2. Программирование регулятора хода 90
3.5. Аккумуляторы 92
3.6. Резюме 94
Глава 4. Шаговые электродвигатели 97
4.1. Шаговый двигатель с постоянными магнитами 98
4.1.1. Конструкция 99
4.1.2. Принципы функционирования 101
4.2. Реактивный шаговый двигатель 103
4.2.1. Конструкция 104
4.2.2. Принципы функционирования 105
4.3. Гибридный шаговый двигатель 106
4.3.1. Конструкция 106
4.3.2. Принципы функционирования 108
4.4. Управление шаговым двигателем 109
4.4.1. Управление биполярным шаговым двигателем 110
4.4.2. Управление униполярным шаговым двигателем 112
4.4.3. Режимы работы шагового двигателя 115
4.5. Резюме 119
Глава 5. Сервоприводы 123
5.1. Любительские сервоприводы 124
5.1.1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) 125
5.1.2. Аналоговые и цифровые сервоприводы 127

8
Содержание
5.1.3. Датчик угла поворота (энкодер) 128
5.2. Управление сервоприводом 131
5.2.1. Замкнутая и разомкнутая системы управления 132
5.2.2. Математическая модель системы управления
сервоприводом 133
5.2.3. Преобразование Лапласа 135
5.2.4. Блок-схемы и функции передачи 138
5.2.5. Функция передачи сервопривода 139
5.3. ПИД-управление 140
5.4. Резюме 143
Глава 6. Электродвигатели переменного тока 145
6.1. Переменный ток 146
6.1.1. Однофазное электропитание 146
6.1.2. Трехфазное электропитание 147
6.2. Многофазный электродвигатель 148
6.2.1. Статор 148
6.2.2. Вращение магнитного поля 149
6.2.3. Синхронная частота вращения 152
6.2.4. Коэффициент мощности 153
6.3. Асинхронный многофазный двигатель 155
6.3.1. Электромагнитная индукция 155
6.3.2. Электрический ток и вращающий момент 156
6.3.3. Короткозамкнутый ротор 157
6.3.4. Фазный ротор 158
6.4. Синхронный многофазный двигатель 160
6.4.1. Синхронный двигатель двойного возбуждения 161
6.4.2. Синхронный двигатель с постоянными магнитами 163
6.4.3. Реактивный синхронный двигатель 164
6.5. Однофазный двигатель 165
6.5.1. Однофазный двигатель с расщепленной фазой 165
6.5.2. Однофазный двигатель с конденсаторным пуском 166
6.5.3. Однофазный двигатель с экранированием полюсов 168
6.6. Управление двигателем переменного тока 169
6.6.1. Электропривод на вихревых токах 170
6.6.2. Частотно-регулируемый электропривод 170
6.6.3. Гармонические искажения в частотно-регулируемом
электроприводе 173
6.7. Универсальный двигатель 174
6.8. Резюме 175

Содержание 9
Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача 177
7.1. Шестерни и механическая передача 178
7.1.1. Передача энергии 178
7.1.2. Шаг между зубьями 181
7.1.3. Зазор по окружности 182
7.2. Типы механических передач 183
7.2.1. Прямозубая цилиндрическая передача 183
7.2.2. Косозубая цилиндрическая передача 184
7.2.3. Коническая передача 187
7.2.4. Реечная передача 188
7.2.5. Червячная передача 189
7.2.6. Планетарная передача 190
7.3. Редукторные двигатели 192
7.4. Резюме 193
Глава 8. Линейные электродвигатели 195
8.1. Линейный исполнительный механизм 196
8.1.1. Конструкция и рабочие характеристики 198
8.1.2. Линейный исполнительный привод промышленного
производства 199
8.1.3. Пушка Гаусса 200
8.2. Синхронный линейный двигатель 201
8.2.1. Конструкция 201
8.2.2. Линейный двигатель Yaskawa SGLG 206
8.2.3. Поезд на магнитной подушке (маглев) 208
8.3. Асинхронный (индукционный) линейный двигатель 209
8.3.1. Конструкция и принципы функционирования 210
8.3.2. Поезд на магнитной подушке LINIMO 211
8.4. Униполярный линейный двигатель 213
8.4.1. Конструкция и принципы функционирования 214
8.4.2. Рельсотрон 215
8.5. Резюме 217
Часть III. Электродвигатели в действии 219
Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino 221
9.1. Плата Arduino Mega 222
9.1.1. Аппаратные интерфейсы 223
9.1.2. Микроконтроллер ATmega2560 224
9.2. Программирование Arduino Mega 227
9.2.1. Программная среда Arduino 228

10
Содержание
9.2.2. Работа со скетчами 231
9.2.3. Написание программ для Arduino 233
9.3. Модуль расширения Arduino Motor Shield 240
9.3.1. Питание для Arduino Motor Shield 241
9.3.2. Двухканальный драйвер на мостовой схеме L298P 242
9.3.3. Управление коллекторным электродвигателем 244
9.4. Управление шаговым двигателем 246
9.4.1. Библиотека Stepper 246
9.4.2. Программа управления шаговым двигателем 249
9.5. Управление сервоприводом 252
9.5.1. Библиотека Servo 252
9.5.2. Программа управления сервоприводом 254
9.6. Резюме 255
Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi 257
10.1. Обзор Raspberry Pi 258
10.1.1. Аппаратные средства Raspberry Pi 259
10.1.2. Однокристальная система ВСМ2835 260
10.2. Программирование в Raspberry Pi 262
10.2.1. Операционная система Raspbian 263
10.2.2. Язык программирования Python
и его среда разработки IDLE 264
10.2.3. Интерфейс GPIO 266
10.3. Управление сервоприводом 272
10.3.1. Настройка ШИМ-сигнала 273
10.3.2. Программа управления сервоприводом 276
10.4. Плата расширения RaspiRobot 277
10.4.1. Двойной четырехканальный драйвер двигателей
постоянного тока L293DD 279
10.4.2. Программное управление RaspiRobot 281
10.4.3. Управление коллекторными двигателями
постоянного тока 282
10.4.4. Управление шаговым двигателем 283
10.5. Резюме 286
Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black 289
11.1. Обзор платы BeagleBone Black 290
11.1.1. Общие сведения 290
11.1.2. Однокристальная система АМ3359 292
11.2. Программирование в BeagleBone Black 294
11.2.1. Операционная система Debian 294

Содержание
11
11.2.2. Модуль Adafruit_BBIO 296
11.2.3. Доступ к выводам GPIO 297
11.3. Генерирование ШИМ-сигнала 303
11.4. Плата расширения Dual Motor Controller 305
11.4.1. Подключение Dual Motor Controller
к BeagleBone Black 308
11.4.2. Генерирование ШИМ-сигнала 309
11.4.3. Мостовая схема управления 309
11.4.4. Программа управления электродвигателем 310
11.5. Резюме 313
Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino 315
12.1. Конструкция электронного регулятора хода 316
12.2. Коммутирующее устройство 319
12.2.1. Переключатели на МОП-транзисторах 319
12.2.2. Драйвер МОП-транзистора 324
12.2.3. Накопительный конденсатор 327
12.3. Определение положения вала по переходу противоЭДС
через нулевой уровень 329
12.3.1. Зависимость Up от напряжения на всех трех обмотках 331
12.3.2. Зависимость Uo от напряжения на двух обмотках,
получающих питание 332
12.3.3. Зависимость Uo от напряжения на обмотке с плавающим
потенциалом и противоЭДС в ней 332
12.3.4. Вычисление противоЭДС и напряжения в виртуальной
точке 333
12.4. Конструирование платы 334
12.4.1. Монтаж выводных колодок 334
12.4.2. МОП-транзисторы и их драйверы 336
12.4.3. Распознавание перехода через нулевой уровень 337
12.5. Топология печатной платы 338
12.6. Управление вентильным двигателем 339
12.6.1. Организация питания вентильного двигателя 340
12.6.2. Управление вентильным двигателем из Arduino 342
12.7. Резюме 347
Глава 13. Конструирование квадрокоптера 349
13.1.Рама 350
13.2. Пропеллеры 352
13.2.1. Динамика вращения пропеллера 352
13.2.2. Выбор пропеллеров 358

12
Содержание
13.3. Двигатели 359
13.4. Электронное оборудование 361
13.4.1. Передатчик/приемник 361
13.4.2. Полетный контроллер 366
13.4.3. Электронный регулятор хода (ESC) 370
13.4.4. Аккумуляторы 372
13.5. Сборка квадрокоптера 373
13.6. Резюме 376
Глава 14. Электромобили 377
14.1. Переоборудование автомобиля в электромобиль 378
14.1.1. Электродвигатели 378
14.1.2. Контроллеры (инверторы) 382
14.1.3. Аккумуляторы 383
14.1.4. Трансмиссия 384
14.2. Серийные электромобили 385
14.2.1. TeslaModels 385
14.2.2. Nissan Leaf 387
14.2.3. BMW 13 389
14.3. Патенты Tesla Motors 391
14.3.1. Управление двигателем через изменение магнитного потока 391
14.3.2. Внутренняя конструкция индукционного двигателя 393
14.3.3. Система управления электромобилем с двумя двигателями 396
14.3.4. Повышение качества производства ротора 397
14.4. Резюме 400
Часть IV. Приложения 403
Приложение А. Электрогенератор 405
Общие сведения 406
Генератор постоянного тока 408
Генератор переменного тока 410
Принцип действия генератора переменного тока 411
Магнитоэлектрические и самовозбуждающиеся генераторы 412
Резюме 415
Приложение Б. Словарь терминов 417
Предметный указатель 425

Об авторе
Мэттыо Скарпино — магистр электронной техники, инженер с
более чем 12-летним опытом разработки аппаратного и программ-
ного обеспечения. Его квалификация подтверждена сертификатом
CID+ (Advanced Certified Interconnect Designer).

Введение
Получив в 2002 году диплом магистра электронной техники, я и предста-
вить не мог, какое большое разочарование ожидает меня в ближайшем бу-
дущем. Обладая глубокими теоретическими познаниями в аналоговой элек-
тронике, я не имел ни малейшего представления о том, как устроена и, что
самое главное, как функционирует даже самая простая печатная плата. Я мог
посреди ночи рассчитать силу Лоренца, действующую в электродвигателе,
но боялся даже предположить, каким образом сконструирован контроллер,
управляющий питанием двигателя. Мне прекрасно удавалось писать про-
граммы и решать сложные уравнения, но, к своему стыду, я не умел собирать
электронные устройства.
К счастью, вскоре после того как я получил диплом, в продаже появи-
лись первые модели плат Arduino. Их низкая стоимость и простота в ис-
пользовании пробудили всеобщий интерес к конструированию электрон-
ных устройств. Спустя несколько лет родилось движение моделистов (Maker
Movement). Моделистов-любителей не интересуют математические выклад-
ки и сложные описания физических процессов. Конструкторы электронных
устройств, в первую очередь, фокусируются на монтаже оборудования. Ис-
следуя новые "гаджеты", будь то ЗБ-принтер или Raspberry Pi, сначала нужно
проанализировать область их применения и только после этого приступать
к всестороннему изучению принципов их функционирования.
Однако электродвигатели часто выпадают из общей схемы изучения обо-
рудования, принятой в любительском конструировании. Несмотря на рас-
тущую популярность тех же квадрокоптеров промышленного изготовления,
мало найдется любителей электроники, проектирующих собственные вер-
сии электронного регулятора хода. И это не удивительно — электродвигате-
ли конструктивно намного сложнее остальных электронных компонентов.
Нужно не только оперировать такими электротехническими понятиями, как
"электрический ток" и "напряжение питания", но также знать основные
механические характеристики двигателя, в первую очередь — вращающий
момент и угловая скорость.
Принципы функционирования электродвигателей порой сложны для по-
нимания, но цель данной книги — сделать их доступными даже для людей, не
имеющих инженерного образования. В книге содержится минимум матема-
тических и физических выкладок, поскольку основной акцент сделан на прак-
тическом использовании оборудования. Вы не найдете здесь расширенного

Введение
15
описания принципов электромагнитного взаимодействия, например форму-
лы, по которой вычисляется сила Лоренца, равно как и многих других, не
менее важных физических законов. Вместо этого вы познакомитесь с основ-
ными типами электродвигателей, узнаете об их базовых рабочих характерис-
тиках, а также научитесь управлять ими в собственных проектах.
Вам придется потратить немало времени и усилий на изучение функци-
ональных особенностей всех основных типов электродвигателей. Поверьте,
оно того стоит! Двигатели выводят моделирование и любительскую электро-
нику на совершенно иной уровень. Вы научитесь создавать роботизирован-
ные устройства и радиоуправляемые механизмы. Путь к знаниям тернист
и долог, но цель слишком заманчива!
На кого рассчитана эта книга
Как следует из названия, книга, которую вы держите в руках, предназна-
чена для любителей электроники и моделистов, привыкших конструировать
новое оборудование собственными руками. Если вы ищете учебник или спра-
вочник по электродинамике, в котором описаны принципы взаимодействия
электромагнитных полей или уравнения Максвелла, то данная книга не для
вас. Здесь приведены сугубо практические сведения о принципах управления
электродвигателями большинства промышленных типов и конструкций.
Книга рассчитана на читателей, которые не имеют инженерного образова-
ния, но все же она не для новичков. Как минимум вы должны хорошо знать,
что такое сила тока, напряжение и сопротивление. Кроме того, для полного
понимания материала вам нужно уметь хотя бы на базовом уровне разбирать-
ся в электрических схемах и понимать, для чего предназначены основные
компоненты электрической схемы.
Структура книги
Книга структурно разделена на несколько частей.
■ Часть I, "Общие сведения". Содержит обзорную информацию об элек-
тродвигателях, включая описание общих принципов их функциониро-
вания. В главе 1 вы познакомитесь с историей разработки двигателей
и узнаете о физических явлениях, сделавших их создание возможным.
Глава 2 включает описание принципов преобразования электрической
энергии (напряжение и ток) в механическую (вращающий момент и
угловая скорость).

16 Введение
■ Часть II, "Конструкция электродвигателя". Содержит описание элек-
тродвигателей всех основных типов, доступных для использования в
моделировании. В первых главах этой части уделяется внимание кол-
лекторным двигателям постоянного тока, шаговым двигателям и сер-
воприводам. В последующих главах вы найдете сведения о двигателях
переменного тока, линейных электродвигателях и редукторах. Для дви-
гателей каждого из рассматриваемых типов в книге указаны рабочие ха-
рактеристики, режимы работы и способы управления.
■ Часть III, "Электродвигатели в действии". В этой части описаны три
наиболее распространенных решения, применяемых для управления
электродвигателями в любительских электронных устройствах. Речь
идет о популярных микрокомпьютерах Arduino Mega, Raspberry Pi и
BeagleBone Black, каждому из которых посвящена отдельная глава
(с 9 по 11). В главе 12 рассказывается о том, как создавать электрон-
ные регуляторы хода, а глава 13 содержит общие сведения о конструи-
ровании квадрокоптера. В последней главе части речь пойдет об элек-
тромобилях.
■ Часть IV, "Приложения". Содержит справочные сведения, которые по-
могут вам ориентироваться в потоке инженерной и научной информа-
ции. Приложение А включает описание электрогенераторов, призван-
ных преобразовывать механическую энергию в электрический ток.
В приложении Б вы найдете словарь терминов, повсеместно встречаю-
щихся в книге.
Исходные коды программ, используемые в примерах книги, доступны для
скачивания на сайте http: //motorsformakers. com. Они также продубли-
рованы на веб-странице книги на сайте издательства:
http://www.williamspublishing.com/Books/978-5-9500295-5-4.html

Введение
17
Ждем ваших отзывов!
Вы, читатель этой книги, и есть главный ее критик. Мы ценим ваше мне-
ние и хотим знать, что было сделано нами правильно, что можно было сде-
лать лучше и что еще вы хотели бы увидеть изданным нами. Нам интересны
любые ваши замечания в наш адрес.
Мы ждем ваших комментариев и надеемся на них. Вы можете прислать нам
бумажное или электронное письмо либо просто посетить наш сайт и оставить
свои замечания там. Одним словом, любым удобным для вас способом дайте
нам знать, нравится ли вам эта книга, а также выскажите свое мнение о том,
как сделать наши книги более интересными для вас.
Отправляя письмо или сообщение, не забудьте указать название книги и
ее авторов, а также свой обратный адрес. Мы внимательно ознакомимся с ва-
шим мнением и обязательно учтем его при отборе и подготовке к изданию
новых книг.
Наши электронные адреса:
E-mail: info@dialektika.com
WWW: http: //www. dialektika. com
Наши почтовые адреса:
в России: 195027, Санкт-Петербург, Магнитогорская ул., д. 30, ящик 116
в Украине: 03150, Киев, а/я 152

Часть I
Общие сведения

1
Знакомство
с электродвигателем
Из всего спектра оборудования, используемого в моделирова-
нии, ничто не вызывает такого неподдельного интереса и восхи-
щения неискушенной публики, как электродвигатель. Именно
электродвигатели крутят колеса автомобилей, вращают винты
квадрокоптеров и управляют манипуляторами роботов. К слову,
электромобили, наряду с ЗБ-принтерами, привлекают особое вни-
мание, кем бы и где бы ни использовались, хотя техническим спе-
циалистам они представляются всего лишь устройствами, осна-
щенными электродвигателями и сложными системами управления.
Несмотря на всеобщее восхищение, электродвигатели сложны
для понимания и имеют непростую конструкцию. При подборе
электронных компонентов для проекта, например резистора, до-
статочно иметь представление о его основных технических харак-
теристиках, таких как допуск, рабочая температура и рассеиваемая
мощность. Но чтобы выбрать правильный тип электродвигателя,
вам придется ответить на целый ряд сложных вопросов, что не-
возможно сделать без понимания его конструкции и принципов
работы.
■ Какой источник питания требуется электродвигателю: по-
стоянного или переменного тока?

22
Часть I. Общие сведения
■ Конструкцию какого типа имеет электродвигатель постоянного тока:
с коллектором или без?
■ Какой коллекторный электродвигатель постоянного тока лучше: с по-
стоянными магнитами, с последовательным или параллельным возбу-
ждением?
■ Какую конструкцию должен иметь вентильный (бесколлекторный)
электродвигатель постоянного тока: внутрироторный или внешнеро-
торный?
■ Какие значения коэффициента Ку определяют оптимальную частоту
вращения вала и вращающий момент электродвигателя?
■ Какую механическую передачу нужно использовать, чтобы повысить
вращающий момент электродвигателя? —
Это далеко не самые простые вопросы, поэтому они редко рассматри-
ваются в книгах по электронике и робототехнике. В большинстве изданий
содержатся сведения о частных случаях использования электродвигателей
в любительских проектах, но вы вряд ли узнаете из них, как подобрать элек-
тродвигатель для вашего следующего проекта. Можно смело утверждать, что
в подобных книгах подробно рассмотрены только некоторые модели двигате-
лей, — используя их в качестве руководства, вы вряд ли научитесь подбирать
тип двигателя для любых нужд.
Эта книга совершенно иная. Здесь вы найдете полное описание электрод-
вигателей всех основных типов, применяемых в моделировании и любитель-
ском конструировании. Вы узнаете об особенностях электропитания каждого
из них, а также познакомитесь с электронным оборудованием, используемым
для эффективного управления двигателями.
Конечно, книга рассчитана на любителей, а не инженеров и научных со-
трудников. При рассмотрении конструкций электродвигателей я старался
избегать сложных векторных уравнений, описывающих поведение электри-
ческих и магнитных полей в них. Несмотря на то что я получил профильное
образование в вузе, я не считаю, что знание уравнений, описывающих прин-
ципы работы электродвигателей, поможет сделать квадрокоптер быстрее, а
радиоуправляемый автомобиль — легче в управлении.
1 ♦ 1 • Историческая справка
Для понимания материала книги вам не нужно штудировать учебники
по электротехнике, но определенные сведения из них вам все же придется

Глава 1. Знакомство с электродвигателем
23
почерпнуть. Изобретение электродвигателей стало возможным благодаря
двум фундаментальным наблюдениям: за движением стальной иголки в Да-
нии и вращением медного провода, свернутого в кольцо, в Венгрии.
Ш. Компас Эрстеда
Ханс Кристиан Эрстед был одним из первых физиков, изучавших взаи-
мосвязь электрических и магнитных полей. В далеком 1820 году он обратил
внимание на странное поведение компаса: расположив поблизости от него
проводник, по которому пропускается ток, можно легко изменить положение
стрелки компаса. Схематически результат его экспериментов изображен на
рис. 1.1.
Проводник с током
Компас
Рис. 1.1. Эксперимент Ханса Кристиана Эрстеда
Невзирая на простоту, эксперимент выявил существование связи между
двумя основными процессами в электродвигателе: протеканием тока и рас-
пространением магнитного поля. Изменение силы электрического тока в
проводнике приводит к переменам в окружающем магнитном поле.
1.1.2. Самовращающийся ротор Йедлика
Результаты, полученные Хансом Кристианом Эрстедом, не остались не-
замеченными научным сообществом. В частности, во Франции Андре-Ма-
ри Ампер установил взаимосвязь электрического тока, протекающего через
проводник, и окружающего его магнитного поля. В Англии Майкл Фарадей
провел серию экспериментов, в ходе которых показал, как движется провод-
ник, через который пропускается электрический ток, под воздействием маг-
нитного поля.

24
Часть I. Общие сведения
Как бы там ни было, лавры создателя первого прототипа электродвигателя
достались Аньошу Иштвану Йедлику, венгерскому физику и изобретателю.
Вместо того чтобы расположить проводник с током в предельной близости
к компасу, он смотал его в виде катушки и поместил ее в магнитное поле. При
изменении электрического тока, протекающего через катушку, она начинала
вращаться.
В 1827 году Аньош Йедлик назвал свое изобретение авторотором (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Самовращающийся ротор Аньоша Йедлика
Несмотря на то что с момента создания первого прототипа прошло два
столетия, структура современных электродвигателей остается неизменной.
Независимо от конструкции все электродвигатели, с которыми вам придется
иметь дело, основаны на единых физических принципах:
■ внутри двигателя находится токонесущий проводник, на который пода-
ется электрическое питание;
■ токонесущий проводник располагается в предельной близости к источ-
нику магнитного поля.
Очень просто, не правда ли? Все рассмотренные далее электродвигатели
имеют самые разные конструкцию и форму, но в каждом из них механическое
движение возникает вследствие воздействия магнитного поля на проводник
с током.
1*2* Конструкция электродвигателя
Инженеры любят точность! Она ценится ими при описании абсолютно
всех приборов и устройств, изобретенных человечеством, особенно двига-

Глава 1. Знакомство с электродвигателем
25
телей. В данном разделе вы познакомитесь с терминологией, используемой
инженерами при описании конструкции электродвигателей. Без ее понима-
ния вам будет сложно разобраться в последующем материале книги, который
будет только усложняться.
Учитывайте, что электродвигатель относится как к электрическим, так и
к механическим устройствам. Именно поэтому одни и те же его элементы
могут называться по-разному в зависимости от того, о каком типе приборов
непосредственно идет речь.
1.2.1. Внешний вид
Описание конструкции электродвигателя проще всего начать с его внеш-
него вида. Простейший коллекторный двигатель показан на рис. 1.3.
Корпус
Выводы
Вал
Рис. 1.3. Простой электродвигатель
При внешнем осмотре легко заметны следующие конструктивные элемен-
ты электродвигателя.
■ Корпус. Контейнер, вмещающий все основные компоненты электро-
двигателя.
■ Вал. Металлический стержень, выступающий из центральной части
двигателя.
■ Провода (с разъемом на конце) или выводы. Проводники, по которым на
двигатель подается электрический ток.

26
Часть I. Общие сведения
С определением назначения внешних конструктивных элементов элек-
тродвигателей затруднений обычно не возникает: выводы нужны для пода-
чи на электродвигатель питания, корпус защищает его от повреждения, а к
вращающемуся валу присоединяются приборы и устройства, выполняющие
конечные действия (так называемая нагрузка), например трансмиссия авто-
мобиля.
ПРИМЕЧАНИЕ
Только у электродвигателей отдельных типов, в частности у вентильных (бес-
коллекторных) двигателей постоянного тока с внешним ротором, вращается не
вал, а корпус. Детально его конструкция рассматривается в главе 3.
1.2.2. Внутренняя структура
Поперечный разрез обычного коллекторного электродвигателя приведен
на рис. 1.4.
Как уже упоминалось, электродвигатель стоит рассматривать только как
единство двух составляющих: электрической и механической. При рассмот-
рении двигателя как механической системы в нем выделяют два основных
компонента: статор и ротор. Как правило, ротор — это подвижная часть дви-
гателя, а статор, как следует из названия, — неподвижная. Ротор и статор
разделены небольшим воздушным зазором.
Если рассматривать конструкцию двигателя как электрической систе-
мы, то она также состоит из двух базовых компонентов. Элемент, на кото-
рый в двигателе подается электрический ток, называется якорем. Как видно
из рис. 1.4, якорь электродвигателя совмещен с ротором (центральный эле-
мент), поскольку именно на него намотан проводник с током.
Второй электрический элемент двигателя отвечает за создание магнит-
ного поля. Если для этих целей применяются постоянные магниты (как на
рис. 1.4), то они называются возбуждающими магнитами или магнитами воз-
буждения. Если же магнитное поле образуется с помощью электромагнитов,
то они называются обмотками возбуждения. Подробно электромагниты будут
рассмотрены в главе 2.

Глава 1. Знакомство с электродвигателем
Магниты
возбуждения
\
27
Статор
Ротор —
-— Якорь
Воздушный
зазор
Электрический ток
Рис. 1.4. Внутреннее строение электродвигателя
1*3. Обзор электродвигателей
Классификация электродвигателей очень запутанная. Электродвигатели
разделяются на большое количество категорий и подкатегорий. Со многи-
ми из них вы познакомитесь, изучая материал глав 3-8. На рис. 1.5 приведен
простой алгоритм, следуя которому вы быстро определите, электродвигатель
какого типа нужно использовать в каждом конкретном случае.
Конечно, приведенная на рис. 1.5 блок-схема поможет сделать только пер-
вичный выбор. В предложенном алгоритме не учитываются многие специфи-
ческие категории электродвигателей, которые тем не менее рассматривают-
ся в последующих главах. Более того, многие двигатели вообще не подлежат
классификации, например универсальный двигатель (об этом мы поговорим
в главе 6), работающий как от переменного, так и от постоянного тока. К то-
му же, если двигатели оснащаются кодерами или датчиками положения, то

28
Часть I. Общие сведения
угол поворота их вала можно не только измерять, но и устанавливать самым
произвольным образом.
Да
Постоянный ток
Уетшш#8тъ \ Нет
wm определять угол
поворота?
Источник
питания переменного
или постоянного
Переменный ток
Стоимость
и простота важнее
стабильной скорости
вращения?
Стоимость
и простота важнее
Синхронный
переменного тока
Шаговый или
серводвигатель
Индукционный
переменного тока
Бесколлвкторный
постоянного тока
Коллекторный
постоянного тока
Да
Рис. 1.5. Алгоритм подбора электродвигателя для проекта
Запутанность блок-схемы оставила без внимания тот факт, что алгоритм
справедлив исключительно для поворотных электродвигателей. Однако су-
ществуют еще и линейные двигатели, подвижной механизм которых не вра-
щается, а перемещается по прямой линии. Несомненно, поворотные двига-
тели более распространены, и схема на рис. 1.5 справедлива только для них.
Но и роль линейных двигателей сложно переоценить, ведь они повсеместно
применяются в робототехнике. Именно поэтому в книге им посвящена от-
дельная глава.
На самом обывательском уровне электродвигатели делятся всего на два
типа: постоянного тока (запитываются от аккумуляторов или регулируемых
блоков питания) и переменного тока (работают от домашней электрической
сети).
1.3.1. Электродвигатели постоянного тока
Как следует из названия, электродвигатели этого типа получают питание
от источников постоянного тока, например от аккумуляторов. Они домини-
руют в робототехнике и потребительской электронике. В частности, элек-

Глава 1. Знакомство с электродвигателем
29
тродвигателями постоянного тока оснащены квадрокоптеры и модели радио-
управляемых автомобилей.
Конструктивно электродвигатели постоянного тока делятся на коллек-
торные и вентильные (бесколлекторные). Как будет рассказано в главе 3,
основное различие между ними заключается в использовании коммутатора,
который инвертирует напряжение на входе, обеспечивая непрерывность вра-
щения вала двигателя. Коллекторными, или коммутируемыми, называются
двигатели, оснащенные механическим коммутатором. Они имеют простую
конструкцию и дешевы в производстве, но для поддержания в рабочем состо-
янии требуют регулярного технического обслуживания.
Бесколлекторные, или вентильные, двигатели постоянного тока не требу-
ют регулярного ухода, но имеют сложную конструкцию, определяющую их
немалую стоимость и низкую применимость в бюджетных проектах.
1.3.2. Электродвигатели переменного тока
Чаще всего двигатели данного типа применяются на производстве и в
бытовых приборах, получающих питание от домашней электрической сети,
например в стиральных машинах, микроволновых печах и т.п. Электродви-
гатели переменного тока бывают синхронными и асинхронными. Они раз-
личаются только способом изменения частоты вращения вала. В синхронных
двигателях частота вращения совпадает с частотой переменного тока, подава-
емого на электродвигатель.
Подавляющее большинство двигателей — переменного тока асинхронно-
го типа. Частота вращения вала таких электродвигателей, также называемых
индукционными, не зависит от частоты подаваемого на них тока. Они име-
ют простую конструкцию и невероятно надежны. Детально с асинхронными
и синхронными электродвигателями переменного тока вы познакомитесь в
главе 6.
1.4, Структура и цели книги
Книга преследует несколько основных целей:
■ познакомить читателей с основными типами электродвигателей и спо-
собами их практического применения;
■ описать устройства управления всеми основными типами электродви-
гателей, рассмотренными в книге;

30 Часть I. Общие сведения
■ научить читателей создавать собственные устройства управления элек-
тродвигателями;
■ продемонстрировать возможности электродвигателей на воплощенных
в жизнь проектах.
Описание всех основных типов электродвигателей приводится в гла-
вах 3-8. Их рассмотрение начинается с двигателей постоянного тока. В главе 4
вы узнаете о шаговых двигателях, а глава 5 полностью посвящена серводвига-
телям. В последующих главах содержатся сведения о двигателях переменного
тока (синхронных и асинхронных), а также линейных электродвигателях.
Системы управления разнятся в зависимости от типа электродвигате-
ля. Именно поэтому систему контроля шагового двигателя невозможно ис-
пользовать для управления, например, сервоприводом. Подобным образом
в конечных устройствах двигатель переменного тока невозможно напрямую
заменить двигателем постоянного тока и наоборот. В каждой главе, посвя-
щенной двигателю одного из типов, в обязательном порядке рассматривается
устройство управления им.
Для достижения третьей цели необходимо обобщить теоретические зна-
ния об устройстве электродвигателя и системах управления им. В мире лю-
бительской электроники большинство пользовательских решений основы-
вается на микроконтроллерных платах или мини-компьютерах, таких как
Arduino Mega, Raspberry Pi и BeagleBone Black. Подробно об их возможностях
по управлению электродвигателями вы узнаете, изучив главы 9—12.
Последняя цель самая впечатляющая. В главах 12-14 вы найдете описание
современных технологий управления электродвигателями и использования
их в готовых высокотехнологичных устройствах. В главе 12 приводится ис-
черпывающая информация о создании регуляторов хода, управляемых с по-
мощью Arduino. Глава 13 посвящена детальному описанию квадрокоптеров,
а из главы 14 вы узнаете, из чего состоит электромобиль и какую роль в нем
играют электродвигатели.
1.5. Резюме
Уровень знаний каждого моделиста, использующего в своих проектах
электродвигатели, можно отнести к одной из следующих четырех категорий.
■ Любитель. "При подаче на двигатель электропитания его вал начинает
вращаться".

Глава 1. Знакомство с электродвигателем
31
■ Конструктор. "Ротор электродвигателя приводится в движение под
воздействием электромагнитной силы, вызванной подачей тока на
электромагниты статора. Скорость вращения вала пропорциональна
поданному на двигатель напряжению, а вращающий момент — силе
проходящего через обмотки тока".
■ Инженер. "Для вычисления внутреннего сопротивления или импедан-
са электродвигателя применяется формула Ra +ja>La. При напряжении
питания Um • sin(atf + 90°) вращающий момент составляет..."
■ Ученый. "Тензор электромагнитного поля, направленный вдоль провод-
ника, указывает на выравнивание доменов ферромагнитного материала
в одном направлении. В результате возникает направленное магнитное
поле, величина которого пропорциональна магнитной проницаемости
вещества".
Инженеры рассматривают электродвигатель как математически выверен-
ную систему конструктивных элементов, в то время как ученые описывают
электромагнитные явления и взаимодействия, возникающие внутри него.
Конструкторам, не обладающим фундаментальными знаниями, при созда-
нии систем управления электродвигателями приходится полагаться на опыт,
накопленный не столько ими самими, сколько многочисленными предше-
ственниками. Несомненно, его недостаточно для конструирования новых
типов двигателей, но вполне хватит, чтобы решить посильную инженерную
задачу, располагая имеющимся в продаже оборудованием.
В соответствии с целями, обозначенными в предыдущем разделе, передо
мною стоит нелегкая задача повысить уровень ваших знаний электродвига-
телей с первого (любитель) до второго (конструктор). Большая часть книги
содержит детальное описание основных типов электродвигателей и спосо-
бов управления ими в реальных устройствах. После прочтения книги вы бу-
дете знать, какой тип двигателя лучше всего подойдет для реализации того
или иного проекта. Более того, пользуясь рекомендациями, почерпнутыми
из последующих глав, вы сможете самостоятельно изготовить эффективное
устройство управления каждым из них.
В самом начале главы были описаны два ключевых изобретения, сделав-
ших возможным создание электродвигателей всех известных типов. Ханс
Кристиан Эрстед выяснил, что изменение силы электрического тока в про-
воднике, расположенном в непосредственной близости от компаса, приводит
к изменению положения его стрелки. Аньошу Иштвану Йедаику удалось по-
строить простейший прототип электродвигателя, поместив в магнитное поле
проводник, смотанный в виде протяжной катушки. Со времени последнего

32
Часть I. Общие сведения
изобретения прошло много лет, а в структуре электродвигателя не произош-
ло почти никаких принципиальных изменений — он по-прежнему состоит
из проводника, намотанного на сердечник (якорь), и источника магнитного
поля (постоянного магнита или электромагнита).
После краткой исторической справки было приведено описание основных
компонентов стандартного электродвигателя. При внешнем осмотре легко
заметить такие его компоненты, как разъем с выводами, на которые подает-
ся электропитание, вал, с которого снимается полезная нагрузка (вращаю-
щий момент), и корпус, заключающий подвижную (ротор) и неподвижную
(статор) части двигателя. С электрической точки зрения электродвигатель
состоит из элемента, через который проходит электрический ток (якорь), и
устройства, отвечающего за создание магнитного поля (постоянные магниты
или обмотки возбуждения).
Существование огромного количества типов и моделей электродвигателей
делает их изучение невероятно сложным занятием для каждого из нас. С од-
ной стороны, двигатели получают питание в виде постоянного или перемен-
ного тока (бывают также универсальные двигатели, работающие от любого
источника электроэнергии). С другой стороны, у каждого электродвигателя
есть назначение — обеспечивать требуемую скорость вращения и вращающий
момент (двигатели непрерывного действия) или поворачивать вал на стро-
го заданный угол (шаговые двигатели). В данной главе был приведен только
краткой обзор конструкции и назначения электродвигателя. Детальное опи-
сание каждого типа двигателей содержится в последующих главах. В главе 2
мы поговорим об общих характеристиках электродвигателей всех типов.

2
Основные
характеристики
электродвигателей
В книге описываются преимущественно поворотные электро-
двигатели. Все они преобразуют электрическую энергию, пред-
ставленную напряжением и током, в механическую, описываемую
вращающим моментом и угловой скоростью. Если вы все еще не
знакомы с основными характеристиками электродвигателей, то
внимательно изучите первый раздел главы, в котором рассматри-
ваются такие важные понятия, как угловая скорость и вращающий
момент, а также устанавливается взаимосвязь между ними.
В остальной части главы детально описываются электрическая
и магнитная составляющие электродвигателя:
■ магниты;
■ электрическая схема замещения;
■ мощность и КПД двигателя.
Несмотря на то что в главе отсутствуют сложные математичес-
кие формулы, у вас могут возникнуть затруднения с пониманием
отдельных терминов и концепций. Не стоит расстраиваться, если
после знакомства с материалом главы у вас останется много вопро-

34
Часть I. Общие сведения
сов. Акцентируйте внимание только на самых важных моментах. Сложные
физические понятия и конструктивные элементы электродвигателя детально
рассматриваются в следующих главах — на данном этапе вы можете пропу-
стить отдельные разделы, вернувшись к ним после приобретения всех необ-
ходимых знаний.
2Л. Вращающий момент и угловая
скорость
Сила относится к фундаментальным физическим характеристикам. В от-
личие от большинства других базовых физических величин, например мо-
мента инерции, идея силы интуитивно понятна большинству из нас, в част-
ности, на примере гравитации.
Вращающий момент менее известен среднестатистическому обывателю.
Многие считают, что он определяет силу вращения, но не обращают внима-
ния на тот факт, что он выражается другими единицами измерения, чем сила.
С понятием вращающего момента должен быть знаком каждый уважающий
себя конструктор механизмов и устройств, снабженных двигателями. Давай-
те на фундаментальном уровне выясним, что такое вращающий момент и как
он связан с угловой скоростью вращения.
2.1 Л.Сила
Изменение скорости движения объекта — ускорение (положительное) или
замедление (отрицательное) — свидетельствует о приложении к нему некой
силы. Величина этой силы математически рассчитывается как масса объекта,
умноженная на ускорение (положительное или отрицательное).
Например, если поднять с земли некий объект и отпустить его, то он бу-
дет падать на землю под действием силы тяжести. Величину этой силы очень
легко вычислить, если умножить массу объекта на ускорение свободного па-
дения, которое составляет 9,8 м/с2. Легко заметить, что сила тяжести пропор-
циональна массе объекта, который падает на землю.
В США и некоторых других странах масса измеряется не в килограммах, а
в фунтах. При этом в одном фунте содержится 16 унций. Ученые и инженеры
измеряют силу в Ньютонах (Н); один ньютон обозначает силу, которую нуж-
но приложить к объекту массой один килограмм для придания ему ускоре-
ния 1 м/с2. Учитывая, что объект, имеющий массу 1 кг, притягивается к Земле
с силой 9,8 Н, легко вычислить силу тяжести, действующую на другое тело
любой массы. Например, автор этой книги весит 82 кг, поэтому будет притя-
гиваться к Земле с силой 804 Н.

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
35
Сила характеризуется не только величиной, но и направлением действия.
С течением времени направление воздействия одной и той же силы может из-
меняться, но в каждый отдельно рассматриваемый момент сила направлена
вдоль определенной прямой (вектора). На объект, падающий вниз, действует
сила тяжести, направленная строго перпендикулярно к поверхности Земли
(вектор силы указывает на центр масс Земли).
2.1.2. Вращающий момент
Подобно силе, вращающий момент пропорционален массе объекта и за-
висит от его ускорения. Но в отличие от силы, он направлен вдоль дуги, а
не прямой линии. Завинчивая крышку на банке с огурцами, вы придаете ей
некий вращающий момент.
Лучше всего познакомиться с вращающим моментом, посетив соревнова-
ния по армрестлингу. На рис. 2.1 показано, как это выглядит.
Рис. 2.1. Соревнования на звание "Рука с лучшим вращающим моментом"

36
Часть 1. Общие сведения
В каждом поединке принимают участие два соперника. Побеждает тот из
них, который придает больший вращающий момент своей руке. Как только
это происходит, рука оппонента оказывается прижатой к поверхности сто-
ла. Чем больше разница между вращающими моментами, придаваемыми ка-
ждым из участников своей руке, тем быстрее заканчивается поединок.
У поворотного электродвигателя и участника соревнований по армрест-
лингу единый принцип определения вращающего момента. Только к валу
электродвигателя подключается не другой электродвигатель, а некая нагруз-
ка. Если двигатель не обладает достаточным вращающим моментом, то он не
сможет провернуть устройство, подключенное к его валу.
Как уже упоминалось, вращающий момент направлен по дуге. В этом ут-
верждении кроется ключевое его отличие от силы: вращающий момент про-
порционален радиусу дуги (окружности, содержащей дугу). Если быть пре-
дельно точным, то вращающий момент рассчитывается как произведение
силы, направленной вдоль касательной к дуге, и радиуса этой дуги. Таким
образом, вращающий момент, представляемый греческим символом т, легко
рассчитать по следующей формуле, в которой сила обозначена символом F,
а радиус — символом г.
Чтобы лучше понять, что именно рассчитывается по этой формуле, давай-
те вернемся к соревнованиям по армрестлингу. На рис. 2.2 показаны величи-
ны, принимающие участие в вычислении вращающего момента.
Обратите внимание на руку участника соревнований, сидящего слева. Он
старается приложить к руке своего оппонента максимально возможное уси-
лие, направленное перпендикулярно радиусу дуги, центр которой находится
на поверхности стола в точке, равноудаленной от локтей обоих соперников.
Направление силы изменяется с течением времени, но всегда перпендику-
лярно радиусу указанной дуги. Таким образом, вращающий момент, придава-
емый армрестлером своей руке, равен приложенной им силе, умноженной на
радиус дуги, который описывает рука.
В научном сообществе вращающий момент измеряется в ньютонах на метр
(Нм). В качестве производной этой единицы измерения используются мил-
линыотоны на метр (мН-м). Иногда вращающий момент представляется не-
системными единицами измерения: ньютонами на сантиметр (Н-см).
В технической документации к электродвигателям, произведенным для
рынка США и ряда других стран, вращающий момент указывается в фунт-
силах на фут (pound-force-feet — lb-ft), фунт-силах на дюйм (pound-force-

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
37
inches — lb-in) или унция-силах на дюйм (ounce-force-inches — oz-in). Ко-
эффициенты преобразования метрических единиц измерения в британские
приведены в табл. 2.1.
ттт ттт «JL» •■■» "■■■• "^^
Рис. 2.2. Сила, радиус и вращающий момент
Таблица 2.1. Коэффициенты преобразования единиц измерения
вращающего момента
Из
В
Коэффициент
oz-in
oz-in
oz-in
lb-ft
lb-ft
Нм
lb-ft
lb-in
oz-in
Нм
0,007062
0,005208
0,0625
192,0
1,356

38 Часть I. Общие сведения
Окончание табл. 2Л
Из В Коэффициент
lb-ft
Нм
Нм
Нм
lb-in
lb-in
lb-in
lb-in
oz-in
lb-ft
lb-in
oz-in
Нм
lb-ft
12,00
141,6
0,7376
8,851
16
0,1130
0,08333
Вращающий момент, развиваемый двигателем, сильно зависит от подклю-
ченной к нему нагрузки. Чтобы понять, почему так происходит, воспользуем-
ся уже привычной аналогией с соревнованиями по армрестлингу. Если один
из соперников слишком слабый, то его противник побеждает, не прилагая
особых усилий. Подобное состояние электродвигателя называется ненагру-
женным, или режимом холостого хода. В этом режиме вал вращается очень
быстро, но при минимальном вращающем моменте.
Теперь давайте рассмотрим ситуацию с точки зрения более слабого со-
перника. Независимо от того, насколько сильно он будет стараться опроки-
нуть руку оппонента, у него ничего не выйдет. Подобная ситуация возникает
всякий раз при предельной нагрузке электродвигателя. Она характеризуется
максимальным вращающим моментом и нулевой частотой вращения, по-
скольку нагрузка на вал такова, что не позволяет ему поворачиваться.
2.1.3. Угловая скорость
Скорость определяет, насколько быстро объект перемещается в простран-
стве. Другими словами, она характеризует, на какое расстояние переме-
щается объект за единицу времени. Угловая скорость подобна линейной, но
определяет, насколько быстро изменяется угол, на который поворачивается
объект в процессе вращения.
В науке и технике утлы измеряются в радианах или градусах, а угловая ско-
рость — соответственно в радианах или градусах в секунду. Но исторически
сложилось так, что в технических характеристиках электродвигателей указы-
вается не угловая скорость, а частота вращения вала, выраженная в оборотах
в минуту (об/мин). Предполагая, что угловая скорость объекта составляет
12 град/с, частоту его вращения, представленную греческим символом а),
можно вычислить по следующей формуле:

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
1об
39
с )\1 мину ^360 град^ мин
Важно понимать разницу между угловой скоростью и вращающим момен-
том. Угловая скорость указывает на количество оборотов, совершаемых ва-
лом электродвигателя в минуту. В процессе выполнения работы электродви-
гатель может обладать высокой скоростью и слабым вращающим моментом
или, наоборот, низкой скоростью и большим вращающим моментом.
2.1.4. Зависимость вращающего момента
от частоты оборотов
При отсутствии нагрузки вал двигателя вращается с частотой ооп, которая
называется частотой холостого хода. В большинстве электродвигателей она
равна максимально возможной частоте вращения.
Нагрузка, при которой вал не проворачивается, соответствует предельно-
му перегрузочному моменту, обозначаемому как xs. Вал двигателя вращается
только при нагрузках, меньших предельного перегрузочного значения.
Выбирая двигатель для очередного проекта, обязательно обращайте вни-
мание на обе характеристики. Например, один из двигателей, предлагаемый
для продажи на сайте populu. com, имеет следующие рабочие параметры:
■ соп = 17 000 об/мин при напряжении питания 3 В;
■ xs = 0,75 oz-in (0,0053 Нм) при силе тока 3,85 А.
В идеальном случае в рабочих характеристиках двигателя должны приво-
диться не только значения соп и xs, но и зависимость вращающего момента
от частоты вращения. Проанализировав ее, вы будете иметь представление
о том, как ведет себя вал электродвигателя при произвольных нагрузках —
начиная с нуля и заканчивая предельным перегрузочным значением.
Зависимость между вращающим моментом и частотой вращения вала
электродвигателя лучше всего изучать, выразив ее в виде графика. Вы вряд
ли найдете такой график в инструкции к электродвигателю, поставляемой
производителем. Но его всегда можно получить экспериментально, исполь-
зуя специальный прибор: динамометр. Пример графического представления
рабочих характеристик электродвигателя приведен на рис. 2.3.
У каждой модели электродвигателя свой график зависимости рабочих ха-
рактеристик, но он справедлив только для строго заданных значений напря-
жения и электрического тока. При изменении параметров электропитания
двигателя зависимость между рабочими характеристиками становится другой.

40
Часть I. Общие сведения
Предельный перегрузочный момент
Отсутствие нагрузки
Частота вращения, об/мин
Рис. 2.3. Пример зависимости вращающего момента от частоты вращения
2*2. Магниты
При выборе эффективного электродвигателя для проекта нельзя не учи-
тывать его конструкционные особенности. Конечно, вам не понадобятся
знания физических закономерностей и сложных формул, описывающих
происходящие в двигателе процессы. Но подобрать наиболее эффективный
тип устройства без понимания принципов преобразования электрической
энергии в механическую будет невероятно сложно. Те, кто разбирал в детстве
моторчики, знают, что такое преобразование невозможно без использования
магнитов. Все магниты обладают несколькими общими характеристиками.
■ У магнита есть два полюса: северный (N) и южный (S).
■ Полюсы располагаются на противоположных концах магнита. Одина-
ковые полюсы расположенных рядом магнитов отталкиваются, а раз-
ные — притягиваются. Другими словами, если расположить несколько
магнитов в замкнутом пространстве, то они сориентируются так, что
противоположные полюсы расположатся предельно близко один к дру-
гому, а одинаковые полюсы — на максимальном удалении.
■ Все магниты притягивают с разной силой. Чем мощнее магнит, тем
сильнее он притягивает или отталкивает другой магнит.
Удостовериться в справедливости приведенных выше утверждений мож-
но, поэкспериментировав с несколькими стержневыми магнитами.

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
41
В электродвигателях применяются магниты одного из двух основных типов.
■ Постоянные магниты. Некоторые природные материалы приобретают
постоянные магнитные свойства под воздействием сильных электриче-
ских токов (например, ударов молнии).
■ Электромагниты. При сворачивании проводника, на который подает-
ся электрический ток, в обмотку (катушку) вокруг него создается маг-
нитное поле. Оно временное и исчезает, как только через проводник
перестает течь ток. Для усиления магнитного поля проводник обычно
наматывают на стальной сердечник.
Постоянные магниты не требуют внешнего источника питания и облада-
ют сильным магнитным полем. К сожалению, их полюсы всегда располага-
ются в одном и том же месте, а потому формируемое ими магнитное поле
нельзя изменить. К недостаткам магнитов этого типа также относится их
высокая стоимость.
Электромагниты обладают целым рядом преимуществ перед постоянными
магнитами. Для управления их магнитным полем достаточно изменить ток
в проводнике, что также вызывает изменение положения полюсов электро-
магнита в пространстве. Но есть у электромагнитов и недостаток: для полу-
чения такого же мощного магнитного поля, как у постоянного магнита, через
электромагнит необходимо пропустить очень сильный электрический ток.
В электромагнитах нас в первую очередь будет интересовать возможность
управления магнитным полем. Вам наверняка будет интересно узнать, каким
образом можно изменить не только силу магнитного поля, но и его направ-
ление.
Рассмотрим ситуацию, в которой проводник намотан на круглый сердеч-
ник, а электрический ток протекает по нему от верхнего витка к нижнему.
Если взглянуть на сердечник с торца (сверху вниз), то легко заметить, что ток
направлен либо по часовой стрелке, либо против нее. Несложно догадаться,
что полярность (взаимное расположение полюсов) электромагнита зависит
от направления протекания тока через обмотку. Определить положение маг-
нитных полюсов электромагнита можно, следуя таким простым правилам:
■ при протекании тока против часовой стрелки северный полюс находит-
ся в верхней части сердечника, а южный — в нижней его части;
■ при протекании тока по часовой стрелке северный магнитный полюс
находится внизу сердечника, а южный — в верхней его части.
Описанная выше ситуация проиллюстрирована на рис. 2.4. Обратите вни-
мание на то, что при изменении направления электрического тока магнит-

42
Часть I. Общие сведения
ные полюсы меняются местами. Другими словами, инверсия тока приводит
к инверсии полярности магнита.
Эл. ток
Вид сбоку
Северный
полюс
Эл. ток
Южный
полюс
Вид сверху
Эл.ток
^ Эл. ток
Эл. ток
Вид сбоку
Южный
полюс
Эл. ток
Северный
полюс
Вид сверху
Эл.ток
I Эл.ток
Рис. 2.4. Электромагнит и его полюсы
Давайте усложним ситуацию, рассмотрев поведение сразу четырех элек-
тромагнитов: А, А1, В и В1. Согласно представленной схеме электромагниты
А и А1, а также В и В1, последовательно соединены между собой. В центре
конструкции располагается постоянный стержневой магнит, закрепленный
на оси вращения. На рис. 2.5 показаны четыре возможных его состояния,
возникающих при пропускании электрического тока через электромагниты.
Когда электрический ток проходит только через одну пару электромагни-
тов, стержневой магнит поворачивается так, чтобы выровняться вдоль внеш-
него магнитного поля. Как показано на рис. 2.5, у стержневого магнита всего
четыре возможных положения.
■ Электрический ток проходит от электромагнита А к электромагниту А*
(рис. 2.5, а). Южный полюс стержневого магнита поворачивается к
электромагниту А1, а его северный полюс указывает на электромагнит А.
■ Электрический ток проходит от электромагнита В к электромагниту В'
(рис. 2.5, б). Южный полюс стержневого магнита поворачивается к
электромагниту В, а его северный полюс указывает на электромагнит В1.

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
43
Эл. ток
Эл.ток
а)
А
В?
А'
Эл.ток
S
в
N
Эл. ток
В' ▲
А1
Эл. ток •<-
Эл.ток
N
В1
А'
Эл.ток
А в
Эл.ток
Af
в) г)
Рис. 2.5. Установка с четырьмя электромагнитами
Электрический ток проходит от электромагнита А1 к электромагниту А
(рис. 2.5, в). Южный полюс стержневого магнита поворачивается к
электромагниту А, а его северный полюс указывает на электромагнит А1.
Электрический ток проходит от электромагнита В1 к электромагниту
В (рис. 2.5, г). Южный полюс стержневого магнита поворачивается к
электромагниту В1, а его северный полюс указывает на электромагнит В.

44
Часть I. Общие сведения
Если ток на электромагниты подавать в указанной последовательности,
то стержневой магнит сделает полный оборот вокруг оси (360°) по часовой
стрелке. При записывании электромагнитов в обратном порядке стержневой
магнит сделает полный оборот против часовой стрелки.
Перед тем как продвигаться в дальнейшем обучении, нужно усвоить прин-
ципы, проиллюстрированные на рис. 2.5. Показанный на нем процесс пре-
образования электрической энергии (ток, проходящий через электромагни-
ты) в механическую (вращение стержневого магнита) сохраняется во всех без
исключения поворотных электродвигателях, описанных в книге.
2.3* Схема замещения электродвигателя
Конструируя устройство или прибор, в котором задействован электрод-
вигатель, необходимо как-то представить его на электрической схеме. Полу-
чится ли использовать для этого стандартные электронные компоненты, та-
кие как резистор, конденсатор или диод? Или электрическую составляющую
двигателя можно заместить только одним из них?
Принимая во внимание широкое разнообразие электродвигателей, невоз-
можно представить всех их единой универсальной электрической схемой. Но
всегда можно разделить электродвигатели на отдельные группы, выделив в
них общие технические характеристики, для которых и создаются схемы за-
мещения. Далее мы поговорим о потерях электроэнергии в двигателях и яв-
лении обратной электродвижущей силы, возникающей в его схемах.
2.3.1. Электрические потери
Даже работая без нагрузки, двигатель все равно потребляет электроэнер-
гию. Ток, который расходуется электродвигателем без нагрузки, называется
током холостого хода. В дальнейшем мы будем обозначать его как 10. Он рас-
ходуется на создание магнитного поля в стальных сердечниках электромаг-
нитов. Именно поэтому электрические потери в двигателе часто называют
потерями в сердечнике или потерями в стали. При определении полезной ра-
боты, совершаемой электродвигателем, ток холостого хода необходимо вы-
честь из потребляемого тока электродвигателя.
На этом потери в электродвигателе не заканчиваются. Еще один их источ-
ник — обмотка. Медный провод якоря, на который подается электрический
ток с источника питания двигателя, также обладает определенным электри-
ческим сопротивлением. Если обозначить сопротивление якоря Ла, а потреб-
ляемый ток электродвигателя — /, то в соответствии с законом Ома на якоре
будет наблюдаться падение напряжения, равное (/- I0)Ra> Если обозначить

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
45
входное напряжение буквой U, то в формуле расчета номинальной мощнос-
ти электродвигателя нужно использовать следующее рабочее напряжение:
tf-(/-/e)j?a.
Не стоит забывать, что наряду с сопротивлением якорь электродвигате-
ля также обладает индуктивностью (La). Считается, что она настолько мала,
что ею можно пренебречь. Последнее утверждение, правда, не относится к
электродвигателям переменного тока, поскольку индуктивность в контуре
пропорциональна частоте тока в нем. Если питание двигателя осуществляет-
ся от источника высокой частоты, то с потерями, вызванными образованием
в якоре индуктивных токов, приходится считаться.
Схема замещения для электродвигателя с учетом всех рассмотренных
выше типов потерь принимает вид, показанный на рис. 2.6.
Источник
питания
Потери
в якоре
Рис. 2.6. Электрическая схема замещения электродвигателя,
на которой выделены все основные типы потерь

46
Часть I. Общие сведения
В якоре большинства электродвигателей находится стальной сердечник,
но далеко не во всех. Существуют устройства, в якоре которых стального сер-
дечника нет. Их еще называют двигателями с воздушным сердечником. У них
отсутствуют потери в стали, и они, несомненно, легче обычных электродви-
гателей, хотя и имеют существенный недостаток: низкую мощность на валу.
2.3.2. ПротивоЭДС
При конструировании устройств, оборудованных электродвигателями, не-
обходимо учитывать самые неожиданные явления. Как известно, при подаче
на электродвигатель питания его вал начинает вращаться. Поскольку на валу
электродвигателя смонтирован якорь, содержащий медную обмотку, при его
вращении в магнитном поле на выводах обмотки образуется разность потен-
циалов, пропорциональная частоте вращения. Если вращение вала вызвано
неким внешним воздействием, например водным или воздушным потоком,
то электродвигатель становится генератором электрического тока. Детально
о генераторах электрического тока и их отличиях от электродвигателей рас-
сказывается в приложении А.
В нормальном режиме работы, когда на электродвигатель подается пи-
тание, вращение его вала приводит к возникновению в обмотке напряжен-
ности электрического поля, направленной противоположно входному току.
Она называется обратной электродвижущей силой (ЭДС) и измеряется в тех
же единицах, что и напряжение (вольтах). Ее также часто называют противо-
ЭДС, что вполне соответствует ее сути. Величина ПротивоЭДС возрастает
с величением напряжения питания электродвигателя, хотя никогда его не
превышает.
Величина ПротивоЭДС в первую очередь зависит от типа электродвигателя
и потребляемой им мощности. Но какой бы она ни была, направление обрат-
ной ЭДС всегда противоположно направлению входного тока. Полная схема
замещения электродвигателя с учетом ПротивоЭДС показана на рис. 2.7.
Электродвигатель
Рис. 2.7. Электрическая схема замещения электродвигателя с учетом противоЭДС

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
47
На эффекте противоЭДС построена работа некоторых вентильных элек-
тродвигателей. В подобных двигателях от величины обратной ЭДС зависит
угол поворота вала. Подробно о вентильных электродвигателях и принципах
использования в них противоЭДС рассказывается в следующей главе.
2.4» Мощность и КПД
Несмотря на то что электродвигатели сохраняют работоспособность в ши-
роком диапазоне частот вращения и вращающих моментов, максимальную
производительность они обеспечивают только в определенных эксплуатаци-
онных режимах. В режиме максимальной производительности потери в элек-
тродвигателе минимальные, а потому электрическая энергия (электрический
ток) преобразуется в механическую (вращение вала) наиболее эффективно.
При выборе электродвигателя в первую очередь стоит обращать внимание
на его КПД. Но перед тем как приступить к его вычислению, нужно научить-
ся рассчитывать мощность электродвигателя. Это, в свою очередь, требует
знакомства с таким физическим понятиям, как работа.
2.4.1. Работа
Работа обычно определяется для объектов, перемещаемых в пространст-
ве под действием некой силы. Если направление действия силы совпадает
с направлением перемещения, то работа равняется произведению обеих ве-
личин. Таким образом, если F— это сила, воздействующая на объект, a d —
расстояние, на которое он перемещается, то выполненная работа вычисляет-
ся, как F-d.
В частности, если на объект действует сила тяжести 20 Н, то при его па-
дении на расстояние 2 м совершается работа, равная 40 Нм (Дж). Если в
результате действия силы объект не перемещается или перемещается в на-
правлении, перпендикулярном вектору силы, то считается, что работа не со-
вершается, а потому равняется нулю.
Работа электродвигателя вычисляется похожим образом, хотя в расчетной
формуле при этом фигурируют величины угла поворота и вращающего мо-
мента. Обозначив вращающий момент символом т, а угол поворота — симво-
лом 0, можно утверждать, что работа, производимая валом электродвигателя,
составляет т-0. Например, вращая ручку мясорубки, вы прокручиваете ее на
определенный угол 0, придавая постоянный вращающий момент т. При этом
вы совершаете работу, равную произведению этих величин.

48
Часть I. Общие сведения
2.4.2. Механическая мощность
Мощность — это не что иное, как скорость выполнения работы. Если на
протяжении определенного промежутка времени работа совершается рав-
номерно, то мощность легко определить, разделив работу на временной ин-
тервал. Если обозначить мощность буквой Р, работу — буквой W, а время —
буквой /, то формулу вычисления мощности легко представить следующим
математическим выражением:
t
Например, если за одно и то же время один из шуруповертов закручивает
вдвое больше саморезов, чем другой, то первый мощнее второго ровно в два
раза. Подобным образом более мощным считается электродвигатель, кото-
рый быстрее остальных раскручивает свой вал до определенной частоты вра-
щения.
Мощность измеряется в ваттах (сокращенно — Вт). Один ватт равен
1 Дж/с или 1 Нм/с. Общепринятым также считается определять мощность
двигателя в лошадиных силах (л. с). Одна лошадиная сила равна 745,7 Вт1,
а один ватт составляет 0,00134 л. с. В ваттах обычно определяется мощность
электродвигателей постоянного тока, а лошадиные силы применяются при
указании мощности электродвигателей переменного тока.
Как известно, работа электродвигателя вычисляется как произведение
вращающего момента вала и угла его поворота. При этом мощность легко
рассчитать, если разделить работу на время. Приняв во внимание, что угол
поворота в единицу времени — это не что иное, как угловая скорость, мощ-
ность электродвигателя можно выразить через нее и вращающий момент:
"механическая = "' Ю4/Ш
Для расчета мощности электродвигателя на валу при известной частоте
вращения (об/мин) и вращающем моменте (унция-дюйм) применяется такая
формула:
1 Это так называемая механическая лошадиная сила. Используемая в большинст-
ве европейских стран метрическая лошадиная сила равна 735,5 Вт. — Примеч. ред.

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
49
2.4.3. Электрическая мощность
Электрическая мощность двигателя вычисляется намного проще, чем ме-
ханическая. Для ее получения достаточно умножить подаваемое на электрод-
вигатель напряжение на проходящий через него электрический ток. Обозна-
чив напряжение буквой U, а ток — буквой /, получаем следующую простую
формулу:
Р -111
L электрическая "*Ui
При измерении напряжения в вольтах, а силы тока — в амперах вычисля-
емая по представленной выше формуле мощность выражается в ваттах. На-
пример, если сила тока составляет 2 А, а напряжение — 5 В, то мощность
будет равна 10 Вт.
Конечно, при определении реальной электрической мощности двигателя
нужно учитывать все возможные потери. Как известно, падение рабочего на-
пряжения вследствие потерь в обмотке составляет IRm, а уменьшение силы
тока — 10. Принимая это во внимание, реальную электрическую мощность
двигателя нужно рассчитывать по следующей формуле:
^двигателя = {Р
Именно такая электрическая мощность преобразуется двигателем в меха-
ническую. Выразив механическую мощность на валу через вращающий мо-
мент и угловую скорость, несложно получить приведенное ниже равенство:
хо) yw л механическая
2.4.4. Коэффициент полезного действия
Не существует электродвигателей, преобразующих в механическую энер-
гию всю поступающую на них электрическую энергию. Именно поэтому для
обозначения эффективности работы электродвигателя вводят понятие КПД
(коэффициент полезного действия), который равняется отношению выход-
ной мощности ко входной. В математическом виде КПД, tj, определяется по
следующей формуле:
Р

50
Часть I. Общие сведения
Идеальный электродвигатель, не имеющий потерь, характеризуется КПД,
равным 1. В реальности КПД большинства промышленно производимых
электродвигателей намного меньше: от 0,5 до 0,9. В частности, двигатель,
преобразующий 2 ватта электрической энергии в 1,5 ватта механической
энергии, имеет КПД, равный 1,5/2,0 = 0,75.
Представив механическую и электрическую мощности электродвигателя
рассмотренными выше зависимостями, его КПД можно рассчитать по следу-
ющей формуле.
~ = *вых = "механическая __ *®
Р Р UT
гвх гэлектрическая U1
Исходя из рассмотренных в предыдущих разделах зависимостей, КПД
электродвигателя можно выразить только через электрические характери-
стики: ток, напряжение и сопротивление.
Рмеханическая AU~IRmW~h) (U~
"электрическая "' V U
Как видно из последней формулы, КПД электродвигателя возрастает при
уменьшении сопротивления обмотки, Rm. Именно поэтому заметнее всего
прирост КПД электродвигателя ощущается при увеличении входного на-
пряжения до максимально допустимого значения. По этой же причине элек-
тродвигатели высокой мощности на максимальных оборотах имеют больший
прирост КПД, чем низкомощные.
Зависимость КПД от входного тока не столь очевидна. С одной сторо-
ны, при увеличении силы тока возрастают потери в обмотке, которые со-
ставляют IRm. Это приводит к падению общего КПД. А с другой стороны,
возрастание силы тока знаменует уменьшение потери в стали (10), что вы-
зывает увеличение КПД электродвигателя.
Теперь становится ясно, почему каждый электродвигатель имеет свое пи-
ковое значение КПД, в обязательном порядке указываемое производителем
в технических характеристиках. При выборе электродвигателя для своих
будущих проектов в первую очередь обращайте внимание на модели, мак-
симальный КПД которых достигается при оптимальных рабочих харак-
теристиках. Подразумевается, что предписываемые проектом вращающий
момент и угловая скорость должны соответствовать таковым для электродви-
гателя, работающего в режиме максимального КПД.
Низкий КПД чреват не только напрасной тратой электроэнергии. Возни-
кающие вследствие этого высокие потери в обмотке приводят к чрезмерному

Глава 2. Основные характеристики электродвигателей
51
перегреву электродвигателя (мощность нагрева составляет I Rm), что приво-
дит к повреждению оборудования и выходу конечного устройства из строя.
2.5. Резюме
Для выбора электродвигателя важно разбираться в технических параме-
трах, заявленных производителем. Все они основываются на четырех базовых
физических характеристиках электродвигателя: силе тока, напряжении, вра-
щающем моменте и угловой скорости. Их природа хотя и проста, но далеко
не всегда понятна начинающему моделисту. Именно поэтому первая часть
главы была посвящена каждой из основных технических характеристики
электродвигателя.
Наблюдая за работой двигателя в самых разных режимах, особое внимание
уделяйте следующим рабочим условиям: без нагрузки и с предельной нагруз-
кой. В режиме без нагрузки электродвигатель быстрее всего набирает оборо-
ты и имеет самую высокую скорость вращения вала. Предельной считается
нагрузка, начиная с которой двигатель теряет возможность поворота вала при
подаче электропитания. Она играет ключевую роль в зависимости вращаю-
щего момента от угловой скорости электродвигателя.
Чтобы понять, каким образом электрическая энергия, подаваемая на дви-
гатель, преобразуется в механическую энергию вращения его вала, необходи-
мо ознакомиться с принципами и основными характеристиками постоянных
магнитов и электромагнитов. Конструктивно электромагнит состоит из про-
водника, намотанного на стальной сердечник. В отличие от постоянных маг-
нитов, обладающих неизменными характеристиками, физические свойства
электромагнитов напрямую зависят от силы тока, протекающего в провод-
нике. Несмотря на очевидные функциональные преимущества электромаг-
нитов, значительное потребление электроэнергии ограничивает область их
применения.
Перед подачей на двигатель электропитания нужно ознакомиться с его
электрическими характеристиками и источниками потерь. Основные источ-
ники потери электрической энергии в двигателе — это обмотка и сердечник.
Потери в сердечнике обусловлены образованием в нем паразитного магнит-
ного поля, а потери в обмотке вызваны нагревом проводника, величина кото-
рого пропорциональная электрическому сопротивлению меди (I2R).
Получив общее представление об устройстве и принципах функциониро-
вания электродвигателя, можно смело приступать к выбору модели с опти-
мальными рабочими характеристиками. Для минимизации потерь электро-
энергии обращайте внимание только на модели, имеющие максимальный

52
Часть I. Общие сведения
КПД в оговоренных вашим проектом рабочих режимах. КПД указывает на
отношение механической энергии вала электродвигателя к потребляемой им
электрической энергии, и чем он выше, тем экономнее конструируемое вами
устройство.

Часть II
Конструкция
электродвигателя

3
Электродвигатели
постоянного тока
Если в проекте конструируемого устройства предполагается
подача питания от аккумуляторов или солнечных батарей, USB-
порта, блока питания или другого источника постоянного тока, то
вы вправе использовать в нем только двигатели постоянного тока.
Принцип их действия очень прост, подключение не вызывает осо-
бых трудностей, а надежность выше всяких похвал. В полной мере
ознакомившись с материалом предыдущей и этой глав, вы не буде-
те испытывать затруднений с их использованием.
При подборе двигателя постоянного тока для своего проекта
нужно определиться с его типом: коллекторный или вентильный
(бесколлекторный). Конструктивно коллекторный и вентильный
двигатели сильно разнятся, поэтому большая часть этой главы по-
священа их различиям. В силу несравнимо более высокой сложно-
сти вентильным двигателям уделяется намного больше внимания.
В первой половине главы речь пойдет о свойствах и характерис-
тиках, общих для обоих типов электродвигателей постоянного
тока. В частности, вы узнаете, как вращающий момент электрод-
вигателя зависит от силы тока, а частота вращения — от напряже-
ния. Несложно догадаться, что именно в них кроются принципы
управления двигателями постоянного тока.

56
Часть II. Конструкция электродвигателя
В завершение главы приведен краткий обзор аккумуляторов, используе-
мых в качестве источников электропитания. Электродвигатели постоянного
тока очень требовательны к электрическому току и напряжению, подаваемо-
му на вход, поэтому для их питания применимы далеко не все автономные
источники электроэнергии. В большинстве случаев вам придется довольст-
воваться аккумуляторами — об их преимуществах и недостатках рассказыва-
ется в самом конце главы.
3* 1 ♦ Основные характеристики двигателей
постоянного тока
Коллекторные и вентильные двигатели постоянного тока не только имеют
разные конструкции, но и требуют использования разных систем управле-
ния. Несмотря на это у них есть и общие особенности:
■ вращающий момент пропорционален потребляемому току питания;
■ частота вращения пропорциональна напряжению питания;
■ управление электродвигателем осуществляется с помощью коммутаци-
онных схем, контролирующих подачу на него электрического тока;
■ скоростью вращения электродвигателя можно управлять с помощью
Ш ИМ-сигнала.
В этом разделе каждая из указанных выше особенностей будет рассмотре-
на более подробно. Свойства коллекторных и вентильных электродвигателей
будут по отдельности описаны в последующих разделах.
3.1.1. Вращающий момент и электрический ток
Закон Ампера указывает нам, с какой силой магнитное поле воздействует
на проводник с током. Для точного вычисления силы требуются познания
в области векторной алгебры, а также математического анализа. Но даже не
прибегая к ним несложно догадаться, что чем более сильный ток протекает
через якорь электродвигателя, тем большим вращающим моментом обладает
последний.
Воспользовавшись цифровым измерителем вращающего момента, мож-
но легко построить зависимость вращающего момента электродвигателя от
силы тока в нем. На рис. 3.1 показана такая зависимость, полученная автором
для стандартной модели двигателя постоянного тока.
Для большинства двигателей постоянного тока такая зависимость пред-
ставляется графиком в виде прямой линии. Это означает, что соотношение

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
57
5,0
4,5
4,0
<
| 3,5
| 3'°
| 2,5
I" 2,0
ё
со 1,5
1,0
0,5
Электрический ток = 0,44 * вращающий момент + 0,24
Вращающий момент = 2,273 * электрический ток - 0,545
Ток холостого хода (/0) = 0,24 А
J I I I I I
01 23456789 10
Вращающий момент, унция силы-дюйм
(1 унция силы-дюйм = 0,007062 Н • м)
Рис. 3.1. Зависимость вращающего момента электродвигателя от силы тока питания
между вращающим моментом и силой входного тока остается неизменным во
всем диапазоне рабочих характеристик. Известный под названием "момент-
ный коэффициент", в технической документации он обычно обозначается
Кти измеряется в широком спектре единиц измерения: унция-дюйм/ампер
(oz-in/A), фунт-дюйм/ампер (lb-in/A), ньютон-метр/А (Н-м/А) и т.п. Пока-
занный на рис. 3.1 график иллюстрирует зависимость вращающего момента
от силы входного тока при коэффициенте Кт= 2,273 oz-in/A.
В предыдущей главе было введено понятие режима холостого хода, в кото-
ром вращение вала электродвигателя происходит без нагрузки (создания вра-
щающего момента). Электрический ток, питающий при этом двигатель, на-
зывается током холостого хода и обозначается 10. На рис. 3.1 он равен 0,24 А.
Таким образом, если через ротор электродвигателя проходит ток /, то он
создает вращающий момент КТ(1— /0). При измерении вращающего момен-
та в ньютон-метрах (Нм), а коэффициента Кт — в унциях-дюймах/ампер
(oz-in/A) полезный вращающий момент электродвигателя постоянного тока
можно вычислить по следующей формуле:
г -
- 4)

58
Часть II. Конструкция электродвигателя
3.1.2. Скорость (частота вращения) и напряжение
Подобно тому как повышение силы тока, подаваемого на электродвига-
тель, приводит к увеличению его вращающего момента, изменяя напряжение
питания можно регулировать скорость (частоту) вращения вала. В техничес-
кой документации частота вращения вала обозначается символом со и изме-
ряется в оборотах в минуту (об/мин). Используя тахометр, легко построить
зависимость частоты вращения вала коллекторного двигателя постоянного
тока от напряжения питания (рис. 3.2).
1,8
1,6
1,4
т. 1,2
5.1,8
^ 1.8
1,4
1,2
Напряжение = 0,0017 * частота вращения + 0,26
Частота вращения = 588,235 * напряжение - 152,94
Потеря напряжения в якоре (Ua) = 0,26 В
I
i
I
100 200 300 400 500 600 700
Частота вращения, об/мин
800 900
Рис. 3.2. Зависимость частоты вращения вала электродвигателя от
напряжения питания
Как и зависимость вращающего момента от потребляемого тока, пока-
занный на рис. 3.2 график представлен прямой линией. Угол наклона этой
прямой зависит от коэффициента Ку9 задающего количество оборотов элек-
тродвигателя в расчете на один вольт напряжения питания. Для графика,
показанного на рис. 3.2, он составляет 588,235 обДмин-В).
Поскольку якорь электродвигателя имеет определенное сопротивление
(Ла), детально описанное в предыдущей главе, при подаче электропитания
на нем наблюдается падение напряжения Ua. На графике, изображенном на
рис. 3.2, потеря напряжения Ua вследствие падения его на якоре составляет
0,26 В.
Обозначив напряжение питания электродвигателя как U, реальную часто-
ту вращения вала электродвигателя можно выразить формулой KV(U— Ua).
Помня о том, что электрический ток, отвечающий за выполнение двигателем

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
59
полезной работы, равен /— /0, падение напряжения на якоре можно выразить
3.1.3. Взаимосвязь коэффициентов Кти Kv
В конце предыдущей главы была выведена формула зависимости враща-
ющего момента (т) и частоты вращения (со) электродвигателя от входных на-
пряжения (U— Ua) и тока (/-10). Взаимосвязь этих величин легко получить,
если сравнить электрическую и механическую мощности электродвигателя.
Правую часть этой формулы можно преобразовать, выразив вращающий
момент через коэффициент Ку9 а частоту вращения — через коэффициент
Кт. С учетом того, что вращающий момент измеряется в унциях-дюймах/ам-
пер (oz-in/A), а частота вращения — в оборотах в минуту, указанная функция
принимает следующий вид:
Сократив правую и левую части формулы на выражение (U— Ua)(I- Io),
а также подставив все необходимые константы, можно сократить формулу до
следующего вида:
1 = 0,000739447^%
После приведения к более понятному формату она принимает следующий
вид:
KTKV =1352,36
Проанализировав полученный результат, можно сделать следующие выво-
ды о функционировании электродвигателя.
■ Зная один из коэффициентов, легко вычислить второй. Именно поэто-
му в технической документации к электродвигателям обычно указыва-
ется только коэффициент Kv.
■ Невозможно добиться большого вращающего момента (Кт) при высо-
кой частоте вращения (Ку) и наоборот. При одних и тех же параметрах
электропитания (напряжение и сила тока) двигатель имеет либо боль-
шой вращающий момент, либо высокую частоту вращения.

60
Часть II. Конструкция электродвигателя
■ Электродвигатели с большим коэффициентом Kv имеют более высо-
кую частоту вращения вала, а большой коэффициент ^указывает на
значительный вращающий момент электродвигателя.
Электродвигатели, обычно используемые в моделировании, имеют высо-
кую частоту вращения вала при небольшом вращающем моменте. Если их
подключить к пропеллеру квадрокоптера или приводу механического мани-
пулятора напрямую, то они не обеспечат должного эффекта.
Для увеличения вращающего момента нагрузку к электродвигателю под-
ключают через механическую передачу. Помните, что механическая переда-
ча, увеличивающая вращающий момент, уменьшает частоту вращения вала
электродвигателя. Детально о передачах и их возможностях рассказано в
главе 7.
ПРИМЕЧАНИЕ
Зависимости вращающего момента от электрического тока и скорости вра-
щения от напряжения питания справедливы для электродвигателей как посто-
янного, так и переменного тока. Наряду с этим регулировка скорости вращения
вала двигателя переменного тока осуществляется путем изменения частоты
электропитания. Именно по этой причине коэффициент Ку указывается толь-
ко для двигателей постоянного тока. Вы не найдете его в технической докумен-
тации к двигателю переменного тока.
3.1.4. Устройства переключения
В предыдущей главе объяснялось, что основным недостатком использова-
ния электромагнитов оказывается потребление ими электрической мощнос-
ти. Вот почему даже небольшим двигателям для правильного функциониро-
вания нужны десятки ампер.
Компонент, управляющий работой двигателя, называется контроллером.
В современных системах соответствующие функции выполняет интегральная
микросхема. В большинстве устройств для моделистов это микроконтроллер
либо маломощный процессор. Они работают на малых токах (миллиамперы),
поэтому не могут напрямую обеспечить двигатель нужным ему током. Вот за-
чем в цепях с двигателями нужны электрические коммутаторы.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
61
Электрические переключатели
Для замыкания электрической цепи используются не только механичес-
кие, но и электрические переключатели. Особенность электрического пере-
ключателя — в оснащении тремя контактами: на один из них подается сла-
бый управляющий сигнал, замыкающий или размыкающий цепь, к которой
подключены остальные два вывода.
Схематическое изображение двухвыводного механического переключате-
ля показано на рис. 3.3, слева. Символ электрического переключателя, ис-
пользуемый в схемах, изображен на рис. 3.3, справа. При подаче на управляю-
щий вывод напряжения, большего О В, контакты переключателя замыкаются,
образуя проводящую линию. Цепь размыкается, если приложить к управляю-
щему выводу нулевое или отрицательное напряжение.
Входное
напряжение
Рис- 3.3. Механический и электрический переключатели
Следующий пример иллюстрирует практическую ценность электрическо-
го переключателя. Представьте себе, что управление коллекторным электрод-
вигателем постоянного тока осуществляется с помощью микроконтроллера,
обрабатывающего сигналы с логическим уровнем 3,3 В. Он не может подавать
питание непосредственно на электродвигатель. Вместо этого к микрокон-
троллеру подключается управляющий вывод электрического переключателя,
который замыкает и размыкает цепь питания электродвигателя (рис. 3.4).
Переключатель находится в открытом состоянии при Uynp = 0. В этом ре-
жиме электрический ток на двигатель не поступает. Как только напряжение
Uynp на управляющем выводе становится положительным, контакты пере-
ключателя замыкаются, и на вход электродвигателя подается напряжение
Umm. В результате вал двигателя начнет вращаться.

62
Часть II. Конструкция электродвигателя
ит
Двигатель
Рис. 3.4. Управление питанием двигателя
с помощью электрического переключателя
Транзисторы как электрические переключатели
Не существует универсальных электрических переключателей, хотя
лучше всего с их ролью справляются электронные устройства, называе-
мые транзисторами. В частности, большинство схем управления питанием
электродвигателей, применяемых в моделировании, основано на использо-
вании МОП (металл-оксид-полупроводников) или БТИЗ-транзисторов (би-
полярных транзисторов с изолированным затвором).
Не стоит пугаться сложных аббревиатур. Устройства обоих типов приме-
няются подобно обычному электрическому переключателю, показанному на
рис. 3.4. Как и электрический переключатель, они оснащены тремя вывода-
ми, на один из которых подается управляющее напряжение, замыкающее или
размыкающее схему питания двигателя. Схематическое изображение МОП-
транзистора и биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ)
показано на рис. 3.5.
Как видно из рис. 3.5, у обоих транзисторов управляющий сигнал подается
на вывод, называемый затвором. При этом у МОП-транзистора замыкание
электрической схемы выполняется между стоком и истоком, а у биполярного
транзистора с изолированным затвором — между коллектором и эмиттером.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
63
Сток
Коллектор
Затвор •
'си~О,
если 1/зи< (Лор
U,
Исток
Эмиттер
Рис. 3.5. Настоящие электронные переключатели: МОП-транзистор и биполярный
транзистор с изолированным затвором
По принципу действия идеальный транзистор ничем не отличается от
обычного электрического переключателя. Если управляющее напряжение
находится на нулевом уровне или ниже, то между остальными двумя выво-
дами устанавливается бесконечно большое сопротивление. Как только на за-
твор подается положительное напряжение, сопротивление между стоком и
истоком (коллектором и эмиттером) падает до нуля.
Характеристики МОП-транзисторов и биполярных транзисторов с изоли-
рованным затвором близки к идеальным, за исключением следующих трех
аспектов.
■ Для замыкания схемы напряжение между затвором и истоком (эмит-
тером) должно превышать некое пороговое значение Unop. Для МОП-
транзисторов оно составляет 0,5-1 В, а для биполярных транзисторов
с изолированным затвором — от 3 до 8 В.
■ При подаче на затвор напряжения, меньшего порогового (Unop), через
остальные два вывода транзистора все же протекает ток, но его сила на-
столько ничтожна, что им попросту пренебрегают.
■ Подача на затвор напряжения, большего Unop9 приводит к падению
сопротивленрш между стоком и истоком (коллектором и эмиттером)
до минимально возможного значения, которое тем не менее не рав-
но нулю. У МОП-транзисторов в открытом состоянии сопротивление
между стоком и истоком (ЯсЩотк)) составляет всего 0,03 Ом. У бипо-
лярных транзисторов с изолированным затвором зависимость между
управляющим напряжением и током, протекающим между коллекто-
ром и эмиттером, нелинейная, но сопротивление между ними в откры-
том состоянии намного ниже, чем Лсщотк) У МОП-транзистора.

64
Часть II. Конструкция электродвигателя
Область применения, рабочие характеристики и расположение выводов
у МОП-транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затво-
ром одинаковы. Но различия между ними все же есть: МОП-транзисторы
дешевле в производстве и имеют более высокую скорость срабатывания,
а биполярные транзисторы с изолированным затвором позволяют работать
с более сильными токами. К тому же падение напряжения между коллекто-
ром и эмиттером у БТИЗ существенно меньше, чем между стоком и истоком
у МОП-транзистора.
Исходя из вышесказанного, можно смело утверждать, что МОП-транзис-
торы лучше подходят для управления электродвигателями малой и средней
мощностей, а биполярные транзисторы с изолированным затвором лучше
применять для подачи питания на мощные двигатели, выдерживающие зна-
чительные нагрузки. В любом случае перед использованием транзистора того
или иного типа сверьтесь с его техническими характеристиками, чтобы удосто-
вериться в его применимости для управления выбранным электродвигателем.
Большинство проектов, реализуемых моделистами, основано на исполь-
зовании электродвигателей малой и средней мощностей, поэтому в остав-
шейся части книги будут рассматриваться системы управления, основанные
исключительно на МОП-транзисторах.
3.1.5. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Электронные переключатели позволяют подавать и прерывать подачу пи-
тания на электродвигатель. Но как поступить, если необходимо обеспечить
частоту вращения вала, равную 75% от максимального значения? Неужели
в электродвигателях не предусмотрена возможность плавной регулировки
оборотов? Увеличение управляющего напряжения на коммутаторе не возы-
меет должного эффекта, поскольку сопротивление транзистора от него не
зависит — оно либо предельно малое, либо бесконечно большое. Подача на-
пряжения выше Unop не приводит к дальнейшему увеличению электрическо-
го тока со стока на исток.
Чтобы добиться плавного изменения скорости вращения вала электрод-
вигателя, на управляющий вход транзистора подаются короткие импульсы
строго заданной длительности, обеспечивающие быстрое замыкание и раз-
мыкание схемы питания электродвигателя. Данная техника управления элек-
тродвигателем называется широтно-импульсной модуляцией, или просто
ШИМ (Pulse Width Modulation - PWM).
Принцип широтно-импульсной модуляции очень прост. Как уже гово-
рилось, системой управления на затвор транзистора подаются короткие им-

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
65
пульсы напряжения, замыкающие и размыкающие схему питания электро-
двигателя через строго заданные временные интервалы. В результате ток на
электродвигатель поступает не непрерывно, а в виде периодически повторя-
ющихся импульсов. Чем шире отдельные импульсы, тем сильнее ток подает-
ся на электродвигатель в единицу времени, а потому и выше частота враще-
ния его вала.
Широтно-импульсный сигнал, подаваемый на управляющий вывод МОП-
транзистора, имеет вид, подобный показанному на рис. 3.6. На графике изоб-
ражено только четыре импульса, хотя в действительности их, конечно же, на-
много больше.
f . Т
л_^^
у Вход
Контроллер ' — ^
двигателя
Коэффициент заполнения = у = 0,3
Рис. 3.6. Сигнал при широтно-импульсной модуляции
Время, через которое подаются импульсы, называется периодом сигнала и
обозначается символом Т. Период связан с частотой ШИМ-сигнала, опреде-
ляемой как 1/Г.
Время, в течение которого напряжение управляющего сигнала непрерыв-
но удерживается на высоком уровне (выше порогового значения), называется
длительностью импульса и обозначается символом и Отношение длительно-
сти импульса к периоду сигнала (t/T) называется коэффициентом заполнения
импульсного сигнала, а его обратная величина — скважностью. В примере на
рис. 3.6 коэффициент заполнения равен 0,3.
Например, если частота ШИМ-сигнала составляет 500 Гц, то его период
будет равен Т = 1/500 с, или 2 мс. При коэффициенте заполнения 0,4, или
40% периода сигнала, длительность импульса будет равна t = (2 мс)(0,4) =
= 0,8 мс. Несложно догадаться, что коэффициент заполнения, равный 1, ука-
зывает на непрерывную подачу питания на электродвигатель и его работу на
полную мощность.
Как видите, управление электродвигателем с помощью ШИМ-сигнала
сводится к изменению его частоты и скважности. Подбирая частоту ШИМ-
сигнала, учитывайте следующие замечания.
■ Слишком низкая частота подачи питания на электродвигатель приво-
дит к рывкообразному вращению его вала.

66
Часть II. Конструкция электродвигателя
■ При чрезмерно высокой частоте импульсы ШИМ-сигнала становятся
настолько короткими, что транзистор не успевает корректно переклю-
чать схему питания электродвигателя. Кроме того, электромагниты бу-
дут нагреваться, что снижает КПД двигателя.
Не существует единой универсальной частоты ШИМ-сигнала, обеспечива-
ющей устойчивую работу всех типов электродвигателей, применяемых в моде-
лировании. Тем не менее большая часть сервоприводов, с которыми работают
моделисты, настроена на управление ШИМ-сигналом с частотой 50 Гц, что
соответствует периоду импульсов 20 мс. Разумеется, лучше всего не гадать на
кофейной гуще, а свериться с технической документацией к электродвигате-
лю. Если сведения о допустимых частотах ШИМ-сигнала в ней не указаны, то
предполагается, что электродвигатель рассчитан на стандартные 50 Гц.
Электродвигатель, управляемый ШИМ-сигналом с частотой от 30 Гц до
20 кГц, часто издает звук, различимый человеческим ухом. Если такой эф-
фект нежелателен, старайтесь использовать управляющие ШИМ-сигналы,
частота которых превышает 20 кГц.
3*2. Коллекторные электродвигатели
В этом разделе мы завершим рассмотрение теории функционирования
электродвигателей и перейдем к описанию реальных устройств. Проще всего
начать с изучения конструкции коллекторного двигателя постоянного тока.
Это самый простой тип электродвигателей, используемых в моделировании,
и он детально описан в рассмотренных далее проектах. Его конструкция
предельно проста, а управление им не требует специального оборудования.
Внешний вид небольшого коллекторного электродвигателя, рассчитанного
на питание от источника с напряжением 12 В, показан на рис. 3.7.
Несмотря на простоту конструкции, коллекторные двигатели постоянно-
го тока подходят далеко не для каждого проекта. Чтобы правильно представ-
лять себе область их применения, необходимо познакомиться с принципом
механической коммутации.
3.2.1. Механическая коммутация
Из главы 1 вы знаете, что каждый электродвигатель состоит из двух основ-
ных элементов: проводника с током и магнитного поля. Ток в проводнике
должен не только обеспечить вращение вала, но и менять свое направление.
В противном случае вал будет совершать неполный оборот.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
67
#1
Рис. 3.7. Коллекторный электродвигатель, рассчитанный на напряжение питания 12 В
Это может показаться странным, поскольку двигатели постоянного тока
не рассчитаны на питание от источников переменного тока. Если вниматель-
но взглянуть на рис. 3.8, то становится понятно, почему рамка с постоянным
током, помещенная между постоянными магнитами, в определенный мо-
мент времени перестает вращаться. Это происходит потому, что ориентация
рамки изменяется, а направление электрического тока — нет.
N
а)
N
N
в)
Рис. 3.8. Вращение рамки с постоянным током в магнитном поле
Символом F на рис. 3.8 обозначена сила, действующая на рамку с током.
Она зависит от трех составляющих: ориентации рамки с током (вертикально,

68
Часть II. Конструкция электродвигателя
горизонтально или под углом), направления электрического тока и конфи-
гурации магнитного поля (расположения северного и южного полюсов). На
рис. 3.8 проиллюстрированы три возможные ситуации.
■ На рис. 3.8, а изображена ситуация, когда рамка с током расположе-
на горизонтально. Электрический ток движется по рамке по часовой
стрелке. Благодаря такому взаимному расположению постоянных маг-
нитов и рамки с током на нее действуют две силы. Первая выталкива-
ет левую часть рамки вверх, а вторая толкает вниз правую часть рамки,
В результате рамка с током проворачивается по часовой стрелке отно-
сительно горизонтальной оси.
■ На рис. 3.8, б показано, что происходит, когда рамка с током повора-
чивается на определенный угол. На нее все еще действуют две силы,
но направлены они несколько по-другому. Теперь силы, проворачива-
ющие рамку, направлены не строго вверх и вниз, а под углом к посто-
янным магнитам. Тем не менее они все еще вращают рамку в прежнем
направлении — по часовой стрелке.
■ На рис. 3.8, в проиллюстрирована ситуация, когда рамка располагается
строго вертикально. Взаимное расположение конструктивных элемен-
тов таково, что сила, вращающая рамку, перестает действовать. Рамка
замирает в вертикальном положении.
ПРИМЕЧАНИЕ
Щетка представляет собой металлический контакт, через который от внеш-
него источника питания электрический ток подается на коллектор, а потому и
на ротор. Щетки являются неотъемлемой частью устройства коммутации элек-
тродвигателя, хотя с технической точки зрения совершенно некорректно гово-
рить о том, что именно они ее обеспечивают. Тем не менее в отдельной тех-
нической литературе, посвященной электродвигателям, все еще утверждается,
что именно щетки отвечают за коммутацию электрического тока. Как бы там ни
было, справедливо утверждать только, что в каждом электродвигателе постоян-
ного тока для изменения направления тока применяется коммутатор.
Электродвигатель, в котором возникает последняя из рассмотренных выше
ситуаций, попросту не будет работать. Решение проблемы было найдено
Ипполитом Пикси в далеком 1832 году. Он предложил снабдить якорь меха-
низмом, изменяющим направление проходящего через него электрического
тока каждые пол-оборота вала электродвигателя. Тем самым было обеспече-

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
69
но постоянство действующей на проводник с током силы, приводящей якорь
в движение.
Изменение направления электрического тока в проводнике получило
название коммутация. В электродвигателях за коммутацию тока отвечает
специальный механизм, неотъемлемой частью которого является набор
металлических контактов, часто называемый коллектором. Первый электро-
двигатель, нашедший практическое применение (динамо-машина Йедлика),
имел в своей конструкции коллектор. До 1960-х годов все электродвигатели
постоянного тока были исключительно коллекторными.
3.2.2. Типы коллекторных электродвигателей
Коллекторные электродвигатели бывают трех типов, разница между кото-
рыми заключается только в способе создания магнитного поля. Если магнит-
ное поле в электродвигателе создается посредством постоянных магнитов, то
он называется двигателем постоянного тока с постоянными магнитами.
В остальных двух типах двигателей постоянного тока магнитное поле гене-
рируется с помощью электромагнитов. Из главы 2 вам должно быть известно,
что электромагнит состоит из намотанного на стальной сердечник проводни-
ка. Эта конструкция получила название обмотка, или катушка, электромаг-
нита (возбуждения). Сгенерированное обмоткой магнитное поле пропорци-
онально силе тока, протекающего через нее.
Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами
Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами — это наиболее по-
пулярные электродвигатели среди моделистов. Постоянные магниты форми-
руют внутри электродвигателя постоянное магнитное поле, обеспечивающее
неизменность коэффициента Kv, который определяет соотношение частоты
вращения вала к напряжению электропитания. Конструкция электродвига-
теля постоянного тока с постоянными магнитами показана на рис. 3.9.
Основной недостаток этого типа двигателей кроется в постепенной потере
постоянными магнитами своих магнитных свойств. Вращающий момент и
частота оборотов у электродвигателей с постоянными магнитами со време-
нем падает. Потеря постоянными магнитами своих свойств ощутимо ускоря-
ется при прохождении через якорь сильных электрических токов.
Двигатели постоянного тока с последовательным
возбуждением
В двигателях постоянного тока с последовательным возбуждением обмот-
ка возбуждения подключена последовательно к обмотке ротора. Технически

70
Часть II. Конструкция электродвигателя
это означает, что через обмотку возбуждения проходит такой же электричес-
кий ток, как и через обмотку якоря. Электрическая схема двигателей этого
типа показана на рис. 3.10.
Постоянные магниты,
создающие магнитное поле
Обмотка
ротора
Щетки — -
\ч" "~
7 ' ' •"«*»»
г
-- J L '
Выводы ^
двигателя
щ
Рис. 3.9. Конструкция электродвигателя постоянного
тока с постоянными магнитами
Чтобы понять сильные стороны двигателя с последовательным возбужде-
нием, достаточно проанализировать его поведение при увеличении силы по-
даваемого на него тока. Как известно, чем сильнее электрический ток, про-
ходящий через якорь электродвигателя, тем выше его вращающий момент.
В двигателях постоянного тока с последовательным возбуждением увели-
чение тока электропитания приводит к усилению магнитного поля, гене-
рируемого обмоткой возбуждения, что приводит к еще большему увеличе-
нию вращающего момента. Именно поэтому вращающий момент у этого

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
71
типа двигателей заметно выше, чем у электродвигателей с постоянными
магнитами.
Электромагниты
возбуждения
и
Рис. 3.10. Упрощенная схема замещения двигателя
постоянного тока с последовательным возбуждением
Основной недостаток двигателей постоянного тока с последовательным
возбуждением заключается в сложности управления частотой вращения его
вала. Напряженность (сила) магнитного поля возрастает с увеличением силы
тока, проходящего через обмотки возбуждения. Таким образом, коэффици-
ент Ку также зависит от электрического тока, что делает регулировку частоты
вращения вала электродвигателя весьма непростым занятием.
Двигатели постоянного тока с параллельным
возбуждением
У двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением обмотка
возбуждения подключается параллельно к обмотке якоря. Тем самым на обо-
их обмотках падает одно и то же напряжение. Электрическая схема двигателя
постоянного тока с параллельным возбуждением показана на рис. 3.11.
Двигатели этого типа обладают намного меньшим вращающим моментом,
чем электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.
Зато соотношение вращающего момента и частоты вращения вала у них яв-
ляется постоянной величиной. Таким образом, частоту вращения вала двига-
теля постоянного тока с параллельным возбуждением можно точно регули-
ровать в зависимости от требуемой нагрузки.

72
Часть II. Конструкция электродвигателя
и
Электромагниты
возбуждения
1^
Обмотка
ротора
Рис. 3.11. Упрощенная схема замещения двигателя
постоянного тока с параллельным возбуждением
3.2.3. Преимущества и недостатки коллекторных
электродвигателей
Надежность и КПД коллекторных электродвигателей с момента их изоб-
ретения заметно возросла, хотя инженерам так и не удалось полностью пре-
одолеть все основные их недостатки. Как и раньше, щетки соприкасаются с
коллектором ротора, вращающимся на большой скорости, что приводит к их
быстрому износу, а иногда и к повреждению ротора. Срок службы устройства
не такой уж и большой; от нескольких месяцев до нескольких лет, спустя ко-
торые электродвигатель подлежит плановому техническому обслуживанию.
Еще один недостаток коллекторных двигателей также вызван их конструк-
цией. Жесткая связь ротора с коммутирующим устройством создает дополни-
тельную нагрузку на электродвигатель, что сильно понижает его КПД.
Несмотря на перечисленные недостатки коллекторные электродвигатели
остаются востребованными и производятся промышленностью в невероятно
больших количествах. Примитивная конструкция предопределяет их низкую
себестоимость, а простота в управлении позволяет отказаться от применения
дорогих контроллеров, без которых не обойтись при использовании вентиль-
ных электродвигателей. Коллекторные двигатели постоянного тока идеально
подходят для проектов, не требующих долговременной надежности.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
73
3.2.4. Система управления
Благодаря простой конструкции управление коллекторными электро-
двигателями не вызывает особых затруднений. Существуют два типа сис-
тем управления коллекторными электродвигателями.
■ Однонаправленное вращение. Если вал электродвигателя должен вра-
щаться только в одном направлении, то для управления им достаточно
использовать транзистор.
■ Двунаправленное вращение. Для обеспечения возможности вращения
вала электродвигателя в двух направлениях применяется мостовая схе-
ма управления.
В каждом из случаев применяются собственные схемы управления, де-
тально рассмотренные в следующих разделах.
Однонаправленное вращение
Для управления электродвигателем, вал которого должен вращаться толь-
ко в одном направлении, применяется простейшая схема управления пита-
нием. Ее основная задача заключается в подаче и прекращении подачи на
двигатель электрического тока. Схема построена на МОП-транзисторе, де-
тальное описание которого было приведено ранее. Давайте посмотрим, как
можно его использовать для управления питанием электродвигателя с помо-
щью ШИМ-сигнала.
Классическая схема управления коллекторным двигателем постоянного
тока показана на рис. 3.12. На ней Umm соответствует напряжению питания,
a Uynp — напряжению управляющего сигнала.
Предложенная схема создает определенную проблему. Как объяснялось в
главе 2, при вращении ротора в нем возникает противоЭДС. Она отвечает за
образование обратного электрического тока, который может повредить тран-
зистор, даже после прекращения подачи питания на двигатель. Чтобы пре-
дотвратить подобную ситуацию, в схему питания параллельно электродвига-
телю необходимо включить диод, называемый шунтирующим. В итоге схема
управления питанием для электродвигателя постоянного тока приобретает
вид, показанный на рис. 3.13.

74
Часть II. Конструкция электродвигателя
R2
•'упр
R1
Рис. 3.12. Принципиальная электрическая схема управления коллекторным
электродвигателем постоянного тока, вращающимся только в одном направлении
U,
упр
R1
Шунтирующий
ДИОД
Рис. 3.13. Улучшенная схема управления коллекторным электродвигателем
постоянного тока
Иногда в схему управления питанием электродвигателя включают потен-
циометр или переменный резистор. Он позволяет ограничивать ток, прохо-
дящий через обмотки ротора, и таким образом регулировать его вращающий
момент и частоту вращения.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
75
Двунаправленное вращение
Рассмотренная в предыдущем разделе схема позволяет подавать питание
и прерывать подачу питания на электродвигатель, но она не применима для
изменения направления вращения вала. Чтобы решить эту задачу, нужно со-
здать электрическую схему, обеспечивающую изменение направления элек-
трического тока, протекающего через двигатель. Таким образом, подобная
схема должна обеспечивать два способа поступления электрического тока
в двигатель: в прямом и обратном направлениях. Помимо этого, каждый из
вариантов нужно снабдить отдельным устройством замыкания и размыка-
ния цепи.
Всем перечисленным выше требованиям в полной мере соответствует мо-
стовая схема управления. Она состоит из четырех переключателей (£0-5з),
управляемых независимо. Схема их подключения показана на рис. 3.14, а.
Существует несколько комбинаций возможных состояний переключате-
лей мостовой схемы, но нас будут интересовать только следующие три из них.
■ Sq и 53 замкнуты, S2 и Sj разомкнуты. Ток протекает через электродвига-
тель слева направо, как показано на рис. 3.14, б.
■ 52 и Si замкнуты, Sq и £3 разомкнуты. Ток протекает справа налево, как
показано на рис. 3.14, в.
■ 50 и S2 разомкнуты. Ток на электродвигатель не поступает.
Чаще всего переключатели в мостовой схеме реализуются на МОП-тран-
зисторах, что наглядно проиллюстрировано на рис. 3.15.
В современной электронике намного проще встретить мостовую схему в
интегральном исполнении, чем смонтированную из отдельных транзисторов.
В главе 9 вы познакомитесь с модулем Arduino Motor Shield, в состав кото-
рого включена микросхема мостовой схемы L298 производства компании
STMicroelectronics. Еще один вариант интегрального решения мостовой схе-
мы — микросхема L293DD — описан в главе 10. В указанных главах вы найде-
те детальное описание принципов практического применения мостовых схем
в собственных проектах.
Если вы не любите разрабатывать новые электронные устройства, а пред-
почитаете готовые решения, то вместо создания собственной схемы управ-
ления электродвигателем купите электронный регулятор хода (Electric Speed
Control — ESC). Получая питание от аккумулятора, регулятор хода отвечает
за подачу на электродвигатель импульсного сигнала требуемой длительности.

76
Часть II. Конструкция электродвигателя
а)
б) в)
Рис. 3.14. Принцип действия мостовой схемы управления электродвигателем
Выбирая электронный регулятор хода для собственных проектов, помните,
что далеко не все они поддерживают реверсирование направления электри-
ческого тока.
Электронные регуляторы хода прекрасно подходят для управления не
только коллекторными, но и вентильными двигателями.
3.3* Вентильные электродвигатели
XX век стал революционным для электроники. Были не только изобре-
тены полупроводники, но и разработаны интегральные микросхемы, позво-

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
77
ляющие создавать на основе транзисторов сложные технические устройства,
немыслимые ранее даже в самых смелых фантазиях.
ипит
Рис. 3.15. Мостовая схема, построенная
на МОП-транзисторах
По мере возрастания сложности электронного оборудования совершен-
ствовались и электродвигатели. Электродвигатель нового типа, в котором
вместо механического переключателя направления электрического тока
предлагалось использовать электронный коммутатор, был разработан еще
в 1962 году. Питание такой электродвигатель получал не от источника посто-
янного тока, а от импульсного источника электроэнергии. Такая бесколлек-
торная электрическая машина (Brushless DC Motor — BLDC) получила назва-
ние "вентильный электродвигатель".
В этом разделе мы рассмотрим устройство и принципы функционирова-
ния вентильного (бесколлекторного) электродвигателя. Отдельное внимание
будет уделено классификации, а также описанию основных типов вентиль-
ных электродвигателей: внутрироторного и внешнероторного. Но вначале
нужно ознакомиться с физическими принципами функционирования элек-
тродвигателя, лишенного коллекторного узла.
3*3. !• Конструкция вентильных электродвигателей
Вентильные электродвигатели устроены намного сложнее коллекторных
аналогов, а потому их себестоимость существенно выше. Но ввиду отсутст-
вия у них механического контакта между ротором и статором вентильные
электродвигатели намного надежнее и экономичнее своих коллекторных

78
Часть II. Конструкция электродвигателя
собратьев. В разрезе ротор и статор вентильного электродвигателя выглядят
так, как проиллюстрировано на рис. 3.16.
Обмотки
Магниты
Ротор
Статор
Рис. 3.16. Конструкция вентильного (бесколлекторного) электродвигателя
ПРИМЕЧАНИЕ
На рис. 3.16 показаны статор и ротор только одного из двух типов вентиль-
ного электродвигателя: внутрироторного. Разница между внутрироторными
и внешнероторными вентильными электродвигателями будет рассмотрена
далее.
Легко заметить, что конструктивно вентильный электродвигатель сильно
отличается от обычного двигателя постоянного тока. Он имеет большое ко-
личество обмоток, и они располагаются не на роторе, а на статоре. Каждая из
обмоток представляет собой электромагнит со стальным сердечником, при-
званный создавать магнитное поле. Далее в главе и во всей книге ради про-
стоты электромагниты в двигателях будут называться обмотками.
Несмотря на сложность всей конструкции, общий принцип функциони-
рования вентильного электродвигателя довольно прост: регулятор хода по-
дает на обмотки импульсы электрического тока в такой последовательности и

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
79
такого направления, чтобы обеспечить непрерывность вращения ротора вну-
три магнитного поля. В данном случае ротор поворачивается за магнитным
полем, подобно стрелке компаса при поднесении к ней постоянного магнита.
Для полноты картины нужно детально рассмотреть три основных кон-
структивных элемента вентильного электродвигателя: обмотки, постоянные
магниты и полюсы/пазы.
Обмотки
Как показано на рис. 3.16, шесть обмоток вентильного электродвигателя
располагаются в строго заданных местах статора, называемых пазами. Для
придания ротору вращения на обмотки нужно подать электрический ток
в строго заданной последовательности. Процесс подачи на обмотки электри-
ческого тока называется возбуждением магнитного поля.
Имена обмоток на рис. 3.16 приведены не случайно. Необходимо пони-
мать, что одноименные обмотки последовательно соединены между собой.
Количество таких соединений определяет количество фаз электродвигателя.
В один и то же момент времени электрический ток протекает через обе об-
мотки только одной из фаз и не поступает на обмотки остальных фаз. Таким
образом, контроллер должен подавать на двигатель трехфазное напряжение.
Обычно вентильные электродвигатели основаны на трехфазной схеме, хотя
могут включать и большее количество фаз.
Электрический ток подается на обмотки возбуждения либо по часовой
стрелке, либо против нее. Скорость вращения ротора определяется частотой
подачи импульсов электрического тока на отдельные фазы электродвигателя.
В данном случае говорят о том, что скорость вращения вала электродвигателя
синхронизирована с частотой источника питания. Такие электродвигатели
получили название синхронные.
Удивительно, но обычно термином "синхронный" характеризуют элек-
тродвигатели переменного, а не постоянного тока. Если сравнить конструк-
ции вентильных электродвигателей и двигателей переменного тока, то ста-
новится понятной применимость к ним обоим единого термина. Подробно
двигатели переменного тока будут описаны в главе 6.
Главное отличие вентильных двигателей от двигателей переменного тока
заключается в форме сигнала электрического тока, подаваемого на обмотки
возбуждения. У электродвигателя переменного тока она представлена сину-
соидой, а у вентильного электродвигателя — прямоугольными импульсами.
На низких оборотах у вентильных электродвигателей часто наблюдает-
ся явление зацепления, которое проявляется в скачкообразном вращении

80
Часть II. Конструкция электродвигателя
ротора. Вызвано оно сильным моментальным примагничиванием ротора
к полюсам статора. Чтобы сгладить движение ротора на небольших часто-
тах вращения, статор снабжают большим количеством обмоток возбуждения
и уменьшают расстояние между соседними пазами. Разумеется, это приводит
к увеличению себестоимости двигателя.
Постоянные магниты
В коллекторном электродвигателе постоянные магниты закреплены не-
подвижно на статоре. В вентильных электродвигателях постоянные магниты
смонтированы на внешней поверхности ротора. Показанный на рис. 3.16 ро-
тор снабжен четырьмя постоянными магнитами, хотя в большинстве серий-
но выпускаемых моделей их больше.
Каждый из постоянных магнитов задает отдельный полюс ротора. Чем
больше у ротора полюсов, тем выше вращающий момент вентильного дви-
гателя. Количество полюсов ротора обычно указывается в технической доку-
ментации к электродвигателю.
Количество полюсов/пазов
Исследователи потратили немало времени, чтобы узнать оптимальное
соотношение количества полюсов ротора и пазов статора, ведь именно оно
определяет КПД и плавность хода вентильных электродвигателей. Вентиль-
ные двигатели бывают с кратным и некратным количеством пазов и полюсов.
Чаще всего на статоре делают четное количество пазов, и оно нацело делится
на количество полюсов ротора. Но для снижения эффекта зацепления коли-
чество пазов статора может быть некратным по отношению к полюсам ро-
тора. На рис. 3.16 показан именно такой электродвигатель — в нем статор
содержит 6 пазов, а на роторе смонтированы 4 полюса.
Иногда пазы статора называют полюсами статора, и тогда постоянные
магниты ротора называются магнитными полюсами. Подробно их количество
указывается в технической документации к вентильному двигателю. Обычно
количество пазов статора обозначается аббревиатурой "XN", а число полю-
сов ротора — аббревиатурой "YP".
3.3.2. Внутрироторные и внешнероторные вентильные
электродвигатели
Вентильные двигатели делятся на две большие группы: внутрироторные
(inrunner) и внешнероторные (outrunner). Название категории напрямую ука-
зывает на конструктивные особенности каждого типа электродвигателей.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
81
Электродвигатель, подобный изображенному на рис. 3.16, относится к ка-
тегории внутрироторных. У внешнероторных вентильных двигателей ротор
(движущаяся часть) располагается снаружи статора. Далее приведено описа-
ние каждого из типов двигателей.
Внутрироторный вентильный двигатель
Внутрироторные вентильные двигатели внешне похожи на обычные кол-
лекторные электродвигатели постоянного тока, поскольку ротор в них рас-
полагается внутри статора. Несмотря на это отличить их от коллекторных
моделей не составляет большого труда: они снабжены тремя выводами, а не
привычными двумя. На рис. 3.17 показан внутрироторный вентильный элек-
тродвигатель LBA2435 компании Leopard Hobby.
Рис. 3.17. Внешний вид внутрироторного вентильного двигателя
У многих внутрироторных двигателей обмотки статора не имеют стальных
сердечников, что понижает потери в стали и повышает общий КПД элек-
тродвигателя. Но это также приводит к уменьшению вращающего момента.
Кроме того, у внутрироторных двигателей небольшое количество полюсов
(чаще всего два), что также не способствует увеличению вращающего момен-
та. Именно поэтому их обычно подключают к нагрузке через механические
редукторы. Детально с редукторами вы познакомитесь в главе 7.
Обладая скромным вращающим моментом, внутрироторные электродви-
гатели имеют высокую частоту вращения вала. На это указывает большой ко-
эффициент Ку, устанавливаемый в пределах от 7 500 до 10 000 об/В.
Внешнероторный вентильный электродвигатель
Как следует из названия, движущаяся часть (ротор) внешнероторного
электродвигателя располагается снаружи статора. Другими словами, посто-
янные магниты движутся не внутри обмоток возбуждения, а снаружи. Общая
структура внешнероторного вентильного двигателя показана на рис. 3.18.

82
Часть II. Конструкция электродвигателя
Корпус
\
Магниты
Обмотки
Статор
Ротор
Рис. 3.18- Конструкция внешнероторного вентильного электродвигателя
Количество постоянных магнитов (полюсов) у внешнероторного двигате-
ля намного больше, чем у внутрироторного. На рис. 3.17 показано устройство
внешнероторного вентильного двигателя с 9 полюсами, что не так уж и мно-
го, поскольку у большинства моделей их количество значительно больше —
до 16.
Скорость вращения ротора у внешнероторных электродвигателей на-
много ниже, чем у внутрироторных (АТ^ устанавливается в пределах 1000-
2000 об/В). При этом вращающий момент заметно выше, что позволяет
использовать их для вращения компакт-дисков в оптических приводах.
Большой вращающий момент также определяет еще одну область их приме-
нения — они невероятно популярны в авиамоделировании.
На рис. 3.19 показан внешний вид внешнероторного электродвигателя
Maytech MTO2830-1300-S. Через боковые окошки корпуса прекрасно видны
обмотки статора. У внутрироторных вентильных двигателей корпус обычно
цельный и не позволяет ознакомиться с внутренним устройством электриче-
ской машины.
У внешнероторных двигателей существует еще одна конструктивная осо-
бенность, связанная со способом монтажа вала. Если у внутрироторных дви-
гателях вал жестко связан с ротором, то у внешнероторных — с корпусом.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
83
Рис. 3.19. Внешний вид внешнероторного вентильного двигателя
3.3.3. Управление вентильными электродвигателями
Питание вентильных двигателей осуществляется от импульсных источни-
ков электроэнергаи. Количество подаваемых на электродвигатель импульсов
определяется его фазностыо (количеством фаз). Наиболее распространены
трехфазные вентильные двигатели.
Для эффективного управления вентильным двигателем импульсы тока
должны подаваться на обмотки в строго заданные моменты времени (при
определенном положении ротора относительно пазов статора). Определение
положения ротора в вентильных двигателях выполняется двумя методами:
с помощью датчиков и по величине противоЭДС в обмотках возбуждения.
Импульсные источники питания и инверторы
У трехфазного вентильного двигателя питание на обмотки возбуждения
подается через три вывода. В каждый произвольный момент времени на пер-
вую фазу подается положительное напряжение (£/+), на вторую — отрица-
тельное (£/—), а третья фаза получает плавающий потенциал. Для простоты
назовем фазы А, В и С. На рис. 3.20 показан идеальный сигнал, подаваемый
на трехфазный электродвигатель от источника питания.
ПРИМЕЧАНИЕ
Взглянув на графики, показанные на рис. 3.20, можно подумать, что плава-
ющий потенциал равен 0 В, но это далеко не так. Плавающим в данном случае
называется потенциал, устанавливаемый двигателем, а не источником пита-
ния. Другими словами, плавающий потенциал на обмотке возбуждения опре-
деляется не напряжением питания, а состоянием двигателя.

84
Часть II. Конструкция электродвигателя
Рис. 3.20. Сигнал, подаваемый источником питания
на трехфазный вентильный двигатель
На обмотках вентильного двигателя устанавливается всего шесть уникаль-
ных фазных состояний напряжения, повторяемых циклически. По заверше-
нии каждого цикла изменения фазных напряжений ротор электродвигателя
совершает полный оборот (360°). Таким образом, каждое состояние соответ-
ствует вращению ротора на одну шестую полного оборота, или 60°.
Чем большей силы ток пропускается через обмотки статора, тем выше
вращающий момент двигателя. Чтобы заставить ротор электродвигателя вра-
щаться в обратном направлении, нужно инвертировать порядок подачи им-
пульсов на обмотки возбуждения. Разумеется, мостовая схема для управле-
ния вентильными двигателями неприемлема.
Вместо нее запитывание вентильных двигателей осуществляется с по-
мощью контроллеров, управляющих специальными устройствами, кото-
рые называются инверторами напряжения или просто инверторами.
Схема инвертора напряжения, построенного на основе МОП-транзис-
торов, показана на рис. 3.21. Параллельно каждому транзистору включен
шунтирующий диод, который предотвращает протекание через транзистор
обратного тока, вызванного возникновением противоЭДС.
У изображенного на рис. 3.21 инвертора шесть входов (+А, -А, +В, -В,
+С и -С). Все они подключаются к контроллеру, который формирует управ-
ляющие сигналы, подаваемые на затворы МОП-транзисторов. Каждая пара
транзисторов отвечает за подачу электрического тока на один из трех выводов
(фаз) вентильного двигателя (А, В или С).

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
85
-ипит
Рис. 3.21. Устройство подачи питания на трехфазный
вентильный электродвигатель
Как только на затвор верхнего МОП-транзистора подается положительное
напряжение, он открывается, и на связанный с ним вывод электродвигателя
подается положительный импульс электропитания. При подаче положитель-
ного напряжения на затвор нижнего транзистора последний открывается,
и инвертор подает на соответствующий вход электродвигателя отрицатель-
ный импульс питания. Например, если на затвор -С подать высокое на-
пряжение, то на выходе С инвертора образуется импульс отрицательного
напряжения -Umm.
Вентильный двигатель с датчиками положения ротора
Из предыдущих разделов вам уже известно, что управление вентильным
двигателем осуществляется специальным контроллером, который отвечает за
формирование последовательности управляющих импульсов, подаваемых на
инвертор.
Управляющие импульсы генерируются контроллером в режиме реального
времени, исходя из сведений о текущем положении ротора в каждый момент
времени. Основная трудность как раз и заключается в определении ориен-
тации и скорости вращения ротора. Во многих вентильных двигателях эта
задача решается с помощью специальных датчиков. Существуют также вен-
тильные электродвигатели, управление которыми не требует использования
датчиков (о них мы поговорим в следующем разделе).
Работа датчика положения ротора основана на разных физических прин-
ципах — они бывают фотоэлектрическими, индуктивными, трансформатор-

86
Часть II. Конструкция электродвигателя
ными и на эффекте Холла. Чаще других применяются датчики на эффекте
Холла. В частности, в самые совершенные вентильные двигатели, устанавли-
ваемые в радиоуправляемые модели самолетов, встроены именно датчики на
эффекте Холла.
Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потен-
циалов при протекании электрического тока в магнитном поле. Создаваемое
при этом напряжение электрического поля называется напряжением Холла
и обозначается UH. Оно пропорционально произведению силы тока и напря-
женности магнитного поля.
При добавлении в вентильный двигатель датчиков положения ротора на
эффекте Холла он снабжается дополнительными выводами, с которых сни-
маются показания напряжения Холла (Uff). Именно по ним контроллер опре-
деляет ориентацию магнитного поля ротора. Сведения об ориентации ротора
используются контроллером при формировании импульсного сигнала, обес-
печивающего правильную последовательность подачи питания на обмотки
возбуждения статора.
Вентильные двигатели с датчиками положения ротора отказоустойчивее
и проще в управлении, чем бездатчиковые модели, но больше по размеру,
требуют обязательного использования инвертора и, понятное дело, дороже
в производстве.
Бездатчиковый вентильный двигатель
Из предыдущей главы вам известно, что вращение проводника в магнит-
ном поле приводит к возникновению противоЭДС. Получая сведения о про-
тивоЭДС в каждой из обмоток возбуждения трехфазного вентильного двига-
теля, контроллер может точно определить текущее положение ротора.
Возникает справедливый вопрос: как контроллер определяет противоЭДС
в вентильном двигателе без датчиков? Ответ простой: известно, что одномо-
ментно на одну из фаз электродвигателя подается положительное напряже-
ние, на вторую — отрицательное напряжение, а на третьей фазе устанавлива-
ется плавающий потенциал. Несложно догадаться, что контроллер определяет
противоЭДС по напряжению на обмотке с плавающим потенциалом.
Например, если на фазу А подается напряжение +U, на фазу В — напря-
жение —J7, а на фазу С напряжение не подается, то контроллер считывает на-
пряжение на выводе фазовой обмотки С. На следующем этапе напряжение
+ Uустанавливается на фазе С, напряжение -U— на фазе А, а напряжение
противоЭДС измеряется на обмотке фазы В. Таким образом, величина проти-
воЭДС последовательно определяется для всех обмоток возбуждения статора.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
87
Закономерно, что формы кривых изменения противоЭДС для всех обмо-
ток возбуждения одинаковые. На рис. 3.22 показано, как изменяются напря-
жение противоЭДС в обмотке фазы В и электрический ток, проходящий че-
рез нее.
противоЭДС
Ток через обмотку
Сигнал
фазы В
Рис 3.22. ПротивоЭДС вентильного двигателя
Величина противоЭДС пропорциональна скорости вращения ротора, по-
этому перед ее измерением двигатель нужно разогнать до определенной час-
тоты. Только после этого контроллер по измеренной противоЭДС сможет
правильно определить положение ротора.
ПРИМЕЧАНИЕ
В реальных электродвигателях форма кривой изменения противоЭДС на
обмотках возбуждения заметно отличается от показанной на рис. 3.22. В част-
ности, на обмотке с плавающим потенциалом уменьшение противоЭДС проис-
ходит далеко нелинейным образом.
Давайте подытожим все, что нам уже известно об управлении вентильны-
ми двигателями, не оснащенными датчиками положения ротора.
1. Чтобы запустить электродвигатель, контроллер подает напряжение на
обмотки статора.
2. Положение ротора определяется по величине противоЭДС, измеряе-
мой последовательно для каждой из фаз.
3. Сведения о положении ротора используются контроллером для вы-
страивания правильной последовательности подачи импульсов пита-
ния на обмотки возбуждения.

88
Часть II. Конструкция электродвигателя
Самый популярный способ управления вентильным двигателем, не осна-
щенным датчиками, основан на определении положения ротора в момент,
когда противоЭДС в обмотке равна нулю (zero-crossing detection — ZCD).
В этом методе положение ротора определяется каждый раз, когда напряже-
ние на обмотке возбуждения с плавающим потенциалом становится нуле-
вым. Такой подход позволяет значительно упростить вычисления, выполня-
емые контроллером, но требует тщательного устранения шумов в снимаемом
с вывода сигнале и малоприменим при высоких частотах вращения ротора.
Именно поэтому контроллеры, принципы управления которых основаны на
определении нулевой противоЭДС, программным образом ограничивают
максимально возможную скорость вращения вала электродвигателя.
Самым совершенным на сегодняшний день считается метод вычислений,
основанный на применении фильтров Калмана. Калмановская фильтрация
требует использования сложного математического аппарата, но в отличие от
предыдущего метода позволяет избежать влияния шумов в измеряемом сиг-
нале. При достаточно производительном контроллере вычисления методом
Калмана выполняются намного эффективнее, чем в случае определения по-
ложения ротора по нулевой противоЭДС.
Бездатчиковые системы управления вентильными электродвигателями
просты в производстве, поскольку не требуют использования дополнитель-
ного оборудования. Тем не менее для правильного определения положения
ротора (по величине противоЭДС) контроллеру требуется сперва разогнать
двигатель до определенной скорости. К тому же далеко не все методы вы-
числения положения ротора позволяют проводить вычисления при высоких
скоростях вращения вала электродвигателя.
И последнее, на что хотелось бы обратить внимание. Как показано на
рис. 3.22, форма кривой, представляющей изменение противоЭДС в об-
мотках возбуждения во времени, имеет трапециевидную форму. Из-за этого
вентильные двигатели в англоязычных источниках часто называют трапеце-
идальными в отличие от двигателей переменного тока, которые называются
синусоидальными электрическими машинами.
3.4. Электронный регулятор хода (ESC)
Чтобы не утруждать себя конструированием и программированием конт-
роллеров для вентильных двигателей, обратитесь к готовому решению, из-
вестному как электронный регулятор хода (Electronic Speed Control — ESC).
Хотя они применимы и к коллекторным электродвигателям, исходное назна-

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
89
чение электронных регуляторов хода все же заключается в управлении вен-
тильными двигателями.
Разделение вентильных двигателей по способу управления на датчиковые
и бездатчиковые предполагает существование двух типов регуляторов хода.
Большая их часть рассчитана на управление бездатчиковыми вентильными
двигателями. Если в технической спецификации специально не оговорено
противоположное, то регулятор хода по умолчанию не поддерживает работу
с вентильными двигателями, оснащенными датчиками.
На рис. 3.23 показан регулятор хода, предназначенный для управления
вентильным электродвигателем без датчиков.
Управляющий
сигнал
К электродвигателю
Питание
Рис. 3.23. Электронный регулятор хода (ESC) для бездатчиковых
вентильных двигателей
Стандартный регулятор хода оснащен тремя группами выводов.
■ Три вывода подачи питания на обмотки вентильного электродвигателя.
■ Два вывода получения питания самим регулятором хода. Красный под-
ключается к положительному полюсу источника питания, а черный —
к его отрицательному полюсу.
■ Три вывода подключения регулятора хода к контроллеру, иногда через
беспроводной адаптер. На два из них подается положительное и отри-
цательное напряжение, а на третий — управляющий ШИМ-сигнал.
При выборе регулятора хода для собственного проекта обязательно озна-
комьтесь с его техническими характеристиками. Ниже приведены наиболее
часто упоминаемые рабочие параметры регулятора хода, предназначенного
для управления бездатчиковым вентильным двигателем.
■ Входное соединение: проводное.
■ Максимальный ток: 25 А.

90
Часть II. Конструкция электродвигателя
■ Входное напряжение: 7,2—14,14 В для никель-кадмиевых и никель-ме-
талл-гидридных аккумуляторов; 7,4-11,1 В для литий-полимерных
аккумуляторов.
■ Напряжение выключения электродвигателя: программируется.
■ Режим торможения: программируется.
■ Стабилизация напряжения (ВЕС): двухканальная.
Входное напряжение определяет тип аккумулятора, подключаемого к
электронному регулятору хода. Об аккумуляторах речь пойдет в конце главы.
А сейчас поговорим о стабилизации напряжения и программировании регу-
ляторов хода.
ПРИМЕЧАНИЕ
Электронные регуляторы хода, предназначенные для управления датчико-
выми вентильными двигателями, оснащаются несколькими дополнительными
выводами. Они необходимы для подачи питания на датчики и считывания
с них данных о положении ротора.
3.4.1. Стабилизация напряжения
Во многих дистанционно управляемых моделях питание на электродви-
гатель и приемник подается от отдельных источников напряжения. Тем не
менее, если система электропитания модели оснащена устройством стабили-
зации напряжения (Battery Eliminator Circuit — ВЕС), то от одного источника
можно беспрепятственно запитать оба устройства. Питание со стабилизатора
напряжения на приемник обычно подается через выводы GND и POS.
Устройство стабилизации напряжения позволяет существенно уменьшить
вес радиоуправляемой модели за счет исключения из нее второй аккумуля-
торной батареи. Но у него есть и недостатки, которые проявляются в виде
шумов, наводимых от работающего двигателя и мешающих нормальной ра-
боте приемника. К тому же емкость одной аккумуляторной батареи значи-
тельно меньше, чем двух, что сказывается на длительности автономной ра-
боты модели.
3.4.2. Программирование регулятора хода
Список рабочих характеристик электронного регулятора хода достаточно
длинный и содержит ряд параметров, приводящих начинающих моделистов
в полное замешательство. Их программная настройка обычно выполняется

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
91
после подключения регулятора хода к компьютеру, для чего используется
обычный USB-порт. В тестируемой автором модели электронного регулято-
ра хода настраиваются такие важные функции, как режим автоматического
выключения (Auto-cutoff) и тормоз (Brake). Большинство программируемых
настроек регуляторов хода описано в табл. 3.1. В первом столбце приводится
название функции, а во втором — ее назначение.
Таблица 3.1. Программируемые функции электронных регуляторов хода
Функция
Описание
Автоматическое отключение
(Auto-cutoff)
Тормоз (Brake)
Тип источника питания
(Battery type)
Синхронизация (Timing)
Реверс (Reverse)
Задержка реверса (Reverse
delay)
Начальное ускорение
(Starting acceleration)
Ограничение по току
(Current limiter)
Частота импульсов
контроллера (Switching
frequency)
Напряжение, при котором контроллер
отключает двигатель для защиты
аккумулятора от глубокого разряда
Включение/выключение режима торможе-
ния двигателя, когда ручка акселератора
находится в минимальном положении
Тип источника питания для регулятора хода
Частота подачи импульсов на обмотки
электродвигателя
Включение/выключение режима реверса
электродвигателя
Временная задержка перед включением
реверсивного режима
Допустимое ускорение при запуске
электродвигателя
Максимальный электрический ток,
допустимый для подачи на обмотки
электродвигателя
Частота управляющего ШИМ-сигнала для
электродвигателя
Последний параметр определяет период времени, через который с конт-
роллера подаются импульсы в ШИМ-сигнале. Чем выше эта частота, тем чув-
ствительнее электродвигатель к нажатию ручки газа. Последнее, в свою оче-
редь, вызывает увеличение коэффициента заполнения ШИМ-сигнала, что

92
Часть II. Конструкция электродвигателя
равноценно подаче большего тока на обмотки возбуждения. Как известно, от
тока, подаваемого на обмотки, зависит вращающий момент электродвигателя.
3.5. Аккумуляторы
Рассмотренный выше электронный регулятор хода получает питание от
аккумулятора с такими рабочими характеристиками.
Входное напряжение: 7,2—14,14 В для никель-кадмиевых и никель-металл-
гидридных аккумуляторов, 7,4- 11,1В для литий-полимерных аккумулято-
ров.
Если внимательно изучить техническую документацию к вентильному
электродвигателю, то можно найти более точную спецификацию допустимых
для использования источников питания. Чаще всего в их качестве выступают
аккумуляторные батареи, спецификация которых задается строкой, подоб-
ной "2-4 Li-Po/5-12 NiMH" или "Max Li-Po Cell: 3s". Несложно догадаться,
что в ней указывается тип, количество и способ подключения аккумуляторов.
Электропитание двигателей, применяемых в моделировании, осуществ-
ляется с помощью аккумуляторов основных четырех типов, описанных
в табл. 3.2. Во втором столбце таблицы приводится емкость аккумулятора
в расчете на килограмм его веса.
Таблица 3.2. Наиболее распространенные типы аккумуляторов
Тип источника питания Удельная емкость, Вт ч/кг Примечание
Никель-кадмиевый 40—60 Ощутимый провал
(Ni-Cd) напряжения, проблемы
с утилизацией
Никель-металл- 60-120 Умеренный (допустимый)
гидридный (NiMH) провал напряжения
Литий-полимерный 100—265 Нет провала напряжения;
(Li-Po) иногда взрывается при
перезарядке
Литий-железо- 90—120 Химически стабильный;
фосфатный (LiFePO4, равномерный провал
или LFP) напряжения
На сегодняшний день наиболее распространенными являются никель-
кадмиевые аккумуляторы. Более того, во многих технических руководствах
содержится прямое указание на их использование в устройствах питания

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
93
электродвигателей. Как бы там ни было, никель-кадмиевых аккумуляторов
все же лучше избегать по двум причинам. Прежде всего, они содержат кадмий,
соединения которого очень токсичны и требуют утилизации на специальном
оборудовании. Это стало причиной почти полного запрета на использование
источников питания данного типа на территории Европейского союза.
Второй недостаток никель-кадмиевых аккумуляторов состоит в значи-
тельном провале напряжения. Если их постоянно дозаряжать без полной
разрядки, то общая емкость аккумуляторов понизится до неприемлемого
уровня. Для нейтрализации данного эффекта никель-кадмиевые аккумуля-
торы нужно полностью разряжать и только после этого заряжать до макси-
мальной емкости.
Никель-металл-гидридные (NiMH) аккумуляторы лишены недостатков
никель-кадмиевых источников питания. Они обладают существенно боль-
шей емкостью при той же массе и обеспечивают больший отбор мощности в
единицу времени. Провал напряжения у них находится на приемлемом уров-
не, но они страдают другим недостатком. Если в течение некоторого времени
оставить никель-металл-гидридный аккумулятор незаряженным, то его об-
щая емкость значительно уменьшится (около 4% за каждый день "простоя").
Литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы обладают прекрасным соотно-
шением емкости и веса, намного большим, чем никель-металл-гидридные.
Это означает, что при одной и той же массе источника питания электрод-
вигатель дольше проработает до полной остановки на литий-полимерных
аккумуляторах. К сожалению, такие аккумуляторы часто взрываются при
перегреве или даже перезарядке. Нередки также случаи повреждения литий-
полимерных аккумуляторов вследствие их разрядки до уровня, меньшего
20% от максимальной емкости. Чтобы избавиться от основных недостатков
литий-полимерных аккумуляторов, моделисты часто устанавливают для них
напряжение отключения на уровне 3 В.
ПРИМЕЧАНИЕ
В табл. 3.2 не указаны литий-ионные аккумуляторы (Li-ion), которые все еще
применяются в качестве источников питания в смартфонах и электроинстру-
ментах. В этом нет ошибки, поскольку их химический состав совпадает с тако-
вым у литий-полимерных аккумуляторов (Li-Po). Отличаются они только компо-
новкой структурных элементов.

94
Часть II. Конструкция электродвигателя
Чаще всего для питания электродвигателей, используемых в моделиро-
вании, применяются аккумуляторы последнего описанного в табл. 3.2 типа:
литий-железо-фосфатные (LiFePO4, или LFP). Их емкость в расчете на кило-
грамм веса меньше, чем у литий-полимерных аккумуляторов, но они более
долговечные (выдерживают больше циклов заряда/разряда) и обладают ста-
бильными рабочими характеристиками.
Помня о взрывоопасное™ литий-полимерных аккумуляторов, я предпо-
читаю использовать для питания электродвигателей только литий-железо-
фосфатные источники питания. Но их применение также не лишено трудно-
стей — их сложно приобрести в обычных торговых сетях, к тому же большая
часть электронных регуляторов хода и стабилизаторов напряжения рассчита-
на на применение никель-металл-гидридных или литий-полимерных акку-
муляторов.
Напоследок еще одно замечание: в технической документации к электрод-
вигателям и регуляторам хода способ подключения нескольких аккумулято-
ров в батарее определяется индексами s и р. Индекс s указывает на последо-
вательное подключение аккумуляторов, а индекс/? — на параллельное. Таким
образом, запись "4s" предписывает использовать в качестве источника пита-
ния батарею из четырех последовательно соединенных аккмуляторов. Источ-
ник питания, состоящий из двух параллельно подключенных аккумуляторов,
маркируется индексом "2р".
3.6. Резюме
Электродвигатели постоянного тока нашли широкое применение в моде-
лировании. Они используются практически повсеместно — в робототехни-
ческих устройствах, электромобилях, ЗО-принтерах. Для обеспечения не-
прерывности вращения ротора двигатель постоянного тока нужно снабдить
устройством для изменения направления электрического тока (коммутато-
ром). В коллекторных электродвигателях применяется механическая комму-
тация, а в вентильных (бесколлекторных) электродвигателях — электронная,
основанная на использовании контроллеров.
Коллекторные электродвигатели просты в работе и управлении. На их ро-
торе смонтирован электромагнит, вращающийся внутри статора. Скорость
вращения ротора напрямую зависит от напряжения питания, а вращающий
момент пропорционален электрическому току. Несмотря на простоту управ-
ления, я избегаю использования коллекторных двигателей в собственных
проектах, так как они требуют регулярного обслуживания и обладают мень-
шей производительностью, чем вентильные электродвигатели.

Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
95
Вентильные электродвигатели сложны в управлении, поскольку включа-
ют несколько обмоток возбуждения, каждая из которых требует независимо-
го электропитания. Чаще всего они имеют трехфазную компоновку, а пита-
ние на них подается через три вывода. Скорость вращения вала вентильного
двигателя зависит от скорости возбуждения обмоток статора и подаваемого
на них напряжения. Двигатели, ротор которых вращается внутри статора,
называются внутрироторными, а двигатели, неподвижные обмотки которых
находятся внутри ротора, известны как внешнероторные.
В отличие от коллекторных электродвигателей, управление вентиль-
ным двигателем осуществляется контроллером, работа которого основана
на постоянном мониторинге положения ротора. Существуют две основные
методики определения положения ротора в вентильном двигателе: по про-
тивоЭДС, возникающей в обмотках, и по данным, которые поступают от
специальных датчиков, смонтированных в электродвигателе. В последнем
случае чаще всего применяются датчики на эффекте Холла.
Выбор аккумуляторов, от которых поступает электропитание, не менее
важен, чем выбор самого двигателя. Потребление энергии двигателями по-
стоянного тока достаточно велико, и до последнего времени единственным
подходящим источником питания для них являлись никель-кадмиевые ак-
кумуляторы. Но технологии быстро совершенствуются, и в данный момент
оптимальным считается запитывать электродвигатели постоянного тока от
никель-металл-гидридных или литий-полимерных аккумуляторов, облада-
ющих большей удельной емкостью на килограмм собственного веса. Среди
новых решений стоит отметить литий-железо-фосфатные аккумуляторы,
имеющие достаточно высокую емкость и химическую стабильность.

4
Шаговые
электродвигатели
В этой и следующей главах основное внимание будет уделено
двигателям, позволяющим управлять углом поворота и угловой ско-
ростью. Будут описаны два типа устройств, снабженных подобны-
ми функциями: шаговые двигатели и сервоприводы. Начнем со
знакомства с шаговыми электродвигателями, описание которых
занимает всю главу.
Назначение шагового двигателя — повернуть вал на определен-
ный угол и удержать это положение до получения новых указаний.
Скорость поворота и вращающий момент таких двигателей отно-
сятся к вторичным характеристикам. Обеспечение точности пово-
рота на заданный угол и надежность удержания положения — это
основные задачи, преследуемые разработчиками шаговых двигате-
лей. Поворот вала двигателя выполняется скачкообразно или дис-
кретно, а величина шага предопределяется конструкцией и рабо-
чими характеристиками двигателя: 30е, 15°, 7,5°, 5°, 2,5° или 1,8°.
Шаговые двигатели получили широкое применение в промыш-
ленности благодаря высокой точности выполнения операций и
простоте управления. Ими оснащаются самые разные бытовые
и промышленные устройства: стрелочные часы, роботизирован-
ные конвейерные линии, ЗО-принтеры и другое оборудование,

98
Часть II. Конструкция электродвигателя
требующее точного контроля над выполняемыми действиями. Особенность
шаговых двигателей заключается в том, что контроллеру нет необходимости
считывать текущее положение вала, чтобы повернуть его в следующую пози-
цию. Например, если минимальный шаг двигателя составляет 2,5°, то каж-
дый следующий управляющий сигнал, поступающий от контроллера, будет
предписывать повернуть вал точно на этот угол независимо от его исходной
ориентации.
В большинстве областей применения преимущество получают двигатели
с как можно меньшим шагом. Минимальный угол поворота вала называется
угловой разрешающей способностью. Именно он считается главной техни-
ческой характеристикой шагового двигателя. Вторая важная характеристи-
ка — это удерживающий момент. Он определяет максимальный вращающий
момент, при котором вал удерживается в занятом положении несмотря на
прилагаемые к нему внешние усилия.
Современные шаговые двигатели делятся на следующие три категории.
■ С постоянными магнитами. Обладают высоким вращающим моментом и
низкой угловой разрешающей способностью.
■ Реактивные (с переменным магнитным сопротивлением). Имеют высокое
угловое разрешение и низкий вращающий момент.
■ Гибридные. Сочетают в себе наилучшие характеристики реактивных
двигателей и двигателей с постоянными магнитами.
В первой половине главы детально описаны все доступные для использо-
вания типы шаговых двигателей. Вы познакомитесь не только с особеннос-
тями конструкции, но и с сильными и слабыми сторонами каждого из ти-
пов двигателей. Во второй половине главы приведены сведения о принципах
управления шаговыми электродвигателями, а также описаны применяемые
для этих целей устройства.
4*1» Шаговый двигатель с постоянными
магнитами
Электродвигатели этого типа имеют небольшой размер и чрезвычайно
высокую надежность. Их часто применяют во встраиваемых устройствах, на-
пример в оптических приводах, и в принтерах. На рис. 4.1 показан шаговый
двигатель ST-PM35 производства компании Mercury Motor.

Глава 4. Шаговые электродвигатели
99
Рис. 4.1. Внешний вид шагового двигателя с постоянными магнитами
Двигатели с постоянными магнитами во многом подобны вентильным
электродвигателям, подробно рассмотренным в предыдущей главе. Для
простоты шаговый двигатель можно представить как вентильный электрод-
вигатель, питание на обмотки которого подается так, чтобы обеспечить дис-
кретность вращения ротора.
4.1.1. Конструкция
В предыдущей главе были детально описаны два основных типа вентиль-
ных двигателей: внутрироторные и внешнероторные. Шаговый электродви-
гатель больше подобен внутрироторному вентильному двигателю, поэтому
далее мы будем рассматривать их в противопоставлении один другому. Внут-
ренняя конструкция шагового двигателя изображена на рис. 4.2.
Ротор
Статор
Рис. 4.2. Конструкция шагового электродвигателя на постоянных магнитах

100
Часть II. Конструкция электродвигателя
Шаговый и вентильный электродвигатели обладают несколькими общи-
ми конструктивными особенностями:
■ отсутствие коллекторного узла и механического коммутирующего уст-
ройства (все рассматриваемые в книге шаговые двигатели — бесколлек-
торные);
■ ротор находится внутри статора, а постоянные магниты крепятся к
внешней поверхности ротора;
■ электромагниты (обмотки возбуждения) смонтированы на статоре, ко-
торый располагается снаружи ротора;
■ для подачи тока на обмотки возбуждения применяется импульсный
источник питания;
■ отдельные обмотки соединены между собой; каждое из таких соедине-
ний образует отдельную фазу, требующую независимого питания.
Шаговые электродвигатели с постоянными магнитами всегда бесколлек-
торные и управляются контроллером, подающим импульсное питание на об-
мотки возбуждения. Именно это обстоятельство делает их мало отличимыми
от вентильных двигателей. Но в данной книге мы не будем применять термин
"вентильные двигатели" по отношению к электрическим машинам, обеспе-
чивающим дискретный способ вращения вала.
Чтобы не запутаться, давайте ознакомимся с различиями между шаго-
выми двигателями с постоянными магнитами и вентильными двигателями
(табл. 4.1).
Таблица 4.1. Отличительные характеристики шаговых двигателей
с постоянными магнитами и вентильных электродвигателей
Шаговый двигатель с постоянными
магнитами
Вентильный двигатель
Обеспечивает дискретное
вращение вала
Чаще всего двухфазные
Контроллер одновременно подает
питание на одну или две фазы
Содержит большое количество
обмоток и постоянных магнитов
Обеспечивает только непрерывное
вращение вала
Чаще всего трехфазные
Контроллер одновременно подает
питание только на две фазы; третья
фаза имеет плавающий потенциал
Содержит несколько обмоток
и постоянных магнитов

Глава 4. Шаговые электродвигатели
101
Исходя из конструктивных особенностей, видно, что шаговые двигатели
имеют больше обмоток возбуждения и постоянных магнитов, чем внутриро-
торные вентильные двигатели. Ничего удивительного, ведь именно они обес-
печивают высокую угловую разрешающую способность. Далее вы узнаете,
как это происходит.
4.1.2. Принципы функционирования
Чтобы понять, как работают шаговые двигатели с постоянными магни-
тами, нужно разобраться, как угловая разрешающая способность зависит от
количества обмоток статора и магнитов ротора. Все приведенные далее ут-
верждения справедливы для шагового двигателя, имеющего конструкцию,
изображенную на рис. 4.2. Легко подсчитать, что на его статоре смонтирова-
но 12 обмоток возбуждения, а ротор содержит 6 постоянных магнитов, рас-
пределенных равномерно по всей его поверхности.
а) б)
Рис. 4.3. Конструкция шагового двигателя с постоянными магнитами, обладающего
разрешающей способностью 30°
Чаще всего шаговые двигатели рассматриваемого типа имеют двухфазное
исполнение. У электродвигателя, показанного на рис. 4.3, фазы обозначены
как А и В. Через обмотки А1 и В1 проходит такой же электрический ток, как
и через обмотки А и В, но в противоположном направлении. Таким образом,
если электромагнит А выступает северным полюсом статора, то электромаг-
нит А1 является его южным полюсом.

102
Часть II. Конструкция электродвигателя
Каждая из обмоток может находиться в одном из трех режимов рабо-
ты — когда на нее подается питание в прямом направлении, в обратном
направлении или вообще не подается. В дальнейшем будем считать, что
при подаче электрического тока в прямом направлении обмотка становит-
ся северным полюсом. Если пропустить через обмотку ток в обратном на-
правлении, то она будет выступать в качестве южного полюса.
Разобравшись в конструктивных особенностях шагового двигателя, мож-
но приступать к изучению принципов его функционирования. На рис. 4.3
проиллюстрировано, как происходит дискретный поворот ротора двигателя
с постоянными магнитами. На этом рисунке северные полюсы статора обо-
значены символом N (через их обмотки электрический ток проходит в пря-
мом направлении), а южные полюсы — символом S (через обмотки проходит
ток в обратном направлении). На полюсы статора, не содержащие буквенных
обозначений, питание не подается.
На рис. 4.3, я, полюсы А — северные, а полюсы А1 — южные. На полюсы
В питание не подается. Таким образом, исходно ротор фиксируется так, что
его южный полюс притягивается к полюсу А статора, а его северный полюс —
к полюсу А1 статора.
На рис. 4.3, б, проиллюстрировано состояние двигателя после дискретного
поворота ротора. Легко заметить, что теперь северными становятся полюсы
В, южными — полюсы В1, а питание не подается на полюсы А. После поворо-
та ротор фиксируется так, что его магнитные полюсы притягиваются к полю-
сам В и В1 статора. Таким образом, угол поворота определяется исключитель-
но взаимным положением обмоток А и В. Несложно заметить, что в данном
случае он составляет 30°, а вращение выполняется по часовой стрелке. Кро-
ме предложенной в данном примере схемы, общепринята компоновка из
восьми обмоток возбуждения статора и шести постоянных полюсов ротора.
Существуют также модели шаговых двигателей с постоянными магнитами,
обеспечивающие шаг в 15° и даже 7,5°.
Чтобы удостовериться в правильности понимания принципов функци-
онирования шагового двигателя, проследите за следующими дискретными
поворотами ротора. На рис. 4.4 показано взаимное расположение полюсов
статора и ротора при дальнейшем вращении вала со все тем же шагом — 30°.
Как видно из рис. 4.4, я, теперь полюсы В становятся южными, полюсы
В1 — северными, а без электрического тока остаются обмотки А. Полюсы ро-
тора при этом выравниваются относительно обмоток В.

Глава 4. Шаговые электродвигатели
103
а) б)
Рис. 4.4. Дальнейшее вращение ротора шагового двигателя с постоянными магнитами
На рис. 4.4, б9 показана ситуация, когда северными становятся полюсы А,
южными — полюсы А1, а питание не подается на обмотки В. Ротор повора-
чивается по часовой стрелке строго на 30° и выравнивается полюсами по об-
моткам А.
Задача контроллера, управляющего шаговым двигателем, — подать пи-
тание на обмотки статора в порядке, обеспечивающем последовательное
дискретное вращение ротора с шагом 30°. Именно в управляющих сигналах
и ни в чем другом заключается основное отличие шаговых двигателей от
вентильных.
4*2. Реактивный шаговый двигатель
Подобно тому, как электрическое сопротивление определяет ток, протека-
ющий в проводнике, магнитное сопротивление определяет силу магнитного
потока некой среды. В реактивных шаговых двигателях дискретный угол по-
ворота ротора определяется положениями наименьшего магнитного сопро-
тивления между противоположными полюсами статора.
Основное преимущество реактивных шаговых двигателей заключается
в высокой угловой разрешающей способности. Самый большой их недо-
статок состоит в низком вращающем моменте. В этом разделе приведено
детальное описание конструкции и принципов действия реактивного ша-
гового двигателя.

104
Часть II. Конструкция электродвигателя
4.2.}. Конструкция
Конструктивно у реактивного шагового двигателя и шагового двигателя
с постоянными магнитами очень много общего. У них обоих обмотки возбуж-
дения смонтированы на статоре, а противоположные обмотки подключаются
к одному и тому же источнику тока.
Тем не менее у этих типов двигателей есть два заметных различия.
■ Ротор. В отличие от шагового двигателя с постоянными магнитами, на
роторе реактивного шагового двигателя нет постоянных магнитов. Он
представляет собой диск, собранный из стальных пластин и содержа-
щий по краю небольшие выступы, которые называются зубьями.
■ Фазы. Большинство шаговых двигателей с постоянными магнитами
имеют двухфазное устройство. Контроллер реактивных шаговых двига-
телей настроен на независимое управление каждой парой противопо-
ложно расположенных на статоре обмоток. Другими словами, если на
статоре смонтировано N обмоток, то количество фаз у такого реактив-
ного шагового двигателя равно N/2.
Упрощенная конструкция реактивного шагового двигателя показана на
рис. 4.5. В приведенном примере на статоре собрано восемь обмоток возбуж-
дения, а у ротора всего шесть зубьев.
Рис. 4.5. Конструкция реактивного шагового двигателя

Глава 4. Шаговые электродвигатели
105
Ротор не содержит магнитов, но поскольку он изготовлен из стали, то сво-
ими зубьями притягивается к полюсам статора. На рис. 4.5 проиллюстриро-
вана ситуация, когда в качестве северного полюса (N) выступает обмотка А,
а южный полюс (S) представлен обмоткой А1. Зубья выравниваются относи-
тельно магнитных полюсов так, чтобы обеспечить минимальное магнитное
сопротивление между обмотками А и А1.
4.2.2. Принципы функционирования
Как изображено на рис. 4.5, одновременно в реактивном шаговом двига-
теле относительно полюсов ротора выравнивается только одна пара зубьев.
После подачи контроллером питания на другую пару обмоток статора ротор
поворачивается так, чтобы выровнять относительно них другую пару зубьев.
Поскольку на зубьях ротора нет магнитов, полярность обмоток статора не иг-
рает особой роли.
На рис. 4.6 показано, каким образом в реактивном шаговом двигателе ре-
ализуется поворот ротора на 15е против часовой стрелки.
а) б)
Рис. 4.6. Поворот ротора реактивного шагового двигателя на 15°
В исходном положении (рис. 4.6, а) контроллер подает питание на обмот-
ки В и В1, что приводит к выравниванию относительно них некой пары зубьев
ротора. На следующем этапе (рис. 4.6, б) возбуждаются обмотки С и С1. Они
притягивают к себе ближайшие зубья, что соответствует повороту ротора на
15° против часовой стрелки.

106
Часть II. Конструкция электродвигателя
При известном количестве обмоток статора (Nw) и количестве зубьев ро-
тора (Nt) угол дискретного поворота реактивного шагового двигателя рассчи-
тывается по следующей формуле:
ДГаг = 360°х^~^
В примере двигателя, изображенного на рис. 4.6, Nw = 8, a Nt = 6, поэтому
его шаг вычисляется как 360(2/48) ~ 15°. Как видно, угловая разрешающая
способность улучшается с увеличением количества как зубьев, так и обмо-
ток. При правильной конструкции разрешающая способность реактивного
шагового двигателя намного превышает таковую для шагового двигателя на
постоянных магнитах.
Как и любой другой, реактивный шаговый двигатель имеет недостаток:
низкий вращающий момент. Он настолько мал, что не позволяет поворачи-
вать ротор при существенной нагрузке. Именно поэтому реактивные шаго-
вые двигатели не находят практического применения. Справедливости ради
стоит заметить, что мне лишь пару раз доводилось видеть их в продаже.
В поисках решения, позволяющего избавить шаговый двигатель от недо-
статков, инженерами был предложен гибридный вариант, имеющий угловое
разрешение реактивного шагового двигателя и вращающий момент шагового
двигателя с постоянными магнитами.
4.3. Гибридный шаговый двигатель
Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе лучшее из обеих предыду-
щих моделей. Как и ротор шагового двигателя с постоянными магнитами, его
ротор тоже содержит постоянные магниты, а потому обладает существенным
вращающим моментом. В то же время наличие зубьев на роторе предопреде-
ляет высокую угловую разрешающую способность. Внешний вид гибридного
шагового двигателя JK42HW34, производимого компанией Rio Rand, показан
на рис. 4.7.
Как ни странно, гибридные шаговые электродвигатели также имеют недо-
статки. Они самые дорогие в производстве, а их размер и вес заметно больше
размера и веса шаговых двигателей на постоянных магнитах. Чтобы понять, с
чем это связано, давайте детально рассмотрим их устройство.
4.3.1. Конструкция
Если вы разобрались с работой шаговых двигателей на постоянных маг-
нитах и реактивных шаговых двигателей, то гибридные шаговые двигатели

Глава 4. Шаговые электродвигатели
107
не вызовут у вас затруднений. В них применяются другие роторы и статоры,
одако принципы их функционирования схожи.
Рис. 4.7. Внешний вид гибридного шагового двигателя
Ротор
Сравнив гибридный шаговый двигатель, показанный на рис. 4.7, и шаго-
вый двигатель на постоянных магнитах, изображенный на рис. 4.1, несложно
заметить, что корпус первого длиннее. А все потому, что гибридные шаговые
двигатели оснащаются разделенным как минимум на две части ротором. На
каждой из частей располагаются собственные магнитные полюсы, что про-
иллюстрировано на рис. 4.8.
Полюсы
ротора
Зубья
Северный Южный
Рис. 4.8. Магнитные полюсы ротора в гибридном шаговом двигателе

108
Часть II. Конструкция электродвигателя
Магнитное поле ротора создается постоянным магнитом, расположенным
между двумя его половинами. Таким образом, зубья одной половины рото-
ра являются северными полюсами, а зубья второй его половины — южны-
ми. Кроме того, зубья одной половины ротора смещены относительно зубьев
второй половины на угловой шаг электродвигателя. Число пар полюсов ро-
тора равно количеству зубьев на одной из его половин. Соответственно, чем
больше зубьев у ротора, тем выше его угловая разрешающая способность.
У электродвигателя, показанного на рис. 4.8, ротор разделен только на две
части. Существуют гибридные шаговые двигатели, ротор которых состоит из
более чем двух частей. Чем их больше, тем выше вращающий и удерживаю-
щий моменты электродвигателя. Но чем больше (длиннее) ротор, тем больше
и тяжелее сам шаговый двигатель.
Статор
Обмотки статора шагового двигателя с постоянными магнитами и реак-
тивного шагового двигателя настолько большие, что притягивают не толь-
ко полюсы (зубья) ротора, расположенные непосредственно над ними, но
и соседние с ними. Во избежание данного эффекта обмотки статора гибрид-
ных шаговых двигателей снабжаются зубчатыми выступами, размер которых
идентичен размеру зубьев ротора. Конструктивно это выглядит подобно тому,
как показано на рис. 4.9.
В нашем примере сердечник каждой обмотки возбуждения снабжен тре-
мя зубьями. В реальных шаговых двигателях таких зубьев намного больше.
Если обмотка выступает северным полюсом, то к ее зубьям притягиваются
зубья южного полюса ротора. И наоборот, если обмотка статора представляет
южный полюс, то к ее зубьям притягиваются зубья северного полюса ротора.
4.3.2. Принципы функционирования
Как и у реактивного шагового двигателя, обмотки гибридного шагового
двигателя соединены попарно, а потому могут получать многофазовое пи-
тание. На практике же большинство гибридных шаговых двигателей, как и
шаговых двигателей с постоянным магнитами, получает питание по двухфа-
зовой схеме. Как показано на рис. 4.9, их обмотки разделены всего на две
фазы: А/А1 и В/В1.
Электропитание подается на каждую фазу в прямом направлении, в обрат-
ном направлении или вообще не подается. При возбуждении обмоток одной
из фаз они притягивают зубья одного из полюсов ротора. Подача электричес-
кого тока на обмотки другой фазы вызывает притягивание зубьев противо-

Глава 4. Шаговые электродвигатели
109
положного полюса ротора. Обычно роторы гибридных шаговых двигателей
содержат от 50 до 60 зубьев, что позволяет добиться высокой угловой разре-
шающей способности — очень часто этот показатель достигает значения 1,8°
или даже 0,9°.
Рис. 4.9. Зубчатые выступы на окончании сердечника
в обмотках возбуждения статора
4*4, Управление шаговым двигателем
Поскольку реактивные шаговые двигатели в продаже отсутствуют, мы бу-
дем рассматривать способы управления шаговым двигателем с постоянными
магнитами и гибридным шаговым двигателем. Чаще всего они представля-
ют собой биполярные двухфазовые электродвигатели, оснащенные всего че-
тырьмя выводами, но встречаются и униполярные (однополярные) шаговые
двигатели, питание которых осуществляется через пять или шесть выводов.
Биполярные и униполярные двигатели различаются способом подачи пита-
ния на обмотки возбуждения и создания на статоре северных и южных маг-
нитных полюсов. Перед тем как приступать к разработке систем управления
шаговым двигателем, нужно не только узнать его тип, но и разобраться в
способах его питания. Следующие два раздела содержат детальные сведения

110
Часть II. Конструкция электродвигателя
о различиях в питании униполярных и биполярных электродвигателей, без
знания которых вы не сможете разобраться в принципах управления шаговы-
ми двигателями.
После обсуждения схем питания униполярных и биполярных двигателей
мы перейдем к описанию их режимов работы, позволяющих улучшить базо-
вые рабочие характеристики. В их числе полушаг, приводящий к улучшению
углового разрешения, но снижающий вращающий момент, а также микро-
шаг, делающий угловое разрешение беспрецедентно высоким.
4А. \. Управление биполярным шаговым двигателем
Питание двухфазового биполярного шагового двигателя обеспечивается
через четыре вывода. Схема питания обмоток возбуждения такого двигателя
показана на рис. 4.10.
Черный Красный
Зеленый Синий
Рис. 4.10. Выводы питания обмоток возбуждения биполярного двигателя
На рис. 4.10 показаны выводы, через которые электрический ток подается
на электромагниты каждой из фаз: А/А1 и В/В1. Как известно из предыдущей
главы, тип полюса электромагнита определяется направлением протекания
через него электрического тока. Например, если при протекании тока от чер-
ного вывода к зеленому обмотка А представляет серверный полюс, а обмотка
А' — южный полюс, то протекание тока в направлении от вывода А1 к выводу
А изменит полярность обмоток на противоположную. Теперь обмотка А1 бу-
дет северным полюсом, а обмотка А — южным.

Глава 4. Шаговые электродвигатели
111
Цвета выводов, обозначенные на рис. 4.10, соответствуют маркировке ре-
альных шаговых двигателей, но могут отличаться в зависимости от модели
и производителя. И хотя никакого стандарта на это нет, большинство про-
изводителей шаговых двигателей следует именно такому соглашению о цве-
товой идентификации выводов. Повстречав электродвигатель с выводами,
маркированными другими цветами, отыщите описание их назначения в тех-
нической документации. Если она с двигателем не поставляется или в ней нет
необходимых сведений, то воспользуйтесь омметром. Сопротивление между
выводами одной фазы (например, А и А1) предельно малое, а сопротивление
между выводами разных фаз (например, А и В) бесконечно велико.
Устройство управления питанием биполярного шагового двигателя долж-
но обеспечивать прохождение электрического тока через обмотки возбужде-
ния как в прямом, так и в обратном направлениях. Самый простой способ
выполнения этой задачи заключается в использовании мостовой схемы, ко-
торая была детально рассмотрена в предыдущей главе. Мостовая схема управ-
ления строится на базе четырех переключателей, состояния которых в строго
заданных комбинациях обеспечивают подачу на двигатель питания в обоих
направлениях.
На рис. 4.11 показана мостовая схема, которая обеспечивает управление
фазой (А/А1) биполярного шагового двигателя. В качестве переключателей
в ней применяются МОП-транзисторы.
ипит
I
Рис. 4.11. Мостовая электрическая схема управления током, проходящим
через обмотки одной из фаз биполярного шагового двигателя

112
Часть II. Конструкция электродвигателя
Переключение электрического тока, проходящего через обмотки фазы
(А/А1), осуществляется подачей напряжения на затворы МОП-транзисторов.
Высокое напряжение на затворах £0 и 53 при низком напряжении на затворах
S{ и S2 обеспечивает протекание тока в направлении от А до А1. Тем самым А
становится северным полюсом, а А1 — южным полюсом статора. При подаче
высокого напряжения на затворы 5j и 52, а низкого напряжения — на затво-
ры Sq и S3, ток протекает от А1 к А, что делает А1 северным полюсом, а А — юж-
ным. Если же низкое напряжение подать на затворы Sq и 52, то ток вообще не
будет протекать через обмотки.
О том, как наладить подачу питания шагового двигателями с помощью
современных средств управления, рассказывается в главах 9 и 10. Но какое
бы устройство вы ни использовали, в каждом из них будет задействована мо-
стовая схема управления.
4.4.2. Управление униполярным шаговым двигателем
Управление питанием униполярного (однополярного) шагового двигателя
намного сложнее, чем биполярного электродвигателя, хотя оно сводится ко
все той же цели — подать электрический ток на обмотки возбуждения А, А1, В
и В1 в правильном порядке. Чтобы понять, как магнитные полюса образуют-
ся в обмотках однополярного двигателя, нужно внимательно рассмотреть обе
электрические схемы, показанные на рис. 4.12.
А —
ит
N
А?
w N
— А'
S
а)
б)
Рис. 4.12. Электрические схемы подачи питания на обмотки
униполярного электродвигателя
В обоих случаях вывод питания Umm выходит из середины обмотки возбу-
ждения, а потому называется средним отводом.
Согласно схеме, приведенной на рис. 4.12, я, нижний вывод электромаг-
нита подключен к общему проводу, поэтому ток протекает к нему от сере-
дины обмотки. Таким образом, нижняя часть обмотки становится южным

Глава 4. Шаговые электродвигатели
113
полюсом электромагнита. Северный полюс при этом располагается точно
посередине электромагнита.
Теперь самая интересная часть: вывод в верхней части обмотки не подклю-
чен к системе питания, поэтому ток через него к середине электромагнита не
протекает. Тем не менее благодаря электрическому току в нижней полови-
не обмотки сердечник приобретает магнитные свойства по всей своей длине
(высоте). В результате северный полюс смещается в верхнюю часть электро-
магнита. Именно поэтому на рис. 4.12, я, северный полюс находится в точке
А, а южный — в точке А1.
Обратная ситуация проиллюстрирована на рис. 4.12, б. Теперь к общему
проводу подключен вывод, расположенный в верхней части электромагнита,
а ток протекает от его середины к выводу А. Таким образом, верхняя часть
электромагнита (А) становится южным магнитным полюсом, а северный по-
люс исходно образуется в середине электромагнита. Из-за намагничивания
всего сердечника северный полюс смещается в нижнюю его часть — к точке А'.
С электрической точки зрения для подачи питания на униполярный двух-
фазный шаговый двигатель достаточно выполнить следующие три операции:
1) сделать средний отвод Umm у обмоток А/А1 и В/В';
2) подключить к общему проводу один из выводов каждой из обмоток;
3) не подключать к питанию выводы, противоположные подключенным
к общему проводу.
На рис. 4.13 показана схема подачи питания на выводы униполярного
шагового двигателя. На два из них подается питание (Unum), а назначение
остальных четырех (А, А1, В и В') в точности совпадает с таковым для бипо-
лярного электродвигателя. Отличие состоит в том, что к последним четырем
подключены МОП-транзисторы. Как только на затвор МОП-транзистора
подается высокое напряжение, соответствующий вывод подключается к об-
щему проводу. В противном случае он остается неподключенным к питанию.
Как только один из МОП-транзисторов открывается, связанный с ним то-
рец обмотки становится южным полюсом, а противоположный ему торец —
северным. В частности, при подаче напряжения на затвор 5] в обмотке воз-
буждения протекает ток, при котором южным полюсом становится точка В,
а северный полюс смещается к точке В1.
У многих униполярных шаговых двигателей не шесть обмоток, а всего
пять. В таких двигателях средние отводы (Unum) соединены вместе. Осталь-
ные четыре вывода конструктивно не отличаются от таковых в шаговом дви-
гателе с шестью выводами.

114
Часть II. Конструкция электродвигателя
Рис. 4.13. Подключение к питанию униполярного шагового двигателя
ПРИМЕЧАНИЕ
Я умышленно не привожу цветовую маркировку выводов в электрических
схемах, поскольку у всех шаговых двигателей она разная. Чтобы ничего не пере-
путать при подключении униполярного шагового двигателя к питанию, сверь-
тесь с его технической документацией.
Униполярными шаговыми двигателями управлять проще, чем биполяр-
ными, требующими сразу двух мостовых схем. Тем не менее при подаче пи-
тания на униполярный двигатель в нем одновременно возбуждается только
половина обмоток. Таким образом, при одном и том же количестве обмоток
возбуждения униполярный двигатель имеет вдвое меньший КПД. Именно
поэтому старайтесь в собственных проектах использовать только биполяр-
ные шаговые двигатели.

Глава 4. Шаговые электродвигатели
115
Всегда можно отказаться от использования выводов Unum униполярного
двигателя и подать питание на его обмотки напрямую — через выводы А/А1
и В/В1. В результате униполярный двигатель будет работать как биполярный.
В завершение хочется привести еще одно замечание, относящееся к уп-
равлению питанием шаговых двигателей. Электрические схемы, включен-
ные в техническую документацию к шаговым двигателям, отличаются от
приведенных в книге. В них обмотки изображаются несколько проще, как
на рис. 4.14, содержащем схемы как биполярного, так и униполярного шаго-
вого двигателей.
Черный
Зеленый
Красный
Белый
Зеленый
Красный
Синий
Желтый Черный Синий
Биполярный
Униполярный
Рис. 4.14. Упрощенная схема подачи питания на шаговый двигатель, взятая
из технической документации
Как и в любой другой технической документации, здесь обмотки не обо-
значены привычными символами А/А1 и В/В1, да это и не имеет решающе-
го значения. На самом деле изменение порядка управления обмотками на
обратный никак не сказывается на работе шагового двигателя.
4.4.3. Режимы работы шагового двигателя
Говоря техническим языком, управление шаговыми двигателями сводится
к одновременной подаче электрического тока на одну или две пары обмоток
возбуждения. Только от способа выполнения этой задачи зависят функцио-
нальные возможности и характеристики шагового двигателя. Шаговые дви-
гатели поддерживают несколько режимов работы.
■ Полный шаг (одна фаза). Управляющий сигнал возбуждает обмотки
только одной фазы.

116
Часть II. Конструкция электродвигателя
■ Полный шаг (две фазы). Управляющий сигнал возбуждает обмотки сразу
двух фаз.
■ Полушаг. Управляющий сигнал попеременно возбуждает обмотки то
одной, то обеих фаз.
■ Микрошаг. Контроллер подает на обмотки возбуждения синусоидаль-
ный или ШИМ-сигнал.
От режима работы зависят вращающий момент, угловая разрешающая
способность и мощность шагового двигателя.
Полный шаг (одна фаза)
Самый простой способ управления шаговым двигателем заключается в
одномоментном возбуждении обмоток только одной фазы. Он был детально
рассмотрен в начале главы. Управляющие сигналы, обеспечивающие работу
шагового двигателя в данном режиме, показаны на рис. 4.15.
А1
В'
Рис. 4.15. Последовательность сигналов, подаваемых на обмотки
в полношаговом режиме работы (одна фаза)
Каждый импульс питания на одну из фаз приводит к выравниванию зубь-
ев (полюсов) ротора относительно возбужденных обмоток статора. При этом
ротор поворачивается на угол полного шага. Таким образом, если шаговый
двигатель с постоянными магнитами имеет угловую разрешающую способ-
ность 7,5°, то его ротор в полношаговом режиме работы повернется в точно-
сти на такой угол.

Глава 4. Шаговые электродвигатели
117
Полный шаг (две фазы)
В полношаговом режиме работы, в котором одновременно запитаны об-
мотки двух фаз, ротор также поворачивается на угол разрешающей способ-
ности, но при этом его зубья фиксируются между обмотками статора. На
рис. 4.16 изображено взаимное расположение ротора и статора при повороте
вала двигателя на один шаг.
Последовательность управляющих импульсов, подаваемых на обмотки
возбуждения и обеспечивающих работу двигателя в двухфазном полношаго-
вом режиме работы, показана на рис. 4.17.
Рис. 4.16. Поворот ротора в полношаговом режиме работы (две фазы)
А?
В1
Рис. 4.17. Последовательность сигналов, подаваемых на обмотки в полношаговом
режиме работы (две фазы)

118
Часть II. Конструкция электродвигателя
Главное преимущество данного режима работы по сравнению с рассмо-
тренным в предыдущем разделе (однофазный полный шаг) состоит в улуч-
шенном вращающем моменте, чему способствует постоянное возбуждение
большего количества обмоток. В среднем вращающий момент двигателя
в двухфазном полношаговом режиме работы превышает таковой в однофаз-
ном полношаговом режиме на 30-40%. Основной недостаток такого способа
управления шаговым двигателем заключается в высоком энергопотреблении:
источник питания должен обеспечивать постоянное возбуждение вдвое боль-
шего количества обмоток.
Полушаг
Полушаг является комбинацией обоих полношаговых режимов работы.
Контроллер попеременно подает питание на обмотки возбуждения то одной,
то двух фаз сразу. Вращение ротора шагового двигателя в этом режиме рабо-
ты проиллюстрировано на рис. 4.18.
Управляющие сигналы для полушагового режима работы показаны на
рис. 4.19.
В этом режиме работы ротор фиксируется как напротив обмоток возбу-
ждения (питание подается только на одну фазу), так и в точке между ними
(запитываются сразу две фазы). Это вызывает увеличение угловой разрешаю-
щей способности вдвое. Таким образом, шаговый двигатель с угловым разре-
шением 1,8° получает возможность работать с шагом 0,9°.
У этого режима работы есть существенный недостаток: низкий вращаю-
щий момент при возбуждении обмоток только одной фазы (на 20% меньше,
чем при запитывании обеих фаз). Для его компенсации нужно подать на об-
мотки более сильный ток.
Микрошаг
В режиме микрошага ротор поворачивается максимально плавно как для
шагового двигателя. Для подобного движения управляющий сигнал должен
состоять из большого количества уровней напряжения. Обычно их 8, 64 или
256. При разделении управляющего сигнала на 256 уровней двигатель с угло-
вой разрешающей способностью 1,8° обеспечивает минимальный шаг, со-
ставляющий всего 1,8°/256 = 0,007°.
В режиме микрошага на обмотки возбуждения подается напряжение, из-
меняющееся по синусоидальному закону. Обмотки разных фаз запитываются
с равномерной задержкой, как показано на рис. 4.20.
Снижение вращающего момента в режиме микрошага наибольшее — око-
ло 30%, но это не единственный недостаток. По мере возрастания ширины

Глава 4. Шаговые электродвигатели
119
Рис. 4.18. Поворот ротора в полушаговом режиме работы
управляющего сигнала понижается скорость перехода к следующему шагу.
Именно поэтому при быстрой подаче управляющих импульсов двигатель за-
частую пропускает отдельные шаги.
4.5* Резюме
В этой главе были рассмотрены три основные темы: конструкция шаго-
вого двигателя, основные типы шаговых двигателей и способы управления
ими. Первая из них самая простая для понимания: шаговый двигатель обес-

120
Часть II. Конструкция электродвигателя
В
А"
Рис. 4.19. Последовательность сигналов, подаваемых на обмотки двигателя
в полушаговом режиме работы
А'
В'
Рис. 4.20. Последовательность сигналов, подаваемых на обмотки в микрошаговом
режиме работы
печивает поворот ротора на определенный угол (шаг) и его надежную фик-
сацию в новом положении. В данном случае самой важной характеристикой
выступает вращающий момент, а не частота вращения, поскольку именно он
определяет удерживающую силу ротора в каждом из дискретных движений.
Первым из трех типов рассматривался шаговый двигатель с постоянны-
ми магнитами. Его конструкция почти идентична конструкции вентильного
двигателя постоянного тока, детально описанного в главе 3. Единственное
существенное различие между ними — это увеличенное количество обмоток
возбуждения на статоре и постоянных магнитов на роторе шагового двигате-

Глава 4. Шаговые электродвигатели
121
ля. Именно они обеспечивают высокое угловое разрешение двигателя с по-
стоянными магнитами, достигающее значения 7,5°.
Вторым рассматривался реактивный шаговый двигатель. Как и у первого
типа, обмотки возбуждения реактивного шагового двигателя смонтированы
на статоре. Но его ротор не содержит постоянных магнитов, а имеет зубчатую
форму. Количество этих зубьев намного больше, чем постоянных магнитов,
поэтому и угловое разрешение реактивного двигателя существенно выше. Но
так как зубья не обладают собственными магнитными свойствами, они при-
тягиваются к обмоткам статора с меньшей силой. Вращающий момент реак-
тивного шагового двигателя настолько небольшой, что он не находит широ-
кого практического применения.
Последним был описан наиболее распространенный тип шаговых двига-
телей: гибридный. Конструктивно ротор гибридного двигателя состоит из
отдельных секций — полюсов. Каждый из них обладает свойствами магнит-
ного северного или южного полюса и снабжен зубьями, расположенными по
внешнему краю. При подаче питания обмотки статора притягивают зубья ро-
тора, как это происходит в реактивном шаговом двигателе. Наличие у ротора
магнитных свойств предопределяет большой вращающий момент гибридных
шаговых двигателей — он подобен вращающему моменту шаговых двигате-
лей с постоянными магнитами. Высокое угловое разрешение (не меньше, чем
у реактивных шаговых двигателей) у них обеспечивается зубчатой структурой
ротора — обычно оно устанавливается равной значению 1,8° или 0,9°.
При создании систем управления шаговым двигателем в первую очередь
нужно определить его вид: униполярный или биполярный. Из корпуса бипо-
лярного шагового двигателя выходит всего четыре вывода, по два на каждую
фазу питания: А, В, А1 и В1. Для обеспечения прохождения электрического
тока через обмотки возбуждения в прямом и обратном направлениях можно
воспользоваться мостовыми схемами управления (по одной на каждую фазу).
Униполярные шаговые двигатели снабжены большим количеством выводов,
они проще в управлении, но имеют более низкий КПД, чем биполярные.
Режим работы шагового двигателя определяется последовательностью
возбуждения обмоток статора. В простейшем, полношаговом, режиме рабо-
ты питание одновременно подается сразу на все обмотки только одной фазы.
Альтернативный вариант — одновременное возбуждение обмоток обеих фаз.
В последнем случае у шагового двигателя наблюдается заметно больший вра-
щающий и удерживающий моменты. Для двукратного увеличения углового
разрешения двигатель переводится в режим полушагового управления. В нем
поочередно возбуждаются обмотки то одной, то сразу обеих фаз.

122
Часть II. Конструкция электродвигателя
Последним в главе был рассмотрен микрошаговый режим работы. Он ха-
рактеризуется увеличенным числом уровней напряжения в синусоидальном
управляющем сигнале. В нем ротор двигателя поворачивается настолько кро-
шечными шагами, что возникает иллюзия непрерывности его вращения. Не-
смотря на востребованность шаговых двигателей с небольшим разрешением
по углу, в проектах, требующих высокой точности выполняемых действий,
лучше отказаться от использования шаговых двигателей в пользу сервопри-
водов. В следующей главе речь пойдет именно о них.

5
Сервоприводы
В этой главе мы сфокусируемся на втором типе двигателей,
обеспечивающих точный контроль над положением вала, — серво-
двигателях, или сервоприводах. В то время как шаговый двигатель
должен обеспечивать поворот вала на строго заданный угол и удер-
жание нового положения, сервоприводы могут работать в режиме
непрерывного вращения. При правильном управлении сервопри-
воды в состоянии выполнять те же задачи, что и шаговые двига-
тели. Наряду с этим сервоприводы позволяют поворачивать вал
на произвольный угол с произвольной скоростью и ускорением.
Способность к произвольному изменению рабочих характеристик
делает сервоприводы более функциональными, чем шаговые дви-
гатели.
Основной недостаток сервоприводов проявляется при их ис-
пользовании в реальных проектах. Управлять сервоприводами на-
много сложнее, чем любыми описанными ранее электродвигателя-
ми. Из предыдущей главы известно, что для управления шаговыми
двигателями достаточно подать на вход дискретную последователь-
ность прямоугольных импульсов. Управление сервоприводами не
столь прямолинейно. О том, как оно реализуется, мы и поговорим
далее.
Само название сервопривод ничего не говорит о конструкцион-
ных особенностях и принципах функционирования данного типа

124
Часть II. Конструкция электродвигателя
электродвигателей. Серводвигатели бывают коллекторными и вентильными,
постоянного и переменного тока. Фундаментальным же отличием от осталь-
ных электродвигателей является наличие у сервоприводов обратной связи,
которая позволяет контроллеру определять текущее положение (угол) и/или
скорость вращения вала. Управляющий сигнал формируется исходя из дан-
ных о текущем состоянии вала двигателя, полученных через обратную связь.
К сожалению, в любительском моделировании чаще всего применяются
серводвигатели без обратной связи. Их можно условно назвать любительски-
ми сервоприводами; они детально описаны в первой половине главы. В ней
также рассказывается о датчиках угла поворота (энкодерах), чаще всего при-
меняемых в системах управления для обеспечения обратной связи сервопри-
вода с контроллером.
Сервоприводы с полноценной обратной связью рассмотрены во второй
половине главы. Для создания контроллера сервоприводов необходимо обла-
дать обширными познаниями в области электронной техники и уметь выпол-
нять сложные математические вычисления.
Время и усилия, потраченные на изучение систем управления сервопри-
водами, с лихвой окупаются в будущем — несмотря на сложный математиче-
ский аппарат, лежащий в их основе, высокая точность выполняемых опера-
ций становится достойной наградой для любого моделиста.
5.1* Любительские сервоприводы
Согласно интернет-сайтам, торгующим оборудованием для любительско-
го моделирования, простые сервоприводы производят такие компании, как
Hitec, Fitec, Futaba и Tower Pro. Вполне возможно, что они выпускают и про-
мышленные сервоприводы, обеспеченные обратной связью, но мне они, к
сожалению, в продаже не встречались.
Большинство любительских сервоприводов заключено в корпус прямоу-
гольной формы. На рис. 5.1 показан сервопривод компании Fitec (созвучно
с FeeTech) с каталожным номером FS5106B.
Питание и управление сервоприводом, показанным на рис. 5.1, осущест-
вляются всего через три вывода. Его рабочие характеристики можно узнать из
технической документации.
■ Тип двигателя: коллекторный постоянного тока.
■ Входное напряжение: 4,8-6 В.
■ Удерживающий момент: от 0,49 Нм (4,8 В) до 0,59 Нм (6,0 В).

Глава 5. Сервоприводы
125
Рис. 5.1. Внешний вид сервопривода FS5106B компании Fitec
■ Частота вращения без нагрузки: от 55,5 об/мин (4,8 В) до 62,5 об/мин
(6 В).
■ Угол поворота: 180° ± 5°.
■ Длительность управляющих импульсов: 0,7—2,3 мс.
■ Среднее положение: 1,5 мс.
■ Минимальная длительность изменения импульса (порог нечувствительно-
сти): 0,005 мс.
Первые четыре параметра известны вам по предыдущим главам. Серво-
привод FS5106B основан на коллекторном двигателе, рассчитанном на на-
пряжение питания от 4,8 до 6,0 В. От точного значения напряжения питания
зависят вращающий момент и частота вращения вала.
Следующие четыре параметры вам не знакомы и требуют отдельного из-
учения. Они определяют действия, совершаемые сервоприводом, и характе-
ристики управляющего сигнала.
5.1.1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
В предыдущей главе упоминалось о том, что двигателями постоянного
тока можно управлять с помощью ШИМ-сигналов. В упрощенном понима-
нии ШИМ-сигнал представляется набором периодически повторяющихся
импульсов строго заданной длительности. Пример такого сигнала показан
на рис. 5.2.

126
Часть II. Конструкция электродвигателя
1,5мс , 20мс ,
Контроллер
Сервопривод
Рис. 5.2. Управляющий ШИМ-сигнал для любительского сервопривода
Согласно техническим характеристикам ротор сервопривода FS5106B по-
ворачивается только на угол 180°. Для обеспечения этой операции контрол-
лер подает на вход двигателя импульсы строго заданной длительности.
Во все той же технической документации указывается, что управляющие
импульсы должны иметь длительность от 0,7 до 2,3 мс. Среднее положение
вала сервопривода устанавливается при подаче на его вход управляющих им-
пульсов длительностью 1,5 мс, что проиллюстрировано на рис. 5.2. При этом
Ш ИМ-импульсы длительностью 0,7 мс заставляют повернуть вал на 180°
против часовой стрелки, а импульсы длительностью 2,3 мс обеспечивают его
поворот на такой же угол по часовой стрелке.
ПРИМЕЧАНИЕ
Временной интервал между отдельными импульсами управляющего сигна-
ла, поступающего на вход сервопривода, называется периодом. Чаще всего лю-
бительские сервоприводы рассчитаны на управление ШИМ-сигналом с перио-
дом 20 мс, что равно подаче 50 импульсов в секунду.
Теоретически вал сервопривода должен поворачиваться каждый раз, когда
меняется длительность управляющего импульса. Но на практике сервопри-
вод должен игнорировать небольшие изменения длительности импульса,
которые могут быть вызваны помехами. За это отвечает параметр "Мини-
мальная длительность изменения импульса (порог нечувствительности)",
который равен 0,005 мс для модели FS5106B. Таким образом, если изменение
импульса длится менее 0,005 мс, вал сервопривода не вращается.
После прекращения подачи питания вал сервопривода фиксируется в
последнем рабочем состоянии. При возобновлении электропитания конт-
роллеру совершенно ничего не известно об исходном положении вала серво-
привода. Именно поэтому вал большинства любительских сервоприводов
при подключении к источнику питания сразу же переводится в среднее
положение.

Глава 5. Сервоприводы
127
Проще всего проследить за работой сервоприводов при управлении с по-
мощью ШИМ-сигналов на реальных примерах. В главе 9 показано, как для
этих целей применяется плата Arduino, а из главы 10 вы узнаете о способах
управления сервоприводом из одноплатного компьютера Raspberry Pi.
5.1.2. Аналоговые и цифровые сервоприводы
Согласно спецификации сервопривод FS5106B является аналоговым, а
не цифровым устройством. С точки зрения контроллера управление анало-
говыми и цифровыми сервоприводами осуществляется одинаково. В обоих
случаях в качестве управляющего выступает ШИМ-сигнал. Отличие за-
ключается в способах обработки ШИМ-сигналов аналоговыми и цифро-
выми сервоприводами, что сказывается на способах подачи на них элек-
тропитания.
Когда аналоговый сервопривод получает управляющие импульсы от
контроллера, он усиливает их и подает в качестве питания на электродви-
гатель. Как только ротор фиксируется в заданном положении, подача элек-
тропитания на сервопривод прекращается. При получении через управляю-
щий вход импульса, длительность которого меньше минимально допусти-
мой (0,005 мс для двигателя FS5106B), питание на сервопривод не подается
вообще.
Питание цифровых сервоприводов осуществляется несколько иным спо-
собом. Сервопривод с цифровым управлением оснащается микроконтрол-
лером, в задачи которого входят обработка поступающих от внешнего конт-
роллера импульсов и подача импульсного питания на вход электродвигателя.
Наличие встроенного микроконтроллера предоставляет сервоприводу следу-
ющие важные преимущества.
■ Сниженная минимальная длительность импульса. Микроконтроллер по-
зволяет обрабатывать импульсы, длительность которых слишком мала
для управления аналоговыми сервоприводами.
■ Высокочастотный источник питания. Микроконтроллер генерирует уп-
равляющие импульсы с намного большей частотой, чем внешний
контроллер. Чувствительность цифрового сервопривода от этого силь-
но выигрывает.
■ Программируемое™. Рабочие характеристики цифрового сервопривода
можно изменять в широком диапазоне.

128
Часть II. Конструкция электродвигателя
Последняя особенность цифровых сервоприводов предоставляет пользо-
вателям невероятно широкие возможности. Производители цифровых сер-
воприводов снабжают их специальными программаторами, позволяющими
регулировать рабочие характеристики устройства. В частности, для регули-
ровки сервоприводов компании Hitec применяется программатор HFP-10,
обеспечивающий изменение следующих характеристик.
■ Направление вращения. По часовой стрелке или против.
■ Скорость вращения. Частота вращения вала (в оборотах в минуту).
■ Минимальная длительность импульса. Наименьшая длительность им-
пульса, все еще обрабатываемого микроконтроллером.
■ Угол поворота по часовой стрелке или против. Максимальный угол пово-
рота в каждом из двух направлений.
■ Режим отказоустойчивости. Поведение сервопривода при обрыве соеди-
нения с внешним контроллером.
Не стоит думать, что аналоговые сервоприводы полностью уступают паль-
му первенства своим цифровым собратьям. Последние также не лишены не-
достатков, основной из которых — это, конечно же, стоимость. Аналоговый
сервопривод вдвое дешевле цифрового. К тому же цифровой сервопривод
потребляет большую мощность, поскольку часть ее уходит на питание встро-
енного микроконтроллера.
В некоторых случаях одно из преимуществ цифровых сервоприводов ста-
новится причиной частых сбоев. Речь идет о минимальной длительности
управляющего импульса, которая у цифровых сервоприводов существенно
меньше, чем у аналоговых. Короткие импульсы сигналов часто теряются
в "электрически" зашумленных средах, что нередко приводит к сбоям в ра-
боте цифровых сервоприводов. Наличие программатора позволяет исправить
ситуацию и подобрать минимальную длительность управляющего импульса
так, чтобы устранить данный недостаток.
5.1.3. Датчик угла поворота (энкодер)
Чтобы создать на основе любительского сервопривода устройство, обла-
дающее функциями полноценного серводвигателя, его нужно снабдить сис-
темой определения текущего положения вала. В сервоприводах эта задача
возложена на кодовые датчики угла поворота (энкодеры), Промышленно
выпускается большое количество самых разных датчиков угла поворота, но
в сервоприводах используются только два типа.

Глава 5. Сервоприводы
129
■ Оптический. Регистрирует прохождение светового луча через специаль-
ные круглые шаблоны, снабженные оптическим растром.
■ Магнитный. Регистрирует прохождение поблизости магнитных по-
люсов.
Ниже приведено детальное описание датчиков угла поворота обоих типов.
Оптический датчик угла поворота
Это один из простейших и наиболее распространенных датчиков угла по-
ворота, которыми оснащаются сервоприводы. Его действие основано на ре-
гистрации светового луча, проходящего через специальный закрепленный
на валу электродвигателя диск, состоящий из непрозрачных и прозрачных
областей.
С одной стороны диска помещается источник света, который формиру-
ет световой луч, направленный на диск. Прохождение светового луча через
прозрачные области диска фиксируется оптическим датчиком, находящимся
на противоположной его стороне. Сведения о прохождении или непрохожде-
нии светового луча через диск в каждый отдельно рассматриваемый момент
времени передаются микроконтроллеру: высокий уровень сигнала (1) соот-
ветствует прохождению светового луча, а низкий уровень сигнала (0) указы-
вает на его отсутствие на оптическом датчике.
Существуют всего два шаблона дисков, применяемых в оптических датчи-
ках угла поворота. Они представлены на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Диски с оптическим растром (прозрачными и непрозрачными
областями), применяемые в датчиках угла поворота: инкрементальном
(накапливающем) и абсолютном

130
Часть II. Конструкция электродвигателя
Слева на рис. 5.3 изображен диск, состоящий из чередующихся прозрач-
ных и непрозрачных областей. Как только вал двигателя поворачивается,
микроконтроллер начинает регистрировать время между "срабатываниями"
оптического датчика. Чем быстрее вращается вал сервопривода, тем чаще
оптический датчик подает микроконтроллеру сигнал высокого уровня. По-
скольку в данном типе датчиков регистрируется скорость вращения, а не по-
ложение вала, он получил название инкрементального или накапливающего
датчика угла поворота.
В отличие от первого варианта оптический датчик с диском, показанным
справа на рис. 5.3, позволяет определить не только скорость вращения вала,
но и его абсолютное положение. Именно поэтому он называется абсолют-
ным датчиком угла поворота. В данном случае несколько световых лучей
направляются вдоль радиальных оптических растров, поэтому микроконт-
роллеру одновременно передается сразу несколько сигналов. Сложный ша-
блон рисунка прозрачных и непрозрачных областей, а также одновременное
применение нескольких оптических датчиков позволяет микроконтроллеру
точно определять положение вала электродвигателя в любой произвольный
момент времени.
Магнитный датчик угла поворота
В то время как оптические датчики угла поворота остаются наиболее
распространенными, магнитные датчики обладают большей разрешающей
способностью и надежностью. Они позволяют регистрировать изменения в
магнитном поле, создаваемые проходящими поблизости магнитными полю-
сами вращающегося ротора. Как только вал сервопривода поворачивается,
магнитный датчик регистрирует, насколько изменилось магнитное поле по-
близости него, что позволяет с высокой точностью определить угол поворо-
та ротора.
Компанией Austria Microsystems выпускается целое семейство интеграль-
ных микросхем, позволяющих с высокой точностью определить степень из-
менения напряженности расположенного поблизости магнитного поля. На-
пример, в микросхему AS5145 интегрировано несколько магнитных датчиков
на эффекте Холла, а также схема обработки поступающих от них сигналов.
Согласно технической документации к данной микросхеме, она обеспечива-
ет угловое разрешение 0,0879°. Высокая точность достригается за счет пере-
дачи данных от датчика угла поворота через последовательное соединение,
а также за счет управления сервоприводом с помощью ШИМ-сигнала.

Глава 5. Сервоприводы
131
5.2. Управление сервоприводом
В предыдущей главе вы имели возможность ознакомиться с устройством
и принципами функционирования шаговых двигателей. Как вы помните,
ротор шагового двигателя поворачивается на строго заданный угол и фик-
сируется в новом положении до получения нового управляющего импульса.
Если отследить изменение угла поворота вала от начального положения О;
до конечного вгв реальном шаговом двигателе, то можно получить график,
подобный показанному на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Изменение угла поворота вала реального шагового двигателя
Легко заметить, что вал двигателя не фиксируется в новом положении
сразу же, а колеблется относительно него в течение некоторого времени до
полного останова. Поворот вала в любительских сервоприводах выполняется
таким же образом. Разумеется, применять такие электродвигатели в радио-
управляемых моделях самолетов и ЗЭ-принтерах весьма проблематично.
Если ваши проекты требуют высокой точности выполнения операций, ха-
рактерных, например, для медицинской робототехники, то вообще откажи-
тесь от использования шаговых двигателей. Всегда неплохо перед тем, как
приступить к управлению электродвигателем, узнать, как он ведет себя в са-
мых разных рабочих условиях и режимах. В частности, контроллеру нужно
обеспечивать стабильную скорость вращения ротора даже в случае постоян-
ного изменения нагрузки на валу.
Цель теории управления — сделать возможным построение систем мак-
симально точного управления промышленными сервоприводами. Конечно,

132
Часть II. Конструкция электродвигателя
объем математических вычислений, проводимых на этапе проектирования
каждой отдельно взятой модели сервопривода, несравнимо больше приве-
денного ниже, но общая концепция сохраняется. В следующих разделах
содержится только краткий обзор математических зависимостей, которые
применяются при разработке систем управления сервоприводами.
ПРИМЕЧАНИЕ
Последующие разделы содержат описание математических теорий и слож-
ные математические вычисления. Они непростые для восприятия рядовыми
моделистами и совсем не обязательны для рассмотрения. Не огорчайтесь, если
материал главы окажется для вас непонятным. Из него вам достаточно понять
общие принципы управления сервоприводами, оснащенными обратной связью.
5.2.1. Замкнутая и разомкнутая системы управления
Получая сведения об угле поворота через обратную связь в течение все-
го времени работы сервопривода, контроллер предельно точно определяет
ускорение и скорость вращения вала двигателя. Как только в работе двигате-
ля наблюдаются отклонения от нормы, контроллер изменяет управляющий
сигнал таким образом, чтобы устранить возникшие неточности.
Обмен данными между контроллером, системой обратной связи и серво-
приводом выполняется циклически. В сервоприводах без обратной связи ци-
кличность обмена данными не наблюдается. Если взглянуть на рис. 5.5, то
несложно понять, почему системы управления с обратной связью называют-
ся замкнутыми, а системы управления, не оснащенные обратной связью, —
разомкнутыми.
Управление без обратной связи
ua(t)
Контроллер
Сервопривод
t
Управление с обратной связью
-—*
Контроллер
Сервопривод
Рис. 5.5. Разомкнутая и замкнутая системы управления сервоприводом

Глава 5. Сервоприводы
133
Чтобы математически описать работу замкнутой системы управления, не-
обходимо представить каждый из сигналов, поступающих на сервопривод,
в виде временной функции. Воспользуемся для этого следующей системой
обозначений.
■ 0(0* Угол, указывающий на текущее положение вала сервопривода.
■ r(t). Угол, на который требуется повернуть вал сервопривода.
■ e(t). Отклонение (ошибка) текущего угла поворота двигателя от требуе-
мого угла поворота.
■ ua(t). Управляющий сигнал (напряжение), подаваемый контроллером.
Управляющий сигнал ua(t)9 поступающий с контроллера на серводвига-
тель, изменяется во времени. Нам нужно определить, как он зависит от от-
клонения^/).
Для простоты восприятия дальнейшего материала представьте себе яхту
с полностью автоматизированной системой управления. Текущий курс яхты
определяется компьютером, который в режиме реального времени обрабаты-
вает сведения, поступающие от датчиков расстояния и позиционирования, а
также информацией, запрашиваемой на "погодном" сервере. Для изменения
курса яхты компьютер рассчитывает угол поворота r(t) и передает его конт-
роллеру сервопривода, поворачивающего руль. Получив данные от компью-
тера (г(0), контроллер подает на сервопривод сигнал ua(t), определяющий
новое положение руля.
Если ветер дует не по курсу, то отклонение e(t) составляет разницу между
r(t) и 6(t). Вычислив его, контроллер корректирует управляющий сигнал ua(t)
так, чтобы лечь на исходно заданный курс. Основная трудность в подобной
системе управления заключается в вычислении исправленного управляюще-
го сигнала ua(t), учитывающего текущее отклонение.
5.2.2. Математическая модель системы управления
сервоприводом
На первом этапе построения системы управления сервоприводом нуж-
но определиться с математической моделью, описывающей поведение вала
сервопривода. В частности, она должна показывать, как угол поворота вала
зависит от напряжения управляющего сигнала, подаваемого контроллером.
При определении указанной зависимости нужно принимать к сведению
физические ограничения рассматриваемой системы, изложенные в главе 2.

134
Часть II. Конструкция электродвигателя
В электрической схеме замещения любого электродвигателя имеется сопро-
тивление ротора Ra, как показано на рис. 5.6.
*-.
■Щ^ nrv^° 1
Двигатель
Рис. 5.6. Электрическая схема замещения электродвига-
теля, применяемая в модели управления сервоприводом
Если ia — это ток, проходящий через обмотки возбуждения ротора, то на
них падает напряжение, рассчитываемое как Raia. Подобным образом для
вычисления напряжения, падающего на индуктивности La, нужно умножить
ее на производную тока ia по времени. Учитывая наличие у ротора противо-
ЭДС (обозначенной как иь), суммарное падение напряжения на нем рассчи-
тывается по следующей формуле:
и =
а
i+uh
а а о
Помимо падения напряжения нужно определить зависимость вращаю-
щего момента от угла поворота вала сервопривода. Обладая моментом инер-
ции /, вал сервопривода испытывает сопротивление со стороны силы трения,
представленной коэффициентом В. Полный вращающий момент вала (т)
с учетом всех действующих на него сил вычисляется по такой формуле:
r d2e D йв
dt2 dt
С другой стороны, вращающий момент зависит от тока, протекающего
через обмотки возбуждения, что математически представляется формулой
x = Ktia. В свою очередь, зависимость угла поворота вала от противоЭДС
можно представить формулой иъ = Kv(d6/dt)9 детально описанной в главе 2.
Совместив все приведенные выше формулы, мы получим сложное диффе-
ренциальное уравнение, определяющее зависимость управляющего напря-

Глава 5. Сервоприводы
135
жения иа от угла поворота вала 0. Разумеется, оно трудное для понимания
и решения каждому, кто не окончил с отличием курс высшей математики.
Чтобы упростить задачу, разработчики системы управления сервоприводами
применяют преобразование Лапласа.
5.2.3. Преобразование Лапласа
Преобразование Лапласа упрощает вычисления, выполняемые согласно
сложным математическим формулам, подобным описанной в предыдущем
разделе. С его помощью дифференциальные, интегральные и экспоненциаль-
ные выражения преобразуются в систему алгебраических уравнений, решае-
мых совместно. Для полного понимания принципов выполнения операций
в рамках преобразования Лапласа нужны предметные знания математическо-
го анализа, но в нашем случае они не потребуются. На данном этапе доста-
точно знать, что в рамках преобразования Лапласа вычисления выполняются
в три этапа.
1. Сложные математические уравнения преобразуются в простые алге-
браические зависимости от комплексной переменной s. Эта задача на-
зывается прямым преобразованием Лапласа и обозначается как /,{}.
2. Полученные простые уравнения решаются согласно правилам ал-
гебры.
3. Полученное решение преобразуется обратно в функцию веществен-
ной переменной. Обратное преобразование Лапласа обозначается
как!"1!}.
Давайте рассмотрим, как выглядит преобразование Лапласа на конкрет-
ном примере. Изучим зависимость утла поворота в от времени t, представлен-
ную следующим дифференциальным уравнением:
Прямое решение данного уравнения связано с целым рядом трудностей.
Но преобразование Лапласа сильно упрощает задачу. На первом этапе реше-
ния необходимо обратиться к трем базовым свойствам преобразования Лап-
ласа. Обратите внимание на то, что в начальных условиях 0(0) представляет
константу.

136
Часть II. Конструкция электродвигателя
Подставив эти выражения в исходное уравнение, мы получим зависимость
от комплексной переменной s.
sL{e(t)}-0(O)-4L{e(t)} = \
Приведем уравнение к общему знаменателю, вычленив в нем L{9(t)}. Пре-
образование Лапласа принимает такой конечный вид:
1
5-4
Для упрощения полученного выше выражения разложим его на простей-
шие дроби.
. 0(0)+
1 v n 4s2 16s
\ +
4s2 16s s-4
На этом заканчивается второй этап преобразования Лапласа. Нам осталось
провести обратное преобразование, от комплексной переменной s к действи-
тельной переменной t. Оно выполняется так, как показано ниже.
Ly{L{9{t)}} = 9{t)
t_
"4
J_
16
L'U
в(0)+
16
5-4

Глава 5. Сервоприводы
137
Сведение воедино указанной выше системы уравнений позволяет пред-
ставить конечный результат всего одной формулой:
4 16
Не так уж и сложно, не правда ли? Самая сложная часть состоит в прео-
бразовании оригинала функции для действительной переменной t в функцию
комплексной переменной s (изображение) и обратно. К счастью, математики
свели правила прямого и обратного преобразований Лапласа для большин-
ства математических функций в специальные таблицы. Простейшие из них
приведены в табл. 5.1, хотя их, конечно же, намного больше.
Таблица 5.1. Преобразования Лапласа
Оригинал
1
tn
i
ent
sin(at)
cos(at)
*"(')
dt
\f{r)dy
0
Изображение
1
s
y + l
1
s-a
a
s2 + a2
s
s2+a2
sL{f(t)}-f(0)
s
Ниже приведено несколько примеров применения преобразования Лап-
ласа.
■ Оригинал f(t) = e5t -ь 1 имеет изображение L{f(t)} = 1/(5-5) + 1/у.
■ Оригинал /(0 = sin(20 + t3 имеет изображение L{f(t)} = 2/(s2 + 4) +
+ 6А4.
■ Изображение L{f(t)} = s/(s2 + 9) представляет оригинал /(/) = cos(3/).

138
Часть II. Конструкция электродвигателя
Изображение L{f(t)} = sL{g(t)} — g(0) представляет оригинал /(/) =
На первый взгляд, идея решения сложных уравнений через их приведе-
ние к другому виду может показаться странной. Тем не менее преобразование
Лапласа оказывается незаменимым при разработке систем управления в са-
мых разных инженерных проектах. Чаще всего в технической документации
не содержится сведений об оригиналах для действительной переменной, а
описываются исключительно изображения комплексной переменной.
5.2.4. Блок-схемы и функции передачи
Диаграммы, приведенные на рис. 5.5, называются блок-схемами и пред-
ставляют структуру системы управления сервоприводом. Стрелками на блок-
схеме указывается направление подачи управляющего сигнала или измене-
ния физической величины, такой как электрическое напряжение или угол
поворота вала. Каждый блок представляет устройство преобразования при-
нимаемого им входного сигнала и формирования некого выходного сигнала.
Для преобразования входного сигнала в выходной каждым из устройств
(блоков) применяется специальная функция передани. Если не задано другое,
функция всего лишь указывает усиление входящего сигнала. Например, если
функция передачи для некоего блока представлена числом 3, то это значит,
что выходной сигнал представляется входным сигналом, усиленным втрое.
В общем случае зависимость выходного сигнала Y(s) от входного сигнала
X(s) представляется как Y(s)/X(s). Для серводвигателей, в которых входной
сигнал представляется функцией Ua(s), а выходной — функцией 0(s), функ-
ция передачи выражается зависимостью 6(s)/Ua(s).
Изучение функций передачи проще всего начать с замкнутых систем уп-
равления. На рис. 5.7 показана блок-схема простейшей замкнутой системы
управления сервоприводом, в которой применяются всего две функции пе-
редачи: G(s) и H(s).
+ A(s)
X(s)—ЮГ"►
B(s)
Рис. 5.7. Функции передачи в замкнутой системе управления
На представленной выше диаграмме показано, что входной сигнал A(s)
первого блока преобразуется с помощью функции передачи G(s) в выходной

Глава 5. Сервоприводы
139
сигнал B(s). Математически эта операция записывается как G(s) = A(s)/B(s).
Подобным образом действует и функция передачи #(s) для второго блока, но
только для своих входного и выходного сигналов. Таким образом, для сис-
темы с известными функциями передачи G(s) и H(s) обоих блоков, входном
сигнале X(s) и выходном сигнале Y(s) суммарная функция передачи Y(s)/X(s)
вычисляется следующим образом.
Y(s) = H(s)B(s) = H(s)G(s)A(s)
Подставляя второе выражение в первое, легко получить следующий ре-
зультат.
Y(s) = H(S)G(s)[X(s)-Y(s)]
Y (s)[l+H(s)G(s)] = H(s)G(s)X(s)
Для получения функции передачи системы необходимо разделить обе час-
ти последнего уравнения на X(s) и на выражение 1 + H(s)G(s).
r(s)= H(s)G(s)
X(s) l+H(s)G(s)
Такая функция передачи справедлива, если условно представить блок-схе-
му замкнутой системы всего одним блоком.
5.2.5- Функция передачи сервопривода
Конечная цель приведенных выше теоретических сведений о преобразо-
вании Лапласа и функциях передачи состоит в расчете последней для сер-
вопривода. Несложно догадаться, что математически она представлена зави-
симостью 6(s)/Ua(s), где 0(s) — угол поворота вала, a Ua(s) — управляющий
сигнал (напряжение).
Чтобы получить функцию передачи для сервопривода, сначала необходи-
мо вспомнить все уже известные нам закономерности, описывающие работу
сервопривода. Ранее вы познакомились с уравнениями, определяющими ве-
личины иа и т. Связь между силой тока в обмотках возбуждения и вращаю-
щим моментом, а также скоростью вращения и напряжением питания была
описана в главе 2. Таким образом, работа серводвигателя описывается сразу
четырьмя уравнениями, приведенными ниже.

140
Часть II. Конструкция электродвигателя
. din - .
1. и =L
а а
2. r-
dt2
3. r = Ktia
4. — = K u.
dt v *
Воспользовавшись преобразованием Лапласа, данную систему уравнений
можно привести к более простому виду. В начальной точке все рассматривае-
мые характеристики имеют нулевые значения.
1. Ua(s) = sLaIa(s)+RaIa(s)+Ub(s)
2. t(s) = s2JO(s)+sB0(s)
3. r(j) = *,/,(*)
4. se{s) = KvUb{s)
Проведя все необходимые алгебраические преобразования, можно полу-
чить уравнение зависимости Ua(s) от 0(s) или, другими словами, определить
связь между углом поворота вала сервопривода и напряжением на обмотках
ротора. Конечное уравнение принимает следующий вид:
Мы получили крайне важный результат, позволяющий предельно точно
проследить за изменением угла поворота вала сервопривода при подаче на
него другого сигнала. Для получения точного значения угла поворота доста-
точно умножить данную функцию передачи на функцию изменения напря-
жения питания (преобразованную в вид комплексной переменной, конечно).
О практическом применении только что полученной функции передачи рас-
сказывается в следующем разделе.
5.3. ПИД-управление
Получив функцию передачи для сервопривода, нам остается решить
еще одну задачу, а именно: рассчитать функцию передачи для контроллера.

Глава 5. Сервоприводы
141
Контроллер, расположенный на блок-схеме перед сервоприводом, преобра-
зует управляющий сигнал E(s) в сигнал питания сервопривода Ua(s). В ре-
зультате замкнутую систему управления можно представить блок-схемой,
показанной на рис. 5.8. Согласно ей функция передачи контроллера обо-
значается как C(s), а функция передачи сервопривода — как M(s).
Контроллер
Двигатель
R(s)
E(s)
С{$)
Ua(s)
M(s)
Рис. 5.8. Замкнутая система управления сервоприводом
Как известно в общем случае функция передачи для замкнутых систем
управления описывается уравнением G(s)H(s)/(l + G(s)H(s)). Исходя из него,
функция передачи для замкнутой системы управления, представленной
блок-схемой из рис. 5.8, принимает следующий вид:
0(s) = C(s)M(s)
R(s) " l+C(s)M(s)
Подставив в нее функцию передачи сервопривода, полученную в преды-
дущем разделе, мы получим следующее выражение:
C(s)ijLas3+(JRa+BLa)s2 JjL
Функция C(s) описывает поведение контроллера, определяемое самыми
разными методами. Для описания поведения контроллера сервоприводов
обычно применяется метод пропорционально-интегрально-дифференциаль-
ного управления (ПИД-управления). Согласно ему изменение выходного
сигнала контроллера во времени описывается следующим уравнением:
о
Легко заметить, что управляющий сигнал состоит из трех частей, каждая
из которых представлена отдельным коэффициентом.
■ Кр9 пропорциональная составляющая. Указывает реакцию контроллера
на отклонение сигнала от заданного значения.

142
Часть II. Конструкция электродвигателя
■ Кр интегральная составляющая. Позволяет устранить отклонение сиг-
нала, вызванное существованием статической ошибки, возникающей
со временем.
■ K^ дифференциальная составляющая. Определяет противодействие
контроллера прогнозируемому отклонению сигнала, вызванному
внешними возмущениями.
Таким образом, коэффициент Кр определяет текущее отклонение сигнала,
коэффициент К} указывает на отклонение сигнала в прошлом, а коэффици-
ент Кд устанавливает будущее его отклонение. Комбинируя эти три составля-
ющие, можно заставить контроллер изменять поведение сервопривода про-
извольным образом.
Уравнение для функции c(t) с помощью преобразования Лапласа мож-
но привести к виду c(s), воспользовавшись данными табл. 5.1, как показано
ниже.
Общая блок-схема, иллюстрирующая работу ПИД-контроллера, изобра-
жена на рис. 5.9.
JLjfi + (JK + BLJ*+{Kt/Kv+RJS)s
0(s)
Рис. 5.9. Схема расчета функции передачи для замкнутых систем управления,
оснащенных ПИД-контроллером
Подставив только что полученное уравнение в выражение, описывающее
функцию передачи, получим такой результат:
R(s)
кр +^-
+(JRa +BLa )s2 +
Kp +^-
s
+(JRa +BLa)s2
+1

Глава 5. Сервоприводы
143
При правильном подборе коэффициентов Кр^ Kt и Kd сервопривод будет
работать с завидной точностью. Выполнению этой непростой задачи посвя-
щено большое количество исследований, и разработано бесчисленное коли-
чество методик, рассмотрение которых выходит за рамки книги.
5*4* Резюме
Производители ЗБ-принтеров выпускают одну и ту же продукцию двух
разных уровней качества. В бюджетных моделях подвижный механизм осна-
щается дешевыми шаговыми двигателями, обеспечивающими высокую точ-
ность, но низкую скорость выполнения операций. В дорогих ЗБ-принтерах
премиального сегмента вместо шаговых двигателей применяются сервопри-
воды, скорость работы которых существенно выше, поскольку их вал вра-
щается не дискретно, а непрерывно. Несмотря на заметные преимущества
сервоприводов перед шаговыми двигателями, наличие обратной связи делает
управление ими несравненно более сложным занятием.
В любительском моделировании применяются сервоприводы без обрат-
ной связи. Любительский сервопривод представляет собой обычный элек-
тродвигатель постоянного тока, управляемый с помощью ШИМ-сигналов.
Такие сервоприводы выпускаются в двух вариантах: аналоговые и цифровые.
Цифровые любительские сервоприводы оснащены микроконтроллером,
который обрабатывает управляющие сигналы, поступающие от внешнего
контроллера, и формирует импульсный сигнал, подаваемый на вход элек-
тродвигателя постоянного тока. К преимуществам цифрового сервопривода
относят высокую чувствительность, большой вращающий момент и возмож-
ность программирования.
В сервопривод можно превратить любой электродвигатель, оснастив его
кодовым датчиком угла поворота, предоставляющим контроллеру данные о
текущем угле поворота вала. Чаще всего в сервоприводах применяются оп-
тические датчики угла поворота, в которых положение вала определяется по
прохождению луча света через специальный оптический растр, который на-
несен на круглый диск, смонтированный на валу двигателя. В зависимости
от оптического растра датчики угла поворота делятся на абсолютные (опре-
деляют как скорость вращения, так и положение вала) и инкрементальные
(определяют только скорость вращения вала).
Управление промышленными сервоприводами представляет собой непро-
стую задачу, требующую выполнения сложных вычислений, в основе которых
лежит метод преобразования Лапласа. Несмотря на кажущуюся сложность,
он позволяет свести сложные математические вычисления к решению сие-

144
Часть II. Конструкция электродвигателя
темы простых алгебраических уравнений. Преобразование Лапласа приме-
няется при построении систем управления любыми электромеханическими
системами, в число которых входят и электродвигатели.
Чаще других для управления сервоприводами применяются ПИД-регуля-
торы, которые генерируют управляющий сигнал, состоящий из трех слагае-
мых. ПИД-управление учитывает все возможные отклонения, обеспечивая
высокую точность формирования управляющего сигнала. Пропорциональ-
ная составляющая учитывает разность текущего сигнала с сигналом обратной
связи. Интегральная составляющая призвана компенсировать накопленное
в прошлом отклонение, а дифференциальная составляющая отвечает за пре-
одоление отклонений, возникающих в будущем. На настройку ПИД-конт-
роллеров уходит много времени и усилий, но по ее завершении сервопривод
работает с высокой скоростью и точностью.

6
Электродвигатели
переменного тока
В то время как двигатели постоянного тока применяются пре-
имущественно в радиоуправляемых моделях и робототехнических
устройствах, двигатели переменного тока чрезвычайно широко
распространены в бытовой технике и промышленном оборудо-
вании. В этом нет ничего удивительного, ведь к жилым домам и
промышленным предприятиям подводятся линии электропитания
переменного тока. Как следствие, любой бытовой прибор, подклю-
чаемый к розетке на стене, будь то фен или стиральная машина,
оборудован двигателем переменного тока.
В этой главе описаны двигатели переменного тока всех основ-
ных типов, а также рассмотрены их преимущества и недостатки.
Практическое использование устройств, получающих питание
от источников переменного тока, началось очень давно (первые
образцы двигателей переменного тока разработаны еще в 1880 го-
ду). Вполне закономерно, что на сегодняшний день промыш-
ленным образом выпускается огромное количество двигателей
переменного тока самых разных типов. Они классифицируются
согласно нескольким основным критериям, но мы будем придер-
живаться только двух из них.

146
Часть И. Конструкция электродвигателя
■ Однофазные/многофазные. Тип двигателя определяется способом полу-
чения электропитания.
■ Синхронные/асинхронные. Тип двигателя зависит от взаимосвязи часто-
ты вращения вала двигателя и частоты тока электропитания.
Сначала мы рассмотрим многофазные электродвигатели переменного
тока и только после этого перейдем к изучению однофазных электрических
машин. В конце главы вы ознакомитесь с особенностями функционирова-
ния систем управления двигателями переменного тока и узнаете о существо-
вании еще одного необычайно интересного типа устройств: универсальных
электродвигателей.
Перед тем как перейти к описанию конструкции двигателей переменно-
го тока, хотелось бы напомнить о свойствах и особенностях использования
источников питания переменного тока. Понимание принципов функциони-
рования электродвигателей неразрывно связано со знаниями, полученными
при изучении теории переменного тока.
6.1. Переменный ток
Основное различие двигателей переменного и постоянного тока заключа-
ется в типе электропитания. На вход двигателя переменного тока подается
электрический ток, изменяющийся по синусоидальному закону. Источники
переменного тока обладают целым рядом преимуществ перед источниками
постоянного тока. Главное из них — возможность изменения (как повыше-
ния, так и понижения) напряжения электропитания с помощью трансфор-
маторов, что позволяет передавать электрический ток на большие расстоя-
ния. Всем известно, что магистральные линии электропередач находятся под
высоким напряжением, но по ним протекают относительно небольшие токи.
Это делается для того, чтобы свести к минимуму потери электроэнергии, ко-
торые, как известно, рассчитываются по формуле I2R.
6.1.1. Однофазное электропитание
В жилые помещения подается преимущественно однофазное электропи-
тание. В подобном случае электрический ток и напряжение в проводах, про-
ложенных по дому, изменяются по синусоидальному закону, как показано на
рис. 6.1.
Как видно из рис. 6.1, при частоте сигнала, обозначенной символом/,
цикл изменения напряжения длится l/f секунд. В США и Канаде частота си-
нусоидального сигнала в бытовой электрической сети составляет 60 Гц при

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
147
амплитуде 168 В, что соответствует среднеквадратическому значению 120 В.
В европейских странах электрический ток подается в виде синусоидального
сигнала с частотой 50 Гц при среднеквадратической амплитуде 230-250 В.
Рис. 6.1. Сигнал на выходе однофазного источника питания
6.1.2. Трехфазное электропитание
Однофазное электропитание прекрасно подходит для подачи тока в жи-
лые и бытовые помещения, но его мощности явно недостаточно для обес-
печения работоспособности промышленного оборудования. Для снабжения
электроэнергией фабрик и заводов применяется трехфазная схема подачи
электрического тока. На рис. 6.2 показано, что в трехфазном электропитании
синусоидальный электрический ток подается сразу через три линии (фазы),
обозначенные как А (сплошная линия), В (пунктирная линия) и С (точечная
линия).
\ /
Рис. 6.2. Сигнал на выходе трехфазного источника питания

148
Часть II. Конструкция электродвигателя
При подборе двигателя переменного тока всегда нужно знать о способе его
электропитания. В большинстве промышленных моделей применяется трех-
фазная схема питания, хотя до сих пор распространены и однофазные модели
электродвигателей. Если на таковые подать трехфазное питание, то они га-
рантированно выйдут из строя.
Сразу оговоримся, что, занимаясь моделированием, стоит ориентировать-
ся исключительно на однофазные двигатели переменного тока, поскольку
они запитываются напрямую от бытовой электрической сети, чего не ска-
жешь о трехфазных устройствах.
6.2* Многофазный электродвигатель
На многофазных электродвигателях без преуменьшения держится про-
мышленное производство. Подъемные краны, электровозы и даже карьерное
оборудование приводятся в движение огромными многофазными двигателя-
ми. Промышленные электродвигатели имеют самое разнообразное назначе-
ние, а потому выпускаются во многих модификациях и с разными рабочими
характеристиками. Несмотря на это они имеют схожее устройство и состоят
из набора подобных конструктивных элементов.
Статор многофазного электродвигателя снабжен обмотками (электромаг-
нитами), задача которых заключается в формировании вращающегося маг-
нитного поля, вслед за которым движется ротор двигателя. Чтобы понять,
как работает многофазный электродвигатель переменного тока, нужно про-
следить за движением магнитного поля внутри него и понять, что влияет на
скорость вращения ротора.
6.2.1. Статор
Из главы 1 известно, что любой электродвигатель состоит из двух основ-
ных конструктивных элементов: статора (неподвижная часть) и ротора (вра-
щающаяся часть). В электродвигателях переменного тока конструкция рото-
ра обусловливается в первую очередь его типом. Легко заметить, что ротор
асинхронного двигателя сильно отличается от ротора синхронного двигателя
с постоянными магнитами.
Несмотря на заметные различия в роторах, конструкция статора одина-
кова у двигателей переменного тока всех типов. Электрический ток всегда
подается на обмотки статора, равно как и ротор всегда располагается внутри
статора.

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
149
У многофазного двигателя обмотки статора объединены в несколько раз-
ных схем, питание каждой из которых осуществляется от своей фазы. Источ-
ник питания должен обеспечивать подачу электрического тока на все фазы
статора двигателя. Схематически статор трехфазного электродвигателя пере-
менного тока показан на рис. 6.3.
А
З1
Рис. 6.3. Конструкция двухполюсного статора трехфазного
двигателя переменного тока
Несмотря на то что на рис. 6.3 не показано, как обмотки статора объеди-
нены в разные фазы, несложно догадаться, что общее питание получают об-
мотки А и А1, В и В1, а также С и С. Количество обмоток возбуждения в одной
фазе определяет количество полюсов двигателя. Их всегда парное количест-
во. В нашем случае шесть обмоток разделены на три фазы, поэтому всего по-
люсов у электродвигателя два (6/3 = 2).
6.2.2. Вращение магнитного поля
На каждую фазу двигателя (А/А1, В/В1 и С/С) подается отдельная фаза
электропитания (А, В и С). В примере, проиллюстрированном на рис. 6.3,
угол разделения фаз составляет 120°. Сигналы всех трех фаз, показанные на
рис. 6.2, также разнесены во времени на 120°. Это не случайное совпадение —
только совмещение правильного расположения обмоток статора и сдвига фаз

150
Часть II. Конструкция электродвигателя
электропитания обеспечивает образование внутри двигателя вращающегося
магнитного поля.
ПРИМЕЧАНИЕ
Далее мы детально остановимся на рассмотрении принципов образования
вращающегося магнитного поля внутри статора. От вас не требуется понимания
всех тонкостей физических процессов, происходящих внутри двигателя. Доста-
точно знать, что у многофазного двигателя при подаче питания внутри возни-
кает непрерывно вращающееся магнитное поле.
Работоспособность многофазного двигателя поддерживается исключи-
тельно благодаря вращению магнитного поля внутри статора. Чтобы понять,
как оно образуется, требуется разобраться в процессах, происходящих при
подаче питания на обмотки возбуждения статора. На рис. 6.4 показан пол-
ный цикл питания трехфазного электродвигателя, ключевые точки которого
обозначены временными метками /0, ^, /2 и 'з*
t=t(
Рис. 6.4. Полный цикл питания трехфазного электродвигателя
Магнитное поле, возбуждаемое обмотками статора, пропорционально
силе тока в них, а потому и напряжению питания для каждой из фаз. Мож-
но смело утверждать, что общая направленность магнитного поля зависит от
взаимного соотношения фазовых сигналов, подаваемых на обмотки в каж-
дый отдельно рассматриваемый момент времени.
Чтобы определить направление магнитного поля во временных точках /q,
'i> h и Ч-> необходимо знать напряжение питания в каждой из них для всех

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
151
трех фаз. Результаты измерений для сигнала с максимальным уровнем 1В
сведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1. Напряжение питания в контрольных временнь/х точках
для трехфазного двигателя
ABC
_ _.
tx 0,738
t2 -0,762
h -0,738
0,952
0,357
0,952
0,381
0,286
-0,976
-0,310
1,0
Чтобы определить направление суммарного магнитного поля статора в
каждой из временнь/х точек, сначала необходимо представить магнитные
поля каждой из обмоток статора в векторном виде. В таком представлении
направление векторов определяется ориентацией соответствующих обмоток
или углом сдвига фаз (0° для фазы А, 120° для фазы В и 240° для фазы С). Дли-
на вектора соответствует напряжению питания на каждой из обмоток. Сум-
марное магнитное поле определяется как сумма трех исходных векторов. На
рис. 6.5 показан результат, вычисленный для всех оговоренных выше конт-
рольных временнь/х точек.
Рис. 6.5. Магнитное поле статора во временнь/х точках tg, tb t2 и t3
Магнитные поля отдельных фаз показаны тонкими черными стрелками,
а общее магнитное поле статора — широкой более светлой стрелкой. После-
довательность сложения векторов определяется порядком расположения
стрелок (вектор В начинается там, где заканчивается стрелка вектора А, а
вектор С начинается в конце вектора В).
На рис. 6.6 показано, как изменяется во времени магнитное поле двухпо-
люсного трехфазного двигателя переменного тока, рассмотренного ранее на
рис. 6.3. И хотя направление общего магнитного поля непрерывно изменяет-

152
Часть II. Конструкция электродвигателя
ся, его напряженность остается постоянной (на что указывают стрелки оди-
наковой длины в каждой из временнб/х точек).
Рис. 6.6. Изменение магнитного поля статора трехфазного
электродвигателя
Легко заметить, что магнитное поле совершает полный оборот за один
цикл питания обмоток статора.
6.2.3. Синхронная частота вращения
Скорость вращения магнитного поля статора в электродвигателе перемен-
ного тока называется синхронной частотой вращения. Она зависит от частоты
подаваемого на обмотки статора напряжения. У стандартного трехфазного
двигателя она составляет 50 Гц, что соответствует 50 об/с, или 3000 об/мин.
У многих двигателей переменного тока больше двух магнитных полюсов
на фазу (чаще всего четыре). Чем больше полюсов у двигателя переменного
тока, тем меньше его синхронная частота вращения, поскольку за одно и то
же время магнитное поле должно повернуться через большее количество об-
моток. Для трехфазного электродвигателя с произвольным количеством по-
люсов синхронная частота вращения рассчитывается по следующей формуле:

Глава 6. Электродвигатели переменного тока 153
п =120Л
Р
где р — количество полюсов, а/— частота переменного тока
Синхронная частота двухполюсного трехфазного двигателя переменного
тока при подаче на него переменного тока с частотой 50 Гц была определена
выше. При совпадающих условиях электропитания такой же, но четырехпо-
люсный электродвигатель будет иметь синхронную частоту вращения ns =
= (120 х 50)/4 = 1500 об/мин.
6.2.4. Коэффициент мощности
Расчет мощности двигателей постоянного тока не вызывает особых труд-
ностей. Чтобы вычислить ее, достаточно перемножить постоянные во вре-
мени силу тока /и напряжение питания Uдвигателя (Р = IU). Данная задача
упрощается еще и тем, что ток и напряжение питания у двигателей постоян-
ного тока пропорциональны друг другу.
Рассчитать входную мощность для двигателя переменного тока — задача
не из простых. А все потому, что электрический ток и входное напряжение,
хотя и представляются синусоидальными кривыми одинаковой частоты, не-
сколько разнесены во времени. Это именно тот случай, когда говорят о сдвиге
сигналов по фазе. Графически данная ситуация проиллюстрирована на рис. 6.7.
Напряжение
Рис. 6.7. Сдвиг по фазе между напряжением и током
Из рис. 6.7 видно, что сигналы для тока и напряжения имеют одинаковую
частоту, но пики их графиков смещены один относительно другого по време-
ни на одну восьмую цикла питания — (1/8)/ ^сли полный цикл длится 360°,

154
Часть II. Конструкция электродвигателя
то угловое смещение между пиками сигналов составляет 360°/8 = 45°. Этот
угол, обозначенный символом ф, называется углом сдвига фазы. Он положи-
тельный, если напряжение опережает ток по фазе, и отрицательный, если ток
по фазе поступает быстрее напряжения. В идеальном случае сигналы пита-
ния по току и по напряжению совпадают во времени, тогда угол сдвига фазы
равен 0°.
Коэффициент мощности относится к одной из главных рабочих характери-
стик двигателя переменного тока. Его величина пропорциональна косинусу
угла сдвига фаз (<р) и указывает, какая часть_входной электроэнергии будет
потрачена двигателем на выполнение полезной работы. В идеальном случае
коэффициент мощности должен равняться 1, поскольку cos(O) = 1. Практи-
чески же такой уровень КПД недостижим, поскольку у любого двигателя есть
неустранимые потери.
Коэффициент мощности, обычно обозначаемый как PF, рассчитывается
по следующей формуле:
мощность, затрачиваемая на выполнение работы (полезная мощность)
мощность, подаваемая на двигатель
Знаменатель приведенного выше выражения рассчитывается как произве-
дение амплитуд сигналов тока и напряжения.
Проще всего понять, на что указывает коэффициент мощности двигателя
переменного тока, рассмотрев реальный пример. При коэффициенте мощ-
ности 0,8 на выполнение полезной работы тратится 80% входной мощности.
Если электродвигатель потребляет ток силой 4 А при напряжении 50 В, то его
полезная мощность составляет (4 А)(50 В)(0,8) = 160 Вт.
У трехфазного электродвигателя переменного тока коэффициент мощнос-
ти вычисляется по такой формуле:
мощность, затрачиваемая на выполнение работы (полезная мощность)
\13'мощность, подаваемая на двигатель
Предположим, что на каждую фазу электродвигателя подается ток силой
6 А при напряжении 200 В. При коэффициенте мощности 0,75 реальная мощ-
ность электродвигателя рассчитывается следующим образом:
Полезная мощность = V3 (0,75)(6 А)(200 В)= 1559 Вт

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
155
6*3. Асинхронный многофазный двигатель
В асинхронных электродвигателях частота вращения вала не совпадает с
той, которая была в синхронных двигателях. Это означает, что ротор двига-
теля вращается со скоростью, не совпадающей со скоростью вращения маг-
нитного поля статора. Чтобы узнать, как работает такой двигатель, нужно
понять, что такое электромагнитная индукция.
6.3.1. Электромагнитная индукция
На концах проводника, помещенного в изменяющееся магнитное поле,
неизбежно возникает разность потенциалов. Это явление получило название
электромагнитная индукция, а электрическое напряжение на концах провод-
ника называется наведенным или индуцированным напряжением. Величина на-
веденного напряжения пропорциональна частоте изменения магнитного поля.
Наличие наведенного напряжения говорит о протекании в проводнике
тока. Поскольку этот проводник находится в магнитном поле, на него действу-
ет сила, заставляющая вращаться. Описанные выше принципы лежат в основе
работы любого асинхронного или индукционного двигателя переменного тока.
Для лучшего понимания процессов, происходящих в индукционном дви-
гателе, давайте рассмотрим их в пошаговом режиме.
1. Как сказано в предыдущем разделе, статор электродвигателя перемен-
ного тока генерирует изменяющееся магнитное поле.
2. Вместо постоянных магнитов на роторе электродвигателя переменно-
го тока смонтированы проводящие контуры. При помещении рото-
ра в постоянно изменяющееся магнитное поле статора в проводящих
контурах возникает разность потенциалов.
3. В результате возникновения электрического напряжения в контурах
ротора протекает индукционный ток. Под воздействием магнитного
поля контур с током начинает изменять свое положение, что приводит
к вращению ротора.
Следует учитывать, что сила, заставляющая вращаться проводник с током,
возникает только при помещении его в изменяющееся магнитное поле. Та-
ким образом, если ротор вращается синхронно с магнитным полем статора,
то она не возникает. Именно поэтому в индукционных двигателях скорость
вращения ротора всегда ниже скорости вращения магнитного поля статора.
Связь между частотой вращения вала и синхронной частотой вращения
называется скольжением (s) и описывается следующим выражением:

156
Часть II. Конструкция электродвигателя
По — П
s = — ,
где п — частота вращения вала двигателя.
Ротор двигателя начинает вращаться не сразу после подачи питания, а с
некоторой задержкой. Таким образом, в самом начале п = 0, a s = 1. Наи-
меньшее скольжение наблюдается при отсутствии нагрузки на валу. По мере
увеличения нагрузки значение п увеличивается, а потому возрастает и сколь-
жение.
Чаще всего скольжение выражается в относительном виде как процентная
часть от синхронной частоты вращения. Например, если синхронная частота
равна 3600 об/мин, а вал (ротор) двигателя вращается с частотой 3200 об/мин,
то скольжение равно (3600-3200)/3600 = 0,111 = 11,1%.
6.3.2. Электрический ток и вращающий момент
Как и любой другой, индукционный двигатель запускается только при до-
стижении ротором значительного вращающего момента. Чтобы обеспечить
старт двигателя, пусковой ток часто превышает номинальный в 4—8 раз. Вы-
сокий пусковой ток означает большой вращающиймомент — у многих асин-
хронных двигателей начальный вращающий момент в 2-3 раза больше вра-
щающего момента при полной нагрузке.
Подключение нагрузки к валу двигателя вызывает понижение частоты его
вращения, что равнозначно увеличению частоты пересечения ротором маг-
нитного поля статора. В свою очередь, это приводит к индукции более силь-
ного тока, а потому и к увеличению вращающего момента. Таким образом,
чем больше нагрузка на валу, тем больше вращающий момент асинхронного
двигателя. Более точная зависимость вращающего момента индукционного
двигателя от частоты вращения вала показана на рис. 6.8.
По мере возрастания нагрузки вращающий момент тоже увеличивается,
но только до достижения порогового значения (опрокидывающий момент). На
рис. 6.8 под минимальным пусковым моментом подразумевается наименьший
вращающий момент в диапазоне от пускового (на заторможенном роторе) до
опрокидывающего,
В технических характеристиках указывается номинальная частота вра-
щения вала индукционного двигателя. По ее достижении вал приобретает
номинальный вращающий момент. Номинальные характеристики двигателя
показаны на рис. 6.8 в виде пунктирных линий. ВеличинаГскольжения вычи-

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
157
сляется исходя из известных значений номинальной частоты вращения вала
и синхронной частоты вращения магнитного поля.
Максимальный
(опрокидывающий) момент
Начальный
У вращающий
/ момент
Номинальная
частота
вращения
Частота вращения (об/мин)
Синхронная
частота
вращения
Рис. 6.8. Зависимость вращающего момента от частоты вращения вала
двигателя у индукционного двигателя
Как только частота вращения вала приравнивается к синхронной частоте
вращения, контур ротора перестает пересекать магнитное поле, и вращаю-
щий момент устремляется к нулевому значению.
6.3.3. Короткозамкнутый ротор
Асинхронные двигатели самого старого и наиболее популярного типа
оснащены цилиндрическим ротором, в пазах которого отлиты проводящие
стержни, накоротко замкнутые торцевыми кольцами. Эта конструкция на-
поминает беличье колесо, устанавливаемое в клетках для хомяков и других
домашних грызунов. Не удивительно, что на техническом жаргоне она на-
зывается "беличьей клеткой". В упрощенном виде короткозамкнутый ротор
изображен на рис. 6.9.
Проводящие стержни на поверхности ротора изготавливаются из таких
материалов, как алюминий и медь, а его сердечник формируется из листовой
стали. Стержни замыкаются между собой как через сердечник, так и через
торцевые кольца ротора. Чтобы сделать вращение ротора как можно более
плавным, проводящие стержни поворачиваются вокруг сердечника на не-

158
Часть II. Конструкция электродвигателя
большой угол. Подробно причины и способы предотвращения скачкообраз-
ного вращения ротора описаны в главе 3.
Короткозамыкающие
кольца
Подшипник
Вал
v
Проводники
Рис 6.9. Упрощенная конструкция короткозамкнутого ротора типа "беличья клетка"
К преимуществам ротора типа "беличья клетка" относятся простота изго-
товления и высокая надежность. Ротор лишен коммутатора, электромагни-
тов и подвижных элементов, а его ремонт или замена не вызывает больших
трудностей. Кроме того, роторы этого типа значительно дешевле роторов,
в которых используются дорогостоящие постоянные магниты.
Исходя из высокой надежности, низкой себестоимости и простоты кон-
струкции, индукционные двигатели с роторами типа "беличья клетка" из-
готавливаются очень больших размеров. Если двигатели постоянного тока
обычно помещаются на ладони, то двигатели переменного тока с короткоза-
мкнутым ротором могут занимать целую комнату. Чаще всего они устанавли-
ваются в насосах, вентиляционных системах, нагревателях и климатических
установках.
6.3.4. Фазный ротор
Главный недостаток короткозамкнутого ротора, описанного в предыду-
щем разделе, — это не поддающаяся изменению зависимость частоты враще-
ния вала от вращающего момента. Короткозамкнутые проводники, смонти-
рованные на сердечнике ротора, не подлежат изменению и находятся внутри
статора, поэтому единственный способ изменить скорость вращения вала
двигателя заключается в подаче на вход электропитания другой частоты.

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
159
Для устранения едва ли не единственного недостатка индукционного дви-
гателя с короткозамкнутым ротором инженерами был придуман фазный ро-
тор. В фазном роторе проводящие стержни заменены обмотками. Наличие
обмоток на роторе делает индукционный двигатель с фазным ротором подоб-
ным двигателю постоянного тока. Тем не менее у них два вполне очевидных
различия:
■ обмотки фазного ротора подключены не к коллекторному узлу, а к кон-
тактным кольцам, по одному на каждую фазу;
■ в отличие от обмоток ротора двигателя постоянного тока на обмотки
фазного ротора не подается питание с внешнего источника.
Второе различие более существенное. У всех асинхронных двигателей не-
зависимо от типа ток в роторе индуцируется под воздействием внешнего маг-
нитного поля, а не подается извне от отдельного источника питания. Таким
образом, обмотки фазного ротора (через контактные кольца) подключены не
к источнику питания, а к отдельным резисторным узлам. Схематически кон-
струкция фазного ротора имеет вид, подобный показанному на рис. 6.10.
Обмотки
puiupa |
J
1чонтактные
(токосъемные)
кольца
/N
Внешние
резисторы
ywv
AAAf
yyVV
АААл
jrV V V
Рис- 6.10. Электрическая схема фазного ротора индукционного
двигателя переменного тока
Увеличение сопротивления обмоток фазного ротора вызывает понижение
магнитного поля статора. Это позволяет избежать подачи на двигатель силь-
ного пускового тока. Особенно заметным данное преимущество становится
при пуске крупных индукционных электродвигателей. Низкий пусковой ток
позволяет избежать не только лишних трат электроэнергии, но и частых по-
ломок оборудования. Графики, изображенные на рис. 6.11, демонстрируют
зависимость частоты вращения вала индукционного двигателя от тока пита-
ния при разных сопротивлениях обмоток ротора.

160
Часть II. Конструкция электродвигателя
Без сопротивления
Низкое сопротивление
Среднее сопротивление
Высокое сопротивление
Частота вращения
Рис. 6.11. Влияние сопротивления обмоток ротора на зависимость частоты
вращения вала от потребляемого тока
У индукционных двигателей с фазным ротором начальная частота вра-
щения вала заметно ниже, чем у электродвигателей с короткозамкнутым
ротором. Это повышает частоту пересечения проводящими элементами (об-
мотками) магнитного поля, что обеспечивает ротору высокий пусковой вра-
щающий момент. Общая зависимость вращающего момента от частоты вра-
щения фазного ротора показана на рис. 6.12.
Как видно из рис. 6.12, с увеличением сопротивления обмоток кривая сме-
щается влево, а пусковой вращающий момент увеличивается.
Увеличение сопротивления обмоток имеет и негативные последствия. Чем
выше сопротивление проводящих элементов ротора, тем ниже его вращаю-
щий момент при подключении нагрузки. Именно поэтому сопротивление
обмоток фазного ротора обычно изменяют по мере увеличения или уменьше-
ния нагрузки на валу.
6.4» Синхронный многофазный двигатель
Синхронными называются двигатели переменного тока, у которых часто-
та вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля. Кон-
струкция статора синхронного двигателя переменного тока такая же, как и в
индукционном двигателе. Различия наблюдаются только в устройстве рото-

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
161
ра. В зависимости от исполнения ротора синхронные двигатели делятся на
следующие три категории.
Высокое сопротивление
&
ш
Среднее сопротивление
Без сопротивления
Частота вращения
Рис. 6.12. Влияние сопротивления обмоток на вращающий
момент фазного ротора
■ Двойного возбуждения. Ротор содержит обмотки, на которые подается
электропитание.
■ С постоянными магнитами. На поверхности ротора смонтированы по-
стоянные магниты.
■ Реактивные. Ротор оснащен зубьями, которые притягиваются магнит-
ным полем статора.
Далее рассмотрены конструкции и принцип действия всех основных ти-
пов синхронных двигателей переменного тока.
6 А1. Синхронный двигатель двойного возбуждения
Обмотками возбуждения оснащается ротор только одного из типов
синхронных электродвигателей. Он получил название двигателя двойного

162
Часть II. Конструкция электродвигателя
возбуждения, поскольку электропитание у него подается не только на статор,
но и на ротор. В отличие от статора, на ротор такого двигателя подается по-
стоянный электрический ток, для чего на его валу смонтированы токосъем-
ные контактные кольца.
Кроме обмоток возбуждения, на поверхности ротора расположены токо-
проводящие стержни, подобные используемым в короткозамкнутых рото-
рах. Общий вид ротора электродвигателя двойного возбуждения показан на
рис. 6.13.
Короткозамыкающие
кольца
Обмотки
Контактные
(токосъемные)
Проводники кольца
v
Рис. 6.13. Конструкция ротора синхронного двигателя двойного возбуждения
Из рис. 6.13 видно, что внешняя часть ротора в точности повторяет "бе-
личью клетку", рассмотренную в предыдущем разделе. Она выполняет очень
важную функцию. Двигатели двойного возбуждения, как и любые другие
синхронные машины, не запускаются самостоятельно. Постоянного тока,
подаваемого на обмотки ротора, недостаточно для придания ротору нужного
пускового вращающего момента. А вот короткозамкнутый контур, представ-
ленный структурой "беличья клетка", прекрасно справляется с этой задачей.
Постоянный ток подается на обмотки ротора через токосъемные кольца
только после успешного пуска двигателя. В обмотках возбуждается магнит-
ное поле, полюсы которого притягиваются к противоположным полюсам
статора. Ротор продолжает поворачиваться с частотой вращения магнитного
поля статора.

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
163
6.4.2, Синхронный двигатель с постоянными магнитами
Как следует из названия, у синхронных двигателей этого типа на поверх-
ности ротора смонтированы постоянные магниты. Таким образом, кон-
струкция его ротора полностью совпадает с конструкцией ротора двигателя
постоянного тока, который подробно рассматривался в главе 2. Упрощенно
конструкция статора и ротора синхронного двигателя с постоянными магни-
тами имеет вид, подобный изображенному на рис. 6.14.
Обмотки
Магниты
Ротор
Статор
Рис. 6.14. Конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами
Фундаментальное отличие синхронного двигателя этого типа от двигателя
постоянного тока заключается в способе подачи питания на обмотки возбу-
ждения статора. На вход двигателя постоянного тока подается импульсный
сигнал, а питание синхронного двигателя с постоянными магнитами осу-
ществляется током, изменяемым по синусоидальному закону.
Исходя из особенностей электропитания, противоЭДС синхронных дви-
гателей с постоянными магнитами отличается от таковой у двигателей посто-
янного тока. В первом случае она представлена сигналом с трапецеидальной
формой импульсов, а во втором — изменяется по синусоидальному закону.
Именно поэтому двигатели постоянного тока часто называют трапецеидаль-
ными, а синхронные двигатели переменного тока — синусоидальными.

164
Часть II. Конструкция электродвигателя
6.4.3. Реактивный синхронный двигатель
Реактивные двигатели — самые простые в семействе синхронных машин
переменного тока. На их ротор не подается питание, и он не содержит посто-
янных магнитов. Ротор состоит из пластин ферромагнитного материала (как
правило, стали), притягиваемого магнитным полем.
По внешнему краю ротора формируются заметные выступы, называемые
явно выраженными (выступающими) полюсами (рис. 6.15).
Рис. 6.15. Конструкция реактивного синхронного двигателя
По принципу действия реактивный синхронный двигатель напоминает
реактивный шаговый двигатель, описанный в главе 4. При подаче тока на об-
мотки статора ротор следует за магнитным полем, стремясь минимизировать
свое магнитное сопротивление. Основное различие между этими типами ре-
активных двигателей заключается в способе питания: на вход синхронного
двигателя подается синусоидальный сигнал, а на вход шагового двигателя —
импульсный.
Реактивные синхронные двигатели прекрасно работают при низких мощ-
ностях, плюс они недорогие в производстве, поскольку не требуют использо-
вания постоянных магнитов. Главный их недостаток — низкий вращающий
момент, заметно меньший, чем у других синхронных двигателей переменного

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
165
тока. Это основная причина их низкой распространенности. В достаточных
количествах на рынок их поставляют всего несколько компаний.
6.5. Однофазный двигатель
Создавая моторизированные устройства, которые планируется использо-
вать дома, обратите внимание на однофазные двигатели переменного тока.
Физические принципы, лежащие в основе их функционирования, такие же,
как и у многофазных электродвигателей, за одним существенным исключе-
нием. Вращающееся магнитное поле, без которого невозможен пуск двигате-
ля переменного тока, намного сложнее получить у однофазных электродви-
гателей, чем у многофазных.
Чтобы устранить этот недостаток, инженеры разработали несколько дей-
ственных методик получения вращающегося магнитного поля у однофазных
двигателей переменного тока.
■ Расщепление фазы. Требует наличия вспомогательных обмоток возбу-
ждения.
■ Конденсаторный пуск. В схему питания добавляется конденсатор.
■ Экранирование полюсов. К каждому полюсу статора добавляется корот-
козамкнутый виток, препятствующий нарастанию магнитного потока
в отдельной его части.
Все упомянутые выше типы двигателей относятся к индукционным маши-
нам с короткозамкнутым ротором. Как известно, ротор в таких двигателях
вращается благодаря наведению токов в расположенных на его поверхности
стержнях. Частота вращения короткозамкнутого ротора несколько меньше
синхронной частоты, определяемой скоростью изменения магнитного поля
статора.
К сожалению, мне не доводилось использовать однофазные двигатели
в собственной практике. Далее приведено детальное описание каждого из
трех типов устройств.
6.5. 1. Однофазный двигатель с расщепленной фазой
Термин расщепление фазы означает получение двух сигналов с разными фа-
зами на основе единственного однофазного сигнала. В однофазных двигате-
лях с расщеплением фазы такой прием используется с единственной целью —
получить вращающееся магнитное поле внутри статора.
Чтобы решить описанную выше задачу, статор снабжается двумя обмот-
ками: основной и вспомогательной. Они подключаются параллельно к одно-

166
Часть II. Конструкция электродвигателя
фазному источнику питания, но смещены на 90°, как проиллюстрировано
на рис. 6.16.
Вспомогательная
обмотка
От источника
питания
Выключатель
Рис. 6.16. Электрическая схема замещения статора в однофазном
двигателе с расщеплением фазы
По сравнению с основной, дополнительная обмотка обладает высоким
сопротивлением и низкой индуктивностью. Различие в рабочих характерис-
тиках обмоток становится причиной сдвига фаз тока на определенный угол.
В идеальном случае он равен 90°, что на практике редко достигается. Чаще
всего в двигателях рассматриваемого типа удается достичь сдвига фазы всего
наЗО°-4О°.
Небольшой сдвиг фазы создает слабое вращающееся магнитное поле,
обеспечивающее малый вращающий момент ротора. Но его оказывается
вполне достаточно для пуска двигателя. После того как ротор двигателя на-
бирает обороты до номинальной рабочей частоты, питание дополнительных
обмоток статора прекращается, и вращающий момент ротора существенно
увеличивается.
6.5.2. Однофазный двигатель с конденсаторным пуском
Конденсаторный пуск выполняет ту же задачу, что и система расщепления
фазы, описанная в предыдущем разделе. На самом деле однофазный двига-

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
167
тель с конденсаторным пуском имеет такую же конструкцию, как и двигатель
с расщеплением фазы. На рис. 6.17 показано, что статор такого двигателя
также содержит дополнительные обмотки, но в его цепь питания добавлен
конденсатор.
Вспомогательная
обмотка
От источника
питания
О.
е
s
Выключатель
Рис. 6.17. Электрическая схема замещения статора однофазного
двигателя с конденсаторным пуском
Конденсатор увеличивает сдвиг фаз между токами на основных и вспо-
могательных обмотках, что приводит к образованию большего пускового
вращающего момента, превышающего таковой у однофазовых двигателей с
расщеплением фазы. Кроме того, наличие конденсатора обеспе_чивает пуск
двигателя при меньшем потребляемом токе.
Как только двигатель выходит на рабочие обороты, подача питания на до-
полнительные обмотки прекращается. С этого момента номинальный враща-
ющий момент двигателя с конденсаторным пуском поддерживается исклю-
чительно за счет магнитного поля, формируемого основными обмотками.
Одним из подвидов двигателя с конденсаторным пуском является одно-
фазный двигатель с постоянно включенным конденсатором. Выключатель пи-
тания дополнительных обмоток в нем отсутствует, поэтому номинальный
вращающий момент двигателя обеспечивается как основными, так и вспомо-
гательными обмотками, получающими питание через конденсатор. Удаление

168
Часть II. Конструкция электродвигателя
выключателя повышает общую надежность двигателя и увеличивает его ко-
эффициент мощности, но уменьшает пусковой вращающий момент.
Второй вариант однофазного двигателя с конденсаторным пуском — это
двигатель с рабочим конденсатором. В схему питания такого двигателя до-
бавлен еще один конденсатор, подключаемый параллельно к пусковому
(рис. 6.18).
Вспомогательная
обмотка
От источника
питания
Выключатель
Рис. 6.18. Электрическая схема замещения двигателя с рабочим конденсатором
Этот тип двигателей обеспечивает такой же высокий пусковой вращаю-
щий момент, как и обычный однофазный двигатель с пусковым конденсато-
ром, и обладает таким же высоким вращающим моментом, как и двигатель
с расщеплением фазы. Тем не менее усложнение схемы питания повышает
себестоимость двигателя и служит причиной возникновения различных ме-
ханических и электрических неполадок в работе.
6.5.3. Однофазный двигатель с экранированием
полюсов
Однофазный двигатель с экранированием полюсов благодаря низкой се-
бестоимости появился на рынке раньше, чем рассмотренные выше модели.
В этом двигателе отсутствуют дополнительные обмотки и другие вспомога-
тельные элементы. Желаемый эффект в них достигается за счет изменения
рабочих характеристик основных обмоток статора.

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
169
Конструктивно экранирование полюсов обеспечивается разделением сер-
дечника статора на две части, одна из которых охватывается короткозамкну-
тым витком, как показано на рис. 6.19.
Стальной
сердечник
Проводник
Короткозамкнутый
виток
Рис. 6.19. Обмотка статора в двигателе с экранированием
полюсов
Короткозамкнутый виток называется экранирующим и имеет важное на-
значение. Как и в стержнях короткозамкнутого ротора, в нем индуцируется
электрический ток, который по фазе отличается от тока в основной части об-
мотки. В результате через один полюс протекает два разнофазных тока, фор-
мирующих вращающееся магнитное поле.
Магнитное поле в короткозамкнутом контуре настолько мало, что одно-
фазные двигатели с экранированными полюсами можно применять исклю-
чительно в низкомощных устройствах. К сожалению, к их преимуществам
относятся только простота конструкции и низкая себестоимость.
6*6. Управление двигателем
переменного тока
Большинство двигателей переменного тока не снабжается встроенной
системой управления. Зачастую они подключаются к линии питания напря-
мую, а единственное устройство управления питанием в подобном случае —
это переключатель. Параметры электропитания неизменны и определяются
местными электросетями (120 В/60 Гц в США и Канаде, 230 В/50 Гц в Ев-
ропе), поэтому вал электродвигателя вращается с постоянной скоростью и
стабильным вращающим моментом.
Существует всего один тип двигателей переменного тока, позволяющий
управлять вращающим моментом и частотой вращения вала (для этого у него

170
Часть II. Конструкция электродвигателя
отключаются и подключаются обмотки статора). Речь идет о многоскорост-
ных электродвигателях, применяемых в том числе в фенах для сушки волос.
Во всех остальных случаях управление двигателями переменного тока осу-
ществляется с помощью специальных устройств: электропривода на вихре-
вых токах и частотно-регулируемого электропривода. Сначала рассмотрим
привод на вихревых токах, а затем перейдем к изучению принципов действия
частотно-регулируемого электропривода.
6.6 .1. Электропривод на вихревых токах
Электроприводы на вихревых токах (токах Фуко) не относятся к традици-
онным системам управления двигателями переменного тока в том смысле,
что они не изменяют рабочие характеристики электродвигателя. Вместо это-
го контроллер управляет вторичным валом привода, вращающий момент на
который подается от вала электродвигателя переменного тока. Частота враще-
ния и вращающий момент вала двигателя при этом остаются неизменными.
Приводы на вихревых токах состоят из четырех основных частей:
■ индукционный двигатель с неизменной номинальной частотой враще-
ния вала;
■ муфта сцепления, которая соединяет вал двигателя с вторичным валом
привода;
■ тахометр, определяющий положение (частоту вращения) вторичного
вала;
■ контроллер, считывающий показания тахометра и управляющий пода-
чей тока на муфту сцепления.
На рис, 6.20 показано, как взаимодействуют все описанные выше компо-
ненты привода.
После выхода двигателя на номинальные обороты муфта сцепления пере-
дает вращающий момент на вторичный вал. Коэффициент передачи муфты
определяется магнитным полем внутри нее, напряженность которого изме-
няется контроллером в достаточно широких пределах. Точность установки
выходной частоты вращения обеспечивается наличием в системе тахометра.
6.6.2. Частотно-регулируемый электропривод
Частотно-регулируемый электропривод устанавливается между электрод-
вигателем и линией питания. Его назначение заключается в подаче на двига-
тель электропитания с заданными напряжением и частотой. С его помощью

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
171
можно изменять мощность электродвигателя в достаточно широком диапа-
зоне значений. Он не только экономит денежные средства, но и существенно
продлевает срок службы двигателя.
Контроллер
Электрический ток
Индукционный
двигатель
Вал
двигателя
Частота вращения
Сцепление
Тахометр
Выходной
(ведомый) вал
Рис. 6.20. Компоненты электропривода на вихревых токах
Управление питанием двигателя с помощью частотно-регулируемого
электропривода выполняется в два этапа.
■ Входной переменный ток преобразуется в постоянный ток. Он выпрям-
ляется и сглаживается.
■ Инвертор генерирует ШИМ-сигнал необходимых частоты и уровня на-
пряжения.
Важно понимать, что на выходе частотно-регулируемого электропривода
устанавливается импульсный сигнал, а не синусоидальный. Схематически
конструкция частотно-регулируемого электропривода показана на рис. 6.21.
Исходно электрический ток от линии питания проходит через двух-
полупериодный выпрямитель, представленный массивом диодов. В резуль-
тате синусоидальное напряжение преобразуется в последовательность толь-
ко положительных полусинусоидальных импульсов. Включенный в схему
конденсатор обеспечивает сглаживание выпрямленного диодами тока. Как
следствие, на выходе выпрямителя образуется практически постоянное
напряжение.
В дальнейшем постоянное напряжение подается на массив МОП-транзи-
сторов, играющих роль электронных переключателей. Как рассказывалось в
главе 2, если на затвор МОП-транзистора подать напряжение, большее не-
кого порогового значения, то сопротивление между стоком и истоком стано-
вится ничтожно малым. В схеме инвертора, показанного на рис. 6.21, справа,

172
Часть II. Конструкция электродвигателя
и обеспечивающего электродвигатель питанием, используются МОП-тран-
зисторы.
Частотно-регулируемый электропривод
Выпрямление
и сглаживание
Линия
питания
Инвертор
II-d -d-dl
-►Двигатель
Рис. 6.21. Упрощенная схема частотно-регулируемого электропривода
Сигналы, подаваемые на затворы МОП-транзисторов, генерируются мик-
роконтроллером. Подавая их в определенной последовательности, можно
добиться получения выходного импульсного сигнала требуемой частоты.
Обычно это ШИМ-сигнал, позволяющий управлять мощностью двигателя
через изменение длительности импульсов.
Большинство частотно-регулируемых электроприводов обеспечивает
двигатель синусоидальным ШИМ-сигналом (или СШИМ). В таком сигнале
длительность импульсов изменяется по синусоидальному закону, как показа-
но на рис. 6.22.
Рис. 6.22. Сигнал при синусоидальной широтно-импульсной модуляции
Частота модулирующей синусоиды определяется настройками частотно-
регулируемого электропривода. Обычно от двигателя требуется обеспечить
максимальный вращающий момент независимо от частоты вращения вала.

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
173
Именно поэтому чаще всего микроконтроллер программируется на поддер-
жание неизменным соотношения "напряжение/частота".
6.6*3» Гармонические искажения в частотно-
регулируемом электроприводе
У частотно-регулируемого привода много преимуществ и всего один, но
весьма существенный недостаток: искажение формы выходного сигнала.
Независимо от качества выпрямления и сглаживания входного напряжения
переменного тока выходной сигнал все равно будет содержать его остатки.
В частности, выходной сигнал почти всегда содержит составляющие, ча-
стоты которых кратны частоте исходного сигнала. Ослабленные сигналы на
указанных частотах называются гармониками. Наличие в выходном сигнале
гармонических искажений не позволяет управлять электродвигателем с высо-
ким уровнем точности. Например, если входной сигнал имеет частоту 50 Гц,
то в выходном сигнале будут присутствовать гармоники на частотах 100, 150,
200 Гц и т.д.
Проблема в том, что гармоники приводят к помехам в выходном сигнале.
Гармонические искажения вызывают небольшие отклонения в работе дви-
гателя и появление паразитного акустического шума. Кроме того, высоко-
частотные электромагнитные поля самого двигателя могут влиять на работу
многих электрических приборов и даже нарушать радиосвязь. Поэтому кри-
тически важно размещать двигатели и частотно-регулируемые электроприво-
ды вдалеке от важного электронного оборудования.
У современных частотно-регулируемых электроприводов гармонические
искажения не вызывают особых проблем. Но если мощности обычного час-
тотного регулятора недостаточно, то можно применить многоимпульсные ре-
гуляторы, в которых используются многокаскадные схемы выпрямления.
В 6-импульсном частотно-регулируемом приводе, показанном на рис. 6.21,
выпрямление напряжения выполняется с помощью 6-диодной электриче-
ской схемы. В 12-импульсном приводе выпрямление синусоидального сиг-
нала выполняется с помощью двух каскадов, а в 18-импульсном - трех. Чем
больше каскадов, тем лучше выпрямляется сигнал и меньше гармоник исход-
ного сигнала в нем остается. К сожалению, такие приводы намного больше
по размеру и заметно дороже обычных.
Существуют и другие способы борьбы с гармоническими искажениями.
Среди них низкочастотная фильтрация и добавление катушки индуктивно-
сти. Сопротивление индуктивности возрастает с частотой, что позволяет ис-
пользовать ее для удаления из сигнала высокочастотных составляющих.

174
Часть II. Конструкция электродвигателя
6.7* Универсальный двигатель
Рассмотрение двигателей переменного тока было бы неполным без упо-
минания об универсальных электродвигателях, которые работают как от по-
стоянного тока, так и от однофазного переменного тока. Обычно они приме-
няются в таких бытовых приборах, как кухонные комбайны и пылесосы.
При детальном рассмотрении универсальный двигатель представляет со-
бой коллекторный электродвигатель постоянного тока последовательного
возбуждения с несколько измененной конструкцией, что позволяет ему ра-
ботать от бытовой электрической сети. Как описывалось в главе 3, электро-
двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением имеет следу-
ющие конструктивные особенности:
■ обмотки ротора соединены последовательно с обмотками статора, ге-
нерирующими магнитное поле;
■ питание на обмотки ротора подается через механический коммутатор.
При подаче на вход такого двигателя переменного тока в обмотках ста-
тора и ротора возникают сильные индукционные токи. Это приводит к уве-
личению сдвига фаз между напряжением и током до значения 90°. Коэф-
фициент мощности, пропорциональный cos(90°), у такого двигателя стре-
мится к нулю. Другими словами, напряжение и электрический ток в таком
двигателе настолько разные по фазе, что он не в состоянии выполнить полез-
ную работу.
Чтобы решить проблему, универсальные двигатели снабжают компенсиру-
ющими обмотками, соединенными последовательно. Они понижают индук-
тивность ротора и устраняют чрезмерно большой сдвиг фаз между напряже-
нием и током. Упрощенная электрическая схема универсального двигателя
показана на рис. 6.23.
Для уменьшения индуктивности статора количество его обмоток сведено
к минимуму.
К отличительным чертам универсального двигателя относится высокий
пусковой вращающий момент. Поскольку обмотки ротора и статора соеди-
нены последовательно, увеличение тока в них приводит к увеличению на-
пряженности магнитного поля. А чем сильнее магнитное поле, тем больше
вращающий момент на валу двигателя.
Самое слабое место универсального двигателя такое же, как и двигателя
постоянного тока: коллекторный узел. Наличие механического коммутатора
снижает КПД двигателя, вызывает износ деталей коллектора и их нагрев.

Глава 6. Электродвигатели переменного тока
175
Обмотка Компенсирующая
статора обмотка
ц Ротор
Рис. 6.23. Электрическая схема замещения универсального двигателя
6.8. Резюме
В моделировании преобладают двигатели постоянного тока, а в быту и
на производстве распространены преимущественно двигатели переменного
тока. В жилые дома и на предприятия электроэнергия подается в виде пе-
ременного тока, что делает разработку и совершенствование двигателей для
этого типа питания невероятно важной задачей. Цель этой главы состояла в
предоставлении сведений обо всех известных типах двигателей переменного
тока и рекомендаций по их использованию в собственных проектах.
Современной промышленностью выпускается настолько большое коли-
чество самых разных двигателей переменного тока, что затруднения вызыва-
ет даже их классификация. Проще всего типизировать двигатели по принци-
пу их действия. Многофазные (обычно трехфазные) двигатели переменного
тока требуют многофазного источника питания, а однофазные довольству-
ются одной линией электропитания. Но в каждом из случаев питание подает-
ся на обмотки статора, которые генерируют вращающееся магнитное поле.
Частота вращения магнитного поля статора называется синхронной часто-
той. В синхронных электродвигателях частота вращения ротора равна син-
хронной частоте. Вал индукционного (асинхронного) двигателя переменного
тока вращается с частотой, несколько меньшей синхронной частоты.
Ротор асинхронного двигателя содержит проводящие стержни, в которых
под воздействием вращающегося магнитного поля наводится электрический
ток. В результате ротор начинает вращаться с частотой, несколько меньшей
частоты вращения поля. Для определения разницы в скоростях вращения
вала и магнитного поля используется специальная характеристика: сколь-
жение. Основные рабочие характеристики двигателя переменного тока с ко-

176
Часть II. Конструкция электродвигателя
роткозамкнутым ротором постоянны, поскольку определяются неразборной
конструкцией ротора. Управление рабочими характеристиками возможно
только у двигателя с фазным ротором, поскольку он допускает изменение со-
противления обмоток ротора. Увеличение сопротивления ротора приводит к
уменьшению пускового тока и увеличению пускового вращающего момента.
В главе рассмотрены три основных типа индукционных (асинхронных)
двигателей переменного тока: двойного возбуждения, с постоянными маг-
нитами и реактивные. Различия между ними проявляются исключительно в
конструкции ротора. У двигателя двойного возбуждения ротор содержит об-
мотки, на которые подается постоянный электрический ток. По периметру
ротора асинхронного двигателя второго типа смонтированы постоянные маг-
ниты. Ротор реактивного асинхронного двигателя изготавливается из плас-
тин ферромагнитной стали и содержит явно выраженные полюсы.
Для создания вращающегося магнитного поля в однофазных двигателях
необходимо прибегнуть к определенным ухищрениям. Статор двигателя с
расщеплением фазы содержит обмотки двух типов: основные и вспомогатель-
ные. Разница фаз между ними не очень велика и не позволяет добиться силь-
ного вращающегося магнитного поля. В однофазных двигателях с конденса-
торным пуском в схему питания статора последовательно вспомогательной
обмотке включен конденсатор. Экранированные полюса статора включают
короткозамкнутый виток, обеспечивающий создание слабо изменяющегося
магнитного поля, которое не позволяет ротору добиться значительного вра-
щающего момента.
Двигатели переменного тока обычно подключаются напрямую к быто-
вым или производственным линиям электропитания, что не предполагает
изменения их рабочих характеристик. Тем не менее существуют устройст-
ва, позволяющие управлять работой двигателей переменного тока: приводы
на вихревых токах и частотно-регулируемые приводы. Привод на вихревых
токах управляет не самим двигателем, а вторичным валом, связанным с ос-
новным валом двигателя. Частотно-регулируемый привод устанавливается
между линией питания и электродвигателем и позволяет изменять параметры
электропитания: напряжение и частоту.
Конструкция универсального двигателя заимствована у коллекторного
двигателя постоянного тока. Он представляет собой двигатель с последова-
тельным возбуждением обмоток статора, в который внесены небольшие из-
менения, чтобы обеспечить работу от источника питания переменного тока.
Они простые в производстве и обладают высоким пусковым вращающим мо-
ментом, но наличие механического коммутатора негативно сказывается на
надежности и долговечности конструкции.

7
Редукторный двигатель
и механическая
передача
Любительские двигатели постоянного тока, применяемые в мо-
делировании, имеют высокую частоту вращения вала — несколько
тысяч оборотов в минуту. Но подключив к двигателю сколь-нибудь
ощутимую нагрузку, вы обнаружите, что его вал не в состоянии по-
вернуться даже на небольшой угол. С подобной проблемой сталки-
ваются все начинающие моделисты: у выбираемых ими двигателей
высокая частота вращения, но низкий вращающий момент.
Самое очевидное решение данной проблемы заключается в при-
обретении двигателя специального типа: редукторного. Редуктор-
ный двигатель, как следует из названия, состоит из электродвига-
теля и редуктора. Редуктор понижает частоту вращения вала, но
увеличивает его вращающий момент. Задача подбора редукторного
двигателя для проекта не так уж и проста. Что предпочтительнее:
зубчатая передача с передаточным отношением 6:1 или планетар-
ная с отношением 26:1? Или все же лучше остановиться на ком-
бинации червячной и планетарной передач, характеризующихся
низким уровнем шума?

178
Часть II. Конструкция электродвигателя
В этой главе вы познакомитесь с принципами функционирования и ра-
бочими характеристиками отдельных передач и редукторных двигателей в
целом. Кроме того, вы узнаете, по каким критериям они оцениваются и под-
бираются для собственных нужд. В начале главы содержатся общие сведения
об устройстве передач и их конструктивных особенностях. Далее вы ознако-
митесь с преимуществами и недостатками каждой из передач, что позволит
вам правильно подбирать их для любых проектов.
7. 1. Шестерни и механическая передача
Начинать изучение любой механической передачи нужно, несомненно,
с описания шестерен, или зубчатых колес. Под шестерней подразумевается
зубчатый элемент механической системы, закрепленный на валу двигателя.
Взаимодействуя или входя в зацепление с другим зубчатым элементом,
полученная конструкция образует механическую передачу. Назначение пе-
редачи заключается в изменении вращающего момента, частоты вращения
и/или направления вращения вала при подключении к нагрузке. В первой
части главы мы рассмотрим, за счет чего достигается изменение в рабочих ха-
рактеристиках. Далее вы познакомитесь с основными параметрами зубчатой
передачи: шагом и зазором.
7.1.1. Передача энергии
Как рассказывалось в главе 2, для вычисления мощности двигателя доста-
точно умножить вращающий момент на частоту вращения вала. Математичес-
ки эта зависимость представляется такой формулой:
Предположим, что на валу двигателя закреплена (ведущая) шестерня.
В свою очередь, она входит в зацепление с другой (ведомой) шестерней. В иде-
альном случае ведущая шестерня передает всю свою механическую энергию
ведомой шестерне. В математическом виде это утверждение выглядит следу-
ющим образом:
Приведенная формула не означает, что шестерни одной передачи имеют
одинаковый вращающий момент или частоту вращения. Чтобы удостове-
риться в этом, давайте рассмотрим механическую передачу, показанную на
рис. 7.1. Здесь ведущая шестерня имеет всего шесть зубьев, а ведомая — десять.

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
179
Рис. 7.1. Ведущая и ведомая шестерни механической передачи
За время, которое тратится ведущей шестерней на полный оборот, ведо-
мая шестерня повернется только на шесть зубьев из десяти. Таким образом,
угловая скорость вращения ведущей шестерни больше, чем ведомой. Снова
записав данное утверждение в математическом виде, получим формулу &0 =
= 0,60),-. Обозначив количество зубьев ведущей шестерни как TV,-, а количест-
во зубьев ведомой шестерни как No9 зависимость между угловой скоростью
и количеством зубьев на шестернях можно переписать так:
Щ No
Ведомая шестерня вращается медленнее, чем ведущая. Поскольку они
обладают одинаковыми механическими мощностями (тю), ведомая шестер-
ня должна иметь больший вращающий момент, чем ведущая. Соотношение
вращающих моментов равно соотношению частот вращения, поэтому при-
веденную выше зависимость можно легко представить следующим образом:

180
Часть II. Конструкция электродвигателя
т0 = щ = No
rt соо Nt
В реальных устройствах шестерня, закрепленная на валу двигателя, обыч-
но входит в зацепление с шестерней намного большего диаметра. Это зна-
чительно повышает общий вращающий момент устройства. На техническом
языке такая конструкция получила название понижающей передачи, по-
скольку частота вращения ведомого вала ниже, чем вала двигателя. Соотно-
шение частот вращения шестерен обычно представляется записью Х:1, где
X— степень повышения вращающего момента. Увеличение вращающего мо-
мента часто называют передаточным отношением. В технической документа-
ции также можно встретить термины передаточное число, коэффициент пере-
дачи и степень редукции.
Например, передаточное отношение 3:1 указывает на увеличение враща-
ющего момента в три раза и троекратное понижение частоты вращения. При
передаточном отношении 4:1 вращающий момент возрастает в четыре раза,
и ровно в столько же раз падает частота вращения. Чтобы получить большее
передаточное отношение, шестерни можно объединять между собой, образуя
блоки шестерен. В частности, объединив две механические передачи со сте-
пенями редукции 5:1 и 6:1, легко получить блок шестерен с передаточным от-
ношением 30:1 (6x5 = 30). В результате вращающий момент на выходе устрой-
ства будет в 30 раз выше, чем на валу двигателя. Блок шестерен еще называют
шестеренчатым блоком, а также рядом, или системой, зубчатых передач.
Наличие трения между зубьями шестерен не позволяет передавать всю
мощность с вала ведущей шестерни на вал ведомой шестерни. Потеря мощ-
ности механической передачи выражается в виде показателя, называемого
коэффициентом полезного действия (КПД). Для зубчатой передачи, состоя-
щей из двух шестерен, он определяется по следующей формуле:
_ * ведомая _ То Щ
ч передачи р fy
Высокоэффективными считаются передачи, коэффициент полезного дей-
ствия которых составляет от 90 до 98%. Далее вы узнаете, что далеко не все
типы передач имеют высокий КПД.
В главе 2 рассматривался такой показатель электродвигателя, как КПД,
Было показано, что он равен отношению механической мощности двигате-
ля (т/Ш/) к мощности потребляемой им электроэнергии (UI). Если зубчатая
передача присоединена к валу электродвигателя, то КПД такого устройства
вычисляется согласно приведенной ниже формуле.

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
181
((оо)о
^устройства ^двигателя ^передачи Iщ \\ <£-со- I Щ
В рассматриваемом случае КПД устройства вычисляется как произведе-
ние коэффициентов полезного действия всех составляющий его систем. Лег-
ко заметить, что чем больше шестерен в блоке зубчатой передачи, тем боль-
шего передаточного отношения можно достичь, но тем меньше будет КПД
конечного устройства.
7.1.2. Шаг между зубьями
В зубчатых передачах нет ничего сложного, пока не сталкиваешься с тер-
минологией и техническими обозначениями, применяемыми для их описа-
ния. Например, в технической документации зубья шестерни могут харак-
теризироваться записью "48Р90Г". В данном случае символ "Г" обозначает
зубья, и несложно догадаться, что речь идет о шестерне с 90 зубьями ("90 Г").
Символ "Р" указывает шаг или расстояние между зубьями шестерни. Ше-
стерни описываются как круговым, так и диаметральным шагом. Рабочие па-
раметры шестерен зубчатой передачи, известной вам по рис. 7.1, наглядно
проиллюстрированы на рис. 7.2.
В центральной части рис. 7.2 проведены две прямые пунктирные линии,
расположенные перпендикулярно одна к другой. Одна из них соединяет цент-
ры шестерен, а вторая указывает направление их вращения. Место пересече-
ния этих линий называется полюсом зацепления или точкой зацепления.
Поверх каждой шестерни изображена пунктирная окружность, проходя-
щая через точку зацепления. Она называется делительной окружностью. Диа-
метр пунктирной окружности совпадает с диаметром делительной окружно-
сти, а радиус делательной окружности равен половине ее диаметра.
Под круговым шагом подразумевают расстояние между одинаковыми точ-
ками двух соседних зубьев. Круговой шаг измеряется вдоль делительной
окружности. Если шестерни имеют разный круговой шаг, то они не будут
правильно зацепляться.
Диаметральный шаг определяется как отношение количества зубьев к диа-
метру делительной окружности. В технической документации диаметраль-
ный шаг шестерни указывается после символа "Р". В частности, маркировка
"48Р" указывает на то, что шестерня имеет 48 зубьев на дюйм диаметра ее
делительной окружности. Кроме указанного, вам чаще всего будут встречать-
ся обозначения "24Р" и "32Р". Как и в случае кругового шага, шестерни с
разными диаметральными шагами в зацепление не войдут.

182
Часть II. Конструкция электродвигателя
Круговой v
Кругог
шаг
\ч- -
Полюс зацепления
Делительная окружность
Рис. 7.2. Шаг зубьев шестерни
7.1.3. Зазор по окружности
В идеальной передаче зубья шестерен одной передачи зацепляются на-
столько плотно, что свободный зазор между ними не образуется. В результате
даже малейшее движение ведущей шестерни приводит к повороту ведомой
шестерни, а изменение направления вращения происходит синхронно для
них обеих.
В реальных системах между зацепляемыми зубьями шестерен всегда оста-
ется немного свободного пространства. Это означает, что при небольшом
угловом смещении ведущей шестерни ведомая шестерня остается неподвиж-
ной. К тому же изменение направления вращения ведомой шестерни вслед за
ведущей выполняется с заметным запаздыванием. Такой эффект называется
люфтом, или свободным ходом передачи. Люфт возможен только благодаря
существованию между зубьями шестерен определенного зазора.
Не стоит думать, что зазор между зубьями делается случайно. Он совер-
шенно необходим, чтобы предотвратить заклинивание шестерен, обеспечить
доступ смазки к зубьям, а также компенсировать эффект температурного рас-

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
183
ширения материала. Для создания эффективного зазора между зубьями кон-
структоры шестерен делают расстояние между зубьями больше, чем ширина
самих зубьев. Выражаясь техническим языком, можно сказать, что круговой
шаг больше двойной ширины зуба. Еще один способ добавления зазора меж-
ду зубьями передачи заключается в увеличении расстояния между шестернями.
Для вычисления зазора необходимо из расстояния между соседними зу-
бьями вычесть ширину зуба. Оба исходных размера определяются на дели-
тельной окружности.
7.2. Типы механических передач
Механические передачи служат для передачи энергии от ее источника к
нагрузке с изменением вращающего момента, частоты и/или направления
вращения. Первые зубчатые передачи были изобретены еще в средние века.
На сегодняшний день инженерами разработано несколько сотен самых раз-
ных типов механических передач. Мы не будем изучать их все, а остановимся
на рассмотрении только шести наиболее популярных передач: прямозубая
цилиндрическая, косозубая цилиндрическая, коническая зубчатая, реечная
(гайка-рейка), червячная и планетарная.
7.2.1. Прямозубая цилиндрическая передача
Эта передача самая простая, а потому была изобретена человечеством пер-
вой. Ее шестерни представляют собой цилиндры, на поверхности которых
вырезаны зубья. Именно такие шестерни изображены в передачах, проиллю-
стрированных рис. 7.1 и 7.2. Валы, на которые надеты шестерни прямозубой
передачи, всегда параллельны друг другу.
К основным характеристикам прямозубой цилиндрической передачи от-
носятся количество зубьев и шаг между ними. Эти характеристики обозна-
чаются параметрами ХР и FT, где X — это диаметральный шаг (количество
зубьев на дюйм диаметра), a Y— количество зубьев. Показанная на рис. 7.3
прямозубая шестерня производства компании Traxxas маркируется как "48Р
76 Г\
Основной недостаток прямозубой цилиндрической передачи проявляется
в высоком уровне вибрации. Как было показано на рис. 7.2, одновременно в
зацеплении находится только одна или две пары зубьев обеих шестерен — это
значение называется коэффициентом перекрытия. Для прямозубых передач
он принимает значения от 1,2 до 2. В разные моменты времени зубья либо на-
ходятся в полном зацеплении, либо вообще не соприкасаются между собой.

184
Часть II. Конструкция электродвигателя
Рис. 7.3. Прямозубая шестерня 48Р76Г
По мере увеличения частоты вращения непостоянство в зацеплении зу-
бьев начинает проявляться в виде вибрации. Она приводит не только к уско-
ренному износу шестерен, но и разбалансирует всю систему. Самое замет-
ное проявление вибрации — это характерный щум, издаваемый в том числе
трансмиссией современных автомобилей.
В дополнение к вибрации частые удары зубьев друг о друга приводят к их
деформации, что значительно понижает коэффициент полезного действия
передачи и может стать причиной ее поломки.
7.2.2. Косозубая цилиндрическая передача
Чтобы снизить уровень вибрации в цилиндрической передаче, зубья пря-
мозубых шестерен должны находиться в постоянном зацеплении между со-
бой. Для этого инженерами была изменена их форма — так появилась косозу-
бая цилиндрическая передача. В ней зубья расположены не перпендикулярно
торцам шестерни, а под углом. На рис. 7.4 изображена косозубая шестерня
HL20L производства компании Boston Gear.
В передаче с такой формой шестерен в зацеплении одновременно нахо-
дятся нескольких пар зубьев. Коэффициент перекрытия передачи достигает
значений 2,2-4. В результате передача механической энергии осуществляет-
ся плавнее, чем в прямозубой передаче, а вибрация, как и шум, заметно сни-
жена.

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
185
Рис. 7.4. Косозубая шестерня HL20L
У косозубой передачи есть заметный недостаток. В процессе вращения
вала на зубья шестерен воздействует сила, которая имеет составляющую,
направленную перпендикулярно вращению (т.е. вдоль вала). Величина этой
составляющей весьма существенна, чтобы ею пренебречь, и зависит от угла
наклона зубьев. На рис. 7.5 проиллюстрировано, как она образуется.
Рис. 7.5. Угол наклона зубьев и сила, действующая на шестерню вдоль вала

186
Часть II. Конструкция электродвигателя
Как видно из рис. 7.5, угол наклона зубьев обозначен греческой буквой /3.
Если F— это полная сила, действующая на зуб шестерни, то ее составляющая
вдоль оси вращения (вала) равна /sin(/3), а составляющая вдоль направления
вращения — /cos(/3).
Чтобы компенсировать действие силы, направленной перпендикулярно
направлению вращения, шестерни заключаются в упорные подшипники.
Повышенный уровень трения косозубой передачи вызывает заметный нагрев
шестерен. На это также приходится обращать внимание в реальных систе-
мах, поскольку потеря механической энергии на нагрев системы приводит
к уменьшению коэффициента полезного действия передачи.
Для уменьшения воздействия силы, направленной перпендикулярно на-
правлению вращения, были разработаны шестерни с зубьями, наклоненны-
ми в противоположных направлениях. Передача, в которой применяются
шестерни такой формы, носит название шевронная (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Шестерня с наклоненными в двух направлениях зубьями,
используемая в шевронной передаче
Чаще всего шестерни косозубой передачи закреплены на параллельно рас-
положенных валах, но это не обязательное правило. Косозубые шестерни по-
зволяют передавать механическую энергию и в других направлениях. Если
оси косозубой передачи расположены под углом одна к другой, то такая пере-

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
187
дача называется скрещенной. Если валы, на которых закреплены шестерни,
расположены под углом 90°, то говорят о перекрещенной передаче.
7.2.3. Коническая передача
Если в прямозубой передаче используются шестерни цилиндрической
формы, то у конической передачи, как следует из названия, они представ-
лены усеченными конусами. Конструкция типичной шестерни конической
передачи показана на рис. 7.7.
Л
Рис. 7.7. Общая форма шестерен в конической передаче
Символом у на рис. 7.7 обозначенная делительного конуса. Угол взаимно-
го расположения валов двух зацепленных конических шестерен равен сумме
углов делительного конуса каждой из шестерен. Чаще всего угол делительно-
го конуса каждой из шестерен передачи составляет 45°, а валы перпендику-
лярны друг другу. Внешне шестерни конической передачи выглядят так, как
показано на рис. 7.8.

188
Часть II. Конструкция электродвигателя
Рис. 7.8. Шестерни конической передачи, выставленные
под рабочим углом
Если зубья расположены перпендикулярно поверхности конуса, то ко-
ническая передача называется прямозубой. Если шестерни передачи имеют
изогнутые зубья, то коническая передача называется спиралънозубой. Как и
косозубая цилиндрическая передача, спиральнозубая коническая передача
обладает лучшим коэффициентом зацепления, чем прямозубая, а потому ха-
рактеризуется меньшим уровнем вибрации и большей плавностью хода.
Разновидностью конической передачи считается спиральнозубая гипоидная
передана, шестерни которой имеют не коническую, а гиперболоидную форму.
7.2.4. Реечная передача
Если цилиндрическая передача изменяет направление и некоторые дру-
гие характеристики вращательного движения, то реечная передача позволяет
преобразовать вращательное движение в линейное. Реечная передача состоит
из зубчатой рейки и прямозубой или косозубой цилиндрической шестерни.
Для простоты можно рассматривать реечную передачу как вариант цилинд-
рической передачи, в которой одна из шестерен имеет бесконечный радиус.
В большинстве систем ведущей выступает шестерня, а ведомой — рейка.
Упрощенная конструкция реечной передачи представлена на рис. 7.9.
Реечная передача часто применяется в рулевом управлении современных
автомобилей. При повороте рулевого колеса, закрепленного на одном валу
с шестерней, зубчатая рейка толкает поперечные рулевые тяги, которые по-
ворачивают передние колеса в соответствующем направлении. Чем больше
оборотов совершает рулевое колесо (зубчатая шестерня), тем на больший
угол поворачиваются колеса.

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
189
Зубчатое колесо
Зубчатая рейка
! i
Рис. 7.9. Конструкция реечной передачи
Кроме изменения типа движения реечная передача обеспечивает пониже-
ние передаточного числа, благодаря чему максимальный выворот колес до-
стигаете* только при нескольких полных оборотах рулевого колеса.
7,2.5. Червячная передача
На первый взгляд, червячная передача кажется весьма странной конструк-
цией, хотя по принципу действия напоминает винт. Она состоит из червя-
ка и червячной шестерни. Червяк представляет собой продолговатый винт
цилиндрической формы, на поверхности которого по всей длине нанесена
специальная резьба.
Но в то время как обычный винт вкручивается в гайку, вращение червя-
ка приводит к прокручиванию червячной шестерни, которая своими зубья-
ми входит в зацепление с витками резьбы. Чаще всего в качестве ведомой в
червячной передаче используется прямозубая или косозубая цилиндрическая
шестерня.
Как и коническая передача, червячная передача изменяет направление
вращения ведущего вала на 90°. Вариант червячной передачи с прямозубой
цилиндрической ведомой шестерней показан на рис. 7.10.
Каждый оборот червяка приводит к прокручиванию червячной шестерни
всего на один зуб. Таким образом, изменение передаточного отношения зави-
сит от количества зубьев на ведомой шестерне. Обычно червячные передачи
обладают передаточным отношением 20:1, 100:1 и даже 300:1. Обеспечение
высокого передаточного отношения при компактном форм-факторе — это
основная особенность червячной передачи.

190
Часть II. Конструкция электродвигателя
Червячная
передача
Винтовая резьба
Рис. 7.10. Конструкция червячной передачи
Обратите внимание на то, что передача механической энергии в червяч-
ной передаче осуществляется только в одном направлении. В передаче, по-
казанной на рис. 7.10, вращать можно только червяк, который, в свою оче-
редь, поворачивает ведомую шестерню. А вот вращение червячной шестерни
не приведет к вращению червяка. Таким образом, ведущий вал не зависит от
ведомого вала.
При вращении червячной шестерни ее зубья находятся в постоянном за-
цеплении с витками резьбы червяка, что обеспечивает низкий уровень шума
и вибрации. Вследствие постоянного трения червячная передача характери-
зуется высоким уровнем потерь мощности, вызванных нагревом шестерен.
Вполне очевидно, что чем больше передаточное отношение червячной пере-
дачи, тем ниже ее коэффициент полезного действия.
7.2.6. Планетарная передача
Планетарная передача имеет высокое передаточное отношение, но в от-
личие от червячной передачи направление вращения, а также оси ведущего
и ведомого валов в ней совпадают. В ней отсутствуют силы, направленные
в сторону от направления вращения.

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
191
Состоит планетарная передача из сборки взаимозацепленных зубчатых
колес. Именно поэтому она часто рассматривается не как передача, а как це-
лый привод или система зубчатых колес. В упрощенном виде конструкция
планетарной передачи имеет вид, показанный на рис. 7.11.
Планетарная
шестерня
Зубчатое колесо
с внутренним
зацеплением
(коронная
шестерня)
Рис. 7.11. Внутреннее устройство планетарной передачи
В планетарной передаче всегда имеются две шестерни с общей осью вра-
щения: внутренняя центральная (или солнечная) шестерня и внешнее зубчатое
колесо с внутренним зацеплением (или коронная шестерня). Вспомогатель-
ные планетарные шестерни входят в зацепление как с солнечной шестерней,
так и с зубчатым колесом с внутренним зацеплением.
ПРИМЕЧАНИЕ
Зубья шестерен на рис. 7.11 не изображены. Чаще всего в планетарной пере-
даче применяются прямозубые или косозубые цилиндрические шестерни.
Все планетарные шестерни связаны между собой посредством единого
вращающегося элемента передачи, называемого водилом. Наличие в систе-
ме водилы позволяет всем планетарным шестерням равномерно вращаться

192
Часть II. Конструкция электродвигателя
вокруг общей солнечной шестерни. Таким образом, в планетарной передаче
вокруг общей оси вращаются сразу три элемента: солнечная шестерня, ко-
ронная шестерня и водило планетарных шестерен.
Передаточное отношение планетарной передачи зависит от того, какие
из трех элементов конструкции связываются с ведущим и ведомым валами.
Обычно на ведущем валу крепится солнечная шестерня, а водило связыва-
ется с ведомым валом. В подобном случае не только достигается высокое пе-
редаточное отношение, но и обеспечивается передача вращающего момента
сразу на все планетарные шестерни. Такой вариант планетарной передачи на-
ходит применение в системах с высоким уровнем нагрузки, в которых обыч-
ные блоки зубчатых шестерен неприменимы.
7.3. Редукторные двигатели
При создании моторизованных устройств и моделей транспорта вам точ-
но не придется напрямую работать с механическими передачами. Достаточ-
но приобрести электродвигатель с интегрированной передачей нужного типа.
Такие двигатели получили названиередукторных. Конечно, при создании дей-
ствующей модели автомобиля можно обойтись и без использования редуктор-
ных двигателей. Но они совершенно незаменимы в более сложных проектах,
в частности, в робототехнических устройствах и моделях водного транспорта.
Промышленностью выпускается огромное количество моделей редуктор-
ных двигателей самых разных типов. Помимо цены они различаются переда-
точным отношением и типом шестерен, применяемых в передачах. Имея четкое
представление о преимуществах и недостатках передач каждого типа, вы легко
подберете правильную модель редукторного двигателя для любого проекта.
Редукторные двигатели, с которыми мне доводилось работать, оснащались
приводами, содержащими прямозубые и косозубые цилиндрические шестер-
ни. Выходной (ведомый) вал подобных приводов устанавливается параллель-
но, но не соосно (ведущему) валу электродвигателя. Пример такого двигателя
показан на рис. 7.12. Он производится компанией SainSmart и обеспечивает
передаточное отношение 29:1.
Если выходной вал редукторного двигателя располагается по центру кор-
пуса, то в нем, скорее всего, применяется планетарная передача. Выходной
вал, "торчащий" из боковой части корпуса редукторного двигателя, указыва-
ет на применение в нем червячной или конической зубчатой передачи. Суще-
ствуют и комбинированные варианты. Компании Maxon Motors удается со-
четать в одном редукторном двигателе и червячную, и планетарную передачи.

Глава 7. Редукторный двигатель и механическая передача
193
Рис. 7.12. Внешний вид редукторного двигателя с передаточ-
ным отношением 29:1, выпускаемого компанией SainSmart
Редукторные двигатели находят широкое применение в робототехнике и
других высокоточных механизмах, поэтому часто снабжаются всевозможны-
ми датчиками. В частности, редукторный двигатель, показанный на рис. 7.12,
оснащен датчиками на эффекте Холла, а также импульсным датчиком поло-
жения. Они обеспечивают угловое разрешение на уровне 360°/64 = 5,625°.
7.4. Резюме
Впервые столкнувшись с электродвигателями, используемыми в модели-
ровании, я был поражен их низким вращающим моментом. Мне казалось,
что чем тяжелее двигатель и чем больше тока он потребляет, тем выше его
вращающий момент. Времена разочарований прошли, а для увеличения вра-
щающего момента я успешно использую механические передачи.
Изменение вращающего момента механической передачей выражается
как Х:1, где X— степень увеличения вращающего момента ведомого вала по
отношению к ведущему. Этот показатель, называемый передаточным отно-
шением, зависит от соотношения количества зубьев на приходящих в заце-
пление шестернях. Если ведущая шестерня имеет N-t зубьев, а ведомая шес-
терня — No9 то вращающий момент ведомого вала будет в Л^/ЛГ,- больше, чем
ведущего.

194
Часть II. Конструкция электродвигателя
Кроме количества зубьев шестерни характеризуются расстоянием или ша-
гом между ними. Делительной называют условную окружность, по которой
осуществляется зацепление текущей шестерни с другой шестерней. Круговой
шаг определяется расстоянием между соседними зубьями, отмеренным на
делительной окружности. Диаметральный шаг рассчитывается как соотно-
шение количества зубьев шестерни к диаметру ее делительной окружности.
Для того чтобы две шестерни приходили в зацепление, у них должны совпа-
дать оба параметра: круговой и диаметральный шаги.
Большая часть главы содержит описание механических передач основ-
ных типов. Прямозубая цилиндрическая передача — самая простая и наи-
более распространенная. Она состоит из зубчатых колес разного диаметра
и характеризуется высоким уровнем шума и вибрации. Зубья на шестернях
косозубой цилиндрической передачи расположены под углом, что позволяет
существенно уменьшить вибрацию и шум. Несмотря на явные преимущест-
ва, косозубая цилиндрическая передача характеризуется заметно меньшим
КПД, чем прямозубая, поскольку на ведомый вал передается только часть
мощности ведущего вала.
Коническая зубчатая и червячная передачи применяются в системах, в ко-
торых требуется изменить направление передачи механической энергии. В них
ведомый вал располагается под определенным углом (чаще всего под прямым)
к ведущему валу. Червячная передача обладает ощутимо большим передаточ-
ным отношением, чем коническая зубчатая передача, но сильнее нагревается
и имеет из-за этого существенно меньший коэффициент полезного действия.
Для преобразования вращательного движения в линейное и обратно ис-
пользуется реечная передача.
Комбинация в одном блоке нескольких шестерен называется приводом.
С технической точки зрения планетарная передача — это механический при-
вод, состоящий из нескольких зубчатых колес, которые вращаются вокруг об-
щего центра. Передаточное отношение такого привода зависит от того, какие
элементы планетарной передачи связываются с ведущим и ведомым валами.
Под редукторным двигателем подразумевают устройство, в котором мощ-
ность от электродвигателя на выходной вал передается через одну или не-
сколько механических передач. Разобравшись в особенностях и характери-
стиках механических передач всех основных типов, вам не составит большого
труда правильно подобрать редукторный двигатель для любого проекта. Не
забывайте о том, что любая передача приводит к понижению коэффициента
полезного действия системы, а также вызывает нагрев устройства, что может
привести к непредвиденной поломке оборудования.

8
Линейные
электродвигатели
До настоящего момента в книге рассматривались двигатели,
обеспечивающие на выходе только вращательное движение. К вход-
ным параметрам поворотных двигателей относятся сила тока и на-
пряжение электропитания, а к выходным — частота вращения и
вращающий момент. В этой главе мы несколько отойдем от основ-
ной темы повествования и рассмотрим линейные двигатели, обес-
печивающие на выходе линейное перемещение.
Прямолинейное движение подвижной части востребовано в ог-
ромном количестве систем. Как ни странно, линейные двигатели
не нашли широкого применения в моделировании — они дорогие
в производстве, выпускаются намного меньшими объемами, чем
поворотные двигатели, а с принципом их действия знаком да-
леко не каждый инженер, не говоря уже о любителях домашнего
конструирования. Упомянутые причины обусловливают отказ от
применения линейных двигателей в пользу поворотных даже в тех
системах, в которых они предпочтительнее. Самое интересное то,
что подобная тенденция прослеживается не только на уровне лю-
бительского моделирования, но и в промышленном производстве.
Например, в одном из популярнейших ЗО-принтеров современ-
ности RepRap линейное перемещение подвижных частей достига-
ется с помощью уже известных вам шаговых двигателей.

196
Часть II. Конструкция электродвигателя
Несмотря на слабую распространенность, линейные двигатели нужно
изучать и активно применять в собственных проектах. Когда речь заходит о
прямолинейном движении, линейные двигатели обеспечивают большую ско-
рость и точность выполнения операции, чем замещающие их электромеха-
нические системы, основанные на использовании поворотных двигателей.
Кроме того, в большинстве случае КПД линейного двигателя превышает
КПД замещающей его системы.
Одна из самых примечательных областей применения линейных двига-
телей — в электропоездах. Объем инвестиций в проект железнодорожного
транспорта на магнитной подушке (маглев —- магнитная левитация) исчис-
ляется несколькими миллиардами долларов, но первые ощутимые успехи
в разработке технологий появились только после изобретения линейных дви-
гателей с требуемыми рабочими характеристиками.
В этой главе приведено описание современных линейных двигателей всех
основных типов:
■ линейные исполнительные механизмы (актюаторы);
■ линейные синхронные двигатели;
■ линейные асинхронные двигатели;
■ униполярные двигатели.
Вы узнаете не только о конструкции и рабочих характеристиках линей-
ных двигателей, но и об их практической ценности и области применения.
Кроме того, в конце главы приведено общее описание устройства пушки
Гаусса, рельсотрона и поезда на магнитной подушке. В развитие этих и мно-
гих других технологий линейного перемещения каждый год инвестируются
огромные средства со стороны как частных компаний, так и государств. Не-
удивительно, что именно они позволяют воплотить в жизнь самые смелые
технологические ожидания общества.
8.1, Линейный исполнительный механизм
С принципами функционирования электромагнита можно ознакомиться
в главе 2. Из нее вам должно быть известно, что для создания электромаг-
нита достаточно пропустить электрический ток через проводник, обернутый
вокруг стального сердечника. Изменение направления электрического тока
в проводнике приводит к инвертированию полюсов электромагнита. Как
только подача тока прекращается, стальной сердечник теряет свои магнит-
ные свойства.

Глава 8. Линейные электродвигатели
197
Давайте рассмотрим ситуацию, когда внутри обмотки находится толь-
ко часть сердечника (также называемого штоком). В подобном случае на
сердечник действует сила, втягивающая его полностью внутрь обмотки. Рас-
смотренная ситуация наглядно проиллюстрирована на рис. 8.1.
Сердечник
Сила
Рис. 8.1. Движение сердечника внутри обмотки исполнительного механизма
На самом деле у устройства, показанного на рис. 8.1, множество назва-
ний, среди которых — селеноидальный актюатор, селеноидальный привод,
электроактюатор, электрический исполнительный привод, электромагнит-
ный привод и т.п. В некоторых источниках он упоминается как линейный
электродвигатель, что на самом деле неверно. Давайте договоримся в даль-
нейшем называть его линейным актюатором или линейным исполнительным
приводом.
Возникает справедливый вопрос: какая разница между актюатором и дви-
гателем? Различие между этими типами устройств кроется не в конструкци-
онных, а в функциональных особенностях. Под двигателем подразумевается
машина, преобразующая энергию в движение. Актюатор — это специальный
тип двигателя, предназначенный для управления подключенными к нему ме-
ханизмами.
В частности, актюатор часто применяется для изменения положения ме-
ханического переключателя. В подобном случае он называется реле. Также
с помощью актюаторов открываются и закрываются клапаны в водопровод-
ном оборудовании. В отличие от актюатора двигатели производят движение
определенного типа, приводящее к выполнению работы (вращение колес ав-
томобиля или винтов квадрокоптера).
Еще одно примечательное отличие актюаторов от двигателей заключается
в типе электропитания. Все линейные исполнительные приводы, с которыми
мне доводилось работать, запитывались от источника постоянного тока. В то
же время линейные синхронные и индукционные двигатели, как вы увидите
в конце главы, работают от источника переменного тока.

198
Часть II. Конструкция электродвигателя
8.1.1 • Конструкция и рабочие характеристики
Чтобы понять, как работают исполнительные приводы, нужно познако-
миться с понятием магнитной энергии. В предыдущих главах мы уже рассма-
тривали физические принципы, позволяющие использовать постоянные
магниты и электромагниты для совершения механической работы. Магнит-
ная энергия как раз и выступает мерой, определяющей количество работы,
которое способен совершить магнит (магнитное поле).
Обмотка, внутри которой отсутствует сердечник, при протекании по ней
электрического тока генерирует очень слабое магнитное поле. Введение
внутрь обмотки с током сердечника позволяет существенно увеличить маг-
нитный поток, а потому и накопить намного больше магнитной энергии.
При введении сердечника (штока) не на всю длину обмотки в ее "пустой"
области накапливается намного меньше магнитной энергии, чем содержится
в "заполненной" области.
Разница в энергетических состояниях двух частей единой обмотки стано-
вится причиной возникновения силы, заставляющей шток втягиваться даль-
ше внутрь обмотки. Эта сила вычисляется по сложной математической фор-
муле, о которой нам с вами достаточно знать следующее:
■ сила втягивания пропорциональна квадрату силы тока, протекающего
через обмотку;
■ сила втягивания пропорциональна квадрату количества витков в об-
мотке;
■ сила втягивания увеличивается с увеличением площади поперечного
сечения обмотки.
Сила, действующая на шток, всегда направлена внутрь обмотки, хотя сам
исполнительный привод позволяет как вталкивать, так и выталкивать под-
ключенный к нему механизм. На рис. 8.2 показан актюатор, который притя-
гивает нагрузку, прикрепленную к его крюку.
\1.-._.
О
Рис. 8.2. Конструкция линейного исполнительного привода
(втягивающего)

Глава 8. Линейные электродвигатели
199
Металлический корпус позволяет усиливать магнитное поле внутри об-
мотки. Шток прикрепляется к одной из внутренних сторон корпуса с помо-
щью пружины. При подаче тока на обмотку шток втягивается внутрь корпу-
са, сжимая пружину. Как только подача электрического тока прекращается,
пружина выталкивает шток с крюком наружу.
На рис. 8.3 показано, как работает исполнительный привод, выталкиваю-
щий нагрузку наружу. Правая часть штока с ударником на конце изготавли-
вается из немагнитного материала и выталкивается из обмотки при подаче
на нее электрического тока.
\
Рис. 8.3. Конструкция линейного исполнительного привода
(выталкивающего)
Подача питания на обмотку приводит к втягиванию в нее только той части
сердечника, которая изготовлена из ферромагнитного материала. Прекраще-
ние электропитания приводит к сжатию пружины и возвращению ударника
штока в исходное положение.
8.1.2. Линейный исполнительный привод
промышленного производства
На рис. 4.4 изображен линейный актюатор, производимый компанией
Amico, Он относится к втягивающему типу устройств — при подаче на него
электропитания его шток заходит внутрь корпуса на глубину 5 мм.
Ниже приведены электрические характеристики актюатора промышлен-
ного изготовления:
■ рабочее напряжение — 5 В;
■ максимальный ток — 1,1 А.
Изображенный на рис. 8.4 исполнительный привод применяется в сис-
темах открывания замков дверей, капотов и крышек багажников легковых
автомобилей. В центральных замках автомобилей применяются точно такие
же актюаторы, но меньшего размера. Для запирания замка используется вы-
талкивающий исполнительный привод, а для его отпирания — втягивающий.

200
Часть II. Конструкция электродвигателя
Рис. 8.4. Внешний вид линейного исполнительного
привода, производимого компанией Amico
8.1*3. Пушка Гаусса
В исполнительных приводах шток обычно прикрепляется к корпусу
устройства с помощью специального механизма, обеспечивающего возврат
сердечника в исходное положение после прекращения подачи электропита-
ния. Если же шток имеет свободный ход, а электрический ток, проходящий
через обмотку, слишком сильный, то актюатор будет выстреливать сердеч-
ником перед собой. В подобных случаях шток рассматривается как снаряд,
а исполнительный привод^- как орудие, исторически получившее название
"пушка Гаусса".
В сравнении с обычными линейными актюаторами пушка Гаусса потреб-
ляет намного больший ток. Чтобы выстрелить снарядом размером с писто-
летную пулю, пушка Гаусса требует источника питания, обеспечивающего на
выходе силу тока 15 А при напряжении 30 В. Основная трудность заключается
в том, что вся электроэнергия, необходимая для выстрела, должна подаваться
коротким импульсом длительностью всего несколько десятков миллисекунд.
Чтобы обеспечить такую возможность, большинство конструкторов подоб-
ных орудий прибегают к использованию блока конденсаторов высокой емкос-
ти. Только одновременность разрядки всего блока конденсаторов позволяет
снабдить пушку Гаусса достаточным для выстрела количеством энергии.
Начиная с далеких 30-х годов прошлого столетия и до настоящего време-
ни пушка Гаусса (англ. coilgun) будоражит умы как профессиональных элек-

Глава 8. Линейные электродвигатели
201
троинженеров, так и доморощенных почитателей научной фантастики, в со-
вершенстве владеющих паяльником и мультиметром. Даже поверхностный
поиск в Интернете показывает, что рассмотрению физических принципов,
особенностей конструкции и характеристик источников питания для пушки
Гаусса уделяет внимание огромное количество людей во всех уголках мира.
Несмотря на большую заинтересованность сообщества моделистов, неве-
роятно высокие требования к системе питания, к сожалению, не позволяют
найти пушкам Гаусса практическое применение.
Это совсем не означает, что мы никогда не увидим пушку Гаусса в дейст-
вии. На момент написания книги военные ведомства США вели активное
тестирование пушек Гаусса, устанавливаемых на авианосцах в качестве ката-
пульт для палубной авиации. В то же время NASA на самом высоком уровне
рассматривает применение пушек Гаусса для запуска космических кораблей.
8*2. Синхронный линейный двигатель
Как известно, асинхронные (индукционные) поворотные двигатели более
распространены, чем синхронные. Когда речь заходит о линейных двигате-
лях, то здесь все ровным счетом наоборот. Синхронные линейные двигатели
(Linear Synchronous Motors — LSM) оказываются популярнее асинхронных
собратьев.
Основные типы синхронных двигателей переменного тока (двойного воз-
буждения, с постоянными магнитами и реактивные) рассматривались в гла-
ве 6. Большинство синхронных линейных двигателей, с которыми мне дово-
дилось работать, имели в своей конструкции постоянные магниты, поэтому
далее мы сфокусируем свое внимание на изучении именно их. Вы сначала
познакомитесь с особенностью конструкции таких двигателей, а затем узна-
ете об их практическом применении. В частности, мы разберем устройство
двигателя Yaskawa SGLG и изучим фундаментальные принципы построения
транспортной системы на магнитной подушке.
8.2. L Конструкция
В общем случае линейный двигатель представляет собой поворотный дви-
гатель, в котором один из элементов имеет развернутую структуру. Чтобы
лучше понять, о чем идет речь, взгляните на рис. 8.5. Конструкция поворот-
ного двигателя показана вверху, а линейного двигателя — внизу.
Синхронный линейный двигатель получает питание от обычного трехфаз-
ного источника переменного тока. А вот терминология, используемая при
описании его конструкции, несколько отличается от использованной ранее.

202
Часть II. Конструкция электродвигателя
Стальной
Синхронный -— сердечник
двигатель
с постоянными
магнитами ^ Магниты
Линейный « Стальной
синхронный сердечник
двигатель * Магниты
Рис. 8.5. Упрощенная конструкция синхронного поворотного и линейного двигателей
■ Подвижная часть линейного двигателя называется не "ротор", а якорь
или вторичный элемент,
■ Неподвижную часть линейного двигателя, получающую электроэнер-
гию из сети, по-прежнему называют статором или первичным элементом.
На рис. 8.5 видно, что постоянные магниты линейного двигателя закреп-
лены на якоре, а обмотки установлены на статоре. Подобная конструкция
носит название длинный статор, У двигателей с коротким статором обмотки
смонтированы на якоре, а постоянные магниты находятся на статоре. В сле-
дующих разделах приведено описание трех линейных двигателей с коротким
статором таких типов: со стальным сердечником, с воздушным сердечником
и открытого типа.

Глава 8. Линейные электродвигатели
203
Синхронная линейная скорость
О том, как ведет себя магнитное поле статора в поворотном двигателе пе-
ременного тока в течение каждого цикла питания, рассказывалось в главе 6.
Как известно, при частоте электрического тока/период вращения магнит-
ного поля внутри статора равняется 1//.
В линейных двигателях ситуация аналогична описанной выше. В течение
каждого цикла питания магнитное поле смещается вдоль статора на дистан-
цию, равную расстоянию между полюсами, представленными последова-
тельно расположенными обмотками А. Как легко заметить из рис. 8.6, она
равна 2т.
А В С А1 В' _ С А
Рис. 8.6. Расположение обмоток линейного двигателя
При частоте переменного тока / период каждого цикла питания состав-
ляет 1//. Синхронная линейная скорость перемещения магнитного поля рас-
считывается по следующей формуле:
расстояние 2т
v =="
5 время 1//
Именно по такой формуле рассчитывается рабочая скорость перемещения
подвижной части линейного двигателя. Она измеряется в привычных всем
единицах измерения: метрах в секунду (м/с). Обратите внимание на то, что
рабочая скорость не зависит от количества полюсов статора и якоря. А все
потому, что увеличение количества полюсов компенсируется возрастанием
расстояния т.
Синхронный линейный двигатель со стальными
сердечниками
Конструктивно синхронный линейный двигатель со стальными сердечни-
ками (рис. 8.7) подобен двигателю, показанному на рис. 8.5. Различие состо-
ит в том, что в двигателе, изображенном на рис. 8.7, обмотки вынесены на
якорь, а постоянные магниты располагаются на статоре.

204
Часть II. Конструкция электродвигателя
Обмотки якоря
л
Магниты статора
Рис. 8.7. Конструкция синхронного линейного двигателя со стальными сердечниками
Как следует из названия, внутри обмоток двигателя этого типа располага-
ются стальные сердечники. Они позволяют усилить магнитное поле, а потому
и увеличить нагрузку, вталкиваемую/выталкиваемую или переносимую ли-
нейным механизмом.
К недостаткам двигателей такого типа относят большой вес якоря и силь-
ное его притяжение к постоянным магнитам статора. Эти причины побужда-
ют разработчиков снабжать двигатели данного типа специальными механиз-
мами удержания якоря на удалении от статора, не меньшем, чем 0,75 см.
Кроме того, сильное притяжение якоря к статору становится причиной
"зацепления" якоря за полюсы статора, что обусловливает скачкообразность
перемещения подвижного механизма двигателя. Для устранения данного эф-
фекта нужно увеличить скорость движения якоря или расположить постоян-
ные магниты под углом к направлению движения механизма.
Синхронный линейный двигатель с воздушными
сердечниками
Несложно догадаться, что в данных двигателях обмотки якоря лишены
стального сердечника. Вместо сердечника у них пространство, заполненное
воздухом, отсюда и название. Воздушные сердечники, в отличие от стальных,
не имеют веса и магнитных свойств, поэтому движение якоря в двигателях
данного типа заметно более плавное, чем в предыдущем случае.
Основной недостаток линейных двигателей с воздушными сердечниками
состоит в генерации статором недостаточно сильного магнитного поля. Они
не в состоянии справиться со значительной нагрузкой, но прекрасно подхо-
дят для проектов, требующих высокой точности и скорости исполнения.
Для увеличения силы вталкивания/выталкивания полезной нагрузки дви-
гатели с воздушными сердечниками часто снабжаются двумя рядами посто-
янных магнитов. Магниты располагаются по обе стороны от якоря, размеща-

Глава 8. Линейные электродвигатели
205
емого вертикально. Поперечный разрез усиленного двигателя с воздушными
сердечниками показан на рис. 8.8.
Обмотки
якоря
Магниты
статора
Рис. 8.8. Конструкция линейного двигателя с воздушными сердечниками
Еще один недостаток двигателей данного типа — это высокая себестои-
мость, вызванная в первую очередь дороговизной постоянных магнитов. На-
личие у линейного двигателя двух рядов постоянных магнитов специально-
го типа делает их намного дороже двигателей со стальными сердечниками.
Вполне очевидно, что конечная стоимость линейного двигателя напрямую
зависит от длины его статора.
Цельный корпус линейного двигателя с воздушным сердечником предот-
вращает отвод тепла от его подвижных элементов. Чтобы избежать перегре-
ва, двигатели этого типа работают при меньших питающих токах, чем рав-
нозначные линейные двигатели со стальными сердечниками. К тому же они
снабжаются датчиками температуры, позволяющими предотвратить поломку
оборудования при критическом нагреве.
Линейные двигатели открытого типа
Линейный двигатель открытого типа является разумным компромиссом
между синхронным линейным двигателем со стальными и воздушными сер-
дечниками. Его статор, как и у двигателя со стальными сердечниками, со-
держит один ряд постоянных магнитов. При этом обмотки якоря линейного

206
Часть II. Конструкция электродвигателя
двигателя открытого типа полые внутри. Упрощенная конструкция такого
двигателя показана на рис. 8.9.
Сердечник Обмотки якоря
л
Магнит статора
Рис. 8.9. Поперечный разрез линейного двигателя открытого типа
Разумеется, линейные двигатели открытого типа рассчитаны на значи-
тельно меньшие нагрузки, чем их собратья со стальными сердечниками. Тем
не менее размещение воздушных обмоток на стальной подложке позволяет
добиться несколько большей производительности, чем у обычного линейно-
го двигателя с воздушными обмотками. К тому же данный двигатель имеет
всего один ряд постоянных магнитов, что значительно удешевляет его произ-
водство, а открытая конструкция помогает решить проблему отвода тепла от
движущихся частей.
У линейных двигателей открытого типа всего один существенный недо-
статок: низкий КПД. Отсутствие стальных сердечников и наличие только од-
ного ряда постоянных магнитов не способствует образованию сильного маг-
нитного поля. Для достижения подвижным механизмом высоких скоростей
на двигатель нужно подать ток большей силы.
8.2.2. Линейный двигатель Yaskawa SGLG
Компания Yaskawa Electric Corporation производит электродвигатели пе-
ременного тока самых разных типов, в том числе линейные двигатели и сер-
воприводы. Оборудование, произведенное ею, используется в лифтах, насо-
сах и в системах кондиционирования воздуха.
В производственной линейке компании Yaskawa Electric Corporation име-
ются и синхронные линейные двигатели нескольких типов. Серии SGLF и
SGLT представлены линейными двигателями со стальными сердечниками,

Глава 8. Линейные электродвигатели
207
якорь которых двигается поверх статора. У двигателей серии SGLG якорь
с воздушными обмотками двигается внутри статора, представленного двумя
рядами редкоземельных постоянных магнитов. Внешний вид одного из дви-
гателей серии SGLG показан на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Внешний вид синхронного линейного двигателя Yaskawa SGLG
Технические характеристики двигателей серий SGLG и SGLF приведе-
ны в табл. 8.1. Для сравнительного анализа выбраны модели SGLFW-35A и
SGLGW-40A.
Таблица 8.1. Сравнительные характеристики синхронных линейных
двигателей
Характеристика SGLFW-35A SGLGW-40A
Сердечник якоря
Тяговое усилие, Н
Потребляемый ток, А
Пиковое усилие, Н
Масса якоря, кг
Удельное усилие, Н/А
Магнитное притяжение
якоря,Н
Стальной
80
Переменный со
среднеквадратическим
значением 1,4
220
1,3
62,4 (среднеквадрати-
ческое)
809
Воздушный
47
Переменный со
среднеквадратическим
значением 0,8
140
0,38
61,5 (среднеквадрати-
ческое)
0

208
Часть II. Конструкция электродвигателя
Сравнительный анализ технических характеристик показывает, что дви-
гатель со стальными сердечниками в обмотках потребляет больший ток, чем
двигатель с воздушными обмотками. В то же время он развивает большее тя-
говое усилие, хотя его якорь почти в три раза тяжелее, чем якорь с воздушны-
ми обмотками.
Последний параметр заслуживает особенного внимания. В линейном дви-
гателе со стальными сердечниками сила магнитного притяжения якоря в 10
раз (на порядок) больше тягового усилия. Даже при использовании в статоре
наклонных постоянных магнитов подвижная часть двигателя, скорее всего,
будет перемещаться скачкообразно.
8.2.3. Поезд на магнитной подушке (маглев)
Для большей наглядности рассмотрим систему на магнитной подушке
Transrapid. Термин "Transrapid" в название системы добавлен не просто так.
Он имеет целых три значения:
■ название серии поездов на^магнитной подушке, построенных между
1970 и 2007 годами;
■ название компании, строившей поезда под торговой маркой Transrapid
International (общий проект компаний ThyssenKrupp AG и Siemens AG);
■ название технологии, которая лежит в основе серии поездов Transrapid
International (защищена патентом, выданным еще в 1934 году).
Компания Transrapid International до настоящего момента успела постро-
ить девять железнодорожных линий, предназначенных для поездов на маг-
нитной подушке, самая выдающаяся из которых — Transrapid SMT (Shanghai
Maglev Train). Список ее достоинств весьма впечатляющий, включая высо-
кую скорость движения, низкий уровень шума, а также отсутствие вращаю-
щихся узлов. На сегодня поезд на магнитной подушке остается самым быс-
трым коммерческим железнодорожным транспортом, развивая скорость
до 500 км/ч.
Передвижение поезда Transrapid обеспечивается синхронным линейным
двигателем со стальными сердечниками. В отличие от линейных двигателей
других типов, обмотки возбуждения в двигателе Transrapid располагаются на
статоре (железнодорожном полотне), который на языке технических специ-
алистов компании называется направляющими пути. Исходя из этого, удер-
живающие магниты крепятся к нижней части железнодорожного состава.
В упрощенном виде линейный двигатель для поезда на магнитной подушке
имеет конструкцию, изображенную на рис. 8.11.

Глава 8. Линейные электродвигатели
209
Направляющие Удерживающие
магниты магниты
Рис. 8.11. Конструкция поезда на магнитной подушке компании Transrapid
Как видно из рис. 8.11, направляющие поезда, содержащие обмотки яко-
ря, охватывают направляющие пути, на которых смонтированы собственные
обмотки (статора). Обмотки направляющих пути запитываются от трехфаз^
ного источника переменного тока, но не все, а только та их часть, которая на-
ходится непосредственно под поездом. Остановка поезда реализуется пода-
чей на обмотки направляющих пути тока противоположной направленности.
На обмотки якоря, закрепленные под днищем поезда, подается не пере-
менный, а постоянный ток, что вызвано двумя причинами. Они использу-
ются не только для перемещения якоря вдоль статора, но и для притяжения
поезда к направляющим пути. Сила постоянных электромагнитов такова, что
удерживает поезд на расстоянии не более 1 см от поверхности направляющей
пути.
8.3. Асинхронный (индукционный)
линейный двигатель
Асинхронные линейные двигатели успешно конкурируют с синхронными
линейными двигателями и имеют схожую область применения. Фактически
единственная конструктивная особенность асинхронного линейного двига-
теля заключается в отсутствии в нем постоянных магнитов. Движение в нем
обеспечивается проводником, в котором наводится электрический ток, воз-
буждаемый движущимся магнитным полем. О принципах функционирова-

210
Часть II. Конструкция электродвигателя
ния асинхронных линейных двигателей рассказывается в первой половине
раздела.
Как и синхронные, асинхронные линейные двигатели активно применя-
ются в поездах на магнитной подушке (маглев). Дальнейшая часть раздела
посвящена железнодорожной линии LINIMO, в которой используется асин-
хронный линейный двигатель.
8*3.1. Конструкция и принципы функционирования
Детальное описание принципов функционирования асинхронных (ин-
дукционных) двигателей приведено в главе 6. Известно, что они имеют две
особенности.
■ На обмотки статора подается переменный ток, который приводит к об-
разованию магнитного поля, движущегося внутри двигателя.
■ Магнитное поле статора возбуждает в проводящих стержнях ротора
электрический ток. Взаимодействие проводника с током и магнитного
поля приводит к возникновению силы, вращающей ротор.
Асинхронный линейный двигатель представляет собой развернутый на
плоскости асинхронный поворотный двигатель переменного тока. Обмотки
его статора выстроены в одну линию, а ротор представлен линейным провод-
ником, расположенным над статором, как показано на рис. 8.12.
Сердечник Проводник
Вторичный элемент i i
Первичный элемент
Рис. 8.12. Конструкция асинхронного линейного двигателя
Разумеется, всегда можно поменять составляющие двигателя местами так,
что статор с обмотками будет находиться вверху конструкции, а ротор —■ вни-

Глава 8. Линейные электродвигатели
211
зу. Более того, подвижными могут быть обе части линейного двигателя, по-
этому при его описании не используют термины "статор" и "ротор". Вместо
них применяются понятия первичный и вторичный элементы. Первичным на-
зывается элемент двигателя, генерирующий магнитное поле; соответственно,
индукционный ток протекает во вторичном элементе.
Асинхронные линейные двигатели работают только от многофазного
источника питания. Таким образом, ток в каждой из фазовых обмоток А/А1,
В/В1 и С/С индуцируется независимо.
Сила, двигающая вторичный элемент конструкции, возникает в результа-
те взаимодействия движущегося магнитного поля, формируемого обмотками
первичного элемента, и индукционного тока, возникающего во вторичном
элементе.
Скорость первичного элемента всегда ниже скорости перемещения маг-
нитного поля (синхронной линейной скорости). Связь между данными ско-
ростями определяется так называемым коэффициентом скольжения. Вычи-
сляется он с помощью следующей формулы:
Эта формула была детально рассмотрена в главе 6. Учтите, что в большин-
стве источников скольжение выражается процентным значением.
8*3.2. Поезд на магнитной подушке LINIMO
В 2005 году в Японии был представлен первый в стране коммерческий
поезд на магнитной подушке: LINIMO. Его название образовано от "Linear
Motor Line" (Железная дорога для поездов на линейных двигателях). Под-
вижной состав новейшей по тем временам железной дороги приводился
в движение с помощью асинхронных линейных двигателей, а соединяла она
всего две железнодорожные станции: "Fujigaoka" и "Yakusa".
Первая информация о проекте появилась в 2004 году, когда специалисты
из Токийского научного университета выступили с докладом о ходе строи-
тельства и особенностях функционирования будущей железной дороги. Ин-
тересной особенностью поезда стало использование линейного двигателя с
коротким статором. Таким образом, первичный элемент находился в поезде
и располагался над вторичным элементом. Такая конструкция в корне отли-
чалась от применяемой в поездах компании Transrapid, делающей акцент на
использовании линейных двигателей с длинным статором.

212
Часть II. Конструкция электродвигателя
Поперечный разрез поезда LINIMO и пути, по которому он движется, по-
казан на рис. 8.13. В целом его конструкция повторяет принятую в поездах
Transrapid.
Первичный Вторичный
элемент элемент
Электромагниты
подвеса
Рис. 8.13. Конструкция поезда в проекте LINIMO
Средняя скорость поезда LINIMO не превышает 100 км/ч, что намного
меньше скорости, развиваемой поездом Transrapid. Более того, тяговое уси-
лие поезда LINIMO настолько мало, что его движение прекращается при
скорости ветра, большей 25 км/ч.
На первичный элемент двигателя подается трехфазный переменный ток,
который перераспределяется между обмотками, смонтированными согласно
схеме, показанной на рис. 8.14.
Каждая обмотка состоит всего из трех витков провода, но через нее про-
ходит электрический ток силой 300 А. Физически обмотки диаметром всего
несколько десятков миллиметров расположены в два яруса, один над другим.
Совершенно удивительно, что обмотки столь малого размера в состоянии
привести в движение целый пассажирский поезд.

Глава 8. Линейные электродвигатели
213
10 мм
31 мм
12 мм
i:j t::r iizf t:;j' f:J ■ tii i:J i
A' ■ В В i СУ ' С ■ A , A I
:й]
Рис. 8.14. Расположение обмоток одной из половин первичного
элемента линейного двигателя LINIMO
Вторичный элемент линейного двигателя очень прост. Он представлен
стальной платформой, на которую нанесен слой алюминия. На техническом
языке такая проводящая структура называется реактивной плитой.
Поезд удерживается над платформой с помощью специальных электро-
магнитов (магнитных подвесов), которые получают питание от источника
постоянного тока. Регулируя ток, подаваемый на эти электромагниты, можно
изменять высоту подъема поезда над платформой. С помощью специальных
датчиков поезд удерживается на высоте не менее 8 мм.
8*4. Униполярный линейный двигатель
Униполярные двигатели относятся к старейшим электрическим маши-
нам, изобретенным человечеством. Первый опытный образец такого двига-
теля был продемонстрирован публике еще в 1821 году. Ка*Ги большинство
электродвигателей, рассмотренных в книге, униполярные двигатели бывают
поворотными и линейными. Они не упоминались ранее лишь по той простой
причине, что поворотные униполярные двигатели не имеют никакой практи-
ческой ценности.
В отличие от них униполярные линейные двигатели хорошо известны тем
из вас, кто интересуется таким новым видом вооружения, как электромагнит-
ное орудие, или релъсотрон (railgun). Вскоре вы узнаете о его возможностях,
но сначала давайте рассмотрим физические принципы функционирования
униполярных линейных двигателей.

214
Часть II. Конструкция электродвигателя
8.4*1. Конструкция и принципы функционирования
Еще из главы 1 вы узнали, что на проводник с электрическим током, поме-
щенный в магнитное поле, действует сила, направленная перпендикулярно
току. Во всех рассмотренных ранее двигателях проводник с током и магнит-
ное поле разнесены в пространстве, хотя и располагаются предельно близко
друг к другу.
А что произойдет, если в электрическую схему питания двигателя вклю-
чить магнит? Здесь нет никаких противоречий, ведь магнит — такой же про-
водник, как и любой другой металлический объект. В подобном случае сила,
действующая на проводник, не изменится. У униполярных двигателей есть
особенность, которая отличает их от двигателей переменного тока, рассмо-
тренных в главе 3. Для обеспечения непрерывности вращения проводника
в магнитном поле униполярный двигатель не нуждается в коммутаторе.
Проще всего понять, как работает униполярный двигатель, самостоятель-
но проведя физический опыт, для которого понадобятся батарейка, провод-
ник и постоянный магнит. Подобные опыты ставятся бесчисленное количе-
ство раз во многих школах, начиная с середины XIX столетия. Простой поиск
в Интернете позволит быстро найти исчерпывающие видеоролики о том, как
повторить его в домашних условиях. Схематически конструкция устройства
униполярного двигателя показана на рис. 8 Л 5.
Провод -
/ Г_Г"Т \
\\ Электрический ток
Батарея•
U
Магнит •
Рис. 8.15. Расположение элементов в простейшем униполярном двигателе

Глава 8. Линейные электродвигатели
215
Электрический ток движется по проводнику от положительного вывода
батарейки к ее отрицательному выводу. Поскольку проводник располагается
в непосредственной близости к магниту, на него действует сила, заставляю-
щая быстро вращаться вокруг батарейки.
Легко заметить, что направление электрического тока и полярность маг-
нита в процессе демонстрации не изменяются, поэтому такой простой двига-
тель и был назван униполярным.
8.4.2. Рельсотрон
Во всех рассмотренных ранее двигателях для создания большой силы при-
тяжения применяются постоянные магниты на редкоземельных металлах
или электромагниты с большим количеством витков, намотанных на сталь-
ные сердечники. Но, как известно, магнитное поле образуется вокруг любого
проводника с током. Чем сильнее ток, пропускаемый через проводник, тем
мощнее магнитное поле вокруг него.
Для примера давайте рассмотрим три проводника, изображенных на
рис. 8.16. Два длинных проводника закреплены, а третий, короткий, свобод-
но движется между ними. Ток через все проводники одинаковый и обознача-
ется буквой /.
Рис. 8.16. Направление протекания электрического тока через
параллельные проводники
При небольших токах магнитное поле длинных проводников ничтожно
мало, поэтому не оказывает заметного воздействия на короткий проводник.
Ситуация в корне меняется при пропускании через систему высоких токов
силой от 1000 до 10000 А. Магнитное поле вокруг проводников становится
настолько большим, что начинает расталкивать их в стороны.

216
Часть II. Конструкция электродвигателя
Если длинные проводники надежно закрепить на исходных позициях, то
двигаться будет только короткий проводник — он сместится вправо, как по-
казано на рис. 8.17.
Рис 8.17. Направление действия силы в рельсотроне
Чем сильнее ток через проводник, тем больше сила, воздействующая на
него. При достаточно сильных токах он будет выстреливаться вправо подоб-
но снаряду из орудия. В подобном случае длинные закрепленные на своих
местах проводники называются рельсами, а вся конструкция —рельсотроном.
В то время как начальная скорость пули в огнестрельном оружии в пер-
вую очередь зависит от химического состава пороха, скорость полета снаря-
да рельсотрона зависит преимущественно от силы тока, протекающего через
него. Эксперименты с рельсотроном как оружием в силу его далеко не самого
маленького размера проводятся ВМС США уже более десяти лет. Еще в 2008
году Научно-исследовательским центром проблем надводной войны ВМС
США была проведена демонстрация разрушающего действия трехкилограм-
мового снаряда рельсотрона, выпущенного с начальной скоростью, в семь
раз превышающей скорость звука.
Не стоит забывать, что кат>ельсы орудия действует такая же по величине
сила, как и на сам снаряд. Таким образом, каждый выстрел из рельсотрона
наносит ущерб самому орудию. Добавив к этому огромные размеры и неверо-
ятно жесткие требования к источнику питания, становится понятно, почему
о массовом производстве такого вооружения даже не идет речи.
Важно отличать рельсотрон от пушки Гаусса, рассмотренной ранее. В пос-
ледней используется снаряд из ферромагнитного сплава, который разгоня-
ется внутри магнитного поля, образованного электромагнитом. При этом
снаряд не контактирует с обмоткой электромагнита, и ущерб орудию не на-

Глава 8. Линейные электродвигатели
217
носится, а мощность пушки Гаусса ограничивается рабочими характеристи-
ками обмотки. Мощность рельсотрона определяется исключительно элек-
трическим током, проходящим через рельсы и снаряд.
8*5* Резюме
Для многих конструкторов линейный двигатель представляется мало-
понятным и чужеродным устройством, обладающим высокой стоимостью
и странными рабочими характеристиками. Чтобы понять, как он работает,
достаточно развернуть поворотный двигатель. Работа линейных двигателей
основана на тех же физических принципах, которые применяются в поворот-
ных двигателях, поэтому синхронная скорость движения магнитного поля в
них вычисляется по такой же, хотя и несколько видоизмененной, формуле.
Стоит признать, что путаницу также вызывает неоднозначная термино-
логия. При первом знакомстве сложно разобраться, какие устройства отно-
сятся к линейным актюаторам, а какие — к линейным двигателям. Для прос-
тоты давайте считать электрическую машину, отвечающую за перемещение
подвижной части, двигателем, а под актюатором будем понимать устройство,
управляющее неким механизмом. Работа актюатора основана на способно-
сти стального сердечника (штока) втягиваться в обмотку электромагнита при
пропускании через нее электрического тока. Линейный актюатор, выстрели-
вающий штоком из электромагнита, называется пушкой Гаусса.
Если синхронные поворотные двигатели бывают нескольких конструк-
ций, то абсолютное большинство синхронных линейных двигателей оснаще-
но постоянными магнитами. В линейных двигателях движущаяся часть назы-
вается якорем, а неподвижная — статором. Синхронные линейные двигатели
со стальными сердечниками в обмотках статора обладают большей мощно-
стью, но движение их якоря часто носит скачкообразный характер. Примене-
ние воздушного ротора позволяет повысить плавность перемещения якоря,
но заметно снижает тяговое усилие двигателя.
Асинхронные или индукционные линейные двигатели во многом подоб-
ны синхронным собратьям, хотя вместо постоянных магнитов в них исполь-
зуется короткозамкнутый проводник. В этом проводнике индуцируется элек-
трический ток, взаимодействие которого с движущимся магнитным полем
приводит к возникновению силы, определяющей перемещение якоря вдоль
статора. Как и в индукционных поворотных двигателях, в асинхронных ли-
нейных двигателях скорость перемещения проводника с током несколько
ниже синхронной скорости движения магнитного поля. Связь между скорое-

218
Часть II. Конструкция электродвигателя
тями якоря и магнитного поля описывается специальным показателем, назы-
ваемым скольжением.
Последний раздел главы посвящен униполярному двигателю. Его назва-
ние указывает на сохранение работоспособности двигателя при неизменных
направлениях магнитного поля и тока в проводнике. Удивительно, но при пи-
тании от источника постоянного тока такие двигатели не нуждаются в ком-
мутаторе. Они не имеют большой практической ценности (за исключением,
пожалуй, рельсотрона), хотя их конструкция была разработана одной из пер-
вых. Что касается рельсотрона, то его устройство предельно простое: вдоль
двух параллельно расположенных проводников с сильным электрическим
током движется небольшой проводящий снаряд. Благодаря существованию
вокруг длинных проводников сильного магнитного поля снаряд разгоняется
и выстреливается из орудия с чрезвычайно высокой скоростью.
В завершение главы были описаны два проекта поездов на магнитной по-
душке: Transrapid и LINIMO. В первом из них применяется синхронный ли-
нейный двигатель, а во втором — асинхронный (индукционный) двигатель.
Поезда на магнитной подушке имеют огромное количество преимуществ пе-
ред традиционным железнодорожным транспортом, но спустя несколько де-
сятилетий с момента изобретения технологий, лежащих в их основе, они так
и остаются проектами будущего. Причина отказа от повсеместного исполь-
зования транспорта на магнитной подушке — высокая стоимость оборудова-
ния. Инвестиции в подобные проекты полностью не окупаются даже в отда-
ленной перспективе. Именно поэтому все известные сегодня транспортные
магистрали на магнитной подушке реализованы с участием государственных
инвестиций тех стран, в которых они проложены.

Часть
Электродвигатели
в действии

9
Управление
электродвигателями
с помощью Arduino
Семейство плат Arduino выводит моделирование устройств,
оснащенных электродвигателями, на совершенно новый функцио-
нальный уровень. Микроконтроллерные платы Arduino подойдут
даже новичкам — их настройка и использование для управления
электронным оборудованием требуют минимальных познаний в
электротехнике и программировании. Наряду с этим, благодаря
высокой надежности и низкой стоимости, они приобрели боль-
шую популярность даже в промышленном производстве.
Высокая популярность Arduino среди любителей и профессио-
нальных пользователей обусловливает большие производственные
тиражи каждой из моделей семейства. На сегодня в мире продано
несколько сотен тысяч экземпляров Arduino, и почти все они на-
шли применение в реальных проектах. Конечно, большинство плат
используется для создания любительских устройств, но некоторая
их часть все же задеиствуется в самых серьезных коммерческих
проектах, таких как радиоуправляемый транспорт специального
назначения и системы контроля за состоянием оборудования.

222
Часть III. Электродвигатели в действии
В задачу этой главы входит описать возможности Arduino по управлению
электродвигателями. Для достижения всех необходимых целей нам потребу-
ется следующее оборудование.
■ Arduino Mega, Кроме самой микроконтроллерной платы понадобится
программное обеспечение интегрированной среды разработки.
■ Arduino Motor Shield. Специальная плата расширения, упрощающая
подключение электродвигателей и управление ими из Arduino.
■ Программа управления. Обеспечивает управление коллекторными и ша-
говыми электродвигателями, а также сервоприводами.
Разумеется, в одной главе невозможно описать все возможности микро-
контроллерной платы Arduino по управлению двигателями, применяемыми
в моделировании. Как бы мне ни хотелось, некоторые аспекты технологии
останутся незатронутыми. К счастью, вы легко найдете в Интернете огром-
ное количество ресурсов, в которых пользователи делятся собственным опы-
том применения Arduino в самых изощренных проектах. Начать, конечно же,
нужно с официальных сайтов.
http://arduino.cc/en/Reference/HomePage
http://forum.arduino.ее
9.1 ♦ Плата Arduino Mega
Плата Arduino Mega — этот самая популярная модель семейства, хотя и не
самая быстродействующая. Она в полной мере совместима со всем спектром
оборудования и программного обеспечения, рассчитанного на взаимодейст-
вие с Arduino. Краткие сведения о плате Arduino Mega приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Технические характеристики платы Arduino Меда
Параметр Значение
Размер, см 10,5x5,3
Рабочее питание, В 5
Рекомендуемое напряжение питания, В 7-12
Тактовая частота микроконтроллера, МГц 16
Цифровые входы/выходы 54
Аналоговые входы 16

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
223
Имея в своем распоряжении ограниченные ресурсы, Arduino Mega не
позволяет выполнять даже такие привычные задачи, как редактирование
текстов и просмотр веб-страниц. Тем не менее при ее оснащении модулем
расширения Arduino Motor Shield она прекрасно справляется с управлением
коллекторными и шаговыми двигателями, а также любительскими сервопри-
водами. В этой главе акцент сделан на аппаратных интерфейсах подключе-
ния внешних устройств и принципах функционирования микроконтроллера
ATmega2560.
9.1 • 1 ♦ Аппаратные интерфейсы
При разработке Arduino Mega конструкторы в первую очередь обращали
внимание на простоту ее использования рядовыми пользователями, не обла-
дающими профессиональными навыками работы с микроконтроллерами.
Внимательно рассмотрев интерфейсы платы, вы заметите, что выводы, через
которые на внешнее оборудование подается питание, сгруппированы в об-
щую колодку, обозначенную подписью POWER. При этом выводы, отвечаю-
щие за обмен данными, подписаны как COMMUNICATION (рис. 9.1).
Разъем USB Выходы для ШИМ-сигнала (2-13)
i i
Разъем
питания Микроконтроллер
АТтеда2560
Аналоговые входы (А0-А15)
Рис. 9.1. Плата Arduino Меда

224
Часть III. Электродвигатели в действии
По периметру платы располагаются другие колодки с выводами. Они от-
носятся к нескольким популярным интерфейсам, обеспечивающим взаимо-
действие с другим оборудованием. Всего на плате Arduino Mega насчитывает-
ся 5 групп выводов.
■ POWER. Применяются для подачи питания на внешние устройства или
запитывания самой платы Arduino Mega.
■ ANALOG INPUT. Обеспечивают прием аналоговых сигналов, преобра-
зуемых в цифровой формат для дальнейшей обработки.
■ DIGITAL. Используются для приема и передачи цифровых данных.
■ COMMUNICATION. Принимают участие в обмене данными через три
наиболее популярных последовательных интерфейса.
■ PWM. Через них выводятся управляющие ШИМ-сигналы, сгенериро-
ванные микроконтроллером.
При работе с электродвигателями чаще всего используются выводы груп-
пы PWM, что вполне ожидаемо, поскольку большинство двигателей посто-
янного тока, применяемых в любительском моделировании, управляются с
помощью ШИМ-сигналов.
В левой части платы находится крупный разъем подключения питания
самой платы. Как указано в технической документации, источник питания
для Arduino Mega должен обеспечивать на выходе напряжение от 7 до 12 В.
Как бы там ни было, я предпочитаю подавать питание на платы Arduino через
USB-порт компьютера. При подключению к USB-порту микроконтроллер
будет получать через него все необходимое питание.
Постоянное подключение Arduino Mega к USB-порту компьютера имеет
еще одно неоспоримое преимущество: микроконтроллерная плата остается
доступной для поточного программирования. Но перед тем как приступить к
загрузке программ в Arduino Mega, давайте поближе познакомимся с особен-
ностями ее микроконтроллера: ATmega2560.
9.1.2. Микроконтроллер АТтеда2560
Как изображено на рис. 9.1, больше всего места на плате Arduino Mega за-
нимает 100-выводная микросхема ATmega2560. Нетрудно догадаться, что это
микроконтроллер, отвечающий за выполнение в Arduino всех запущенных
процессов и команд. Далее вы узнаете, что же собой представляет микрокон-
троллер, и ознакомитесь с особенностями функционирования микрокон-
троллера ATmega2560, установленного в Arduino Mega.

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
225
Микроконтроллер
Проще всего понять, что же такое микроконтроллер, сравнив его с персо-
нальным компьютером. Как вы знаете, персональный компьютер спроекти-
рован для решения самого широкого спектра задач, начиная с обработки дан-
ных и заканчивая обменом цифровой информацией. Чтобы выполнить все
возложенные на него функциональные обязанности, персональный компью-
тер комплектуется большим количеством устройств: центральным процессо-
ром, отвечающим за обработку данных, оперативной памятью, позволяющей
хранить данные запущенных программ, жестким диском, обеспечивающим
сохранность операционной системы и пользовательских файлов после от-
ключения питания, и т.п.
Микроконтроллеры (Microprocessor Control Unit — MCU) служат тем же
целям, что и персональные компьютеры, но все устройства в них интегриро-
ваны в одну микросхему. У такого аппаратного решения огромное количест-
во преимуществ, включая небольшую стоимость, низкое энергопотребление
и компактный размер. Но у них есть один существенный недостаток перед
персональными компьютерами: крайне низкая производительность.
Чтобы последнее утверждение не показалось голословным, достаточно
сравнить технические характеристики обеих вычислительных систем. На-
пример, мой ноутбук снабжен процессором с тактовой частотой 3 ГГц и опе-
ративной памятью емкостью 8 Гбайт. При этом микроконтроллер, устанав-
ливаемый на плату Arduino Mega, имеет всего 8 Кбайт оперативной памяти и
процессор, работающий на частоте 16 МГц. Таким образом, мой ноутбук не
только в 200 раз производительнее, но и позволяет обрабатывать в миллион
раз больше данных, чем микроконтроллер.
Вполне очевидно, что микроконтроллеры не разрабатывались для уста-
новки в персональные компьютеры. Но у них есть собственная область при-
менения. При конструировании простого робота или автономной охранной
сигнализации, управляемой микроконтроллером, от него не требуется высо-
кой производительности. В указанных случаях микроконтроллер заметно вы-
игрывает у полноценного компьютера как в стоимости, так и в компактности
размеров. К тому же управлять им и обслуживать его несравненно проще, не
говоря уже об организации автономного электропитания.
В подавляющем большинстве случаев все решаемые микроконтроллером
задачи сводятся к последовательному выполнению следующих однотипных
команд.

226
Часть 111. Электродвигатели в действии
1. Получение данных с некого датчика (температурного, движения, ин-
фракрасного или др.).
2. Обработка полученных данных согласно алгоритму, прописанному в
загруженной в микроконтроллер программе.
3. Использование конечных данных для управления неким механизмом,
например электродвигателем.
На первом этапе с датчика снимается сигнал, который необязательно пре-
дставлен в цифровой форме. Если сигнал имеет непрерывную характерис-
тику, то он называется аналоговым и требует оцифровывания (преобразования
в набор нулей и единиц, понятных процессору). Для выполнения такой за-
дачи все современные микроконтроллеры снабжаются аналого-цифровыми
преобразователями (АЦП).
Последний этап сопряжен с генерированием микроконтроллером ШИМ-
сигнала (ШИМ — широтно-импульсная модуляция), неоднократно упоми-
наемым во многих главах. Далее вы узнаете, как такой сигнал применяется
для управления коллекторными двигателями и сервоприводами.
Функциональные особенности АТтеда2560
Большинство плат семейства Arduino оснащено микроконтроллером ком-
пании Atmel, и Arduino Mega — не исключение. На ней установлен микро-
контроллер ATmega2560, основные технические характеристики которого
представлены в табл. 9.2.
Таблица 9.2. Технические характеристики микроконтроллера АТтеда2560
Параметр
Тактовая частота, МГц
Флеш-память, Кбайт
SRAM, Кбайт
EEPROM, Кбайт
Количество выводов
Разрешение ЦАП, бит
Разрешение ШИМ-сигнала, бит
Диапазон рабочих температур, °С
Значение
16
256
8
4
100
10
8
От -40 до +85
Изучая рабочие характеристики микроконтроллера, важно различать три
вида памяти, находящихся в его распоряжении.

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
227
■ Флеш-память применяется для хранения программ, выполняемых ми-
кроконтроллером. Таким образом, в ATmega2560 можно запустить про-
грамму с максимальным размером 256 Кбайт.
■ SRAM (Static Random Access Memory) — статическая оперативная память
для хранения данных программ, выполняемых микроконтроллером.
■ EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory) —
электрически стираемая программируемая постоянная память (ППЗУ),
обеспечивающая хранение настроек и рабочих параметров системы.
Статическая оперативная память очищается при прекращении подачи пи-
тания микроконтроллера. В отличие от нее во флеш-памяти и электрически
стираемой программируемой памяти данные сохраняются даже при отсутст-
вии питания микросхемы.
Микроконтроллер ATmega2560 скомпонован в виде 100-выводной мик-
росхемы: через 11 выводов на MCU подается питание, а через остальные 89
выводов осуществляется обмен данными (вход/выход). Назначение выводов
входа/выхода может изменяться программным образом, и этой функцио-
нальной особенностью мы и будем пользоваться при управлении электро-
двигателями.
К счастью, настройка выводов в Arduino Mega осуществляется очень прос-
то: 54 вывода на ее колодках напрямую связаны с входами/выходами микро-
контроллера, а настройка остальных выводов не потребует от вас серьезных
знаний и чрезмерных усилий.
Вообще говоря, у микроконтроллера ATmega2560 есть множество "выда-
ющихся" функциональных особенностей, которые по достоинству оценены
профессиональными конструкторами и любителями моделирования во всем
мире. На базовом уровне для использования платы Arduino Mega от вас по-
требуются только аккуратность и внимательность. На этом общее описание
платы завершено, и мы переходим к практической стороне задачи — непо-
средственному управлению электродвигателями.
9*2. Программирование Arduino Меда
В общем случае написание программ, выполняемых микроконтроллера-
ми, — это очень хлопотное занятие. Необходимо постоянно помнить о рас-
пределении памяти, периферийных шинах, адресах обработчика прерываний
и регистрах данных/управления. Если же вы решите (о ужас!) перейти на ис-
пользование другого микроконтроллера, то вам придется переписывать про-
грамму практически "с нуля".

228
Часть III. Электродвигатели в действии
ПРИМЕЧАНИЕ
Предполагается, что вы умеете программировать на языке С хотя бы на ба-
зовом уровне. В противном случае неоценимым подспорьем для вас станет
книга "Язык программирования С, 2-е издание" Брайана Кернигана и Денниса
Ритчи.
К чести Arduino, написание программ для нее не потребует от вас фунда-
ментальных знаний в программировании и тонкостей управления ресурса-
ми микроконтроллера. Базовых знаний языка программирования С вполне
достаточно, чтобы освоиться с интегрированной средой разработки Arduino.
К тому же все программы, написанные для ныне существующих плат Arduino,
гарантированно будут выполняться и в будущих моделях.
В этом разделе вы научитесь писать, компилировать и выполнять програм-
мы Arduino. Они настолько простые, что получили название скетчей (от англ.
"sketch" — набросок). Но для того чтобы иметь возможность писать програм-
мы для Arduino, нужно получить доступ к ее среде разработки.
9.2.1. Программная среда Arduino
Программная среда Arduino представляет собой единый пакет, устанавли-
ваемый в компьютере и состоящий из трех основных компонентов:
■ драйверы USB, обеспечивающие обмен данными^ платой Arduino;
■ компилятор, преобразующий код скетча в формат, понятный микро-
контроллеру;
■ интегрированная среда разработки (Integrated Development Environment,
IDE), предназначенная для написания, редактирования, компилирова-
ния и загрузки скетчей.
Для загрузки программной среды достаточно перейти к следующему раз-
делу официального сайта Arduino.
■ Arduino 1.O.JC. Стабильная среда, поддерживающая работу только с
8-битными процессорами, к которым относится микроконтроллер
Arduino Mega.
■ Arduino I.5.X. Среда, рассчитанная на взаимодействие с 32-битными
процессорами, к которым относятся микроконтроллеры Arduino Yun
и Arduino Due.

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
229
Для работы с Arduino Mega понадобится первый вариант программной
среды, который можно загрузить по адресу http://arduino.cc/en/Main/
Software. Прокрутите раздел до заголовка Arduino 1.0.x и щелкните на ссыл-
ке загрузки программного пакета, соответствующего операционной системе
вашего компьютера.
ПРИМЕЧАНИЕ
Новая программная среда Arduino (1.5.x) долгое время была доступна для
загрузки только в виде бета-версии. Она пришлась по душе очень многим поль-
зователям, хотя мне она показалась нестабильной. Именно поэтому для управ-
ления электродвигателями я предпочитаю применять Arduino Меда, а не более
новые модели платы.
После загрузки установочного файла среду нужно развернуть на компью-
тере. Процедура ее установки зависит от операционной системы.
■ Инструкции для Windows приведены по адресу http: //arduino. cc/
en/Guide/Windows.
■ Установка среды для Mac OS X выполняется согласно инструкциям, до-
ступным по адресу http://arduino.cc/en/Guide/MacOSX.
■ В Linux установка программной среды различается в зависимости от
дистрибутива операционной системы. Со списком поддерживаемых
дистрибутивов Linux и соответствующими установочными инструкци-
ями можно ознакомиться по адресу http: //playground, arduino. cc/
Learning/Linux.
По завершении установки на вашем компьютере появится новая програм-
ма, выполнение которой приводит к запуску интегрированной среды раз-
работки Arduino. На рис. 9.2 показано, как выглядит среда разработки для
Windows 7.
При первом запуске интегрированной среды разработки нужно указать
плату Arduino, в которую будут загружаться программы. Перед выбором
платы подключите ее к USB-порту компьютера. Выполните следующие
действия.
1. Подключите один конец кабеля к разъему питания Arduino Mega,
а второй — к разъему USB компьютера.
2. Запустите среду разработки Arduino.

230
Часть III. Электродвигатели в действии
Рис. 9.2. Интегрированная среда разработки Arduino
3. В строке меню выберите команду Инструменты^Плата (Tools^Board),
а затем щелкните на опции Arduino Mega 2560 или Mega ADK.
4. Вернитесь в строку меню, выберите команду Инструменты^Порт
(Tools^Serial Port) и укажите порт, применяемый для соединения ком-
пьютера с платой Arduino. Процедура и длительность установки соеди-
нения через указанный порт зависят от операционной системы.
5. В меню Файл (File) выберите команду Сохранить как (Save as) и вве-
дите blink в качестве названия нового скетча.
По завершении настройки интегрированная среда разработки Arduino
должна выглядеть так, как показано на рис. 9.3.
На последнем этапе создается файл скетча с именем blink, ino (файлы
скетчей Arduino имеют расширение *. ino). По умолчанию этот файл сохра-
няется в каталоге Arduino\blink, вложенном в каталог Документы (Docu-
ments) текущего пользователя системы. В частности, в Windows 7 он доступен
по следующему пути:
C:\Users\#M# пользователя\Му Documents\Arduino\blink

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
231
Рис. 9.3. Готовая к использованию среда разработки
9.2.2. Работа со скетчами
Завершив настройку программной среды Arduino, вы выполнили наиболее
сложную часть работы. Осталось отредактировать программный код скетча и
загрузить его в плату.
Чтобы не утруждать себя излишними объяснениями, я продемонстрирую
работу в среде разработки на реальном примере. Давайте откомпилируем
и загрузим в Arduino Mega скетч blink, ino, код которого приведен в лис-
тинге 9.1.
Листинг 9.1. Мигание встроенным светодиодом (ch9/blink.ino)
/* Изменяет уровень напряжения на выводе 13 с высокого на низкий,
что приводит к миганию встроенного в плату светодиода */
// Назначение имени выводу 13
int led_pin = 13;
// Перевод вывода 13 в режим выхода при запуске платы
void setup() {

232
Часть III. Электродвигатели в действии
pinMode(led_pin, OUTPUT);
}
// Циклическое изменение уровня напряжения на выводе 13
void loop() {
digitalWrite(led_pin, HIGH); // высокий уровень
delay(lOOO); // секундная задержка
digitalWrite(led_pin, LOW); // низкий уровень
delay(lOOO); // секундная задержка
}
При собственноручном написании приведенного выше кода можно на-
делать множество опечаток, поэтому проще всего скопировать его из файла
blink. ino. Все примеры скетчей, рассматриваемых в книге, содержатся в ар-
хиве mf m. zip и доступны для загрузки на сайте книги:
http://www.motorsformakers.com
Загрузите архив с программными кодами и извлеките его содержимое.
Найдите каталог Ch9, а в нем — файл blink. ino. Для загрузки содержимого
файла в среду разработки Arduino воспользуйтесь командой Файл^Открыть
(File^Open).
Добавив код скетча в окно среды разработки, можно приступать к его ком-
пиляции и загрузке в Arduino Mega. Для этих целей используется команда,
связанная с круглой кнопкой, на которой изображена "галочка" (эта кнопка
расположена в левой верхней части окна). Если в коде содержатся ошибки,
то в нижней части окна на красном фоне появится соответствующее изве-
щение, сопровождающееся выделением первой строки с неизвестным для
программной среды синтаксисом. При удачной компиляции синтаксически
верного программного кода в нижней части появится извещение Компиляция
завершена (Done compiling).
ПРИМЕЧАНИЕ
По мере ввода кода скетча вручную в строке состояния окна программной
среды Arduino постоянно изменяются несколько числовых значений. Они ука-
зывают на текущее расположение курсора: номер строки и номер вводимого
символа.
Для загрузки скетча в плату Arduino Mega щелкните на кнопке с изобра-
жением указывающей вправо стрелки, расположенной в левой верхней части
окна. Если загрузка скетча прошла успешно, то в нижней части окна появит-

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
233
ся извещение Загрузка завершена (Done uploading). Программа немедленно
начинает выполняться микроконтроллером. В нашем примере с секундной
задержкой и таким же интервалом свечения начнет мигать светодиод, смон-
тированный на плате возле вывода 13. ~
9.2.3. Написание программ для Arduino
Программа, выполняемая микроконтроллером Arduino, состоит из ин-
струкций, синтаксис которых заимствован из языка программирования С.
Следовательно, каждая инструкция завершается точкой с запятой, при этом
инструкции разрешается группировать в отдельные структуры, называемые
функциями. В Arduino можно использовать все базовые типы данных языка
программирования С. Справедливости ради стоит указать, что большинство
скетчей для Arduino написано с использованием данных только целочислен-
ного типа (int).
В отличие от программ, написанных на языке С, скетчи не содержат функ-
ции main (). Структурно каждый скетч состоит из следующих трех блоков.
■ Блок объявления переменных. Все переменные, используемые в скетче,
объявляются и инициализируются в самом его начале.
■ Функция setup (). Содержит инструкции, выполняемые при запуске
платы или ее перезагрузке.
■ Функция loop (). Содержит циклически выполняемые инструкции.
Они выполняются только после инструкций предыдущей функции.
Чтобы понять, как в Arduino выполняется скетч, давайте проанализируем
код приведенного выше примера. Скетч из листинга 9.1 заставляет плату по-
очередно подавать на светодиод сигналы высокого и низкого уровней. В ре-
зультате каждую следующую секунду светодиод то загорается, то гаснет.
В первую очередь вам нужно познакомиться с функциями, используемы-
ми в скетче для управления оборудованием платы Arduino. Разумеется, фор-
мат книги не позволяет привести описание их всех, поэтому мы рассмотрим
только те из них, которые отвечают за ввод-вывод сигналов, установку вре-
менных задержек и управление аналоговыми сигналами. Краткое их описа-
ние приведено в табл. 9.3.
ПРИМЕЧАНИЕ
high и low - это обычные целочисленные значения: high = 1, low = 0.

234
Часть III. Электродвигатели в действии
Таблица 9.3. Наиболее распространенные функции программной
среды Arduino
Категория
Ввод-вывод
цифровых
сигналов
Временная
задержка
Считыва-
ние
аналоговых
сигналов
Вывод
аналоговых
сигналов
Функция
pinMode (int pirwium,
int mode_type)
digitalRead (int pinjium)
digitalWrite
(int pin num, int level)
delay (int time)
delayMicroseconds
(int time)
millis ()
micros()
analogReference
(int ref_type)
analogRead()
analogWrite
(int pinjium,
int duty cycle)
Описание
Устанавливает режим,
в котором работает цифровой
вывод: input (вход), output
(ВЫХОД) ИЛИ INPUT_PULLUP
(вход с подтягиванием уровня)
Возвращает значение HIGH или
LOW в зависимости от уровня
входного сигнала
Устанавливает уровень сигнала
на выводе: high или LOW
Определяет задержку
(в миллисекундах) перед
выполнением следующего кода
Определяет задержку
(в микросекундах) перед
выполнением следующего кода
Возвращает время от
начала запуска программы
(в миллисекундах)
Возвращает время от
начала запуска программы
(в микросекундах)
Устанавливает наибольшее
допустимое аналоговое
напряжение на входе
Возвращает значение
аналогового напряжения на
входе
Подает на выход ШИМ-сигнал
с указанными параметрами
заполнения

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
235
В табл. 9.3 приведена только малая часть функций, доступных при написа-
нии скетчей в Arduino. Полный список синтаксических конструкций, допус-
тимых для использования в коде скетчей, доступен по следующему адресу:
http://arduino.cc/en/Reference/HomePage
Цифровой ввод-вывод
Как рассказывалось выше, все выводы платы Arduino Mega разделены на
несколько категорий: питание, аналоговые входы, коммуникационные, циф-
ровые входы/выходы и выходы ШИМ-сигнала. За исключением питания, все
выводы платы можно использовать в трех следующих режимах.
■ INPUT. Режим входа: считывание цифрового сигнала на выводе выпол-
няется функцией digitalRead ().
■ INPUT_PULLUP. Режим подтягивания сигнала: в исходном состоянии на
выводе устанавливается сигнал высокого уровня (HIGH).
■ OUTPUT. Режим выхода: уровень цифрового сигнала на выходе опреде-
ляется функцией digitalWrite ().
Режим работы вывода указывает способ дальнейшего использования вы-
вода в скетче: прием или передача цифрового сигнала. Он устанавливается
функцией pinMode (), для чего ей передаются два аргумента: номер вывода и
его новое состояние. По умолчанию каждый вывод платы переведен в режим
входа (INPUT). С помощью следующего кода в режим выхода переводится вы-
вод с номером 10:
pinMode(10, OUTPUT);
При переводе вывода в режим входа (INPUT или INPUT__PULLUP) сигнал на
нем считывается с помощью функции digitalRead (). Она возвращает зна-
чение HIGH, когда на вывод подается напряжение, большее 3 В. Если на вы-
вод подано напряжение меньше 2 В, то функция digitalRead () возвращает
значение LOW. В режиме INPUT_PULLUP функция digitalRead () по умолча-
нию возвращает значение HIGH. Значение LOW возвращается ею только при
подключении вывода к общему проводу.
После перевода вывода в режим OUT PUT напряжение на нем устанавливает-
ся функцией digitalWrite (), которой передаются два аргумента: номер вы-
вода и уровень выходного сигнала. Если в качестве второго аргумента указать
значение HIGH, то на вывод будет подано напряжение 5 В. Передача функции
аргумента LOW обеспечивает сброс выходного напряжения до уровня О В.

236
Часть III. Электродвигатели в действии
В качестве примера управления выводами платы Arduino давайте изучим
код, с помощью которого цифровой сигнал, подаваемый на вывод 7, устанав-
ливается на выводе 9.
res = digitalRead(7);
digitalWrite(9, res)/
Если этот код поместить внутрь функции loop (), то он будет выполняться
микроконтроллером циклически. При добавлении в функцию setup () дан-
ный код будет выполняться только единожды: при запуске скетча.
Временная задержка
Назначение временных функций, приведенных в табл. 9.3, понятно из их
описания. Всего их четыре: две устанавливают задержку перед выполнением
последующего кода скетча, а еще две позволяют определить, как долго вы-
полняется программа.
Важность функций первой категории вполне очевидна. В частности, они
оказываются незаменимыми в ситуации, когда необходимо не только изме-
нить состояние вывода и подать на него напряжение с помощью функции
digitalWrite (), но и удерживать данный уровень сигнала в течение опре-
деленного временного интервала.
Подобное поведение программы прекрасно продемонстрировано в при-
мере blink.ino.B нем каждое изменение выходного напряжения на выводе
13 (от значения HIGH в LOW и обратно) сопровождается задержкой в одну се-
кунду, устанавливаемой функцией delay ().
delay(lOOO);
Инструкции, следующие после функции delay (), выполняются только
по истечении времени, указанного в качестве ее аргумента. Он определяет
время задержки в миллисекундах, или тысячных долях секунды. При переда-
че функции delay () аргумента 250 задержка выполнения программы будет
длиться четверть секунды. _
Во многих случаях миллисекунда оказывается слишком длительной за-
держкой. Чтобы установить задержку, длительность которой заметно меньше
миллисекунды, нужно применить функцию delayMicroseconds (). Напри-
мер, при передаче ей аргумента, равного 500, задержка будет составлять поло-
вину миллисекунды, или 0,0005 с.
Инструкции, введенные в теле функции loop (), продолжают выполнять-
ся микроконтроллером до тех пор, пока на него подается питание. В Arduino
нет синтаксических конструкций, позволяющих прервать выполнение функ-
ции loop (). Тем не менее существует возможность выполнения инструкций

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
237
только в течение определенного временного интервала. Здесь нам на помощь
приходят функции millis () Hmicros(). Они определяют и возвращают
числовое значение (в миллисекундах и микросекундах соответственно) дли-
тельности выполнения программы.
Ниже приведен реальный пример использования функции millis () в
скетчах Arduino. С его помощью на вывод с номером 13 сначала подается на-
пряжение высокого уровня (HIGH) длительностью 5 секунд, а затем оно сбра-
сывается до низкого уровня (LOW). Спустя 5 секунд на выводе 13 снова уста-
навливается напряжение высокого уровня.
if (millis() < 5000)
digitalWrite(13, HIGH);
else if (millis() < 10000)
digitalWrite(13, LOW);
else
digitalWrite(13, HIGH);
Функция micros () позволяет управлять более короткими временными
интервалами. Она чрезвычайно востребована при управлении электромеха-
ническими устройствами и обмене данными с другим электронным оборудо-
ванием.
Считывание аналоговых сигналов
Для получения данных с датчиков или любых других аналоговых устройств
в Arduino используются две функции: analogRef erence () и analogRead ().
Аналоговый сигнал может представляться напряжением произвольного
уровня, но Arduino Mega не умеет работать с сигналами, которые могут при-
нимать бесконечное количество значений. Именно поэтому при написании
скетча, обеспечивающего считывание аналоговых данных, необходимо знать
максимальный уровень напряжения входного сигнала.
По умолчанию на вход Arduino Mega можно подать аналоговый сигнал
с максимальным напряжением 5 В. Это означает, что диапазон аналоговых
сигналов, измеряемых платой, равен 0—5 В. Для его изменения применяется
функция analogRef erence (), принимающая следующие аргументы.
■ DEFAULT. Значение по умолчанию — 5 В.
■ INTERNAL1V1. Максимальный уровень измеряемого напряжения — 1,1 В.
■ INTERNAL2V56. Максимальный уровень измеряемого напряжения —
2,56 В.
■ EXTERNAL. Максимальный уровень измеряемого сигнала определяется
напряжением на выводе AREF.

238
Часть III. Электродвигатели в действии
Если взглянуть на плату Arduino Mega так, как показано на рис. 9.1, то
вывод AREF располагается на крайней слева позиции верхней контактной
колодки. При передаче функции analogReferenceO аргумента EXTERNAL
диапазон измеряемых аналоговых сигналов будет составлять от О В до напря-
жения, поданного на вывод AREF, но не больше 5 В.
Как и digitalRead (), функция analogRead () принимает в качестве ар-
гумента номер вывода, но в данном случае для того, чтобы прочитать с него
сигнал. Функция analogRead (), как и digitalRead (), возвращает целочи-
сленное значение. Между этими функциями есть существенные различия.
■ Функция analogRead () возвращает целое число в диапазоне от 0 до
1023, где значение 0 представляет напряжение 0 В, а 1023 — максималь-
ное измеряемое аналоговое напряжение.
■ Функция analogRead () поддерживается только небольшим количест-
вом выводов платы. Как показано на рис. 9.1, у Arduino Mega всего 16
аналоговых входов, представленных выводами А0-А15.
В следующем коде приведен пример использования функции analog
Read (). В нем аналоговый сигнал считывается с вывода А5.
analog_v = analogRead(A5);
Наряду с этим сигнал на аналоговых входах платы можно прочитать и с
помощью "цифровых" функций: digitalRead () и digitalWrite (). В сле-
дующем примере они используются для получения сигнала со все того же
вывода А5.
digital_v = digitalRead(A5);
Как и любые другие выводы, аналоговые входы по умолчанию установ-
лены в режим INPUT. Для перевода их в другой режим (OUTPUT или INPUT_
PULLUP) применяется уже известная вам функция pinMode ().
Вывод аналоговых сигналов
Функция analogWrite () настолько важна, что выделена в отдельную ка-
тегорию. При первом знакомстве с ней я было подумал, что платы Arduino
снабжены цифро-аналоговым преобразователем (ЦАГТ), позволяющим пода-
вать на выходы полноценные аналоговые сигналы. Как это ни прискорбно,
Arduino Mega не оснащена подобным устройством, хотя и умеет имитировать
на некоторых своих выводах аналоговый сигнал.
Вместо аналогового сигнала функция analogWrite () формирует на вы-
ходе ШИМ-сигнал, детально с которым вы познакомились еще в главе 2. Он
идеально подходит для управления двигателями постоянного тока всех рас-

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
239
пространенных типов. Импульсы напряжения в ШИМ-сигнале имеют оди-
наковую амплитуду и период, но разную длительность, обусловленную его
назначением. Соотношение длительности импульса к периоду сигнала назы-
вается коэффициентом заполнения.
Параметры ШИМ-сигнала, генерируемого функцией analogWrite (),
устанавливаются с помощью таких аргументов.
■ Номер вывода. ШИМ-сигнал, создаваемый функцией analogWrite (),
подается далеко не на все выводы (в Arduino Mega это выводы 2-13,
44-46).
■ Коэффициент заполнения. Указывает отношение длительности импуль-
са ко времени, через которое подается каждый следующий импульс (пе-
риод сигнала).
Пример использования функции analogWrite () для подачи на выход
ШИМ-сигнала приведен в листинге 9-2.
Листинг 9.2. Широтно-импульсная модуляция (Ch9/pwm.ino)
/* Генерирует ШИМ-сигнал с коэффициентами заполнения 0%, 25%,
50% и 75% */
// Назначение переменной выводу 13
int pwm_pin = 13;
// Перевод вывода 13 в режим выхода
void setup() {
pinMode(pwm_pin/ OUTPUT);
// Изменение коэффициента заполнения в диапазоне 0-75%
void loop() {
analogWrite(pwm_pin, 0);
delay(lOOO);
analogWrite(pwm_pin,
delay(lOOO);
analogWrite(pwmjpin,
delay(lOOO);
analogWrite (pwmjpin,
delay(lOOO);
// коэффициент заполнения — 0%
// секундная задержка
// коэффициент заполнения — 25%
// секундная задержка
// коэффициент заполнения — 50%
// секундная задержка
192); // коэффициент заполнения - 75%
// секундная задержка
64);
128)
В функции setup () скетча содержится всего одна инструкция, обеспе-
чивающая перевод вывода с номером 13 в режим OUTPUT. Далее в функции

240
Часть III. Электродвигатели в действии
loop () четырежды вызывается функция analogWrite (), подающая на этот
вывод ШИМ-сигнал, каждый раз с другим коэффициентом заполнения: 0%,
25%, 50% и 75%. Каждое изменение коэффициента заполнения сопровожда-
ется секундной задержкой. Проследить за изменениями в выходном сигнале
очень просто. Для этого достаточно изучить поведение встроенного в плату
Arduino Mega светодиода. Сигнал, подаваемый на вывод 13 с помощью скетча
из листинга 9.2, имеет вид, подобный изображенному на рис. 9.4.
Коэффициент | Коэффициент I Коэффициент
заполнения — 0% : заполнения — 25%
Г
заполнения — 50%
Коэффициент
заполнения — 75%
Рис. 9.4. ШИМ-сигнал, генерируемый с помощью функции analogWrite ()
К сожалению, период (частота) подачи импульсов ШИМ-сигнала зави-
сит не только от модели платы Arduino, но и от вывода, на выход которого
он подается. Мои собственные исследования показали, что на выводы 2, 3 и
5—12 платы Arduino Mega выводится ШИМ-сигнал с периодом 2,05 мс. Пе-
риод ШИМ-сигнала, подаваемого на выводы 4 и 13, составляет 1,025 мс. Дру-
гими словами, частота ШИМ-сигнала на выводах 2, 3 и 5-12 равна 488 Щ, а
на выводах 2 и 13 — 976 Гц.
Частоту ШИМ-сигнала, генерируемого Arduino Mega, можно изменять в
том числе и программным образом. Мы не будем детально останавливаться
на рассмотрении этого вопроса, вы легко найдете все необходимые сведения
в Интернете.
9.3. Модуль расширения Arduino
Motor Shield
Обладая невероятно широкими возможностями по управлению электрон-
ным оборудованием, плата Arduino Mega не позволяет напрямую подключать
к своим выводам электродвигатели. В список ее оборудования также не вхо-
дит мостовая схема управления, обеспечивающая изменение направления
вращения вала электродвигателя. Чтобы добиться от Arduino Mega управле-
ния двигателями постоянного тока, к микроконтроллеру подключают специ-
альную плату расширения.
Плата расширения для Arduino традиционно называется шилдом (от англ.
"shield" — щит), поскольку она монтируется поверх платы микроконтролле-

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
241
pa. Для Arduino Mega создано большое количество самых разных шилдов, рас-
ширяющих и без того немалые функциональные возможности микроконт-
роллера. Среди них — модули, снабжающие микроконтроллерную плату
GPS-приемником и беспроводным адаптером и даже превращающие ее
в мультимедийную систему. Не удивительно, что управление электродвига-
телями из Arduino проще всего выполняется также с помощью специального
модуля расширения (рис. 9.5).
Последовательный интерфейс TW1 Цифровые выходы с поддержкой ШИМ-сигнала (2-13)
I 1
Аналоговые
• выходы
(ШИМ-сигнал)
- Аналоговые
входы
Питание
двигателя
Питание
двигателя
Питание
платы
В--
В+-
А--
А+-
Uin-
GND-
Двухканальная мостовая схема L298P Аналоговые входы (А0-А15)
Рис. 9.5. Плата Arduino Motor Shield 1.1
Модуль Arduino Motor Shield оснащается большим количеством выводов,
в которых поначалу несложно и запутаться. А все потому, что двигатели раз-
ных типов подключаются к своим выводам шилда. В текущем разделе вы все-
го лишь ознакомитесь с возможностями модуля расширения, а использовать
его для выполнения практических задач по управлению двигателями научи-
тесь в последующих разделах.
9.3.1 ♦ Питание для Arduino Motor Shield
Логические интегральные схемы Arduino Motor Shield получают питание
от платы Arduino Mega, но его недостаточно для обеспечения электрическим

242
Часть lit. Электродвигатели в действии
током двигателей, подключенных к шилду. Источник питания для электро-
двигателей подключается к выводам Цп и GND, расположенным в левой ниж-
ней части шилда, если смотреть на него так, как показано на рис. 9.5. Вход Цп
рассчитан на электропитание с напряжением 7-12 В — на каждый электрод-
вигатель допускается подавать электрический ток силой до 2 А.
Если на вывод Цп подается высокое напряжение, то важно изолировать его
от близко расположенного оборудования платы Arduino Mega. В официаль-
ной документации к Arduino Motor Shield абсолютно серьезно рекомендуется
срезать контакты с обратной стороны разъемной колодки, но я предпочитаю
все же загибать их так, чтобы они не соприкасались с платой Arduino Mega.
Сразу над входами питания Arduino Motor Shield располагаются четыре за-
жимных разъема, с которых питание подается на два двигателя постоянного
тока или шаговый двигатель. О том, как правильно подключать электродви-
гатели к модулю Arduino Motor Shield, рассказывается в следующих разделах.
9.3.2. Двухканальный драйвер на мостовой схеме L298P
С мостовой схемой управления питанием электродвигателей постоянного
тока вы познакомились в главе 3. Как вы помните, она основана на четырех
переключателях и позволяет изменять направление вращения вала двигателя,
Модуль Arduino Motor Shield снабжен двумя мостовыми схемами, выполнен-
ными в виде одной интегральной схемы L298P. В ней мостовые схемы по-
строены на базе биполярных планарных транзисторов. На рис. 9.6 показано,
как первая мостовая схема связана с выводами модуля Arduino Motor Shield.
Электрическая схема драйвера двигателей достаточно сложная, но ее зада-
ча сводится к подаче питания на электродвигатель, подключенный к выводам
МОТ_А+ и МОТ_А-. Для вращения вала двигателя в прямом направлении
вывод МОТ_А+ должен получать напряжение Цп, а вывод МОТ_А- необхо-
димо подключить к общему проводу (GND). Для вращения вала в обратном
направлении к общему проводу подключается вывод МОТ_А+, а напряжение
Ujn подается на вывод МОТ_А-.
Управляющий ШИМ-сигнал PWM_A генерируется контроллером Arduino
Mega. Питание на двигатель подается только сигналом PWM_A высокого уров-
ня. Подача на вход схемы сигнала pwm_a низкого уровня приводит к запи-
ранию переключателей и прекращению питания двигателя, подключенного
к выводам МОТ_А+ и МОТ_А-.
В нормальном режиме работы (на входе сигнал PWMA высокого уров-
ня) управление переключателями мостовой схемы осуществляется сигнала-
ми DIRA и BRAKEA. Для подачи на вывод МОТ_А+ напряжения Цп (через

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
243
переключатель Sq) необходимо, чтобы сигнал DIR__A был представлен высо-
ким логическим уровнем. Подобным образом подача сигнала DIRA низкого
уровня соответствует подключению вывода МОТ_А+ к общему проводу (че-
рез переключатель 51).
DIR A
PWM А
МОТ МОТ
А+ А-
BRAKE А
SNS А-
GND
Рис. 9.6. Принципиальная электрическая схема драйвера на мостовой
схеме управления
Проанализировав правую часть схемы, становится понятно назначе-
ние сигнала BRAKEA. Если он представлен низким уровнем напряжения,
то на выводе DIR_A# устанавливается инверсное состояние по отношению
к выводу DIR_A. Это означает, что вывод МОТ_А- подключается к общему
проводу, когда вывод МОТ_А+ подключается к напряжению питания Цп, и
наоборот.
Если же сигнал BRAKEA представлен высоким логическим уровнем, то
напряжения на выводах DIR_A# и DIR_A будут одинаковыми. В результате
на выводах МОТ_А+ и МОТ_А- устанавливается одинаковый электрический
потенциал, и электрический ток через двигатель не протекает.
Чтобы не наделать ошибок при управлении двигателем с помощью дан-
ной мостовой схемы, нужно правильно сопоставить сигналы управления

244
Часть III. Электродвигатели в действии
мостовой схемой на рис. 9.6 с выводами платы Arduino Mega, как показано
в табл. 9.4.
Таблица 9.4. Соответствие выводов мостовой схемы
и выводов Arduino Меда
Сигнал управления Вывод Arduino Описание
мостовой схемой Меда
12 Сигнал изменения направления
вращения вала двигателя А
13 Сигнал изменения направления
вращения вала двигателя В
3 ШИМ-сигнал для двигателя А
11 ШИМ-сигнал для двигателя В
9 Остановка двигателя А подачей сигнала
высокого уровня
8 Остановка двигателя В подачей сигнала
высокого уровня
АО Датчик тока для двигателя А
А1 Датчик тока для двигателя В
_А
DIR В
BRAKE_A
BRAKE_B
SNS_A
SNS В
9.3.3. Управление коллекторным электродвигателем
Для закрепления полученных выше знаний о работе мостовой схемы да-
вайте рассмотрим простой пример управления коллекторным двигателем.
Код, приведенный в листинге 9.3, рассчитан на управление электродвигате-
лем постоянного тока, питание на который подается с выводов А+ и А- моду-
ля Arduino Motor Shield.
Листинг 9.3. Управление коллекторным электродвигателем
(Ch9/brushed.ino)
/* Скетч управления коллекторным двигателем. Вначале на двигатель
подается ШИМ-сигнал с коэффициентом заполнения 75%, и вал вращается
в прямом направлении. Затем двигатель останавливается, и его вал
начинает вращаться в обратном направлении; ШИМ-сигнал сохраняет
коэффициент заполнения (75%). В конце программы двигатель
полностью останавливается. */

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino 245
// Назначение переменных управляющим выводам
int dir_a = 12;
int pwm_a = 3;
int brake_a = 9;
// Перевод управляющих выводов в режим выхода
void setup() {
pinMode(dir_a, OUTPUT);
pinMode(pwm_a, OUTPUT);
pinMode(brake_a, OUTPUT);
// Подача питания на двигатель
void loop() {
// Вращение вала в прямом направлении,
II коэффициент заполнения — 75%
digitalWrite(brake_a, LOW);
digitalWrite(dir_a, HIGH);
analogWrite(pwm_a, 192);
delay(2000);
// Останов двигателя на одну секунду
digitalWrite(brake_a, HIGH);
delay(lOOO);
// Вращение вала в обратном направлении,
// коэффициент заполнения — 75%
digitalWrite(brake_a, LOW);
digitalWrite(dir_a, LOW);
analogWrite(pwm_a, 192);
delay(2000);
// Останов двигателя на одну секунду
digitalWrite(brake_a, HIGH);
delay(lOOO);
}
В начале скетча на вывод DIR_A подается сигнал высокого уровня (1), а
на вывод PWM_A — ШИМ-сигнал с коэффициентом заполнения 192, что
соответствует значению 75%. После секундной остановки на выводе DIR_A
устанавливается напряжение низкого уровня (0), а на вывод PWM_A подает-
ся прежний ШИМ-сигнал (с коэффициентом заполнения 192).

246
Часть III. Электродвигатели в действии
9.4. Управление шаговым двигателем
Среди всех рассмотренных в книге шаговые двигатели — самые простые
для понимания. Их вал поворачивается на фиксированный угол и удержива-
ется в таком положении до следующих указаний. Тем не менее управлять ими
далеко не так просто, как коллекторными двигателями постоянного тока.
В частности, управляющие сигналы на биполярный шаговый двигатель под-
аются через четыре вывода, а на униполярный шаговый двигатель — сразу
через шесть.
Модуль Arduino Motor Shield значительно упрощает работу с шаговыми
двигателями. Но для корректного управления шаговыми двигателями недо-
статочно подобрать одно лишь оборудование. При написании скетчей управ-
ления шаговыми двигателями мы будем обращаться к более сложному про-
граммному коду, оформленному в виде библиотеки. В следующем разделе вы
узнаете, как в скетче Arduino подключить библиотеку Stepper.
9.4.1. Библиотека Stepper
При установке на компьютер программной среды Arduino вы получаете
в свое распоряжение около 40 общих функций (не считая функций установки
последовательного соединения и передачи данных). Этот набор можно легко
расширить, подключая специальные программные библиотеки. Например,
в отдельную библиотеку могут выделяться функции обмена данными через
интерфейс SPI или вывода изображения на ЖК-монитор.
Полный список программных библиотек, поддерживаемых средой
Arduino, доступен по следующему адресу:
http://arduino.cc/en/Reference/Libraries
Все доступные для использования в программной среде Arduino библио-
теки делятся на две большие категории: стандартные и загружаемые. Стан-
дартные библиотеки добавляются в среду разработки при ее установке, а вот
загружаемые библиотеки перед использованием нужно обязательно устано-
вить в системе.
Для получения доступа к функциям стандартной библиотеки откройте
скетч в редакторе среды разработки, выполните команду Скетч^Подключить
библиотеку (Sketch^Import Library) и щелкните на названии целевой биб-
лиотеки. В этом разделе мы будем рассматривать возможности библиотеки
Stepper — при ее подключении в начало скетча добавляется следующий код:
#include <Stepper.h>

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
247
Теперь в коде скетча можно смело использовать все функции библиотеки
Stepper. Их синтаксис и краткое описание приведены в табл. 9.5.
Таблица 9.5. Функции библиотеки stepper
Функция Описание
Stepper (int steps j?er_rev, Возвращает объект Stepper, задающий
intpinl, intpin2) количество шагов в полном обороте вала
двигателя и назначение управляющих
выводов
Stepper (int steps_per_rev, Возвращает объект Stepper, задающий
int pinl, int pin2, int pin3, количество шагов в полном обороте вала
i n t p i n 4) двигателя и назначение управляющих
выводов
setSpeed (int rpm) Устанавливает частоту вращения вала
в оборотах в минуту
step (int steps) Предписывает валу повернуться на один
или несколько шагов
Для понимания назначения описанных в табл. 9.5 функций необходимо
знать, что такое объекты и классы. Если вы еще не знакомы с моделью объ-
ектно-ориентированного программирования, то обязательно ознакомьтесь
со сведениями, приведенными в следующем разделе. Без понимания сути
этой модели вы не сможете разобраться в назначении функций, приведенных
в табл. 9.5.
Объекты и классы
Две первые функции, приведенные в табл. 9.5, не похожи на встречавши-
еся ранее. С их помощью создается новая глобальная переменная, поэтому
они объявляются перед функцией setup (), а не внутри нее или в функции
1оор().
Переменная, создаваемая функцией Stepper (), имеет собственный
тип данных, отличный от int или float. С формальной точки зрения
Stepper () — это метод класса Stepper, с помощью которого создаются но-
вые объекты. Принципы и правила объектно-ориентированного программи-
рования относятся к сложным для понимания концепциям, и мы не будем
останавливаться на их подробном рассмотрении в книге, посвященной элек-
тродвигателям. При написании скетчей Arduino необходимо помнить о всего
четырех ключевых принципах.

248
Часть III. Электродвигатели в действии
■ Каждый объект программы создается с помощью специальной функ-
ции, называемой конструктором. У класса может быть несколько кон-
структоров, и каждый из них включает имя класса.
■ Объект может иметь собственные переменные, называемые членами.
■ Объект может иметь собственные функции, называемые методами
класса.
■ Для обращения к переменной или функции объекта необходимо снача-
ла ввести имя объекта, затем точку и только после нее — имя конечной
переменной или функции.
В табл. 9.5 первые две функции являются конструкторами, а две послед-
ние — методами. В следующем примере показано, как создать объект Step-
per с помощью первого конструктора. В функции loop () скетча вызывается
один из методов этого объекта.
Stepper s = Stepper(200, 6, 5);
loop() {
s.step(l);
В первой строке примера вызывается конструктор Stepper (). Как и обыч-
ной функции, ему передаются аргументы, и он возвращает значение, которое
сохраняется в переменной. В нашем случае в качестве переменной возвраща-
ется объект класса Stepper с именем s.
У этого объекта есть два метода: setSpeed () и step (). Последний вызы-
вается в функции loop () скетча. Точка между названиями s и step указывает
на то, что метод step () относится к объекту s. Важно понимать, что метод
неразрывно связан с объектом и вызывается по отношению к нему.
Функции библиотеки Stepper
Первый аргумент обоих конструкторов Stepper () задает количество
шагов в полном обороте вала двигателя. Например, если угловое разреше-
ние шагового двигателя равно 1,8°, то вал будет совершать полный оборот за
360°/1,8° = 200 шагов. Количество шагов в полном обороте передается кон-
структору в виде целочисленного значения.
Остальные аргументы конструкторов указывают выводы, на которые под-
аются управляющие импульсы. Как вы помните, в зависимости от конструк-
ции шагового двигателя их может быть два или четыре.

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
249
Скорость вращения вала двигателя устанавливается с помощью метода
setSpeed (), но только после создания объекта Stepper. Учитывая количес-
тво шагов в одном обороте и частоту оборотов в минуту, можно легко опреде-
лить задержку перед каждым шагом.
Рассмотрим ситуацию, когда полный оборот вала двигателя осуществ-
ляется за 150 шагов, а в методе setSpeed () указывается частота вращения
20 оборотов в минуту. Легко вычислить, что за минуту двигатель совершает
150 х20 = 3000 шагов, или 50 шагов в секунду. Таким образом, задержка между
шагами составляет 1/50 = 0,02 с.
Последней в табл. 9.5 приведена функция step (), аргумент которой за-
дает количество шагов, которые должен совершить двигатель. Если методу
step () передать в качестве аргумента значение 1, то вал двигателя повернет-
ся всего на один шаг, а выполнение программы продолжится со следующей
строки. Если указать большее количество шагов, то программа приостанав-
ливается до выполнения их всех. Передача отрицательного аргумента приво-
дит к повороту вала в обратном направлении.
9.4.2. Программа управления шаговым двигателем
Как известно из главы 4, шаговые двигатели по способу питания делятся
на биполярные и униполярные (однополярные). Вспомним наиболее важные
их особенности.
■ У биполярных двигателей четыре вывода, а у однополярных — пять или
шесть.
■ Для управления биполярным шаговым двигателем применяется двух-
канальная мостовая схема. Для управления униполярным двигателем
она не нужна.
■ КПД биполярного двигателя выше, поскольку в нем обмотки возбуж-
дения задействуются по всей длине.
Таким образом, для управления биполярными двигателями нам потре-
буются две мостовые схемы управления. К счастью, они включены в состав
оборудования модуля Arduino Motor Shield. Дальнейший материал раздела
содержит описание скетча управления именно биполярным шаговым двига-
телем, хотя он справедлив и для униполярного двигателя. Чтобы обеспечить
работоспособность последнего, достаточно подключить его по биполярной
схеме питания, в которой центральный вывод остается незадействованным.
Питание биполярного шагового двигателя двухфазное: А/А1 и В/В'. Схема
подачи питания на обмотки каждой из фаз показана на рис. 9.7.

250
Часть III. Электродвигатели в действии
Черный
Красный
Зеленый Синий
Рис 9.7. Подключение питания биполярного двигателя
ПРИМЕЧАНИЕ
Не волнуйтесь, если цвета выводов вашего шагового двигателя отличаются
от показанных на рис. 9.7. Для определения выводов обмоток каждой из фаз
необходимо попарно измерить сопротивление между всеми четырьмя вывода-
ми. Также не имеет значения последовательность подключения фаз: если вме-
сто фазы А подключить фазу В, то двигатель сохранит работоспособность в нор-
мальном режиме.
Вернувшись к схеме, показанной на рис. 9.6, становится понятно, что вы-
воды А и А' обмотки первой фазы нужно подключить к выводам МОТ_А+
и МОТ_А- мостовой схемы (представлены зажимными разъемами А+ и А-,
расположенными в левой нижней части платы Arduino Motor Shield). Подоб-
ным образом выводы В и В' обмотки второй фазы подключаются к выводам
MOTJ3+ и MOTJ3- мостовой схемы управления (разъемы В+ и В- в левой
нижней части платы Arduino Motor Shield).
Управление мостовой схемой осуществляется через выводы DIR_A и
DIRJB, которые подключаются к выводам 12 и 13 платы Arduino Mega. Имен-
но эти выводы передаются в качестве параметров конструктору объекта ша-
гового двигателя Stepper (), как показано в листинге 9.4.

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino 251
Листинг 9.4. Управление шаговым двигателем (Ch9/stepper. ino)
/*
Скетч управления биполярным шаговым двигателем. Сначала вал
поворачивается на десять шагов в прямом направлении, а затем — на
десять шагов в обратном направлении. Угловое разрешение составляет
200 шагов (1,8 градус/шаг).
*/
#include <Stepper.h>
// Определение управляющих выводов
int pwm_a = 3;
int pwm_b = 11;
int dir_a = 12;
int dir_b = 13;
// Создание объекта Stepper
Stepper s = Stepper (200, dir__a, dir_b);
void setup() {
// Установка скорости, 10 об/мин
s.setSpeed(lO);
// Включение обеих мостовых схем
pinMode(pwm_a, OUTPUT);
pinMode(pwm_b, OUTPUT);
digitalWrite(pwm_a, HIGH);
digitalWrite(pwm_b, HIGH);
void loop() {
// Десять шагов в прямом направлении
s.step(10);
delay(1000);
// Десять шагов в обратном направлении
s.step(-lO);
delay(1000);
Кроме перевода выводов DIR_A и DIR_B в режим выхода скетч подает сиг-
нал высокого уровня на выходы PWM_A и PWMJB. Тем самым проверяет-

252
Часть III. Электродвигатели в действии
ся работоспособность обеих мостовых схем. Обратите внимание на то, что
ШИМ-сигналы в управлении шаговым двигателем не применяются.
9.5. Управление сервоприводом
Принципы функционирования любительских сервоприводов, не осна-
щенных системой обратной связи, были рассмотрены в главе 5. В этом разде-
ле вы узнаете, как управлять такими устройствами с помощью модуля Arduino
Motor Shield, монтируемого поверх платы Arduino Mega. В первой его поло-
вине описывается программная библиотека Servo и ее функции, а во второй
приведен полный код скетча, предназначенного для управления любитель-
ским сервоприводом.
9.5.\. Библиотека Servo
Как и рассмотренная ранее библиотека Stepper, библиотека Servo отно-
сится к стандартным программным модулям среды Arduino, что означает ее
автоматическую установку вместе с программным пакетом, загруженным с
сайта производителя платы. Для получения доступа к функциям библиотеки
Servo в строке меню среды разработки выберите команду Скетч ^Подклю-
чить библиотеку (Sketch^lmport Library), а затем укажите опцию Servo.
В начало скетча будет добавлена следующая строка:
#include <Servo.h>
Библиотека Servo содержит определение класса Servo, включающего не-
сколько методов, описание которых приведено в табл. 9.6.
Таблица 9.6. Функции библиотеки Servo
Метод Описание
attach (int pin) Привязывает объект Servo к определенному
выводу
attach (int pin, Привязывает объект Servo к определенному
int min, int max) выводу и устанавливает ширину импульсов для
минимального и максимального углов поворота
attached () Возвращает 1, если сервопривод подключен
к выводу платы, и 0 — если не подключен
de t а с h () Программным образом отключает сервопривод
от вывода (отменяет связь между объектом
Servo и выводом)

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino
253
Окончание табл. 9.6
Метод Описание
write (int angle) Устанавливает угол поворота
wri t eMicroseconds Устанавливает длительность управляющего
(in 11 ime) импульса для сервопривода
read () Возвращает последний угол, на который
поворачивался сервопривод
Ни одна из перечисленных в табл. 9.6 функций не является конструкто-
ром, поскольку они не создают объект Servo. Вместо этого объект Servo объ-
является, как любая другая переменная. Для этого применяется такой код:
Servo sv;
Объект Servo всегда связывается с выводом платы, с которого подается
управляющий ШИМ-сигнал. Эта связь устанавливается методом attach (),
которому передаются либо один, либо три аргумента.
При настройке параметров ШИМ-сигнала, подаваемого на вход серво-
привода, в качестве минимальной указывается длительность импульсов, при
которой вал поворачивается на наименьший угол (обычно 0°). При этом мак-
симальная длительность импульсов должна обеспечивать наибольший угол
поворота (обычно 180°). Функции attach (), поддерживающей только один
аргумент, передается номер вывода, через который на сервопривод подает-
ся ШИМ-сигнал. При этом минимальная длительность импульса составляет
544 мкс, а максимальная — 2400 мкс.
При использовании функции attach () с тремя аргументами первый из
них указывает номер вывода, с которого на двигатель подается ШИМ-сигнал,
второй определяет минимальную длительность импульса, а третий — макси-
мальную длительность импульса. В приведенном ниже примере переменная
sv связывается с выводом 8, а минимальная и максимальная длительности
импульсов управляющего ШИМ-сигнала представляются значениями 900
и 2100 мкс соответственно.
sv.attach(8, 900, 2100);
После установки связи между объектом Se r vo и выводом платы минималь-
ный и максимальный углы поворота сервопривода можно указать отдельно,
воспользовавшись методом write () или writeMicroseconds (). Методу
write () желаемый угол поворота передается в виде значения, выраженного
в градусах; исходя из него, рассчитывается длительность импульса управля-

254
Часть III. Электродвигатели в действии
ющего ШИМ-сигнала. Если длительность импульса известна заранее, то ее
можно выразить в микросекундах и передать методу writeMicroseconds ().
9.5,2. Программа управления сервоприводом
Как известно из главы 5, любительские сервоприводы снабжены всего
тремя выводами.
■ Питание (красный провод). Для питания любительскому сервоприводу
достаточно источника с напряжением 5-6 В.
■ Управляющий. На этот вывод подается ШИМ-сигнал.
■ Общий (черный провод). Обеспечивает подключение двигателя к обще-
му проводу.
На рис. 9.5 специальной выноской показаны два трехвыводных разъема
(аналоговые выводы для ШИМ-сигнала). На плате их корпуса окрашены в
броский оранжевый цвет, так что не заметить их просто невозможно.
ШИМ-сигнал подается на средний вывод, хотя у сервопривода управляю-
щий вывод далеко не всегда располагается посредине колодки. В моем случае
управляющий вывод сервопривода располагался в начале колодки, а через
средний вывод на двигатель подавалось питание. Мне пришлось разобрать
колодку с выводами сервопривода и подключить их к разъему модуля Arduino
Motor Shield по одному.
Пример программы управления любительским сервоприводом с помощью
ШИМ-сигнала приведен в листинге 9.5.
Листинг 9.5- Управление сервоприводом (Ch9/servo. ino)
/*
Скетч управляет только любительскими сервоприводами без обратной
связи. Сначала вал поворачивается на 180 градусов в прямом
направлении, а затем - на 180 градусов в обратном направлении.
V
#include <Servo.h>
Servo sv; // объект Servo
int angle; // угол поворота сервопривода
void setup() {
// Привязка объекта Servo к выводу б
sv.attach(6, 800, 2200);

Глава 9. Управление электродвигателями с помощью Arduino 255
void loop() {
// Поворот с позиции 0 градусов на 180 градусов
for(angle = 0; angle < 180; angle +=1) {
sv.write(angle);
delay(lO);
// Поворот с позиции 180 в положение 0 градусов
for(angle = 180; angle >= 1; angle -= 1) {
sv.write(angle);
delay(10);
В нашем примере минимальный угол поворота соответствует длительнос-
ти импульсов 800 мкс, а максимальный угол поворота достигается при дли-
тельности импульсов 2200 мкс. Эти значения передаются в качестве аргумен-
тов метода attach().
9,6. Резюме
Это первая глава, в которой не затрагивались конструктивные особенности
электродвигателей. В ней показано, какое оборудование можно использовать
для управления двигателями постоянного тока отдельных типов. Специаль-
ные системы управления электродвигателями стоят недешево, но их всегда
можно заменить микроконтроллерной платой Arduino, оснащенной модулем
Arduino Motor Shield. Невысокая стоимость и простая среда программирова-
ния Arduino позволяют создавать скетчи, предназначенные для управления
двигателями, менее чем за один час рабочего времени.
Базовая плата Arduino Mega, которая применяется для работы с электрод-
вигателями постоянного тока, оснащена микроконтроллером ATmega2560.
Он представляет собой интегральное решение, реализованное в виде единой
микросхемы, которая включает все необходимые для выполнения программ
аппаратные средства: процессор, ПЗУ и оперативную память. Тем не менее
Arduino Mega не позволяет подключать электродвигатели к своим выводам
напрямую.
В отличие от нее плата Arduino Motor Shield разработана специально для
управления двигателями постоянного тока всех основных типов: коллектор-

256
Часть III. Электродвигатели в действии
ных, шаговых и сервоприводов. Она включает двухканальный драйвер на
мостовой схеме L298P, который, несмотря на сложность использования, по-
зволяет выполнять многие важные операции: изменять направление враще-
ния вала, останавливать работу двигателя и управлять скоростью вращения
вала с помощью ШИМ-сигнала. Но важнее то, что плата Arduino Motor Shield
содержит специальные выводы, через которые на двигатели постоянного
тока можно подавать питание.
Среда программирования Arduino существенно расширяется за счет встро-
енных и подключаемых из внешних источников библиотек. Первая из рас-
смотренных библиотек — Stepper — требуется для управления шаговыми
двигателями. Она содержит всего четыре функции, две из которых являются
конструкторами класса (возвращают объект класса), а остальные две пред-
ставляют методы класса. Методы setSpeed () и step () вызываются только
после создания объекта класса одним из конструкторов.
Функции библиотеки Servo предназначены для управления сервоприво-
дами. Перед использованием функций этой библиотеки в коде скетча нужно
объявить переменную объекта Servo и связать ее с выводом платы, с которо-
го на сервопривод подается управляющий ШИМ-сигнал. С помощью средств
библиотеки можно указать минимальную!? максимальную длительности им-
пульсов, определяющие соответственно наименьший и наибольший угол по-
ворота вала сервопривода.

10
Управление
двигателями из
Raspberry Pi
В Raspberry Pi удачно сочетаются компактный размер микро-
контроллерной платы, подобной Arduino, и производительность
настольного компьютера, пусть и не самого современного. На са-
мом деле размер платы Raspberry Pi даже меньше, чем рассмотрен-
ной в предыдущей главе Arduino Mega. Несмотря на несколько раз-
ное предназначение, стоимость обеих платформ приблизительно
одинаковая.
Raspberry Pi — это полноценный компьютер, хоть и собран-
ный на одной плате. Он в корне отличается от микроконтроллера,
представленного единственной микросхемой. Обработка данных
в Raspberry Pi выполняется с помощью полноценного централь-
ного процессора: Broadcom BCM2835. К тому же он обладает до-
статочным количеством постоянной и оперативной памяти, чтобы
работать под управлением полнофункциональной операционной
системы.
Именно возможность запуска операционной системы дела-
ет Raspberry Pi столь дружественной к пользователям. Наличие
в устройстве операционной системы избавляет от необходимости

258
Часть III. Электродвигатели в действии
заниматься низкоуровневым управлением памятью. Кроме того, операцион-
ная система, в частности Linux, на которой основаны все устанавливаемые
на Raspberry Pi дистрибутивы, предоставляет еще одно неоспоримое преиму-
щество: она позволяет не утруждать себя изучением новых языков програм-
мирования. Всегда можно использовать код, уже написанный для других сис-
тем Linux.
Несмотря на столь очевидные преимущества, у Raspberry Pi есть следую-
щие три недостатка, которые необходимо учитывать при управлении элек-
тродвигателями.
■ Питание. Плате Raspberry Pi модели В+ требуется источник питания,
мощность которого — не менее 3 Вт. Для сравнения: плата Arduino по-
требляет в пять раз меньшую мощность.
■ Отсутствие аналоговых входов. Плата Raspberry Pi умеет генерировать
на своих выходах ШИМ-сигнал, но не оснащена аналого-цифровым
преобразователем, позволяющим принимать аналоговые сигналы.
■ Защищенный формат файлов. Проектные файлы Raspberry Pi отсутству-
ют в свободном доступе. Таким образом, если вы захотите разработать
систему, подобную Raspberry Pi, вам придется начинать "с нуля".
Ни один из перечисленных выше недостатков не влияет на возможности
Raspberry Pi управлять электродвигателями. В этой главе рассказывается
о том, как запускаются программы управления двигателями в Raspberry Pi,
и приводится обзор платы расширения RaspiRobot, упрощающей подклю-
чение к Raspberry Pi коллекторных двигателей, шаговых двигателей, а также
сервоприводов. Но начнем мы с изучения оборудования, помещенного на
плату Raspberry Pi, и ее возможностей.
10.1* Обзор Raspberry Pi
Имея размер кредитной карточки, плата Raspberry Pi обладает вычисли-
тельной мощностью, достаточной для запуска операционной системы с вы-
водом видеоизображения на внешний монитор и передачей данных через
сетевое соединение. Одновременное выполнение этих задач становится воз-
можным благодаря мощному процессору ВСМ2835 и целому "вороху" дру-
гого оборудования, смонтированного на одной печатной плате. Далее мы де-
тально поговорим об аппаратных ресурсах Raspberry Pi.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi 259
10.1.1. Аппаратные средства Raspberry Pi
Первый выпуск мини-компьютера Raspberry Pi — модели А — состоялся
в 2012 году. Значительные усовершенствования появились только в моде-
ли В+ — на плату были добавлены несколько новых разъемов и порт GPIO
(General Purpose Input/Output — интерфейс ввода/вывода общего назначе-
ния). Лицевая сторона платы Raspberry Pi модели В+ изображена на рис. 10.1.
Весь последующий материал приводится доя платы именно этого типа.
Последовательный интерфейс
подключения дисплея
Интерфейс GPIO
I
!— Порты USB
1
Питание
(Micro USB)
1
Разъем
HDMI
Рис. 10.1.
Т
Разъем аудио/
композитного видео
Плата Raspberry Pi модели В+
Технические характеристики платы Raspberry Pi модели В+ приведены
в табл. 10. L
Таблица 10.1. Технические характеристики Raspberry Pi, модель В+
Рабочая характеристика Значение
Размер, мм 86,6x56
Рабочее напряжение, В 5

260
Часть III. Электродвигатели в действии
Окончание табл. 10.1
Рабочая характеристика Значение
SDRAM, Мбайт 512
Постоянная память Карта памяти MicroSD
Выводы GPIO 40 _
В дополнение к интерфейсу GPIO плата Raspberry Pi комплектуется пятью
USB-разъемами. Через один из них на плату подается питание, а остальные
четыре служат для подключения внешнего оборудования. Для получения
полноценного персонального компьютера к портам USB платы Raspberry Pi
подключают стандартные мышь с клавиатурой, а сигнальный кабель монито-
ра соединяется с разъемом HDML
Сетевое соединение предоставляет удаленный доступ к Raspberry Pi, в том
числе через Интернет. Конечно, компьютер на базе Raspberry Pi не обладает
производительностью настольной системы или ноутбука, но на нем можно
запускать большинство простых программ, написанных для Linux. Все функ-
циональные особенности платы Raspberry Pi неразрывно связаны с вычисли-
тельной мощностью микросхемы ВСМ2835.
10.1.2. Однокристальная система ВСМ2835
Микросхему ВСМ2835 можно назвать мозгом Raspberry Pi. Она не выделе-
на на рис. 10.1, поскольку находится под микросхемой памяти производства
Samsung, расположенной чуть левее центра платы.
Во многих справочных источниках микросхема ВСМ2835 рассматривает-
ся как процессор, хотя это не совсем верно. Справедливости ради нужно ука-
зать, что она содержит два вычислительных устройства: процессор обработ-
ки данных общего назначения ARM1176JZ-F и двухъядерный графический
процессор. Таким образом, Raspberry Pi оснащается многоядерным вычисли-
тельным устройством, называемым однокристальной системой, или "систе-
мой на кристалле" (System On a Chip — SoC).
Чтобы оценить производительность системы, нужно познакомиться с
техническими характеристиками обоих процессоров микросхемы ВСМ2835.
Далее приведен краткий обзор возможностей процессора ARM 1176 и графи-
ческого ядра VideoCore IV.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
261
Процессор общего назначения ARM1176
Когда речь заходит о производителях процессоров, первыми на ум при-
ходят названия таких технологических гигантов, как Intel и AMD. Эти ком-
пании владеют производственными линиями по изготовлению готовых фи-
зических устройств — микросхем, известных под раскрученными торговыми
марками, например Core i7 и Athlon.
Компания ARM Holdings также занимается разработкой процессоров, но
не выпускает физические устройства. Вместо этого она продает проектную
документацию на них другим компаниям, которые применяют готовые ре-
шения в своих микросхемах. Идеальный пример - микросхема ВСМ2835, ко-
торую выпускает и продает компания Broadcom, в то время как сам процессор
разработан фирмой ARM.
Линейка процессоров, производимых под торговой маркой ARM, вклю-
чает несколько семейств устройств. Семейство процессоров ARM 11 было
разработано еще в 2002 году. Устройства данного типа имеют 32-разрядную
шину передачи данных и работают на тактовой частоте от 750 МГц до 1 ГГц.
В Raspberry Pi для выполнения общих вычислений используется процессор
ARM 1176, основанный на архитектуре SIMD (Single Instruction, Multiple
Data — один поток инструкций, множество потоков данных). Он оснащен
математическим сопроцессором, способным одновременно обрабатывать
несколько значений с плавающей запятой. Наличие такого сопроцессора у
центрального процессора позволяет существенно ускорить обработку звуко-
вых и видеоданных.
Графический процессор VideoCore IV
При первом знакомстве с Raspberry Pi больше всего меня поразила высо-
кая производительность ее графической подсистемы. Я просто не ожидал,
что у операционной системы, запускаемой на компьютере столь малого раз-
мера (и небольшой стоимости), будет полнофункциональный графический
интерфейс.
Невероятные возможности Raspberry Pi по обработке и выводу видеоизоб-
ражений на экран объясняются очень просто — ее вычислительный модуль
включает графический процессор VideoCore IV. Как и ARM Holdings, ком-
пания VideoCore не имеет собственных производственных мощностей, что
не мешает ей успешно проектировать графические ядра для интегральных
решений. Графический процессор, которым оснащается Raspberry Pi, имеет
следующие технические характеристики:

262 Часть III. Электродвигатели в действии
■ обеспечивает стандартное разрешение 720р;
■ обеспечивает скорость визуализации 25 млн треугольников в секунду;
■ поддерживает высокоскоростное сглаживание при двухмерном ренде-
ринге;
■ выводит изображение в 16-битном расширенном динамическом диапа-
зоне (HDR);
■ поддерживает стандарты OpenGL-ES 1.1 и 2.0.
Последний пункт — самый впечатляющий. На протяжении многих лет я
занимался разработкой приложений с использованием технологии OpenGL,
но целевой аудиторией всегда выступали пользователи с мощными игровы-
ми компьютерами, оснащенными видеоадаптерами стоимостью в несколько
сотен долларов. Тот факт, что современный одноплатный компьютер, подоб-
ный Raspberry Pi, обеспечивает вывод видеоизображения, основанного на ис-
пользовании технологии OpenGL, поражает до глубины души.
10*2. Программирование в Raspberry Pi
Работа с программным обеспечением в Raspberry Pi мало чем отличается от
использования программ на обычных компьютерах. Исключение составляет
разве что операционная система — ее нужно не только загрузить и инсталли-
ровать, но и подключить. Последняя операция предполагает помещение кар-
ты памяти MicroSD, на которую установлена операционная система, в специ-
альный разъем, расположенный с обратной стороны платы. Плата Raspberry
Pi не комплектуется картой MicroSD, и вам придется приобрести ее отдельно.
Список поддерживаемых карт памяти приведен на следующем сайте:
http: //elinux. org/RPi_SD__cards
В последнее время на Raspberry Pi портировано огромное количество опе-
рационных систем, включая Fedora Linux (известная как Pidora), Arch Linux
и Debian (или Raspbian). Производитель одноплатного компьютера рекомен-
дует использовать Raspbian как максимально оптимизированную систему из
всех существующих. К чести Raspbian она обладает всеми преимуществами
Debian, но значительно расширена за счет новых утилит, призванных снаб-
дить пользователя всеми необходимыми для комфортной работы инстру-
ментами.
В этом разделе рассказывается о возможностях операционной системы
Raspbian и программного обеспечения, включенного в ее состав. Вы научи-

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
263
тесь создавать и выполнять программы на языке Python, позволяющие управ-
лять выводами интерфейса GPIO платы Raspberry Pi,
В конце раздела я познакомлю вас с методикой генерирования ШИМ-сиг-
налов и управления с их помощью внешним оборудованием (в нашем слу-
чае — электродвигателями).
10.2.1. Операционная система Raspbian
После установки операционной системы, подключения к HDMI-порту
платы Raspberry Pi внешнего монитора и подачи на компьютер питания вы
увидите на экране рабочий стол Raspbian (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Рабочий стол Raspbian
Как в Windows и Mac OS, для запуска с рабочего стола приложения до-
статочно дважды щелкнуть на его значке. Ниже приведен список наиболее
популярного программного обеспечения, запускаемого из Raspbian.
■ Epiphany. Браузер, автоматически уменьшающий разрешение загружа-
емых страниц.

264
Часть III. Электродвигатели в действии
■ IDLE. Среда разработки Python (версии, младшие 3.0).
■ LXTerminal. Терминал для ввода текстовых команд.
■ IDLE3. Среда разработки Python 3.x.
■ WiFi Config. Программа настройки беспроводного соединения.
■ Shutdown. Команда завершения работы в Raspberry Pi.
Запустив командный терминал, вы сможете выполнять из него любые
стандартные утилиты Linux, например Is, cd, cat и rm. При решении задач,
описываемых в текущем разделе, используется всего одна программа: IDLE.
Она предназначена для написания, редактирования, компиляции и запуска
приложений Python, о чем будет рассказано далее.
10.2*2. Язык программирования Python и его среда
разработки IDLE
Средства разработки в Raspberry Pi поддерживают работу со многими язы-
ками программирования, включая Python, С, C++, Java и Ruby. Тем не менее
чаще всего в среде Raspberry Pi используется Python как один из наиболее ши-
роко распространенных языков программирования. Описание всех особен-
ностей и возможностей Python не входит в перечень задач этой книги. Из-
учить язык программирования Python вам поможет книга Программирование
на языке Python: учебный курс (Роберт Седжвик, Кевин Уэйн, Роберт Дондеро).
В Raspbian интегрированы две разные среды разработки: IDLE для
Python 2.x и IDLE3 для Python Зле. Мы будем использовать вторую редакцию
языка Python, поэтому нас будет интересовать исключительно среда IDLE
(термин "IDLE" представляет собой аббревиатуру от Integrated DeveLopment
Environment — интегрированная среда разработки.) Ее окно показано на
рис. 10.3.
Команды Python можно вводить непосредственно в окне среды разработ-
ки. Например, если ввести 2+2 и нажать клавишу <Enter>, то будет возвраще-
но значение 4. При вводе команды print Hello world и нажатии <Enter>
в следующей строке появится приветствие Hello world.
Чтобы в полной мере использовать потенциал языка программирования
Python, написанный на нем код (набор команд) нужно сохранить в виде от-
дельного файла, часто называемого сценарием. Для создания нового сценария
в окне среды разработки выберите команду File^New File (Файл «=> Создать)
или нажмите комбинацию клавиш <Ctrl+N>. На экране появится новое пу-
стое окно (рис. 10.4), в котором можно вводить или редактировать код про-
граммы на Python.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
265
I Python 2.7.3 (default, Mar 18 2014, OS:13:23)
[GCC 4.6.3] on Iinux2
Type "copyright", "credits" or "license() * for more information.
Рис. 10.3. Интегрированная среда разработки для языка программирования
Python 2.x
# Print th« Fibonacci sequence
X, у т 0, 1
■ in ) ~ у < 100:
print у,
x, у * у, х + у
Рис. 10.4. Окно редактора кода Python
Кроме выделения отдельными цветами разных синтаксических конструк-
ций, редактор кода Python обладает следующими функциональными воз-
можностями.
Проверка сценария на наличие ошибок выполняется командой
Check Module (Выполнить1^Проверка модуля) или комбинацией кла-
виш <Alt+X>.
Чтобы сохранить файл, используйте команду File^Save (Файл^Со-
хранить) или комбинацию клавиш <Ctrl+S>.
Для выполнения сценария применяется команда RunORun Module (Вы-
полнить1^ Выполнить модуль) или клавиша <F5>.

266
Часть III. Электродвигатели в действии
При выполнении сценария из окна редактора кода результат возвращается
в главное окно среды разработки. В нем также указываются ошибки выпол-
нения сценария, если таковые были обнаружены.
Язык программирования Python позволяет управлять самыми разными
аппаратными ресурсами платы Raspberry Pi, включая сетевой адаптер, пор-
ты USB, графический процессор, но нас в первую очередь будут интересо-
вать выводы интерфейса GPIO. Описание этого интерфейса и способов про-
граммного управления им рассматриваются в следующем разделе.
10.2.3. Интерфейс GPIO
Вдоль верхнего края печатной платы Raspberry Pi, если смотреть на нее
так, как показано на рис. 10.1, располагается колодка с 40 выводами, приме-
няемыми для подключения к плате самого разного электронного оборудова-
ния. Под интерфейсом GPIO подразумевают только 26 (со 2-го по 27-й) из 40
выводов. Выводы, относящиеся к интерфейсу GPIO, расположены на общей
колодке в позициях, показанных на рис. 10.5.
14 15 18 23 24 25 8 7 12 16 20 21
ТТ 1" Г Т~~
4 17 27 22 10 9 11 5 6 13 19 26
Рис. 10.5. Расположение выводов в интерфейсе GPIO платы Raspberry Pi модели В+
Для управления выводами интерфейса GPIO из Python применяются два
программных модуля.
■ RPI. GPIO. Доступен для загрузки на следующем сайте:
http://sourceforge.net/projects/raspberry-gpio-python
Распространяется по лицензии свободного программного обеспече-
ния, разработанной Массачусетским технологическим институтом
(МIT license).
■ RPIO. Можно загрузить по следующему адресу:
http://pythonhosted.org/RPIO
Распространяется по общедоступной лицензии GPL3.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
267
Оба модуля позволяют изменять режимы работы выводов, а также считы-
вать и выводить через них сигналы. Модуль RPI. GPIO установлен в Raspbian
по умолчанию, но на момент написания книги генерацию ШИМ-сигналов на
аппаратном уровне обеспечивал только модуль RPIO. Поскольку при управ-
лении двигателями постоянного тока без ШИМ-сигналов никак не обойтись,
далее описаны только инструменты программного модуля RPIO. Для его уста-
новки введите в окне терминала следующие команды.
sudo apt-get install python-dev python-pip
sudo pip install -U RPIO
После инсталляции модуля его средства становятся доступными в среде
разработки Python. Чтобы воспользоваться ими, в начало сценария нужно
добавить строку import RPIO. Функции управления выводами интерфейса
GPIO, предоставляемые модулем RPIO, и их краткое описание приведены
в табл. 10.2.
Таблица 10.2. Функции управления GPIO-выводами, включенные
в программный модуль rpio
Функция
Описание
setmode (int num_mode)
setup (int pin, int mode)
setup (int pin, int mode,
int res mode)
output (int pin, int level)
int input (int pin)
cleanup ()
add_interrupt__callback (int pin,
callback_func, edge=fbothf,
pull_up_down=RPIO.PUD_OFF,
threaded_callback=False,
debounce timeout ms=None)
Определяет способ нумерации
выводов
Устанавливает режим работы
вывода: вход или выход
Устанавливает режим работы
вывода (вход или выход)
и подключает подтягивающий
резистор
Подает на вывод сигнал с уровнем
RPIO.HIGH ИЛИ RPIO.LOW
Считывает уровень сигнала на
выводе
Переводит вывод в состояние по
умолчанию
Определяет для вывода событие
и связывает с ним функцию
обратного вызова

268 Часть III. Электродвигатели в действии
Окончание табл. 10.2
Функция Описание
wait_f or_interrupts Приостанавливает выполнение
(threaded=False, poll_timeout=l) кода до получения сигнала
прерывания
del_interrupt_callback (int pin) Отменяет функцию обратного
вызова для вывода
Первая функция требует самого пристального внимания. В Raspberry Pi
поддерживаются два способа нумерации выводов интерфейса GPIO.
■ RPIO. BOARD. Номера выводов GPIO указываются на самой плате (вы-
вод 1 располагается в левом верхнем углу, а вывод 40 — в правом ниж-
нем углу).
■ RPIO. ВСМ. Номера выводов GPIO определяются порядком их подклю-
чения к выводам микросхемы ВСМ2835.
Чтобы указать схему нумерации выводов интерфейса GPIO, нужно пере-
дать функции setMode () одно из поддерживаемых ею значений. Схема ну-
мерации, определяемая аргументом RPIO. ВСМ, показана на рис. 10.5. Несмо-
тря на кажущуюся запутанность, она лучше всего подходит для управления
внешними устройствами, поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться
именно ее. Таким образом, в начало кода каждого примера добавляется такая
строка:
RPIO.setmodefRPIO.ВСМ)
Все остальные функции, указанные в табл. 10.2, можно разделить на две
категории: подачи/считывания сигнала и обработки событий. Все они рас-
сматриваются в следующих разделах.
Входы и выходы
Установив способ нумерации интерфейса GPIO, можно приступать к оп-
ределению выводов, работающих на прием (вход) или передачу (выход) сиг-
налов. Эта задача выполняется методом setup (), которому передается один
из двух аргументов: RPIO. IN (вход) или RPIO. OUT (выход). В следующем при-
мере показано, как в режим выхода переводится вывод с номером 24.
RPIO.setup(24, RPIO.OUT)
После назначения выходов на них можно подать сигнал высокого уровня,
для чего применяется функция output (). В качестве аргументов ей переда-

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
269
ются номер вывода и значение логического уровня. Если передать ей значе-
ние RPIO. HIGH или 1, то на вывод будет подано напряжение 3,3 В. Если логи-
ческий уровень представлен значением RPIO. LOW или 0, то на выход подается
напряжение 0 В.
Считывание сигнала с вывода, который переведен в режим входа, осу-
ществляется функцией input (). У нее всего один аргумент: номер вывода.
Проведенные мною исследования показали, что значение 1 (высокий логи-
ческий уровень) возвращается функцией при подаче на вход напряжения,
большего 1,6 В. При этом значение 0 (низкий логический уровень) устанав-
ливается при подаче на вывод напряжения, меньшего 0,7 В. Очевидно, что
логический уровень на входе невозможно определить при подаче сигнала с
напряжением 0,7-1,6 В.
Пример использования методов setup (), input () и output () приведен
в листинге 10.1.
Листинг 10.1. Определение состояния выводов (chlO/check_input .py)
it if п
Сценарий циклически проверяет логический уровень на выводе in_pin.
Если он низкий, то на вывод outjpin подается сигнал высокого
уровня, и процедура повторяется. Программа завершает работу,
как только на выводе in_pin регистрируется сигнал высокого уровня.
м и и
import RPIO
# Определение рабочих выводов
in_pin = 17;
out_pin =24;
# Установка ВСМ в качестве схемы нумерации
RPIO. setmode (RPIO.BCM)
# Установка режимов работы выводов
RPIO.setup(in_pin, RPIO.IN)
RPIO.setup(out_pin, RPIO.OUT)
# Цикл выполняется до тех пор, пока на входе низкое напряжение
while(RPIO.input(in_pin) == RPIO.LOW):
RPIO.output(out_pin, RPIO.HIGH)
# Перевод выводов в состояние по умолчанию
RPIO.cleanup()

270
Часть III. Электродвигатели в действии
В приведенном сценарии напряжение на выводе in pin считывается в ка-
ждой итерации цикла while. До тех пор, пока оно низкое, на вывод outpin
подается высокое напряжение. Цикл продолжается, пока на выводе inpin
не будет зарегистрирован сигнал высокого уровня.
По умолчанию на входе устанавливается неопределенный логический
уровень — в разные моменты времени он может иметь значение как 0, так и 1.
Чтобы внести определенность в исходное состояние вывода, к нему подклю-
чают подтягивающий резистор.
■ RPIO. PUD_UP. Подключает к выводу резистор, подтягивающий вывод
к шине питания.
■ RPIO.PUDDOWN. Подключает к выводу резистор, подтягивающий вы-
вод к общему проводу.
■ RPIO.PUDOFF. Отключает подтягивающий резистор; состояние по
умолчанию.
Следующий код подключает к выводу 17, переведенному в режим входа,
резистор, подтягивающий его к шине питания:
RPIO.setup(17, RPIO.IN, pull_up_down=RPIO.PID_UP)
Последняя строка кода, приведенного в листинге 10.1, восстанавливает
стандартный режим работы вывода и соответствующий ему логический уро-
вень, для чего применяется метод cleanup ().
Обработка прерываний
Для обработки прерываний применяются последние три функции из
табл. 10.2. Прерыванием называется прекращение последовательного выпол-
нения кода и переход к более приоритетным инструкциям, вызванный воз-
никновением определенного события. После завершения инструкций обра-
ботки прерывания выполнение программного кода продолжается в обычном
режиме. Библиотека RPIO поддерживает обработку прерываний двух типов:
сетевые и GPIO. Мы ограничимся рассмотрением только GPIO-прерываний.
Вывод интерфейса GPIO, для которого отслеживаются события, вы-
зывающие прерывания, назначается с помощью метода add_interrupt_
callback (). Ему передаются целых шесть аргументов, последние четыре из
которых необязательные.
■ Вывод интерфейса GPIO, события которого могут вызывать преры-
вания.
■ Название функции, отвечающей за обработку прерывания.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
271
■ Тип изменения логического уровня сигнала на выводе.
■ rising. С низкого уровня на высокий (нарастающий фронт).
■ falling. С высокого уровня на низкий (спадающий фронт).
■ both. Любой нарастающий либо спадающий фронт.
■ Способ подключения вывода к питанию/общему проводу.
■ RPIO. PUDJJP. Включение резистора, подтягивающего к шине пи-
тания.
■ RPIO. PUDDOWN. Включение резистора, подтягивающего к общему
проводу.
■ RP Ю. PUDOFF. Без подтягивания, неопределенное состояние.
■ Способ вызова функции обработки прерывания.
■ true. Функция обработки прерывания вызывается в отдельном
потоке.
■ false. На время обработки прерывания выполнение основной
программы приостанавливается.
■ Минимальное допустимое время, измеренное в секундах, между пре-
рываниями.
Обязательными являются только два первых аргумента. Во втором из них
указывается функция, применяемая для обработки прерывания. Она назы-
вается функцией обратного вызова и имеет два аргумента: номер вывода и
целочисленное значение, указывающее на возникновение события по нара-
стающему (1) или спадающему (0) фронту.
Прерывания и способ их обработки в программе часто вызывают труд-
ности в понимании, поэтому лучше всего их изучать на реальных примерах.
В листинге 10.2 приведен код, обеспечивающий обработку событий для вы-
вода с номером 17.
Листинг 10.2. Обработка события, связанного с изменением уровня
сигнала на выводе (chlO/interrupt .py)
II II I»
Сценарий обработки событий для вывода 17. Извещение выводится
на экран только при изменении уровня сигнала на выводе.
it и I?
import RPIO
def edge_detector(pin_num, rising_edge):
if rising_edge:
print("Обнаружен нарастающий фронт у вывода %s" % pin_num)

272
Часть III. Электродвигатели в действии
else:
print("Обнаружен спадающий фронт у вывода %s" % pin_num)
# Определение вывода для входящего сигнала
in_pin =17
# Установка ВСМ в качестве схемы нумерации
RPIO.setmode(RPIO.BCM)
# Определение состояния выводов
RPIO.setup(in_pin, RPIO.IN)
# Обработка прерываний при нарастающем и спадающем фронтах
RPIO.add_interrupt_callback(in__pin, edge__detector, edge=fboth?)
RPIO.wait_for_interrupts()
# Восстановление состояния по умолчанию
RPIO.del_interrupt_callback(in__pin)
RPIO.cleanup()
После установки функции обработки прерывания в коде вызывается ме-
тод wait_f or_interrupts (). При отсутствии аргументов он приостанавли-
вает выполнение программы до момента возникновения прерывания. Если
же в качестве первого аргумента (threaded) методу передать значение TRUE,
то прерывание будет обрабатываться в фоновом процессе. Ниже приведен
код такой команды.
RPIO.wait_for_interrupts(threaded=TRUE)
Последней в табл. 10.2 приведена функция del_interrupt_callback ().
Она имеет один аргумент, задающий номер вывода, и отменяет все назначен-
ные ранее обработчики прерываний.
10*3. Управление сервоприводом
Как рассказывалось в главе 5, любительские сервоприводы оснащаются
всего тремя выводами. На один из них подается питание (обычно 5-6 В),
второй подключается к общему проводу, а третий необходим для подачи
управляющего сигнала. Изменяя коэффициент заполнения управляющего
ШИМ-сигнала, можно добиться программного управления углом поворота
вала сервопривода.
Подробно с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) вы познакомились
еще в главе 2. В этом разделе мы обсудим методы генерации ШИМ-сигнала,
применяемого для управления сервоприводом, с помощью платы Raspberry Pi.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
273
10.3.1. Настройка ШИМ-сигнала
О возможности управления частотой вращения вала двигателя постоян-
ного тока с помощью сигнала, представленного импульсами разной дли-
тельности (ширины), подаваемыми через одинаковый временной интервал
(период), рассказывалось в главе 2. В библиотеку RPIO включены средства
программной генерации ШИМ-сигнала, реализуемой через прямой доступ
к памяти процессора (DMA).
Низкоуровневый обмен данными с памятью позволяет генерировать им-
пульсные сигналы без прерывания остальных процессов. Вам не обязательно
быть посвященным во все тонкости технологии, чтобы использовать ее для
получения выходного ШИМ-сигнала. Достаточно знать о следующих ее
аспектах.
■ Модуль RPIO предоставляет доступ к 15 каналам DMA (с 0 по 14).
■ Каждый канал DMA можно связать с одним или несколькими выво-
дами интерфейса GPIO. После установки связи на соответствующий
вывод можно подавать ШИМ-сигнал с высоким уровнем точности
и разрешения.
Функции создания и настройки ШИМ-сигнала, поддерживаемые моду-
лем RPIO. PWM, описаны в табл. 10.3.
Таблица 10.3. Функции модуля rpio.fwm
Функция Описание
setup (pulse_incr_us=10, Объявляет об использовании DMA-
del a y_h w=0) каналов
init_channel (int dma_channel, Инициализирует цикл канала с задан-
subcycle_time_us=20000) ным периодом (поумолчанию — 20 мс)
add_channel jpulse (int Создает в канале импульсы требуемой
dma_channel, int pin, длительности
int start, int width)
clear_channel (int dma_channel) Очищает канал от всех импульсов
clear_channel_gpio (int Очищает канал от импульсов только
dma__channel, int pin) для указанного вывода
cleanup () Прекращает подачу ШИМ-сигнала
через вывод и отменяет работу с DMA

274
Часть III. Электродвигатели в действии
Настройка программного генератора импульсного сигнала начинается
с функции setup (). Оба ее аргумента необязательные, и в первом из них
указывается разрешение сигнала (рекомендуемое значение — 1). Второй
аргумент принимает одно из двух значений: pwm. DELAY_viA_PWM или PWM.
DELAY_VIA_PCM.
После инициализации DMA-операций нужно выделить для них отдель-
ный канал. Для этого используется функция init_channel (), в первом ар-
гументе которой указывается целочисленное значение от 0 до 14. Вторым
аргументом указывается интервал между нарастающими фронтами соседних
импульсов. По умолчанию применяется значение 20 мс, характерное для
большинства любительских сервоприводов.
Самая важная из приведенных в табл. 10.3 — это функция add_channel__
pulse (), отвечающая за генерацию импульсов требуемой ширины на целе-
вом выводе. Первые два ее аргумента задают DMA-канал и вывод интерфейса
GPIO. Третий и четвертый аргументы определяют форму импульса, а аргу-
мент start устанавливает смещение импульса относительно начала периода.
Ширина импульса определяется аргументом width. Последние аргументы
функции задают параметры импульсного сигнала, показанные на рис. 10.6.
width
start
width
start
20 мс
(по умолчанию)
Рис. 10.6. Параметры импульсного сигнала, генерируемого средствами
МОДУЛЯ RPIO.PWM
Аргумент start может показаться ненужным, поскольку устанавливает
одинаковую временную задержку перед каждым следующим импульсом сиг-
нала. Его необходимость становится очевидной, когда в одном периоде нуж-
но сгенерировать два разных импульса. В следующем примере показано, как
правильно сгенерировать сигнал с двумя импульсами на период для 5-го ка-
нала DMA, выводимый через порт 18 интерфейса GPIO. Оба импульса имеют
длительность 2 мс, но второй смещен относительно начала периода на 8 мс.
PWM.add_channel__pulse(5, 18, 0, 1000)
PWM.add_channel_pulse(5, 18, 8000, 1000)

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
275
Последние три функции из табл. 10.3 вступают в силу тогда, когда нуж-
но прекратить подачу ШИМ-сигнала. Функция clearchannel () отменя-
ет создание импульсов в выбранном канале DMA, а функция clearchan-
nelgpio () прекращает генерацию импульсов для отдельного вывода канала
DMA. Функция cleanup () останавливает работу с DMA.
Методика создания ШИМ-сигнала в Raspberry Pi приведена в листин-
ге 10.3. В нем импульсный сигнал для вывода 18 создается в нулевом канале
DMA. Длительность каждого импульса составляет 1000 мкс.
Листинг 10.3. Генерирование ШИМ-сигнала (chio/pwm.py)
и it ii
Сценарий создания ШИМ-сигнала длительностью 1 мс, подаваемого
на выход 18
import RPIO.PWM as PWM
import time
# Назначение вывода для ШИМ-сигнала
pwmjpin = 18
# Включение режима DMA и определение разрешения сигнала
PWM.setup(1)
# Инициализация нулевого канала DMA
PWM.init_channel(0)
# Установка длительности сигнала: 1000 мкс = 1 мс
PWM.add_channel_pulse(0, pwm_pin, 0, 1000)
time.sleep(10)
# Очистка канала DMA и перевод вывода в стандартный режим работы
PWM.clear_channel(0)
PWM.cleanup()
При выполнении кода из листинга 10.3 в Raspberry Pi на консоль выводят-
ся следующие извещения.
Using hardware: PWM
PW increments: lus
Initializing channel 0...
add_channel_pulse: channel=0, start=0, width==1000
init__gpio 18

276
Часть III. Электродвигатели в действии
Подать ШИМ-сигнал на один из выводов — это только половина дела.
Для полноценного управления сервоприводом нужно также уметь устанавли-
вать задержки между различными ШИМ-сигналами, последовательно выда-
ваемыми через один вывод. Задержка перед каждым следующим импульсным
сигналом задается с помощью функции sleep () модуля time. В качестве ар-
гумента ей передается числовое значение, представляющее временной ин-
тервал в секундах. Таким образом, код sleep (10) позволяет приостановить
выполнение программы на десять секунд.
10*3.2. Программа управления сервоприводом
Кроме всего прочего, модуль RPIO. PWM обеспечивает доступ к классу
Servo, который существенно облегчает задачу управления сервоприводами
из Raspberry Pi. Основное внимание нужно уделить двум его методам.
■ set_servo (int pin, int width). Подает ШИМ-сигнал с импульсами
определенной длительности (в миллисекундах) через указанный вывод.
■ stop_servo (int pin). Прекращает подачу ШИМ-сигнала через ука-
занный вывод.
Эти методы позволяют избежать явной инициализации DMA и установки
соответствующего DMA-канала. Другими словами, вызовы PWM. setup () и
PWM. init_channel () становятся ненужными.
В качестве примера давайте используем класс Servo для управления сер-
воприводом с каталожным номером FS5106B компании Fitec. Как и подав-
ляющее большинство любительских сервоприводов, он настроен на управ-
ляющие импульсы с нарастающим фронтом, период которых равен 20 мс,
Поворот на минимальный угол осуществляется подачей на сервопривод им-
пульсов длительностью 0,7 мс, а для поворота на максимальный угол дли-
тельность импульсов требуется увеличить до 2,3 мс. Нейтральное положение
вала устанавливается с помощью импульсов длительностью 1,5 мс.
В листинге 10.4 показано, что конечное управление сервоприводом
FS5106B осуществляется методами set_servo () и stopjservo (). Програм-
ма написана так, чтобы обеспечить поворот вала сервопривода с минималь-
ного положения в максимальное и обратно.
Листинг 10.4. Управление сервоприводом (ChlO/servo.py)
И II II
Сценарий управления сервоприводом, обеспечивающий поворот
вала с минимального положения в максимальное и обратно

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
277
import RPIO.PWM as PWM
import time
# Настройка управляющего вывода и длительности импульсов
servojpin = 18
min_width =700
max_width =2300
# Создание объекта
servo = PWM.Servo()
# Поворот в минимальное положение и ожидание
servo.set_servo(servo_pin, min_width)
time.sleep(1)
# Поворот в максимальное положение
for angle in xrange(min_width, max_width, 100):
servo.set_servo(servo jpin, angle)
time.sleep(0.25)
# Поворот в минимальное положение
for angle in xrange(max_width, min_width, -100):
servo.set__servo(servo_pin, angle)
time.sleep(0.5)
# Прекращение подачи ШИМ-сигнала на сервопривод
servo.stop_servo(servo_pin)
Каждый раз после метода set_servo () вызывается метод time. sleep О,
обеспечивающий задержку в выполнении программы, что предоставляет сер-
воприводу время на изменение положения вала.
10.4* Плата расширения RaspiRobot
В силу большой популярности одноплатного компьютера Raspberry Pi
многие производители электронного оборудования начали выпускать для
него всевозможные платы расширения. Так, на плате PiFace смонтировано
множество реле, переключателей и сигнальных светодиодов. Плата PiRack
снабжена удобными разъемными колодками, упрощающими подключение к
Raspberry Pi многих популярных среди моделистов электронных устройств.
Чтобы ознакомиться с актуальным перечнем плат расширения для Raspberry
Pi, обратитесь на следующий сайт:
https://www.modinypi.com/raspberry-pi-expansion-boards

278
Часть III. Электродвигатели в действии
Нас больше всего будет интересовать плата расширения RaspiRobot, кото-
рая значительно упрощает управление электродвигателями, применяемыми
в моделировании. Внешний вид платы RaspiRobot показан на рис. 10.7.
Выводы GPIO Переключатели 1 и 2
» I
L293DD —
LEFT.MOT+ —
LEFT.MOT- —
RIGHTJVIOT+ —
RIGHT_MOT- —
GND —
uin-
I
Выходы с открытым коллектором
Рис. 10.7. Плата RaspiRobot
RaspiRobot оснащена шестью чрезвычайно востребованными зажимны-
ми разъемами, расположенными в левой части платы. Через четыре верхних
из них (LEFT_MOT+, LEFTJ/IOT-, RIGHTJVIOT+ и RIGHTJVIOT-) подает-
ся питание сразу на два двигателя постоянного тока или один сервопривод.
Два нижних вывода (GND и Цп) используются для запитывания самой платы
RaspiRobot. На вывод Цп допускается подавать только постоянное напряже-
ние в диапазоне 7-12 В.
Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами RaspiRobot, вам
нужно знать, как подключенное к плате оборудование связано с интерфейсом
GPIO платы Raspberry Pi. В табл. 10.4 приведены названия сигналов, подава-
емых платой RaspiRobot, и соответствующих им выводов интерфейса GPIO.
Для управления электродвигателями используются только четыре первых
сигнала, подаваемых на выводы LEFT_MOT+, LEFTJWOT-, RIGHTJVIOT+

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
279
Таблица 10.4. Соответствие сигналов RaspiRobot и выводов
интерфейса GPIO
Сигнал RaspiRobot Вывод GPIO Описание
ШИМ-сигнал управления левым
двигателем
Устанавливает направление вращения для
левого двигателя
ШИМ-сигнал управления правым
двигателем
Устанавливает направление вращения для
правого двигателя
Управляет первым переключателем (SW1)
Управляет вторым переключателем (SW2)
Управляет первым светодиодом (LED1)
Управляет вторым светодиодом (LED2)
Выход с открытым коллектором 1
Выход с открытым коллектором 2
Выход с открытым коллектором 1 через
резистор
Выход с открытым коллектором 2 через
резистор
Выход для сигнала ультразвукового датчика
Выход считывания отраженного сигнала
с ультразвукового датчика
и RIGHTJVIOT-. Они генерируются двойным четырехканальным драйвером
двигателей постоянного тока L293DD, смонтированным на плате RaspiRobot.
Принципы его функционирования и способы использования для программ-
ного управления коллекторными двигателями постоянного тока и сервопри-
водами рассмотрены ниже.
10.4.1. Двойной четырехканалыный драйвер двигателей
постоянного тока L293DD
О назначении и принципах организации мостовой схемы, а также ее при-
менимости для изменения направления вращения вала двигателя постоян-
ного тока рассказывалось в главе 2. В самом простом виде мостовая схема
LEFT_GO__PIN
LEFT_DIR_PIN
RIGHT_GO_PIN
RIGHT_DIR_PIN
SW1_PIN
SW2_PIN
LED1JPIN
LED2_PIN
OC1_PIN
0C2JPIN
OC2_PIN_R1
OC2_PIN_R2
TRIGGER_PIN
ECHO PIN
17
4
10
25
11
9
7
8
22
27
22
27
18
23

280
Часть III. Электродвигатели в действии
собирается из обычных транзисторов, но в промышленных масштабах про-
изводится в виде интегральных решений. Одним из наиболее популярных
решений является микросхема L293, в собственных вариациях производимая
всеми основными поставщиками электронного оборудования.
Плата RaspiRobot оснащена драйвером двигателей L293DD компании ST
Microelectronics. Он представляет собой 20-выводную интегральную мик-
росхему поверхностного монтажа, которая включает две полные мостовые
схемы (четыре полумоста). У драйвера четыре входа (для сигналов LEFT_GO_
PIN, LEFT_DIR_PIN, RIGHTJSOJPIN И RIGHT JDIRJP IN) и СТОЛЬКО же ВЫХОДОВ
(LEFT_MOT+, LEFTJ/IOT-, RIGHTJ/IOT+ и RIGHTJVIOT-), связанных с
выводами питания двигателей платы RaspiRobot.
Электрическая схема одного из полных мостов драйвера показана на
рис. 10.8. На ней видно, что на вход драйвера подаются сигналы управления
LEFTGOPIN и LEFT_DIR_PIN, а питание двигателя осуществляется через
выходы LEFTJVIOT+ и LEFT_MOT- мостовой схемы.
LEFT,
DIR PIN
LEFT.
GO PIN
GND
Рис. 10.8. Электрическая схема одного моста драйвера двигателей L293DD
Если управляющий сигнал LEFT_GO_PIN представлен низким уровнем
напряжения, то входной ток не проходит ни через один из переключателей
(So-S3). Это обстоятельство делает его идеальным входом для ШИМ-сигна-
ла, поступающего с контроллера. Чем больше коэффициент заполнения сиг-
нала, тем дольше переключатели находятся в закрытом состоянии.

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
281
Если на вход LEFTGOPIN схемы подается сигнал высокого уровня, то
напряжения на выходах LEFT_MOT+ и LEFT_MOT- полностью определяют-
ся логическим уровнем сигнала LEFT_DIR_PIN. Если сигнал LEFT_DIR_PIN
представлен высоким уровнем напряжения, то переключатели Sq и S3 замы-
каются — на выводе LEFT_MOT+ устанавливается напряжение Ujn, а вывод
LEFTJWOT- подключается к общему проводу (GND). Подача на вход LEFT_
DIRJPIN сигнала низкого уровня приводит к замыканию переключателей S-j
и S2 — напряжение Цп подается на вывод LEFTJWOT-, а к общему проводу
подключается вывод LEFT_MOT+.
10.4.2. Программное управление RaspiRobot
Для управления платой RaspiRobot можно использовать функции библио-
тек, описанных в предыдущих разделах, но существует более простой спо-
соб. Разработчик платы, Саймон Монк, написал на Python специальный
программный модуль г гЬ2. ру, существенно упрощающий участь владельцев
RaspiRobot. Этот модуль доступен для загрузки на сайте GitHub.
https: //github.com/siinonmonk/raspirobotboard2
Модуль rrb2 .ру добавляет в программу новый класс RRB2, снабженный
широким спектром методов, которые обеспечивают простой доступ ко всем
помещенным на RaspiRobot устройствам. В частности, с их помощью можно
управлять встроенными светодиодами и переключателями, а также управ-
лять работой сразу двух коллекторных двигателей постоянного тока. Методы
класса RRB2 перечислены в табл. 10.5.
Таблица 10.5. Методы управления двигателями, включенные в класс RRB2
Метод Описание
forward (seconds=0, Предписывает вращать вал двигателя
speed=O. 5) с заданной скоростью в течение указанного
временного интервала в прямом
направлении
reverse (seconds=0, Предписывает вращать вал двигателя
speed=O. 5) с заданной скоростью в течение указанного
временного интервала в обратном
направлении
left (seconds=0, Предписывает вращать вал левого
speed=O. 5) двигателя с заданной скоростью в течение
указанного временного интервала

282
Часть III. Электродвигатели в действии
Окончание табл. 10.5
Метод Описание
right (seconds=0, Предписывает вращать вал правого
speed=0.5) двигателя с заданной скорость в течение
указанного временного интервала
s t ор () Останов двигателя
set motors (float left_pwm, Назначение выводов для подачи
int lef t_dir, управляющих сигналов на оба двигателя
float rightjpwm,
int right_dir)
Все аргументы первых пяти методов одинаковые. С их помощью указы-
ваются время работы двигателя и скорость вращения вала, определяемая ко-
эффициентом заполнения ШИМ-сигнала. Аргумент speed принимает зна-
чения от 0.0 (двигатель обесточен) до 1.0 (полная мощность).
С помощью последнего метода, setjnotors (), можно получить непо-
средственный доступ сразу к двум двигателям постоянного тока. Первые два
аргумента устанавливают коэффициент заполнения и направление вращения
вала для левого двигателя, а третий и четвертый аргументы указывают эти же
параметры для правого двигателя. Вращение в прямом направлении соот-
ветствует нулевому значению аргумента int lef t_dir или int rightdir,
а обратное вращение осуществляется при передаче значения 1.
В класс RRB2 включены переменные-члены, хранящие значения сигналов
на выводах платы RaspiRobot. Они именуются так же, как и сигналы, приве-
денные в первом столбце табл. 10.4. Например, вы можете не помнить, на ка-
кой вывод подается сигнал, устанавливающий направление вращения право-
го двигателя. Чтобы узнать его, достаточно определить значение переменной
RIGHT_DIR_PIN, которое равно 25.
10.4.3. Управление коллекторными двигателями
постоянного тока
С помощью методов класса RRB2 управление коллекторными двигателями
постоянного тока превращается в очень простую задачу. Достаточно подклю-
чить левый двигатель к выводам LEFT_MOT+ и LEFT_MOT-, а правый дви-
гатель — к выводам RIGHTJVIOT+ и RIGHT_MOT-. Программа управления
двигателями, подключенными таким способом к плате RaspiRobot, приведе-
на в листинге 10.5. Она обеспечивает вращение обоих двигателей в прямом

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
283
направлении в течение пяти секунд, дальнейшее обратное их вращение на
протяжении четырех секунд, а также последующее трехсекундное вращение
левого двигателя и двухсекундное — правого двигателя.
Листинг 10.5. Управление двумя коллекторными двигателями постоянного
тока (ChlO/brushed.py)
II И II
Сценарий управления сразу двумя двигателями постоянного тока.
В прямом направлении — 5 с, в обратном направлении — 4 с,
затем левый — 3 с, а правый — 2 с
п и ?!
import rrb2
# Создание объекта RRB2
robot = rrb2.RRB2()
# Вращение в прямом направлении в течение 5 с
robot.forward(seconds=5, speed=l.О)
# Вращение в обратном направлении в течение 4 с
robot.reverse(seconds=4, speed=0.8)
# Вращение вала левого двигателя в течение 3 с
robot.left(seconds=3, speed=0.6)
# Вращение вала правого двигателя в течение 2 с
robot.right(seconds=2, speed=0.4)
# Останов двигателей
robot.stop()
Код предельно прост для понимания. Вначале создается объект RRB2,
единственной примечательной особенностью конструктора которого явля-
ется аргумент revision, указывающий номер версии платы. По умолчанию
используется значение 2.
10.4.4. Управление шаговым двигателем
Для RaspiRobot не предусмотрено специальных функций управления ша-
говым двигателем, но с этой задачей прекрасно справляется функция set
Motors (), описанная в табл. 10.5. Перед тем как приводить реальный пример
ее использования, нужно вспомнить основные рабочие характеристики ша-
говых двигателей, рассмотренные в главе 4.

284
Часть III. Электродвигатели в действии
Принципы управления шаговым двигателем
Как известно, шаговые двигатели бывают двух типов: униполярные и би-
полярные. Униполярные двигатели проще в управлении и оснащаются че-
тырьмя выводами. У них более высокий КПД, но для управления их работой
требуется дополнительное устройство: две мостовые схемы. Биполярный ша-
говый двигатель всегда можно запитать по униполярной схеме, оставив не-
подключенным один из силовых выводов.
Плата RaspiRobot включает две полные мостовые схемы, но снабжена
только четырьмя выводами для подачи питания на двигатели. Таким обра-
зом, она может применяться для управления только униполярным шаговым
двигателем или биполярными двигателем, подключенным по униполярной
схеме.
Шаговые двигатели обычно рассчитаны на двухфазное питание (А/А1 и
В/В1). Питание статора выполняется так, что одномоментно обмотки воз-
буждения одной фазы отталкивают ротор, а обмотки второй — притягивают
его. Последовательно изменяя полярность обмоток, можно добиться шагово-
го поворота ротора, как показано на рис. 10.9.
а) б)
Рис. 10.9. Подача питания на обмотки шагового двигателя
Из рис. 10.9, я, видно, что исходно обмотка А представляет северный
магнитный полюс, а обмотка А1 той же фазы — южный магнитный полюс.
Обмотки фазы В при этом остаются неактивными. На рис. 10.9, б, показана
противоположная ситуация: питание подается на обмотки В/В1, а обмотки

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
285
фазы А остаются обесточенными. Таким образом, обмотка В выступает се-
верным магнитным полюсом, а обмотка В1 — южным полюсом, В результате
ротор поворачивается на 30°.
Управление шаговым двигателем с помощью класса RRB2
Чтобы управлять шаговым двигателем, подключенным к RaspiRobot, нуж-
но к выводам питания левого двигателя подключить обмотки А/А1, а к вы-
водам питания правого двигателя — обмотки В/В1. Передавая в функцию
setMotors () правильную последовательность аргументов, можно добиться
дискретного поворота вала шагового двигателя. Код, демонстрирующий опи-
санный выше принцип, приведен в листинге 10.6.
Листинг 10.6. Управление шаговым двигателем (chlO/stepper .py)
И I» II
Сценарий управления питанием шагового двигателя, обеспечивающий
возбуждение обмоток статора в правильной последовательности
import rrb2
import time
# Создание объекта RRB2
robot = rrb2.RRB2()
# Установка количества шагов и задержки между ними
num_reps =10
step_delay =0.4
# Последовательность возбуждения обмоток, повторяемая num_reps раз
for х in range(0, num_reps):
robot.setjnotors(1.0, 1, 0.0, 0)
time.sleep(stepjdelay)
robot.setjnotors(0.0, 0, 1.0, 1)
time.sleep(step_delay)
robot.setjnotors(1.0, 0, 0.0, 0)
time, sleep (step__delay)
robot.setjnotors(0.0, 1, 1.0, 0)
time.sleep(stepjdelay)

286
Часть III. Электродвигатели в действии
# Останов двигателя
robot.stop()
В данном коде коэффициент заполнения управляющего сигнала при воз-
буждении обмоток равен 1, а при их обесточивании он устанавливается рав-
ным 0. При коэффициенте заполнения 1 направление вращения вала (0 или 1)
определяется полярностью текущей обмотки возбуждения.
10.5. Резюме
Плата Raspberry Pi обладает чрезвычайно широкими функциональны-
ми возможностями как для компьютера столь небольшого размера. Высо-
кая производительность основного и графического процессоров Raspberry
Pi обеспечивается многоядерной вычислительной однокристальной систе-
мой — ВСМ2835. Плата Raspberry Pi снабжена такими же портами и разъема-
ми (Ethernet, HDMI и USB), что и обычный компьютер.
Нас в первую очередь интересует способность Raspberry Pi управлять
электродвигателями. Чтобы получить такую возможность, требуется выпол-
нить целый ряд вспомогательных задач: установить операционную систему
Raspbian, освоить среду программирования Python и научиться писать про-
граммы, в которых используются внешние программные модули (RPIO и
RPI. GPIO). Конечно, для управления двигателями постоянного тока можно
использовать другие средства, но предложенный вариант самый простой для
понимания и реализации.
У Raspberry Pi модели В+ интерфейс GPIO оснащен 40 выводами. Для
перевода выводов в режим входа (считывания сигнала) или выхода (подачи
сигнала) применяются функции программного модуля RPIO. В ответ на изме-
нение состояния выводов в программе запускается обработчик заранее ини-
циализированных прерываний. Чаще всего обработка прерывания выполня-
ется с помощью специально добавленной в программу функции обратного
вызова.
В Raspberry Pi для генерации ШИМ-сигналов применяется специальный
модуль RPIO.PWM. Программное управление сервоприводами проще всего
реализовать, используя специальный класс Servo, включающий такие мето-
ды, как setServo() и stopServo().
Разработанная Саймоном Монком плата расширения RaspiRobot монти-
руется поверх Raspberry Pi. Она заметно упрощает управление электродви-
гателями постоянного тока с помощью одноплатного компьютера. Плата
RaspiRobot включает драйвер двигателей L293DD, содержащий две полные
мостовые схемы. Управляющие сигналы для мостовых схем формируются

Глава 10. Управление двигателями из Raspberry Pi
287
Raspberry Pi и передаются на RaspiRobot через интерфейс GPIO. Питание на
электродвигатели подается со специальных выводов RaspiRobot.
Непосредственное управление выводами платы RaspiRobot — весьма хло-
потное занятие, поэтому проще всего для этих целей применять специальный
программный модуль, добавляющий в программу новый класс RRB2. Мето-
ды этого класса позволяют управлять сразу двумя двигателями постоянного
тока. Метод set_motors () позволяет устанавливать коэффициент заполне-
ния ШИМ-сигнала и изменять направление вращения вала каждого из дви-
гателей. В результате он идеально подходит для управления сервоприводом.

11
Управление
электродвигателями
из BeagleBone Black
BeagleBone Black — это одноплатный компьютер, функциональ-
но подобный Raspberry Pi, рассмотренному в предыдущей главе.
На самом деле у обеих плат очень много общего. Они имеют по-
хожий компактный размер, оснащаются вычислительными ядра-
ми (ARM) равной производительности и оперативной памятью
одинакового объема (512 Мбайт), что позволяет установить на них
полноценную операционную систему. Не удивительно, что про-
даются обе платы в одном ценовом диапазоне (Raspberry Pi стоит
35 долларов, a BeagleBone Black — 55 долларов).
В отличие от Raspberry Pi плата BeagleBone Black оснащена не-
сколькими дополнительными вычислительными ядрами, исполь-
зуемыми для тех же целей, что и микроконтроллеры. В частности,
они применяются для преобразования аналоговых сигналов в циф-
ровые, а также для генерирования высокоточного ШИМ-сигна-
ла. Наличие вспомогательных вычислительных систем позволяет
использовать эту плату для предельно эффективного управления
электродвигателями.

290
Часть III. Электродвигатели в действии
С целью расширения базовых возможностей BeagleBone Black к ней под-
ключается плата Dual Motor Controller Cape (DMCC). Она обладает такими
же функциональными особенностями, что и шилды Arduino, описанные в
главе 9, а также плата расширения RaspiRobot, рассмотренная в главе 10. Ее
преимущества обусловливаются наличием отдельного процессора, позволя-
ющего максимально точно рассчитывать текущее положение вала двигателя
и корректировать скорость его вращения в реальном времени.
Как бы там ни было, вначале нужно изучить оборудование, помещенное на
плату BeagleBone Black, и познакомиться с его основными функциональны-
ми возможностями. Все аппаратные и программные средства платы рассмат-
риваются в разрезе использования операционной системы Debian. В конце
главы вы познакомитесь с основами программного управления ресурсами
BeagleBone Black и оборудованием, подключенным к ее интерфейсу GPIO.
11,1, Обзор платы BeagleBone Black
Плата BeagleBone Black предоставляет в ваше распоряжение прекрасно
отлаженные механизмы взаимодействия с устройствами, подключенными
к портам Ethernet, USB, HDMI и microSD. Но чтобы в полной мере насла-
диться преимуществами этого одноплатного компьютера, нужно научиться
писать программы, понятные ее центральному устройству — многоядерному
вычислительному центру АМ3359. Далее вы познакомитесь с характеристи-
ками АМ3359 и другого электронного оборудования, помещенного на плату
BeagleBone Black.
11,1,1, Общие сведения
Плата BeagleBone была выпущена компанией Texas Instruments в 2008 го-
ду для демонстрации вычислительной мощности компьютерных устройств
компактного размера. Вторая версия платы, оснащенная более производи-
тельным процессором и новыми коммуникационными возможностями, по-
явилась в 2011 году.
Наконец, в 2013 году компания Texas Instruments выпустила обновлен-
ную версию платы, получившую название BeagleBone Black. По сравнению
с предыдущей моделью она поддерживала вычисления на большей тактовой
частоте и обладала вдвое большим объемом оперативной памяти. Стоимость
же новой платы снизилась вдвое. В этой главе наше внимание будет сфоку-
сировано на последней ревизии (Revision С) платы BeagleBone Black, изобра-
женной на рис. 11.1.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
Порт USB Однокристальная
(хост) Интерфейс GPIO - Р9 система АМ3359
I I I
291
Модуль
Ethernet
Флеш-память,
4 Гбайт
I
Интерфейс GPIO - Р8
Рис. 11.1. Лицевая сторона платы BeagleBone Black третьей ревизии
Основные технические характеристики BeagleBone Black приведены в
табл. П.I.
Таблица 11.1. Технические характеристики платы BeagleBone Black
Характеристика Значение
Размер, мм 86,4 х 53,3
Рабочее напряжение, В 5
Оперативная память (RAM), Мбайт 512 (DDR3)
Постоянная память Флеш-память (4 Гбайт) и карта
(энергонезависимая) microS D
Интерфейс GPIO 65-выводной
У BeagleBone Black всего два USB-порта. Один из них предназначен для
подключения компьютерных периферийных устройств, подобных клавиату-
ре с мышью. Второй USB-порт применяется для соединения с другими ком-
пьютерными устройствами и обмена данными с ними. Он также может ис-
пользоваться для получения питания как от стороннего компьютера, так и от
внешнего блока питания, обеспечивающего выходное напряжение 5 В.

292
Часть III. Электродвигатели в действии
Разумеется, наличие всего одного USB-порта становится существенной
преградой для создания на базе BeagleBone Black полноценного одноплатно-
го компьютера. Чтобы обойти ограничение и подключить к плате одновре-
менно клавиатуру с мышью, необходимо воспользоваться аппаратным USB-
концентратором.
Проектные файлы BeagleBone Black находятся в открытом доступе, и при
необходимости их можно загрузить из Интернета. Воспользовавшись полу-
ченной информацией, любой из вас может попробовать воссоздать плату и
совершенно законно применить ее в собственных проектах. Электрические,
принципиальные схемы, а также проектные файлы доступны по следующему
адресу:
http://elinux.0rg/Beagleb0ard:BeagleB0neBlack
11.1.2. Однокристальная система АМ3359
Центральное устройство BeagleBone Black — это микросхема АМ3359, на-
зываемая однокристальной системой, или системой на кристалле (System On
a Chip — SoC). Она представляет собой несколько вычислительных ядер, сов-
мещенных в едином интегральном блоке. Система АМ3359, в частности, со-
стоит из ядра общего назначения, основанного на процессоре ARM (Cortex-
А8), и отдельного графического ядра (SGX530). Кроме того, она включает
два вспомогательных ядра обработки данных в режиме реального времени, в
большинстве случаев выполняющих те же задачи, что и микроконтроллеры.
Вычислительное ядро Sitara Cortex-A8
Из предыдущей главы вам должно быть известно, что компания ARM
Holdings занимается только разработкой процессоров, предоставляя права
на их производство сторонним компаниям. Одним из производителей ин-
тегральных решений, основанных на разработках ARM, выступает компа-
ния Texas Instruments. Получив права на производство процессоров, в Texas
Instruments посчитали необходимым провести ребрендинг и изменили на-
звание вычислительного ядра с "ARM" на "Sitara". Данное 32-разрядное
ядро низкого энергопотребления поддерживает технологию SIMD (Single
Instruction, Multiple Data — один поток инструкций, множество потоков дан-
ных) и обеспечивает многопоточность вычислений с плавающей запятой.
В вычислительном узле АМ3359 используется ядро общего назначения
Cortex-A8. Применение двойного симметричного конвейера позволило поч-
ти вдвое увеличить производительность ядра ARM по сравнению с более ран-
ними его версиями.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
293
В Cortex-A8 реализована опциональная поддержка инструкций NEON,
гарантирующих высокую скорость и параллелизм выполнения математичес-
ких вычислений. Благодаря поддержке NEON обработка числовых данных в
BeagleBone Black выполняется чрезвычайно быстро.
Графическое ядро SGX530
В вычислительный блок АМ3359 включено отдельное ядро обработки
графических данных — SGX530. Оно разрабатывалось сторонней компани-
ей PowerVR, на сегодняшний день включенной в Imagination Technologies в
качестве независимого подразделения. Именно такое графическое ядро при-
меняется в iPhone 4.
Ниже приведены основные технические характеристики ядра SGX530:
■ стандартное разрешение — 720р;
■ рендеринг 14 миллионов треугольников в секунду;
■ обработка 200 миллионов пикселей в секунду;
■ поддержка стандартов OpenGL-ES 1.1 и 2.0.
У SGX530 огромное количество сильных сторон, но к ним не относится де-
кодирование видеоданных. Именно поэтому вывод видеоизображения через
порт HDMI выполняется ядром Cortex-A8. Таким образом, BeagleBone Black
нельзя использовать как игровую приставку или мультимедийный центр.
Подсистема обработки данных в реальном времени
и коммуникации
В вычислительный блок АМ3359 интегрированы два ядра обработки дан-
ных в режиме реального времени (Programmable Real-Time Unit Subsystem —
PRU). Каждое из них представляет собой 32-разрядный процессор с урезан-
ным набором поддерживаемых инструкций, поскольку оснащается всего
8 Кбайт памяти для хранения команд и 8 Кбайт памяти для хранения данных.
Основное назначение ядер обработки данных в реальном времени заклю-
чается в первичном выполнении команд ввода-вывода данных и освобожде-
нии основных ресурсов ядра для более приоритетных задач. Чтобы в полной
мере обеспечить такую возможность, во вспомогательную вычислительную
подсистему вынесена поддержка технологий Ethernet и UART, а также конт-
роллера прерываний.

294
Часть III. Электродвигатели в действии
11.2. Программирование
в BeagleBone Black
Написание программ, выполняемых в BeagleBone Black, мало чем отли-
чается от создания приложений для других систем, основанных на вычисли-
тельном ядре ARM. На самом деле программирование для BeagleBone Black
еще проще благодаря высокой популярности платы, а потому доступности
в Интернете большого количества вспомогательных ресурсов. Начать нужно,
конечно же, с официального сайта поддержки платы, доступного по такому
адресу:
http://beagleboard.org/Support/bonel01
Но перед тем как приступить к написанию программ, необходимо позна-
комиться с операционной системой, установленной на BeagleBone Black. По
умолчанию плата BeagleBone Black распространяется с предустановленной
системой Debian.
После краткого знакомства с системой вы научитесь создавать и выпол-
нять сценарии Python, а также узнаете о роли библиотеки Adaf ruit_BBlO в
управлении выводами интерфейса GPIO. В конце раздела мы рассмотрим
код Python, отвечающий за генерирование ШИМ-сигнала на одном из выхо-
дов BeagleBone Black.
11.2,1. Операционная система Debian
Благодаря производительному процессору и достаточному количеству
оперативной памяти в BeagleBone Black можно установить и запустить пол-
ноценную операционную систему. Справедливости ради нужно отметить, что
при работе с BeagleBone Black мне встречались только дистрибутивы с опера-
ционными системами, основанными на Linux. Наиболее популярной среди
пользователей BeagleBone Black оказалась Debian, но нередко предпочтение
отдавалось Ubuntu. У этих систем есть всего один серьезный конкурент — ОС
Angstrom, основанная на Linux и разрабатываемая специально для встраива-
емых компьютерных систем.
Систему Angstrom часто предустанавливали на BeagleBone Black в пре-
дыдущих моделях платы. Последние ревизии платы выходят с производст-
венной линии укомплектованными исключительно операционной системой
Debian. С точки зрения разработки собственных приложений разница между
системами крайне несущественна и заключается в команде управления про-

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
295
граммными пакетами: в Angstrom используется утилита оркд, а в Debian —
apt-get.
Наличие разъема для подключения карт памяти microSD предполагает
установку на плату другой операционной системы, но мы в дальнейшем бу-
дем придерживаться инструментов исключительно предустановленного ва-
рианта — Debian. Общий вид рабочего стола Debian моей копии BeagleBone
Black показан на рис. 11.2.
Рис. 11.2. Рабочий стол операционной системы Debian
Исходно на рабочем столе значки отсутствуют, поэтому для запуска про-
грамм и утилит нужно использовать комбинации клавиш и команды главного
меню, расположенного в нижней части экрана. Я же предпочитаю взаимо-
действовать с BeagleBone Black через защищенное SSH-соединение, позво-
ляющее вводить команды управления платой, находясь за своим настольным
компьютером. Работая через SSH-соединение, необходимо учитывать следу-
ющие замечания:
■ BeagleBone Black по умолчанию имеет IP-адрес 192.168.7.2;
■ у учетной записи администратора BeagleBone Black пароль отсутствует.

296
Часть III. Электродвигатели в действии
Обладая приведенной выше информацией, для запуска SSH-сеанса доста-
точно ввести в терминале такую команду:
ssh root@192.168.7.2
В оболочке SSH можно не только выполнять команды, но и передавать
файлы. В последнем случае применяется команда scp. Например, следующая
команда передает файл data.txt из текущего каталога моего компьютера
в корневой каталог папки BeagleBone Black:
scp data.txt root@192.168.7.2:/root
В следующем примере файл /root/data.txt помещается в каталог
/home/matt моего компьютера:
scp root@192.168.7.2:/root/data.txt /home/matt
11 «2.2. Модуль Adaf ruit_BBIO
В самом начале использования BeagleBone Black я пытался писать про-
граммы для АМ3359 на самом низком уровне, чтобы добиться максимальной
производительности и получить доступ к максимальному количеству сис-
темных ресурсов. Мне пришлось узнать о механизме мультиплексирования
выводов, изучить оверлеи деревьев устройств и выучить все управляющие
регистры АМ3359. Я даже пробовал писать программы доступа к ресурсам
вспомогательных ядер на ассемблере. В конце концов, мне пришлось при-
знать, что заниматься низкоуровневым доступом к аппаратным средствам
BeagleBone Black не имеет никакого смысла.
К счастью для нас, разработчики компании Adafruit создали специальную
библиотеку Python, упрощающую работу с выводами платы и подключенным
к ней электронным оборудованием. Она получила название Adaf ruit_BBlO
и функционально повторяет возможности модуля RPIO, написанного для
Raspberry Pi. В большинстве случаев она устанавливается вместе с операци-
онной системой, но на случай, если у вас ее нет, выполните из терминала сле-
дующие команды.
sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential python-dev python-setuptools
sudo apt-get install python-pip python-smbus -y
sudo pip install Adafruit_BBIO
По завершении установки пакета вы сможете использовать в собственных
программах Python любые средства библиотеки Adaf ruit_BBlO. Для запуска
готового сценария Python из командного интерфейса введите перед его на-

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
297
званием ключевое слово python. Например, следующая команда применя-
ется для выполнения программы test. ру.
python test.py
И последнее замечание, касающееся применения библиотеки Adaf ruit_
ВВЮ в собственных проектах. Помимо С, C++ и Python, в ней реализова-
на поддержка программирования на языке BoneScript. Это разновидность
JavaScript, использующая фреймворк node.js и заточенная на выполнение в
BeagleBone Black. Вы найдете в Интернете большое количество ресурсов, по-
священных возможностям BoneScript и содержащих многочисленные обуча-
ющие занятия. Мой выбор языка программирования Python, а не BoneScript,
становится очевидным, если заглянуть наперед и узнать, что плата расшире-
ния Dual Motor Controller не поддерживает программное управление сцена-
риями, написанными на BoneScript.
11.2.3. Доступ к выводам GPIO
В BeagleBone Black подключение внешних устройств выполняется через
интерфейс, насчитывающий 92 вывода. Он представлен двумя 46-выводны-
ми колодками: Р8 и Р9. Каждый вывод имеет название и порядковый номер
в колодке, например Р8_5. Многие из выводов относятся к порту GPIO — в
их названия добавлен порядковый номер, указывающий положение в интер-
фейсе. На рис. 11.3 показано назначение первых 24 выводов колодки Р8.
Р8
23
GPIO
1
_4
Р8
21
GPIO
1
"
30
Р8
17
GPIO
0
27
Р8
.15
GPIO
1
15
Р8
.11
GPIO
1
13
Р8 5
GPIO
1 2
Р8 3
GPIO
1 6
Р8 1
GND
Р8 24
GPIO
1 1
Р8 22
GPIO
1 5
Р8 20
GPIO
1 31
Р8 18
GPIO
2 1
Р8 16
GPIO
1 14
Р8 14
GPIO
0 26
Р8 12
GPIO
1 12
Р8 6
gpTo
1 3
Р8 4
GPIO
1 7
Р8 2
GND
Рис. 11.3. Расположение выводов интерфейса GPIO на колодке Р8
Чтобы перенастроить порядок следования выводов интерфейса GPIO,
можно воспользоваться языком программирования С, но в решаемых нами

298
Часть III. Электродвигатели в действии
задачах он принципиально не важен. Для управления электродвигателями
достаточно уметь считывать или устанавливать напряжение на выводах, ис-
пользуя инструменты, предоставленные библиотекой Adaf ruit J3BIO. Семь
основных ее функций описаны в табл. 11.2.
Таблица 11.2. Функции управления интерфейсом GPIO библиотеки
Adafruit BBIO
Функция
Описание
setup (string pin, intmode)
output (string pin, int level)
int input (string pin)
cleanup ()
wait_for_edge (string pin,
int event)
add_event_detect(string pin,
int event)
event_detected(string pin)
Устанавливает режим работы вывода:
вход или выход
Устанавливает на выводе напряжение
с требуемым логическим уровнем: HIGH
ИЛИ LOW
Считывает логический уровень сигнала
на выводе
Переводит вывод в состояние по
умолчанию
Прерывает выполнение кода до
возникновения некоего события,
связанного с указанным выводом
Прослушивает некое событие для
указанного вывода—
Возвращает результат прослушивания
события для вывода
Легко заметить, что перечисленные выше функции можно разделить на
две категории. В первую попадают методы управления состоянием выводов,
а ко второй относятся методы прослушивания и обработки событий, связан-
ных с изменением состояния выводов.
ПРИМЕЧАНИЕ
В программных кодах, описанных в этой главе, мы будем обращаться к моду-
лю Adafruit_BBIO.GPIO по имени GPIO, а модуль Adafruit_BBIO.PWM называть
просто PWM. Таким образом, для обращения к функциям этих модулей применя-
ется синтаксис следующего формата: gpio.имя_фушции и pwm.имя_функции.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
299
Исходная настройка вывода
Каждый вывод интерфейса GPIO можно перевести в режим как входа
(считывание сигнала), так и выхода (передача сигнала). Эта задача решает-
ся с помощью функции setup (), которой в качестве аргументов передаются
имя вывода и требуемое состояние вывода: GPIO. IN или GPIO. OUT.
Имя вывода представляется либо положением в колодке ("Р8_12"), либо
номером в интерфейсе GPIO ("GPIO112"). Следующий код предписывает
перевести вывод 14 колодки Р8 в режим выхода;
GPIO.setup("P8_14", GPIO.OUT)
Вывод Р8_14 в интерфейсе GPIO соответствует выводу GPIO0_26. Поэто-
му приведенный выше код можно заменить следующей строкой.
GPIO.setup("GPIO0_2б", GPIO.OUT)
Логический уровень на выводе, переведенном в режим выхода, устанав-
ливается функцией output (), которой в качестве аргументов передаются
имя вывода и значение уровня напряжения. Высокому логическому уровню
(3,3 В) соответствует значение GPIO. HIGH или 1. Если передать этой функции
значение GPIO. LOW или 0, то на выходе установится нулевое напряжение, что
соответствует низкому логическому уровню.
Сигнал, который подается на вывод, находящийся в режиме входа, счи-
тывается функцией input (). Ей передается только один аргумент: имя вы-
вода. Согласно моим исследованиям функция input () возвращает значение
1 (высокий логический уровень) при подаче на вывод напряжения, большего
1,4 В. Низкий логический уровень регистрируется ею при напряжении, мень-
шем 1,1В. При подаче напряжения в диапазоне 1,1-1,4 В возвращаемое зна-
чение функции нельзя точно предсказать.
Пример практического использования функций setupO, input () и
output () приведен в листинге 11.1. Этот сценарий обеспечивает считывание
сигнала с вывода 16 колодки Р8 и в зависимости от полученного значения
устанавливает уровень сигнала на выводе 18 текущей колодки.
Листинг 11.1. Считывание сигнала с вывода платы
BeagleBone Black (chll/testinput.py)
I! II II
Сценарий циклически считывает сигнал на выводе. Если напряжение
низкое, то на второй вывод подается сигнал высокого уровня. Если
входной сигнал представлен высоким напряжением, то цикл прерывается.

300
Часть III. Электродвигатели в действии
import Adafruit_BBIO.GPIO as GPIO
# Назначение переменных
input__pin = "Р8_16";
output_pin = "Р8_18";
# Установка режимов работы выводов
GPIO.setup(input_pin, GPIO.IN)
GPIO.setup(output_pin, GPIO.OUT)
# Ожидание на выводе input_pin сигнала низкого уровня
while(GPIO.input(input_pin) == GPIO.LOW):
GPIO.output(output_pin, GPIO.HIGH)
# Перевод выводов в исходное состояние
GPIO.cleanup()
На каждой итерации цикла while проверяется уровень сигнала на выводе,
находящемся в режиме входа. Если он низкий, то на вывод, переведенный
в режим выхода, подается сигнал высокого уровня. Цикл прерывается только
в случае регистрации на входе сигнала высокого уровня. Функция cleanup ()
возвращает выводы в состояние по умолчанию.
Обработка событий
Многие программы управления внешним оборудованием выполняют воз-
ложенные на них операции только при изменении состояния выводов GPIO.
В листинге 11.1 показано, как с помощью цикла while организовать ответ-
ную реакцию программы на изменение уровня сигнала на одном из выводов.
В библиотеку Adaf ruit_BBIO включена функция wait_f or_edge (), обес-
печивающая простой способ обработки даже самых сложных событий. Эта
функция имеет следующий синтаксис:
wait__for_edge {имя_вывода, тип_события)
При добавлении в код сценария функция wait_f or_edge () ожидает воз-
никновения определенного события на указанном выводе. Чаще всего в ка-
честве события рассматривается процесс изменения логического уровня:
с высокого на низкий (спадающий фронт) или с низкого на высокий (нара-
стающий фронт). Тип события задается вторым аргументом функции и пред-
ставляется одним из следующих значений.
■ GPIO.RISING. Событие возникает при изменении уровня сигнала на
выводе с низкого на высокий.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
301
■ GPIO. FALLING. Событие возникает при изменении уровня сигнала на
выводе с высокого на низкий.
■ GP10.BOTH. Событие возникает при любом направлении изменения
уровня сигнала на выводе.
Следующий код указывает ожидать на выводе 18 колодки Р8 возникнове-
ния события падения сигнала до низкого уровня:
wait_for_edge("P8_18", GPIO.FALLING)
Вместо того чтобы прерывать работу процессора на время постоянного
прослушивания события, намного эффективнее проверять состояние вы-
водов периодически, высвобождая ресурсы процессора для других задач.
Для реализации описанного сценария применяются функции add_event_
detect () и eventide tec ted (). По действию первая напоминает функцию
wait_f or_edge (), но не приостанавливает программу на время ожидания
события, а заставляет только отслеживать его возникновение.
При включении отслеживания функция event_detected() возвраща-
ет значение 1, если событие произошло, а во всех остальных случаях воз-
вращается значение 0. В приведенном далее примере продемонстрирова-
но, как правильно использовать функции add_event_detect () и event_
detected () для настройки ответных действий на возникновение спадающе-
го фронта сигнала на выводе GPIO1_23.
add_event_detect ("GPI01_23fl, GPIO. FALLING)
while(condition == True):
...выполнение других задач...
if(event_detected("GPI01_23")):
...ответные действия в ответ на изменение фронта сигнала...
Важно понимать, что ни функция add_event_detect (), ни event__
detected () не приостанавливают работу процессора. Ожидая возникнове-
ния события, процессор продолжает выполнять другие операции.
У функции add_event_detect () есть два необязательных параметра, за-
дающих способ обработки события. Ее полный синтаксис выглядит так:
add_event_detect(имя_вывода, тип_события, функция_обратного_вызова,
длительность_дребезга)
Третий аргумент определяет функцию, которая вызывается при возникно-
вении события. Этой функции передается имя вывода, для которого регист-
рируется событие.
Если к выводу GPIO подключена кнопка, то ее нажатие в силу дребезга
контактов приводит к возникновению многочисленных событий изменения

302
Часть III. Электродвигатели в действии
уровня сигнала. Чаще всего программе не нужно регистрировать их все — до-
статочно обработать только первое событие и проигнорировать остальные,
возникающие в течение некоторого времени. Последний параметр функции
add_event__detect () как раз и задает время, в течение которого одно и то же
событие не будет обрабатываться повторно.
Пример использования функции обратного вызова для обработки собы-
тия приведен в листинге 11.2. В этой программе функция eventcallback ()
выводит на экран сообщение, содержащее имя вывода, для которого зареги-
стрировано событие.
Листинг 11.2. Обработка события функцией обратного
вызова(Chll/callback.py)
II I? II
Сценарий использования функции обратного вызова для обработки
события, связанного с изменением логического уровня на выводе Р8_18
import Adafruit_BBIO.GPIO as GPIO
import time
def event__callback(pin) :
print("Событие произошло на выводе %s." % pin)
# Назначение вывода для регистрации события
test_pin = "Р8_18";
# Установка рабочего режима вывода
GPIO.setup(test_pin, GPIO.IN)
# Определение функции обратного вызова
GPIO.add_event__detect(test_pin, GPIO.BOTH, event_callback)
# Задержка в 10 с
time.sleep(10)
# Сброс вывода
GPIO.cleanup()
Как только логический уровень сигнала на выводе изменяется, вызыва-
ется функция event_callback (), которой передается его имя. В процессе
выполнения этой функции на экране появляется следующее сообщение:
Событие произошло на выводе Р8_18.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
303
Функция time .sleep () обеспечивает задержку в 10 с перед обнаружени-
ем следующего события (изменение фронта сигнала).
11.3. Генерирование ШИМ-сигнала
Из главы 3 известно, что ШИМ-сигнал состоит из набора импульсов
разной длительности, следующих через один и тот же промежуток времени.
ШИМ-сигнал применяется для эффективного управления двигателями
постоянного тока. В этом разделе описываются средства генерирования
ШИМ-сигнала с помощью инструментов модуля AdafruitJ3BIO.PWM. Со
всеми пятью функциями модуля можно ознакомиться в табл. 11.3.
Таблица 11.3. Функции модуля AdafruitjBBio.PWM
Функция Описание
start (string pin, float duty, Отвечает за подачу ШИМ-сигнала
f req, polarity) указанной частоты с заданным
коэффициентом заполнения на
определенный вывод
set_duty_cycle (string pin, Изменяет коэффициент заполнения
float dut у) ШИМ-сигнала для указанного вывода
set_f requency (string pin, йзменяегчастоту ШИМ-сигнала для
floatfreq) указанного вывода
stop (string pin) Прекращает подачу ШИМ-сигнала на
вывод
cleanupO - Возвращает вывщ в состояние по
умолчанию
Первая функция, start (), самая универсальная. У нее два обязательных
аргумента: имя вывода и коэффициент заполнения импульсов. Второй аргу-
мент представляется числом с плавающей запятой из диапазона 0.0—100.0.
Например, ШИМ-сигнал с коэффициентом заполнения 25% подается на вы-
вод Р8_18 с помощью следующего кода:
GPIO.start("P8_18", 25)
Частота ШИМ-сигнала устанавливается третьим необязательным аргу-
ментом функции start (). По умолчанию она равна 2000 Гц, что соответ-
ствует подаче на вывод импульсов каждые 1/2000 = 0,5 мс. Это несколько
обескураживает, поскольку большинство любительских сервоприводов по

304
Часть III. Электродвигатели в действии
умолчанию рассчитаны на период управляющего сигнала, равный 20 мс (или
частоту 50 Гц). ШИМ-сигнал с таким периодом подачи импульсов и коэффи-
циентом заполнения 10% создается следующей строкой кода:
GPIO.start("P8_18", 10, 50)
Необязательный четвертый аргумент функции start () используется для
изменения полярности сигнала, определяемой значением 1 или 0. По умол-
чанию указывается значение 0, при котором подача импульса соответству-
ет переводу сигнала из низкого уровня в высокий. Аргумент со значением 1
обусловливает изменение сигнала с высокого уровня на низкий. Разница в
полярности сигналов наглядно проиллюстрирована на рис. 11.4.
start("P8J9f\25,50,0)
20 мс
start("P8J9", 25,50,1)
<« 20мс ►
Рис. 11.4. ШИМ-сигнал разной полярности
Для изменения коэффициента заполнения и частоты ШИМ-сигнала, сге-
нерированного функцией start (), применяются методы setdutycycle ()
и set__f requency (). Как и в первом случае, эти параметры представляются
значениями с плавающей запятой.
Способности модуля Adaf ruitBBIO. PWM по генерированию ШИМ-сиг-
нала призван продемонстрировать код, приведенный в листинге 11.3. Про-
грамма подает импульсный сигнал с коэффициентом заполнения 40% на
вывод Р8_19. Чтобы обеспечить возможность использования этого ШИМ-
сигнала для управления сервоприводами, его частота изменена до 50 Гц.
Листинг 11.3. Генерирование ШИМ-сигнала (chll/pwm.py)
tf п и
Сценарий подает импульсный (ШИМ) сигнал с частотой 50 Гц
и коэффициентом заполнения 40% на вывод Р8 19

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
305
import Adafruit_BBIO.PWM as PWM
import time
# Определение вывода для ШИМ-сигнала
pwm_pin = "P8J.9"
# Установка коэффициента заполнения и частоты сигнала
PWM.start(pwm_pin/ 40, 50)
# Задержка длительностью 10 с
time.sleep(10)
# Прекращение подачи ШИМ-сигнала и сброс настроек вывода
PWM.stop(pwm_pin)
PWM.cleanup()
Выбор вывода Р8_19 для ШИМ-сигнала не случаен. Он напрямую со-
единен с расширенным широтно-импулъсным модулятором (Enhanced
HighRresolution Pulse Width Modulator — EHRPWM). Детально о нем можно
узнать на с. 70—72 технической документации к BeagleBone Black. Для подачи
ШИМ-сигнала также подойдут выводы Р8_13, Р9_14 и Р9_16.
Библиотека AdafruitjBBlO позволяет генерировать ШИМ-сигнал с по-
разительно высокой точностью, но на выводы платы нельзя подавать напря-
жение, большее 3,3 В. Очевидно, что такой амплитуды ШИМ-сигнала недо-
статочно для обеспечения питанием сервопривода напрямую, но он может
применяться для управления электронным регулятором хода (ESC) или пла-
той расширения, подобной Dual Motor Controller, детально рассмотренной
в следующем разделе.
11 А. Плата расширения Dual Motor
Controller
Возможности BeagleBone Black no управлению электродвигателями мож-
но расширить с помощью специальной платы, монтируемой на разъемах ко-
лодок Р8 и Р9. Платы расширения для BeagleBone Black называются кейпа-
ми (от англ. "cape" — накидка, плащ).
Существует огромное количество кейпов, и все они снабжают плату
BeagleBone Black дополнительными функциональными возможностями, по-
зволяя выполнять обработку звуковых данных, выводить информацию на
ЖК-дисплеи и даже работать в беспроводных сетях. Список оборудования,

306
Часть III. Электродвигатели в действии
расширяющего базовые возможности платы BeagleBone Black, приведен по
такому адресу:
http://elinux.org/Beagleboard:BeagleBone_Capes
Для управления электродвигателями лучше всего подойдет плата расши-
рения Dual Motor Controller, сконструированная и выпущенная компанией
Exadler Technologies (http://exadler.myshopify.com). Ее внешний вид
показан на рис. 11.5. Выводные колодки как в нижней, так и в верхней ча-
стях платы позволяют подключать к BeagleBone Black сразу несколько кейпов
Dual Motor Controller, монтируя их один поверх другого.
Контроллер цифровой обработки Драйверы на мостовой
сигналов DSPIC33 схеме VNH5019A
I
^ Питание
двигателя 1
Разъемы ч
Т™Г Н Питание
положения . платы
i
!_ Питание
двигателя 2
Рис. 11.5. Плата Dual Motor Controller
Особого внимания заслуживают три разъема, расположенных в правой
части платы. Верхний и нижний разъемы используются для подачи электри-
ческого тока на двигатели, а средний применяется для питания самой платы.
Плата работает при входном напряжении от 5 до 28 В.
Функциональные возможности Dual Motor Controller определяются тремя
интегральными микросхемами. Микросхема DSPIC33FJ32MC304 отвечает за
создание ШИМ-сигнала, управляющего частотой вращения вала двигателей.
Драйвер двигателя состоит из двух микросхем VNH5019A, которые представ-
ляют собой мостовые схемы, отвечающие за подачу тока на двигатели в обоих
направлениях. Управление мостовыми схемами осуществляется с помощью
ШИМ-сигнала, генерируемого основной микросхемой. Структурная схема

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
307
управления двигателями с помощью платы Dual Motor Controller приведена
на рис. 11.6.
Датчик
положения А
Положение
ЛЙИГЯТРЛЯ 1
BeagleBone
Black
Интерфейс
I2C
Датчик
положения В
Положение
двигателя 2
ь,
W
►
W
DSPIC33
FJ32MC304
Управление
двигателем 1
Управление
двигателем 2
w
VNH5019A
Питание
двигателя 1
W
Двигатель 1
'—►
VNH5019A
Питание
двигателя 2
->
Двигатель 2
Рис. 11.6. Схема управления двумя двигателями с помощью платы расширения Dual
Motor Controller
Полная электрическая схема и проектные файлы Dual Motor Controller до-
ступны для загрузки на сайте GitHub.
https://github.com/Exadler/DualMotorControlCape
Чтобы просмотреть их, вам понадобится установить в системе программу
проектирования схем EAGLE.
Согласно схеме, показанной на рис. 11.6, управление двигателями посто-
янного тока выполняется в четыре этапа.
1. Программа, запущенная на стороне BeagleBone Black, определяет це-
левой двигатель, частоту и направление вращения его вала.
2. Рабочие настройки двигателя (устанавливаемые BeagleBone Black) и
данные с импульсных датчиков положения вала передаются контрол-
леру DSPIC33FJ32MC304, который на основе полученных сведений
генерирует управляющий ШИМ-сигнал.

308
Часть III. Электродвигатели в действии
3. Питание на двигатель подается с мостовой схемы VNH5019A, которая
управляется ШИМ-сигналом, сформированным на предыдущем этапе.
4. Вал двигателя начинает вращение. Импульсные датчики генерируют
сигнал о его положении в режиме реального времени.
Далее мы подробно рассмотрим каждый из этапов и изучим программу
управления аппаратными ресурсами платы Dual Motor Controller.
11.4.1 ♦ Подключение Dual Motor Controller
к BeagleBone Black
Несмотря на наличие большого количества портов, обмен данными между
платами BeagleBone Black и Dual Motor Controller проводится всего через два
вывода: Р9_19 и Р9_20.
Двух выводов достаточно для установки между устройствами последова-
тельного соединения I2C, в котором для передачи данных задействованы сле-
дующие линии.
■ Линия последовательной передачи данных (Serial Data Line — SDA). По
ней информация передается от одного устройства к другому.
■ Линия последовательных синхроимпульсов (Serial Clock — SCL). По ней
передаются импульсы, по которым синхронизируется обмен данными
между устройствами.
В 12С-соединении устройство, которое генерирует синхроимпульсы, на-
зывается ведущим. Остальные устройства рассматриваются как ведомые. При
подключении к BeagleBone Black нескольких плат Dual Motor Controller в ка-
честве ведущего устройства выступает одноплатный компьютер, а остальные
платы получают статус ведомых. Первая плата Dual Motor Controller, смон-
тированная непосредственно поверх BeagleBone Black, становится нулевым
ведомым устройством, а идентификатор каждой следующей ведомой платы
увеличивается на единицу.
Данные через 12С-соединение предаются в виде пакетов, каждый из кото-
рых состоит из 8 бит информации. Ведущее устройство инициализирует на-
чало передачи данных, устанавливая на линии SCL сигнал высокого уровня
и переводя сигнал на линии SDA с высокого уровня на низкий. В каждом
пакете данных содержатся идентификатор ведомого устройства и сведения о
типе коммуникации: получение или передача данных. Передача заканчива-
ется, когда ведущее устройство, поддерживая на линии SCL сигнал высокого
уровня, изменяет сигнал на линии SDA с низкого уровня на высокий.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
309
11А2. Генерирование ШИМ-сигнала
Как уже указывалось, управление двигателями, подключаемыми к плате
Dual Motor Controller, выполняется с помощью ШИМ-сигнала, генерируемо-
го микросхемой DSPIC33FJ32MC304 и подаваемого на драйверы VNH5019A.
Микросхема, отвечающая за создание ШИМ-сигналов, в данном случае назы-
вается контроллером цифровой обработки сигналов. Ее вычислительная мощ-
ность настолько велика, что она может использоваться в качестве цифрового
сигнального процессора (ЦСП).
Наряду с этим микросхема DSPIC33FJ32MC304 обрабатывает данные,
поступающие от двух других источников. Через 12С-соединение поступают
данные о рабочих параметрах двигателей, а от драйвера двигателя — сведения
о текущем положении вала, передаваемые импульсными датчиками.
Контроллер вычисляет погрешность между требуемой и реальной часто-
тами вращения вала и старается уменьшить ее, используя методику, которая
описана в главе 5 и основана на применении пропорционально-интегрально-
дифференциального регулятора.
■ Пропорциональная составляющая. Указывает реакцию контроллера на
отклонение сигнала от заданного значения.
■ Интегральная составляющая. Позволяет устранить отклонение сигнала,
вызванное существованием статической ошибки, которая возникает со
временем.
■ Дифференциальная составляющая. Определяет противодействие конт-
роллера прогнозируемому отклонению сигнала, вызванному внешни-
ми возмущениями.
Контроллер DSPIC33FJ32MC304 генерирует ШИМ-сигнал с учетом всех
трех составляющих ошибки и подает его на вход драйвера на мостовой схеме.
Такой подход позволяет компенсировать отличие реальной частоты враще-
ния вала от устанавливаемой программным образом.
11 A3. Мостовая схема управления
Плата Dual Motor Controller оснащена двумя драйверами двигателей
VNH5019A, каждый из которых состоит из двух полумостовых схем управ-
ления. Из главы 3 известно, что мостовая схема обеспечивает вращение вала
двигателя в обоих направлениях. Как вы знаете, направление вращения зави-
сит от направления протекания электрического тока через обмотки двигате-
ля. Мостовая схема управления двигателями постоянного тока показана на
рис. 11.7.

310
Часть III. Электродвигатели в действии
ENA
ШИМ-
сигнал
■'ее
оитА оитвн
■EN.
GNDA GNDB
Рис. 11.7. Электрическая схема драйвера VNH5019A
Полумосты драйвера VNH5019A обозначаются как "А" и "В". На каждый
из них подаются собственные управляющие сигналы (ENA и ENB). Выходы
полумостов также независимые (ОиТд и OUTB) — к ним подключаются вы-
воды питания одного из двигателей.
Управляющий ШИМ-сигнал общий для обоих полумостов: переключате-
ли замыкаются и размыкаются согласно уровням сигналов ENA и ENB. На-
пример, если в полумосте А и ШИМ-сигнал, и сигнал ENA представлены вы-
соким логическим уровнем, то на выходе OUTA устанавливается напряжение
Uqq. Как только ШИМ-сигнал падает до низкого логического уровня, оба
переключателя полумоста размыкаются, и подача напряжения Uqq на выход
OUTA прекращается. Полумост В работает по такому же принципу, но управ-
ляется сигналом ENg.
Сигналы ENA и ENB, как и ШИМ-сигнал, формируются контроллером
DSPIC33FJ32MC304. Очевидно, что сигнал ENA должен быть инвертирован
по отношению к сигналу ENB. В таком случае, как только на вход ENA подает-
ся сигнал высокого уровня, переключатели Sq и S3 замыкаются, и ток пита-
ния протекает от OUTA к OUTB. Подача сигнала ENA низкого уровня приводит
к замыканию переключателей S-j и S2 и протеканию тока от OUTB к OUTA.
11.4,4. Программа управления электродвигателем
Компания Exadler Technologies создала специальную библиотеку Python,
снабжающую разработчиков простыми функциями управления электро-
двигателями, подключенными к плате Dual Motor Controller. Файлы этой
библиотеки доступны для загрузки на сайте GitHub.

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
311
https://github.com/Exadler/DMCC_Library
Загрузив их на плату BeagleBone Black, перейдите в каталог расположения
файла se tupDMCC. py в системе, после чего выполните следующую команду:
python setupDMCC.py install
Завершив установку пакета, вы получаете возможность использовать в
программах Python специальные функции управления оборудованием платы
Dual Motor Controller. Их полный список приведен в табл. 11.4.
Таблица 11.4. Функции модуля dmcc
Функция
Описание
getMotorCurrent (int board, int
motor)
getMotorDir (int board, int motor)
getMotorVoltage (int board, int
motor)
getQEI (int board, int motor)
getQEIDir (int board, int motor)
getTargetPos (int board,
int motor)
getTargetVel (int board,
int motor)
setMotor (int board, int motor,
int power)
setPIDConstants (int board,
int motor, intposOrVel, f loat P,
float I, float D)
setTargetPos (int board,
int motor, int pos)
Возвращает значение тока, потре-
бляемого указанным двигателем
Возвращает направление вращения
указанного двигателя
Возвращает напряжение питания
указанного двигателя
Возвращает угол поворота,
измеренный импульсным
датчиком положения указанного
двигателя
Возвращает направление
вращения, определенное
импульсным датчиком положения
указанного двигателя
Возвращает положение вала
указанного двигателя
Возвращает частоту вращения вала
указанного двигателя
Подает питание заданного уровня
на указанный двигатель
Устанавливает ПИД-
коэффициенты, применяемые при
коррекции положения и частоты
вращения вала двигателя
Устанавливает положение вала
указанного двигателя

312
Часть III. Электродвигатели в действии
Первый аргумент всех функций один и тот же — он указывает плату, к ко-
торой обращается программа. Аргумент становится обязательным при под-
ключении к BeagleBone Black сразу нескольких плат Dual Motor Controller.
В подобном случае для доступа к первому кейпу, смонтированному поверх
платы BeagleBone Black, применяется аргумент 0, ко второму кейпу, смонти-
рованному поверх первого, — аргумент 1 и т.д.
Второй аргументу всех функций, описанных в табл. 11.4, задает целевой
двигатель. Двигатели идентифицируются номерами 1 и 2.
Из всех представленных функций наиболее востребованная — setMotor ().
Она позволяет задействовать двигатель не на полную мощность. Мощность
двигателя определяется последним аргументом и устанавливается в диапазоне
от-10000 до 10000. Положительные значения аргумента соответствуют вра-
щению вала в прямом направлении, а отрицательные значения — в обратном.
Например, следующий код предписывает первому двигателю, подключен-
ному к первой плате Dual Motor Controller, вращать вал в прямом направле-
нии с половинной мощностью.
setMotor(0, 1, 5000)
В листинге 11.4 приведен простой сценарий, обеспечивающий вращение
вала двигателя в течение пяти секунд на максимальной мощности в прямом
направлении и последующее обратное вращение вала на половинной мощно-
сти в течение десяти секунд.
Листинг 11.4. Управление электродвигателем с помощью программного
модуля DMCC (Chll/motor.py)
п п и
Программа прямого вращения вала на полной мощности в течение 5 с
и последующего обратного вращения на половинной мощности
в течение 10 с
import DMCC as DMCC
import time
# Прямое вращение
setMotor(0, 1, 10000)
time.sleep(5)
# Останов
setMotor(0, 1, 0)
time.sleep(3)

Глава 11. Управление электродвигателями из BeagleBone Black
313
# Обратное вращение
setMotor(0, 1, -5000)
time.sleep(10)
# Останов
setMotor(0, 1, 0)
time.sleep(3)
Модуль DMCC снабжает пользователей платы BeagleBone Black простыми и
понятными функциями программного управления двигателями постоянного
тока. К сожалению, это не относится к шаговым двигателям. Наличие двух
полных мостовых схем позволяет написать программу Python для разделения
питания на несколько фаз. Тем не менее в модуле DMCC за подачу питания на
двигатели отвечает одна только функция setMotor (), которая не умеет од-
новременно управлять необходимым количеством выводов.
11.5. Резюме
Одноплатный компьютер BeagleBone Black представляет собой одно из
наиболее функциональных решений для моделистов. Несмотря на невозмож-
ность аппаратного декодирования видеоинформации, производительность
математических операций и скорость обработки данных вычислительного
ядра находятся на самом высоком уровне. Множество портов ввода-вывода
данных позволяет подключать к плате широкий спектр внешнего обору-
дования.
В этой главе были рассмотрены принципы программного управления вы-
водами GPIO с помощью сценариев Python, запускаемых из операционной
системы Debian. Справедливости ради стоит отметить, что плата BeagleBone
Black прекрасно работает под управлением других, основанных на Linux, си-
стем, в частности, Ubuntu и Angstrom. А программы управления внешними
устройствами можно писать на многих других популярных языках, например
С, С+, Java и BoneScript.
Для эффективного управления аппаратными средствами BeagleBone Black
из программ Python понадобится библиотека Adaf ruit_BBIO. В нее вклю-
чен модуль AdafruitBBIO.GPIO, снабжающий разработчиков функциями
управления сигналами на выводах интерфейса GPIO, а также обработки со-
бытий изменения фронта импульсного сигнала.
В состав библиотеки AdafruitBBIO также входит модуль Adaf ruit_
ВВЮ. PWM, обеспечивающий генерацию управляющих ШИМ-сигналов. Важ-
ный момент: по умолчанию частота ШИМ-сигнала, создаваемого с помощью

314
Часть III. Электродвигатели в действии
функций модуля Adafruit_BBIO.PWM, равна 2000 Гц, в то время как боль-
шинство сервоприводов рассчитано на управление импульсными сигналами
с частотой всего 50 Гц. Кроме того, максимальная амплитуда полученного та-
ким образом ШИМ-сигнала равна 3,3 В, что явно ниже порога чувствитель-
ности большинства любительских сервоприводов.
Плата Dual Motor Controller значительно упрощает подключение двигате-
лей постоянного тока и управление ими из BeagleBone Black. Ее контроллер
формирует управляющий сигнал на основе данных, полученных от импульс-
ных датчиков положения, применяя методику ПИД-регулирования. Питание
на двигатели подается через две полные мостовые схемы, а функции модуля
DMCC позволяют разработчику задавать параметры управления двигателями и
считывать их рабочие характеристики.

12
Электронный регулятор
хода на базе Arduino
В главах 9—11 были описаны методики управления электродви-
гателями с помощью популярных микроконтроллерных устройств
и одноплатных компьютеров, в частности, Arduino Mega и Raspberry
Pi. В этой главе мы не будем полагаться на аппаратные средства
данных плат, а попробуем создать устройство управления двигате-
лем "с нуля". Нашей целью будет конструирование электронного
регулятора хода (Electronic Speed Control — ESC) для вентильного
двигателя постоянного тока. Как рассказывалось в главе 3, регу-
лятор хода получает низковольтные сигналы от контроллера и ге-
нерирует мощный импульсный сигнал, достаточный для питания
обмоток возбуждения электродвигателя.
Для простоты в качестве контроллера нашего регулятора хода
будет использоваться одна из плат семейства Arduino (в частности,
Arduino Mega). Это означает, что наша плата расширения будет по-
давать питание на вентильный двигатель согласно управляющим
сигналам, поступающим от микроконтроллера Atmel.
В этой главе мы детально рассмотрим принципы подачи пита-
ния на вентильные двигатели и оборудование, применяемое для
этих целей. Будут рассмотрены электрические характеристики
МОП-транзисторов и драйверов двигателей, построенных на их
основе. Вы также познакомитесь с процессом конструирования

316
Часть III. Электродвигатели в действии
печатных плат, начиная с разработки электрических схем и заканчивая ком-
поновкой всех ее электронных элементов. Но перед тем как перейти к тех-
ническим подробностям, нужно ознакомиться с устройством электронного
регулятора хода.
12Л • Конструкция электронного
регулятора хода
Наша цель очень проста — создать программируемый с помощью ком-
пьютера электронный регулятор хода (ESC), подобный используемым в ра-
диоуправляемых моделях автомобилей и летательных аппаратов. В его задачу
входит предоставлять импульсное питание для вентильного двигателя на ос-
нове управляющего ШИМ-сигнала, получаемого от внешнего контроллера.
Питание на регулятор хода подается от отдельного источника питания. Для
обеспечения полной синхронизации ESC должен уметь обрабатывать данные
о положении ротора, предоставляемые двигателем. Общая схема устройства
электронного регулятора хода показана на рис. 12.1.
Электронный регулятор хода
ШИМ-
сигнал
Настройки
Рис. 12.1. Устройство стандартного программируемого регулятора хода
Регуляторы хода данного типа чаще всего применяются моделистами в ра-
диоуправляемых моделях самых разных устройств. Перед их использованием
следует учесть несколько важных моментов:
■ для ESC нужен внешний контроллер, генерирующий управляющий
ШИМ-сигнал;
■ программирование микроконтроллера самого регулятора хода требует
глубоких знаний его архитектуры и языка программирования С;
■ для программирования ESC нужно написать дополнительное про-
граммное обеспечение, запускаемое на компьютере.

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
317
С учетом сложности тестирования и программирования даже стандартных
электронных регуляторов хода создаваемый нами ESC будет управляться из
среды Arduino. Это означает, что управляющие сигналы для нашего регулято-
ра хода будут генерироваться микроконтроллером Atmel, которым оснащает-
ся стандартная плата Arduino.
На рис» 12.2 изображена упрощенная функциональная схема нашего ESC.
Поначалу мне хотелось дать устройству имя, наилучшим образом отражаю-
щее его структурные особенности, например ArduESC или ESCuino, но здра-
вый смысл победил, и было выбрано предельно простое название: ESC Shield.
Управление Электронный регулятор хода
с датчиком
г
шим-
сигнал
Управление
без датчика
Рис. 12.2. Функциональная схема электронного регулятора хода
Структурная организация регулятора хода нашла отражение в конструкции
печатной платы. Коммутирующее устройство построено на базе шести тран-
зисторов, напаянных на лицевой стороне платы, как показано на рис. 12.3.
Обратная сторона платы ESC Shield изображена на рис. 12.4. В верхней и
нижней ее частях располагаются штыревые выводы, надеваемые на контакт-
ные колодки платы Arduino.
В следующих двух разделах описываются электронные компоненты, опре-
деляющие функциональные возможности электронного регулятора хода.
Только после их детального изучения можно переходить к рассмотрению
устройства обратной связи, основанной на регистрации перехода противо-
ЭДС через нулевую отметку.

318
Часть III. Электродвигатели в действии
Рис. 12.3. Лицевая сторона платы ESC Shield
Рис. 12.4. Обратная сторона платы ESC Shield

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
319
.2. Коммутирующее устройство
Двигатель постоянного тока потребляет намного большую мощность, чем
может обеспечить микроконтроллер. Именно поэтому между контроллером
и двигателем помещают специальное коммутирующее устройство, обеспечи-
вающее подачу импульсного питания достаточной мощности. Оно получает
управляющие импульсы от контроллера и согласно им подает на вход элект-
родвигателя питание необходимой мощности.
В главе 3 вы узнали, что в качестве электронных переключателей в ком-
мутирующих устройствах применяются полевые транзисторы со структурой
"металл-оксид-полупроводник" (МОП-транзисторы) или биполярные тран-
зисторы с изолированным затвором (БТИЗ). Для подачи питания на двигате-
ли малой и средней мощности лучше всего подходят коммутаторы, построен-
ные на МОП-транзисторах, а питание двигателей постоянного тока высокой
мощности лучше осуществлять коммутирующим устройством на базе БТИЗ.
В нашем случае МОП-транзисторы предпочтительнее, поэтому именно они
напаяны на плату ESC Shield (рис. 12.3). В первой половине раздела описа-
ны рабочие характеристики МОП-транзисторов, на которые нужно обращать
внимание при подборе для использования в коммутирующих устройствах.
Для обеспечения максимального быстродействия МОП-транзисторы
снабжаются специальным устройством — драйвером, устанавливаемым меж-
ду ними и контроллером. О том, как он работает, рассказывается во второй
части раздела.
На рис. 12.5 изображена расширенная функциональная схема регулятора
хода, показанного на рис. 12.2. На ней прекрасно видно, где располагаются
и как подключаются в схеме драйверы МОП-транзисторов.
12.2.1. Переключатели на МОП-транзисторах
Принципы построения электронных переключателей на МОП-транзисто-
рах были подробно рассмотрены в главе 3, поэтому далее приводятся только
краткие сведения из нее. На рис. 12.6 показан символ, которым МОП-тран-
зистор обозначается на электрических схемах. Здесь, в частности, изображен
МОП-транзистор n-типа с индуцированным каналом, оснащенный тремя
выводами: сток, исток и затвор.
МОП-транзистор с индуцированным каналом имеет три рабочих сос-
тояния, но при управлении электродвигателями задействуются только два
из них.

320
Часть III. Электродвигатели в действии
Управление
с датчиком
ШИМ-
сигнал
Электронный регулятор хода
Управление
без датчика
Рис. 12.5. Функциональная схема электронного регулятора хода, на которой
показаны коммутаторы на МОП-транзисторах и их драйверы
Сток
Затвор
U.
зи
Исток
Рис. 12.6. Символ, обозначающий на электрических
схемах МОП-транзистор
Закрытое состояние. Напряжение между затвором и истоком (U3H)
меньше порогового значения (Unop). Сопротивление между стоком и
истоком очень большое, а электрический ток через них близок к нулю.

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
321
■ Режим насыщения. Напряжение между затвором и истоком (изи) боль-
ше порогового значения (Unop)3 а напряжение между стоком и истоком
(иси) больше, чем и$и— Ump. Сопротивление между стоком и истоком
не превышает нескольких миллиомов, что позволяет электрическому
току свободно протекать между ними.
Не нужно считать МОП-транзисторы идеальными переключателями. Псь"
скольку пороговое напряжение больше О В, сопротивление между стоком и
истоком больше нуля, и переключение сигнала выполняется далеко не мгно-
венно. Тем не менее поведение МОП-транзисторов близко к желаемому, поэ-
тому они остаются востребованными в большинстве систем управления двига-
телями постоянного тока, основанных на электронной коммутации питания.
Выбор МОП-транзистора
Приступив к изучению технических характеристик МОП-транзистора,
очень легко запутаться в длинном списке его рабочих параметров. Такие обо-
значения, как UCH и Qj, легко введут в замешательство любого неопытного
моделиста. Чтобы упростить вашу задачу, наиболее часто употребляемые тех-
нические характеристики МОП-транзисторов сведены в табл. 12.1.
Таблица 12.1. Рабочие параметры МОП-транзисторов
Обозначение Название Описание
иси Напряжение между Максимальное напряжение между
стоком и истоком стоком и истоком, при котором
транзистор способен находиться
в закрытом состоянии
Максимальный ток, протекающий от
стока к истоку в открытом состоянии
Сопротивление между стоком и истоком
в открытом состоянии
Количество заряда, требуемого для
перевода транзистора в открытое
состояние
Максимальная мощность, которую
рассеивает транзистор
Напряжение между затвором и истоком,
требуемое для открытия транзистора
Оз
PdwmPT0T
Unop
Ток стока
Сопротивление
между стоком и
истоком
Заряд на затворе
Суммарная
мощность
Пороговое
напряжение

322
Часть III. Электродвигатели в действии
Самые важные у МОП-транзистора первые две характеристики. Он дол-
жен срабатывать при изменении логических уровней управляющего сигна-
ла и при этом снабжать двигатель достаточным количеством электрического
тока. Если рабочие параметры МОП-транзистора не соответствуют указан-
ным требованиям, то при включении в электрическую схему он, скорее всего,
выйдет из строя.
Через обмотки электродвигателя проходят сильные электрические токи,
поэтому сопротивление Яси должно быть как можно меньшим. Чем выше
сопротивление, тем сильнее нагревается транзистор (пропорционально
I2RCH). Я отдаю предпочтение транзисторам с сопротивлением не более
5 мОм. Даже при токе 20 А падение напряжения на них не превышает 0,1 В.
При управлении более мощными двигателями вместо МОП-транзисторов
используют БТИЗ-устройства, поскольку они обладают заметно меньшим
внутренним сопротивлением.
Заряд на затворе Q3 определяет скорость переключения транзистора. На-
пряжение между затвором и истоком изменяется не мгновенно, а в течение
некоторого времени. Как и у конденсатора, напряжение на затворе зависит
от накопившегося на нем заряда (напряжение = заряд/емкость). Таким обра-
зом, величина Q3 определяет количество заряда, которое должно накопиться
на затворе для возникновения напряжения, большего порогового Unop. На-
копление заряда и его уход с затвора занимает определенное время, поэтому
чем меньше Q3, тем выше скорость срабатывания транзистора.
МОП-транзистор IRFR7446
Для наших целей вполне подойдет МОП-транзистор IRFR7446 производ-
ства International Rectifier. Он обладает малым сопротивлением и небольшим
зарядом затвора, выдерживая большую нагрузку (сильный рабочий ток). Та-
ким образом, в электронном регуляторе хода ESC Shield в качестве переклю-
чателей используются МОП-транзисторы со следующими рабочими характе-
ристиками:
■ максимальное напряжение между стоком и истоком (иси) — 40 В;
■ максимальный ток через сток (1С) — 120 А;
■ сопротивление между стоком и истоком {RqH) в открытом состоянии —
3,9 мОм;
■ заряд на затворе (Q3), средний — 65 нКл при 1/зи = 10 В.
Заряд на затворе всего 65 нКл — это очень хороший показатель для МОП-
транзисторов данного типа, но для получения высокой скорости переключе-

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
323
ния сигнала он должен накапливаться и стекать за как можно меньший вре-
менной интервал. Чтобы добиться такого результата, нужно увеличить ток
через затвор. Микроконтроллер Arduino не рассчитан на управление столь
большими токами, поэтому между ним и электронным регулятором хода
устанавливают драйверы МОП-транзисторов.
Встроенный шунтирующий диод
В нашем электронном регуляторе хода используется еще один компонент,
требующий пристального внимания. В схеме управления электродвигателем
МОП-транзисторы обычно объединены в пары, как показано на рис. 12.7.
Управляющий
сигнал высокого
уровня
Управляющий
сигнал низкого
уровня
К двигателю
Рис. 12.7. Электрическая схема подключения
диодов к МОП-транзисторам
На электрической схеме, показанной на рис. 12.7, между стоком и исто-
ком каждого МОП-транзистора включен диод. После запирания транзистора
через эти диоды стекает электрический заряд, накопленный обмотками воз-
буждения двигателя. Такие диоды имеют несколько названий: "обратные",
"защитные" или "шунтирующие".

324
Часть III. Электродвигатели в действии
В электрических схемах на МОП-транзисторах в качестве шунтирующих
обычно применяются диоды Шоттки. Они характеризуются высокой ско-
ростью срабатывания и низким падением напряжения в режиме прямого
тока. К счастью, в каждый транзистор IRFR7446 уже встроен специальный
диод, называемый защитным. В технических характеристиках транзистора
IRFR7446 указаны два важных рабочих параметра встроенного шунтирую-
щего диода. В обоих случаях чем ниже значение, тем лучше диод справляется
с возложенными на него задачами.
■ Падение напряжения в режиме прямого тока. Для диода в транзисторе
IRFR7446 равно 0,9 В.
■ Время обратного восстановления. Для диода в транзисторе IRFR7446
равно 20 не.
Второй параметр требует отдельного рассмотрения. При изменении по-
лярности напряжения в диоде возникает кратковременный обратный ток,
обусловленный накоплением диодом небольшого электрического заряда.
Время, в течение которого такой ток протекает в диоде, называется временем
обратного восстановления. В схемах управления питанием электродвигателей
его стараются уменьшить до минимально возможного уровня.
12.2.2* Драйвер МОП-транзистора
Чтобы обеспечить быстрое переключение питания, нужно увеличить ско-
рость накопления и стекания заряда с затвора МОП-транзистора. Для этого
через затвор нужно пропустить электрический ток, намного больший, чем
допускается архитектурой микроконтроллера. Именно поэтому высокоско-
ростной регулятор хода снабжается усилителем тока, устанавливаемым меж-
ду микроконтроллером и МОП-транзистором коммутатора. Он называется
драйвером МОП-транзисторов или генератором накачки заряда.
Во многих регуляторах хода каждый МОП-транзистор снабжается отдель-
ным драйвером. Но намного проще использовать драйвер, выполненный в
виде интегральной микросхемы, которая обеспечивает усиление тока сразу
через оба МОП-транзистора одного полумоста, как показано на рис. 12.8.
Один из транзисторов полумоста отвечает за подачу на двигатель положи-
тельного напряжения, а второй обеспечивает его отрицательным напряжени-
ем. Драйвер, отвечающий за усиление тока на затворах обоих транзисторов,
называется драйвером верхнего и нижнего уровней.
Перед выбором драйвера МОП-транзистора для регулятора хода необхо-
димо определить ток, который будет подаваться на затвор. Он зависит от име-

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
325
Рис. 12.8. Драйвер МОП-транзисторов одного полумоста
ющегося на затворе заряда и требуемой скорости переключения транзистора.
Математически зависимость тока через затвор (/) от заряда (Q3) и времени
(tnepeic/l) его накопления/ухода (переключения транзистора) представляется
следующей формулой:
*
перекл
У транзистора IRFR7446 заряд на затворе Q3 составляет 65 нКл при напря-
жении изи, равном 10 В. В нашем регуляторе хода нужно добиться времени
срабатывания переключателей, меньшего 500 не. Подставляя указанные па-
раметры в расчетную формулу, можно вычислить требуемый ток через затвор.
500 нс
Драйвер верхнего и нижнего уровней IR2110
Для усиления тока на затворах МОП-транзисторов платы ESC Shield ис-
пользуется драйвер верхнего и нижнего уровней IR2110. Он обеспечивает
выходной ток силой 2 А, которого более чем достаточно для управления
транзисторами IRFR7446. Выполненный в виде микросхемы для поверхност-
ного монтажа, драйвер снабжен 16 выводами, но мы задействуем только 11
из них. Схема подключения драйвера верхнего и нижнего уровней к конт-

326
Часть III. Электродвигатели в действии
роллеру, источнику питания и обоим МОП-транзисторам полумоста показа-
на на рис. 12.9.
VCC
VMOT
VDD
HIN
LIN
VSS
SD
К двигателю
Рис. 12.9. Принципиальная электрическая схема подключения драйвера верхнего
и нижнего уровней IR2110
Выводы микросхемы IR2110 имеют следующее назначение.
■ HIN и LIN. На эти выводы подается ШИМ-сигнал, сгенерированный
контроллером.
■ VDD и VSS. Напряжение питания и общий провод ддя логики микро-
контроллера.
■ НО и LO. Выходы управления затворами МОП-транзисторов.
■ VB и VS. Обеспечивают подачу на затворы МОП-транзисторов верхне-
го и нижнего уровней плавающего питания.
■ VCC. Питание нижнего уровня.
■ СОМ. Возврат питания нижнего уровня (общий).
■ SD. Вход для останова IR2110 (прекращения подачи питания на выходы
НОиЮ).
Работа драйвера очень проста: когда на вход HIN подается напряжение вы-
сокого уровня, на выходе НО формируется сигнал, полностью отпирающий
МОП-транзистор верхнего уровня. Подобным образом, как только на вход
LIN будет подано напряжение высокого уровня, назыходе LO образуется сиг-

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
327
нал, полностью отпирающий МОП-транзистор нижнего уровня. Разумеет-
ся, одновременно на входы HIN и LIN сигнал высокого уровня не подается
никогда. Если такое случится, то шина питания будет закорочена на общую
шину (пробой), микросхема драйвера перегреется и с большой вероятностью
выйдет из строя.
Немало трудностей доставляет обеспечение питанием всех устройств ре-
гулятора хода. Напряжение питания логики VDD для платы ESC Shield со-
ставляет 5 В, а для линии нижнего уровня VCC драйвера IR2110 необходимо
напряжение от 10 до 20 В. При этом для электродвигателей, запитываемых
от платы ESC Shield, требуется напряжение 12 В. Если напряжение на входе
VCC упадет ниже 8,5 В, то микросхема IR2110 перестанет подавать на выходы
НО и LO ток, достаточный для переключения МОП-транзисторов.
12,2.3. Накопительный конденсатор
Чтобы обеспечить полную работоспособность МОП-транзистора верхне-
го уровня, на его затвор нужно подавать напряжение, на 10-15 В большее,
чем на выходе VS, которое может достигать уровня VMOT. Наряду с этим на-
пряжение на стоке VMOT всегда больше, чем на VCC. Чтобы помочь драйве-
ру IRS2110 подать на затвор МОП-транзистора верхнего уровня достаточное
управляющее напряжение, к выводам VB и VS микросхемы подключают кон-
денсатор, называемый накопительным.
Для понимания роли конденсатора в электрической схеме необходимо
проанализировать, что происходит в ней при отпирании и запирании МОП-
транзисторов верхнего и нижнего уровней.
■ Как только на вход LIN драйвера подается напряжение высокого уров-
ня, МОП-транзистор нижнего уровня отпирается, и вывод VS подклю-
чается к общему проводу. В этом случае накопительный конденсатор
заряжается до напряжения VCC (за вычетом незначительного его паде-
ния на диоде).
■ Как только на вход HIN драйвера подается напряжение высокого уров-
ня, МОП-транзистор верхнего уровня отпирается, и вывод VS соеди-
няется с линией VMOT. Теперь накопительный конденсатор заряжается
до напряжения, равного VMOT + VCC (за вычетом незначительного его
падения на диоде).
При выборе номинала накопительного конденсатора необходимо про-
явить крайнюю предусмотрительность. Если емкость конденсатора будет
слишком малой, то он не сможет накопить заряд, достаточный для поднятия
напряжения на выходе VB до требуемого уровня. При установке конденсато-

328
Часть III. Электродвигатели в действии
pa чрезмерно большой емкости он будет заряжаться слишком долго. В прило-
жении (Application Note 978) к технической документации к драйверу IR2110,
поставляемой ее производителем (компанией International Rectifier), приво-
дится следующая формула расчета емкости накопительного конденсатора:
2
Ucc -Uf -ULS -UMin
Описание всех членов неравенства приведено в табл. 12.2. Приблизитель-
ные значения представляющих их величин приводятся в третьем столбце.
Таблица 12.2. Переменные формулы расчета емкости ускоряющего
конденсатора
Переменная Описание Значение
QG Заряд затвора МОП-транзистора верхнего уровня 65 нКл
Iqbs(max) Максимальный ток между линиями VB и VS 230 мкА
/ Рабочая частота 50 Гц
Qls Остаточный заряд после каждого переключения 5 нКл
Icbs(kak) Ток Утечки конденсатора 0,5 мкА
Ucc Напряжение питания 12 В
Uf Падение напряжения на ограничительном диоде 0,7 В
ULS Падение напряжения на МОП-транзисторе 0,06 В
нижнего уровня
UMin Минимальная разница в напряжениях на линиях 9,4 В
VShVB
В нашем случае падение напряжения на МОП-транзисторе нижнего уров-
ня рассчитывается как произведение силы тока, требуемого для питания
электродвигателей, и рабочего сопротивления Яси. Для платы ESC Shield оно
равно 20 А*3,0 мОм = 0,06 В. У танталовых электролитических конденсаторов
ток утечки отсутствует, поэтому его из исходной формулы можно исключить.
При подстановке в конечную формулу всех приведенных в табл. 12.2 зна-
чений результат вычисления составит 5,16 мкФ. Таким образом, в нашем
электронном регуляторе хода можно смело применять танталовый конденса-
тор емкостью 4,7 мкФ.

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
329
12*3. Определение положения вала
по переходу противоЭДС через
нулевой уровень
Основной недостаток вентильных двигателей заключается в необходи-
мости обеспечения контроллера сведениями о текущем положении его вала.
Если двигатель снабжен датчиком угла поворота или положения, то система
управления его питанием достаточно проста. Управление бездатчиковыми
вентильными двигателями требует специального подхода.
Общие принципы управления трехфазным вентильным двигателем опи-
саны в главе 3. Как известно, одновременно питание подается только на две
фазы, а на обмотках третьей фазы образуется плавающий потенциал. Измеряя
напряжение на обмотке с плавающим потенциалом, контроллер определяет
положение ротора в любой произвольный момент времени. На основании
полученной информации генерируется сигнал питания вентильного двигате-
ля. Регистрация перехода сигнала через нулевой уровень считается базовым
методом управления бездатчиковыми вентильными двигателями.
При вращении ротора на выводах обмоток статора возникает электриче-
ское напряжение, называемое противоЭДС. Идеальный график изменения
противоЭДС вентильных двигателей приведен на рис. 12.10. В реальных ра-
бочих условиях график зависимости противоЭДС незапитанных обмоток от
времени сильно отличается от показанного на рисунке.
Переход напряжения через нулевую отметку
Рис. 12.10. Идеальный график изменения противоЭДС в незапитанных
обмотках вентильного двигателя
Сложность регистрации перехода напряжения обратной ЭДС через ну-
левую отметку заключается в невозможности ее непосредственного изме-
рения на обмотках. Чтобы понять, в чем же трудность, давайте рассмотрим
рис. 12.11. На нем изображена схема замещения вентильного двигателя, к ко-
торому подключено устройство управления питанием.

330
Часть III. Электродвигатели в действии
VM0T
Рис. 12.11. Электрическая схема замещения вентильного двигателя и устройство
управления питанием обмоток

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
331
На схеме показано, что все обмотки вентильного двигателя соединены в
точке О. Она традиционно называется нейтральной точкой (точкой звезды).
Зная напряжение в точке О, можно легко определить момент перехода про-
тивоЭДС через уровень О В.
К сожалению, для непосредственного измерения напряжения Uo нам не-
обходимо забраться внутрь двигателя, что невозможно. Чтобы выйти из за-
труднительной ситуации, давайте создадим виртуальную нейтральную точку
Р, находящуюся вне двигателя. Измеряя напряжения в ней (UP) и на обмотке
с плавающим потенциалом, можно легко вычислить момент перехода проти-
воЭДС через нулевой уровень.
Для определения зависимости между противоЭДС, UP и плавающим по-
тенциалом будем придерживаться следующего порядка действий.
1. Определить зависимость UP от напряжения на всех трех обмотках (UA,
UBnUc).
2. Определить зависимость Uo от напряжения на двух запитанных обмот-
ках.
3. Определить зависимость Uo от напряжения на обмотке с плавающим
потенциалом и противоЭДС в ней.
4. Решить систему из трех уравнений для определения зависимости на-
пряжения в виртуальной нейтральной точке от противоЭДС на обмот-
ке с плавающим потенциалом.
Далее мы подробно рассмотрим каждый из этапов вычисления в порядке
их следования в списке.
12.3* 1 • Зависимость Up от напряжения на всех трех
обмотках
Первый этап — самый простой. Все три обмотки соединены в виртуальной
нейтральной точке Р через резисторы RP. Напряжение в точке Р (UP) рассчи-
тывается согласно правилу Кирхгофа, в котором учитываются напряжения
на всех трех обмотках (UA, UB и Uc).
RP RP Rp
UA+UB+Uc-3UP=0
__UA+UB+Uc
UP- -

332
Часть III. Электродвигатели в действии
12*3.2. Зависимость Uo от напряжения на двух
обмотках, получающих питание
Давайте представим, что замкнуты только переключатели Вн и CL, a
остальные разомкнуты. В подобном случае на обмотку В подается сигнал вы-
сокого уровня (UB = Ueblc), а ца обмотку С — сигнал низкого уровня (Uc = 0).
Поскольку большинство переключателей разомкнуто, через обмотку А ток
не протекает. При /4= 0 ток в нейтральной точке О, рассчитанный согласно
правилу Кирхгофа, характеризуется равенством 1С = -1В.
В ответ на подачу питания и вращение ротора в обмотках В и С возникает
обратная ЭДС (Back ElectroMotive Force — BEMF), а потому и ток, направ-
ленный противоположно току питания. Таким образом, /с = -IB, BEMFC =
= -BEMFB.
Нам осталось сравнить напряжения на обмотке В (UB — Uo) и на обмотке
С {Uc — Uq). При их вычислении учитываются активное и реактивное сопро-
тивления обмоток, а также ток, вызванный противоЭДС.
dt
Логично предположить, что активное и реактивное сопротивления обмо-
ток одинаковые, поэтому в приведенной выше системе уравнений 1В можно
заменить на — 1С и BEMFB — на —BEMFC. Результат сведения уравнений в об-
щую зависимость выглядит следующим образом:
Убрав из равенства среднее выражение, получаем конечный результат —
напряжение в точке О.
12.3.3. Зависимость Uo от напряжения на обмотке
с плавающим потенциалом и противоЭДС в ней
При разомкнутых переключателях Ан и AL ток через обмотку А не проте-
кает. Таким образом на ее активной (Я?А) и реактивной (Z.A) составляющих

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
333
падения напряжения не происходит. Тем не менее напряжение на обмотке
регистрируется и зависит от величины противоЭДС.
UA-U0=BEMFA
Представим эту зависимость так, чтобы получить формулу расчета Uo.
U0=UA-BEMFA
12.3.4. Вычисление противоЭДС и напряжения
в виртуальной точке
Мы получили систему из трех уравнений. Два из них позволяют вычислить
напряжение в точке О, а третье — в точке Р.
U = ив + ис
U0=UA-BEMFA
иА + ив + ис
иР- з
Сведя воедино две первые зависимости, можно получить следующую фор-
мулу расчета противоЭДС в обмотке с плавающим потенциалом.
Сопоставив ее с третьим выражением системы уравнений, получим конеч-
ный результат.
Полученная формула указывает на то, что нулевое значение противоЭДС
обмотка приобретает в момент, когда Up — UA — 0. Подобным образом про-
тивоЭДС обмотки В, отключенной от питания, будет нулевым тогда, когда
Up- UB = 0. Нулевая противоЭДС незаписанной обмотки С будет регистри-
роваться при Up— Uc = 0. Таким образом, для определения момента пере-
хода противоЭДС в обмотках вентильного двигателя через нулевой уровень
контроллеру достаточно определять напряжения Up, UA, UBn Uc.

334
Часть III. Электродвигатели в действии
12,4* Конструирование платы
Подобно Arduino Mega и Arduino Motor Shield, плата ESC Shield создава-
лась с использованием программы проектирования схем EAGLE. Конструи-
рование платы проводится в два этапа: сначала разрабатывается электриче-
ская схема, а затем выполняется монтаж всех компонентов, представленных
на электрической схеме, на печатной плате.
В этом разделе мы поговорим об особенностях конструирования платы
ESC Shield, спроектированной с помощью программы EAGLE. Ваша основ-
ная задача — научиться распознавать электронные компоненты платы и из-
учить способы их подключения. Вместо того чтобы объединить все элементы
в общую сложную схему, было принято решение скомпоновать плату в виде
нескольких подсистем. Плата ESC Shield состоит из трех структурных частей:
■ контактные колодки;
■ МОП-транзисторы и их драйверы;
■ схема определения перехода противоЭДС через нулевой уровень.
В этом разделе рассказано об устройстве каждой подсистемы платы. Если
у вас установлена программа EAGLE, то схему платы ESC Shield можно прос-
мотреть, загрузив ее файл на сайте http: //www. mot or s forma kers. com. Зай-
дите в папку Chl2 и откройте файл escjshield.sch.
12 А. 1. Монтаж выводных колодок
Одно из неоспоримых преимуществ платформы Arduino проявляется при
подключении к ней плат расширения (шилдов). Расположения выводов на
платах расширения полностью совпадают с конфигурацией контактных ко-
лодок Arduino, что позволяет монтировать шилды непосредственно поверх
платы микроконтроллера.
Чтобы понять, как выглядит такое подключение, прочитайте главу 9 и
сравните выводные колодки плат Arduino Mega и Arduino Motor Shield. У по-
следней четыре контактные колодки: одна — 10-выводная, две — 8-вывод-
ные и еще одна — 6-выводная. Они располагаются в стандартных для боль-
шинства шилдов Arduino местах. В частности, положение выводных колодок
Arduino Proto Shield и Arduino LCD Shield полностью совпадает и повторяет
принятую в Arduino Motor Shield схему.
Плата ESC Shield ожидаемо поддерживает общепринятую конфигурацию
выводных колодок Arduino. Кроме того, на ней смонтированы две дополни-
тельные колодки, к одной из которых подключается вентильный двигатель,

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
335
а ко второй — отдельный источник питания. На рис. 12.12 выводная колодка
подключения вентильного двигателя обозначена как J5, колодка для разъема
источника питания — J6, а колодки, с помощью которых ESC Shield монти-
руется поверх Arduino Mega, маркируются как Л — J4.
+AREF
+D_GND
+CTRL_AH
+CTRL_AL
+CTRL_BH
+CTRL_BL
+CTRL_CH
+CTRL CL
J2
8O
Общий
++12B
+MTR PWR
+MTR_VA
+MTR VB
+MTR~VC
+НЁ А
+HE В
+HEC
++3,3~B
Общий
Общий
Рис. 12.12. Выводы колодок, смонтированных на плате ESC Shield
Для каждой колодки указываются сигналы, принимаемые или подаваемые
через ее выводы. Описание основных управляющих сигналов, обрабатывае-
мых контроллером платы ESC Shield, приведено в табл. 12.3.
Таблица 12.3. Управляющие сигналы платы ESC Shield
Сигнал
Описание
CTRLAH Управляющий сигнал для драйвера верхнего уровня обмотки А
CTRL_AL Управляющий сигнал для драйвера нижнего уровня обмотки А
CTRL_BH Управляющий сигнал для драйвера верхнего уровня обмотки В
CTRLJ3L Управляющий сигнал для драйвера нижнего уровня обмотки В
CTRL_CH Управляющий сигнал для драйвера верхнего уровня обмотки С
CTRLCL Управляющий сигнал для драйвера нижнего уровня обмотки С
zc_A Сигнал проверки перехода через нулевой уровень для обмотки А
zc в Сигнал проверки перехода через нулевой уровень для обмотки В

336
Часть III. Электродвигатели в действии
Окончание табл. 123
Сигнал
Описание
ZCC Сигнал проверки перехода через нулевой уровень для обмотки С
Z С_Р Напряжение на виртуальной нейтральной точке
НЕ_А Сигнал с датчика положения (на эффекте Холла) для обмотки А
НЕ_В Сигнал с датчика положения (на эффекте Холла) для обмотки В
НЕС Сигнал с датчика положения (на эффекте Холла) для обмотки С
В следующих подразделах показано, как электронные устройства платы
обмениваются управляющими сигналами, перечисленными в табл. 12.3.
12.4.2. МОП-транзисторы и их драйверы
Для управления питанием вентильного двигателя в плате ESC Shield ис-
пользуются МОП-транзисторы, а подача питания на них самих требует при-
менения специальных драйверов. В частности, питание каждой обмотки вен-
тильного двигателя обеспечивается двумя МОП-транзисторами, которые
вместе управляются одним драйвером. Таким образом, на плате ESC Shield
имеются шесть МОП-транзисторов и три драйвера. Электрическая схема их
подсистемы показана на рис. 12.13.
MTR PWR
+CTRL_AH
+CTRL_AL
IRFR7W6-DPAK
+MTR_VA
IRFR7W6-DPAK
Общий
Общий
Рис. 12.13. Принципиальная электрическая схема подсистемы управления
МОП-транзисторами и питанием двигателя

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
337
На представленной схеме символом С1 обозначается накопительный кон-
денсатор, повышающий напряжение на выводе VB. Как рассказывалось ра-
нее, его емкость равна 4,7 мкФ.
Между затвором и истоком каждого МОП-транзистора подключен резис-
тор (соответственно R2 и R4) с сопротивлением 10 кОм. Его задача — подтя-
гивать сигнал на затворе к общему проводу, что необходимо для предотвраще-
ния случайного срабатывания МОП-транзистора вследствие непредвиденных
внешних воздействий, например накопления статического заряда.
Последовательно с затвором каждого МОП-транзистора также добавлен
резистор с сопротивлением 4,7 Ом. Он очень незначительно влияет (-0,8%)
на скорость переключения питания обмоток, но позволяет заметно убрать
переходные процессы, искажающие полезный сигнал.
12.4.3• Распознавание перехода через нулевой уровень
В приведенных выше рассуждениях показано, что определение перехода
противоЭДС в обмотке через нулевую отметку выполняется по разнице на-
пряжений на самой обмотке и на виртуальной нейтральной точке. Эта задача
решается с помощью электрической схемы, показанной на рис. 12.14.
R19
i WW-
II) кОм
R20
♦ZC.P-
ЮкОм
R21
I VWV-
ЮкОм
+ZC_C
R16+
+ZC_B +ZC_A
|1кОм+
+C4
R17+
T" <. T"
+100пФ
1кОм+
+C5
R18+
R13
—V\M, +MTR_VA
WkOm
R14
VWV +MTR_VB
ЮкОм
R15
+MTR_VC
ЮкОм
100 пФ
Общий
Рис. 12.14. Принципиальная электрическая схема устройства, применяемого
для определения перехода напряжения противоЭДС через нулевую отметку
Аналоговые входы Arduino рассчитаны на считывание сигналов, напряже-
ние которых не превышает 5 В. Напряжение питания электродвигателя на-
много больше этого значения, поэтому для считывания напряжения на его
обмотках применяется делитель напряжения. Для уменьшения помех, иска-
жающих полезный сигнал, параллельно каждой обмотке подключается кон-
денсатор.

338
Часть III. Электродвигатели в действии
12*5. Топология печатной платы
После разработки электрической схемы можно приступать к конструи-
рованию печатной платы регулятора хода. Чтобы обеспечить монтаж поверх
Arduino, наша плата должна иметь размер 53,5x68,5 мм и оснащаться четырь-
мя стандартными выводными колодками (J1-J4), располагающимися вдоль
ее длинных сторон. Выводная колодка J5, с которой на электродвигатель
подается питание, смонтирована вдоль одной из коротких сторон платы. Как
раз напротив нее располагается выводная колодка питания самого регуля-
тора хода.
Компактный размер платы не позволяет смонтировать на одной стороне и
МОП-транзисторы, и электронные компоненты их драйверов. Мне пришлось
расположить МОП-транзисторы на лицевой стороне ESC Shield, а на обрат-
ной — собрать их драйверы. Лицевая сторона платы изображена на рис. 12.15.
В правой нижней части располагаются резисторы, участвующие в схеме
определения напряжения в виртуальной нейтральной точке. Напряжение,
Г '■)
;;;■;£.
t, ф ^ ,»..
Рис. 12.15. Топология лицевой стороны платы ESC Shield

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
339
измеренное в этой точке, а также значения напряжений, падающих на обмот-
ках, передаются микроконтроллеру через четыре аналоговых входа.
Обратная сторона платы ESC Shield показана на рис. 12.16. На ней собра-
ны три драйвера, отвечающие за усиление сигнала, подаваемого на затворы
МОП-транзисторов.
)/
i 1
\ f /
:■ / /
/ /
j |
Рис. 12.16. Топология тыльной стороны платы ESC Shield
Дорожки платы имеют разную ширину. По широким дорожкам пропуска-
ются токи большей силы. Таким образом, самые широкие дорожки те, по ко-
торым подается питание на электродвигатель, а наиболее узкие расчитаны на
передачу аналоговых сигналов.
12*6. Управление вентильным двигателем
На данный момент вы должны обладать полным пониманием принципов
устройства и функционирования платы ESC Shield. В этом разделе вы узнае-
те, как с ее помощью организуется питание вентильного двигателя. В первой

340
Часть III. Электродвигатели в действии
части раздела приведены общие сведения о работе вентильного двигателя, а
во второй рассмотрен частный случай — использование для управления им
программы, запускаемой на Arduino.
12.6.1. Организация питания вентильного двигателя
Обеспечение работоспособности вентильных двигателей, в отличие от
коллекторных, требует тщательной предварительной настройки. Для бездат-
чиковых вентильных двигателей процесс настройки заключается в последо-
вательном выполнении следующих операций:
1) точное позиционирование ротора в заведомо известном начальном
положении;
2) медленный поворот ротора сначала по часовой, а затем против часо-
вой стрелки;
3) ускорение ротора для увеличения напряжения в виртуальной нейтраль-
ной точке до измеряемого уровня;
4) измерение интервала между событиями перехода противоЭДС в об-
мотке с плавающим потенциалом через нулевую отметку
На первом этапе контроллер подает питание сразу на все три обмотки
двигателя. Согласно схеме управления питанием, показанной на рис. 12.17,
начальный ток проходит через верхний переключатель обмотки А и нижние
переключатели обмоток В и С.
VMOT
Рис. 12.17. Электрическая схема управления питанием при установке начального
положения ротора

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
341
Если подать слишком большой начальный ток, то ротор сначала прокру-
тится на определенный угол, а затем будет колебаться относительно началь-
ного положения. Чтобы избежать подобной ситуации, контроллер сначала
подает на обмотки сигнал с низким коэффициентом заполнения, который
в дальнейшем плавно увеличивается до надежной фиксации ротора в началь-
ном положении.
Второй этап заключается в достаточно быстром вращении ротора, что
позволяет определить переход противоЭДС через нулевой уровень, описан-
ный выше. Для выполнения этой задачи контроллер подает ток на каждую
из обмоток с заметным смещением, как изображено на рис. 12.18. Детально
указанный порядок подачи питания на обмотки вентильного двигателя был
рассмотрен в главе 3.
2t
t
CTRL_AH
CTRLAL
CTRLBH
CTRLBL
CTRL.CH
CTRL CL
1 оборот = 6t
Рис. 12.18. Последовательность подачи питания на обмотки
вентильного двигателя
Согласно представленным графикам каждый переключатель находится в
замкнутом состоянии в течение временного интервала, равного It. При этом
плавающий потенциал на каждой из обмоток сохраняется на протяжении ин-
тервала, равного /. Период полного оборота ротора составляет 6t, а частота
вращения (сокон) определяется по следующим формулам.

342
Часть III. Электродвигатели в действии
Например, если ставится цель заставить ротор вращаться с частотой
400 об/мин, то временной интервал t составит 0,025 с. В любом случае перед
установкой конечного временного интервала контроллеру нужно сначала
"разогнать" двигатель до определенной частоты и только после этого умень-
шить или увеличить значение t.
Как известно, частота вращения вала двигателя определяется контролле-
ром по напряжению в виртуальной нейтральной точке. Сравнивая его с на-
пряжением на каждой обмотке, можно определить интервал между перехо-
дами противоЭДС через нулевой уровень, а потому и частоту вращения вала.
12.6.2. Управление вентильным двигателем из Arduino
Микроконтроллер с 8-разрядной шиной, на котором построена плата Ar-
duino Mega, обладает вычислительной мощностью, достаточной для управ-
ления питанием бездатчикового вентильного двигателя согласно методике,
рассмотренной в этой главе. Подробно с принципами программирования
платы Arduino Mega можно ознакомиться в главе 9. В Arduino Mega ШИМ-
сигнал допускается выводить только через выводы 2-13. Для управления
электронным регулятором хода ESC Shield необходимо получить доступ к
шести из этих выводов.
Кроме того, для регистрации перехода противоЭДС через нулевую отмет-
ку задействуются аналоговые входы АО-АЗ. Список выводов Arduino и соот-
ветствующих им сигналов платы ESC Shield приведен в табл. 12.4.
Таблица 12.4. Выводы Arduino, предназначенные для обмена
управляющими сигналами с регулятором хода ESC Shield
Вывод Arduino Сигнал в ESC Shield Описание
13 СТ RLAH Управляющий сигнал для драйвера
верхнего уровня обмотки А
12 CTRLAL Управляющий сигнал для драйвера
нижнего уровня обмотки А
11 CTRL_BH Управляющий сигнал для драйвера
верхнего уровня обмотки В

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
343
Окончание табл. 12А
Вывод Arduino Сигнал в ESC Shield Описание
IU
9
8
АО
А1
А2
A3
CTRL_BL
CTRL_CH
CTRL_CL
ZC_A
ZC_B
ZC_C
ZC P
Управляющий сигнал для драйвера
нижнего уровня обмотки В
Управляющий сигнал для драйвера
верхнего уровня обмотки С
Управляющий сигнал для драйвера
нижнего уровня обмотки С
Сигнал проверки перехода через
нулевой уровень для обмотки А
Сигнал проверки перехода через
нулевой уровень для обмотки В
Сигнал проверки перехода через
нулевой уровень для обмотки С
Напряжение на виртуальной
нейтральной точке
В самом начале процедуры управления вентильным двигателем нужно
добиться поворота ротора в заведомо известное положение. Чтобы обес-
печить выполнение этой задачи, контроллер постепенно увеличивает мощ-
ность сигнала, подаваемого на верхний драйвер обмотки A (CTRL_AH) и
нижние драйверы обмоток В (CTRL JBL) и С (CTRL_CL). В коде программы эта
задача выполняется с помощью функции analogWrite ().
Как только начальное положение ротора будет выставлено, питание на об-
мотки вентильного двигателя начинает подаваться в номинальном режиме.
Для каждой из них поочередно выполняется такая последовательность дей-
ствий (на примере обмотки А): сначала замыкается верхний переключатель
при одновременном размыкании нижнего переключателя, затем замыкается
нижний переключатель и размыкается верхний, после чего размыкаются сра-
зу оба переключателя и цикл повторяется. На обмотки В и С сигналы подают-
ся в такой же последовательности, но с заметным смещением один относи-
тельно другого.
В рабочем состоянии двигателя контроллер занимается постоянным мо-
ниторингом напряжения в виртуальной нейтральной точке. Сравнивая его
с напряжением на каждой из обмоток, программой вычисляются моменты
времени, в которых обратные ЭДС обмоток с плавающим потенциалом пере-

344
Часть III. Электродвигатели в действии
ходят нулевой уровень. Частота подачи импульсов питания на обмотки согла-
суется с временнб/ми интервалами между этими событиями.
Программа управления питанием бездатчикового вентильного двигателя
из Arduino приведена в листинге 12.1. Перед тем как ее выполнить, удосто-
верьтесь, что регулятор хода ESC Shield закреплен на Arduino Mega, к нему
подключен вентильный двигатель и подано питание от внешнего источника.
Листинг 12.1. Управление вентильным двигателем (Chl2/bldc. ino)
/* Скетч управления вентильным двигателем, обеспечивающий подачу
управляющих сигналов на шесть переключателей регулятора хода
ESC Shield, описанного в главе 12 */
// Назначение имен выводам
int i, t, va, vp;
int old_time, zc__interval;
int ctrl_ah = 13;
int ctrl_al = 12;
int ctrl_bh =11;
int ctrl_bl =10;
int ctrl_ch = 9;
int ctrl__cl = 8;
int zc_a = 0;
int zc_b = 1;
int zc_c = 2;
int zc_p = 3;
int time_goal = 50;
void setup() {
// Установка ротора в известное начальное положение
for (i=0; i<255; i+=5){
analogWrite(ctrl_ah, i);
analogWrite(ctrl_bl, i);
analogWrite(ctrl_cl, i);
delay(60);
// Установка начального временного интервала
old_time = millis ();
// Медленное начальное вращение ротора
for (t=500; t>200; t-=50) {
rotate(t);

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
345
t = 200;
void loop() {
// Регистрация перехода через нулевой уровень
vp = analogRead(zc_p);
va = analogRead(zc_a);
if((vp - va < 10) || (va - vp < 10)) {
zc_interval = millisO - old_time;
old__time = millisf);
if(zc_interval - time_goal > 50) {
t -= 25;
}
else if(time_goal - zc_interval > 50) {
t += 25;
// Номинальное вращение ротора
rotate(t);
// Вращение ротора с частотой, определяемой периодом t
void rotate(int t) {
digitalWrite(ctrl_ah, HIGH);
LOW) ;
LOW) ;
HIGH);
LOW) ;
LOW) ;
digitalWrite(ctrl_al,
digitalWrite(ctrl_bh,
digitalWrite(ctrl_bl,
digitalWrite(ctrl_ch,
digitalWrite(ctrl_cl,
delay(t);
digitalWrite(ctrl^ah, HIGH);
digitalWrite(ctrl^al, LOW);
digitalWrite(ctrl_bh, LOW);
digitalWrite (ctr^bl, LOW) ;
digitalWrite(ctrl_ch, LOW);
digitalWrite(ctrl_cl, HIGH);
delay(t);
digitalWrite(ctrl_ah, LOW);
digitalWrite(ctrl^al, LOW);
digitalWrite(ctrl_bh, HIGH);

346
Часть III. Электродвигатели в действии
digitalWrite(ctrl_bl, LOW);
digitalWrite(ctrl_ch, LOW);
digitalWrite(ctrl_cl, HIGH);
delay(t);
digitalWrite(ctrl_ah, LOW);
digitalWrite(ctrl_al, HIGH);
digitalWrite(ctrl_bh, HIGH);
digitalWrite(ctrl_bl, LOW) ;
digitalWrite(ctrl_ch, LOW);
digitalWrite(ctrl_cl, LOW);
delay(t);
digitalWrite(ctrl_ah, LOW);
digitalWrite(ctrl_al, HIGH);
digitalWrite(ctrl_bh, LOW);
digitalWrite(ctrl_bl, LOW);
digitalWrite(ctrl_ch, HIGH);
digitalWrite(ctrl_cl, LOW);
delay(t);
digitalWrite(ctrl_ah, LOW);
digitalWrite(ctrl_al, LOW);
digitalWrite(ctrl_bh, LOW);
digitalWrite(ctrl_bl, HIGH);
digitalWrite(ctrl_ch, HIGH);
digitalWrite(ctrl_cl, LOW);
delay(t); .
В функции setup () выполняются операции первых двух этапов управ-
ления вентильным двигателем. В частности, в ней задается начальное поло-
жение ротора, для чего постепенно увеличивается коэффициент заполнения
ШИМ-сигналов CTRL_AH, CTRL_BL и CTRLCL регулятора хода. Далее в ней
вызывается функция rotate (), обеспечивающая номинальное вращение
вала вентильного двигателя согласно графикам, приведенным на рис. 12.18.
В функции loop () циклически измеряются напряжения в виртуальной
нейтральной точке (vp) и на обмотке A (va). Как только эти значения стано-
вятся одинаковыми, программой регистрируется переход противоЭДС через
нулевой уровень. Если частота вращения вала в этот момент меньше требуе-
мой, то временной интервал t уменьшается. Если же ротор вращается быст-
рее, чем требуется, то значение переменной t увеличивается.

Глава 12. Электронный регулятор хода на базе Arduino
347
У скетча есть один существенный недостаток. Определение перехода че-
рез нулевой уровень нужно выполнять в потоке, отличном от того, в котором
формируются импульсы питания для вентильного двигателя. К сожалению,
Arduino не умеет одновременно управлять несколькими вычислительными
потоками, что делает ее малоприменимой для управления вентильными дви-
гателями. Как бы там ни было, методика создания регулятора хода, описан-
ная в данной главе, применима при его подключении к более совершенному
контроллеру.
12*7* Резюме
Изучая разницу между коллекторными и вентильными двигателями по-
стоянного тока, я искренне удивлялся тому, что в большинстве любительских
проектов используются электродвигатели старого типа, оснащенные массив-
ными механическими коммутаторами. После изучения материала главы ста-
новится очевидным, почему коллекторные двигатели остаются популярными
даже в XXI веке. Несмотря на все преимущества вентильные двигатели слож-
ны в управлении и требуют специального оборудования, обеспечивающего
их трехфазным импульсным питанием.
Большая часть главы посвящена устройствам подачи питания на обмотки
вентильного двигателя. В создаваемом "с нуля" регуляторе хода ESC Shield
в качестве переключателей применяются МОП-транзисторы. Для их замыка-
ния на затвор нужно подать напряжение, превышающее напряжение на исто-
ке. Кроме того, нужно обеспечить высокую скорость накопления и стекания
заряда с затвора, что решается за счет увеличения силы тока через него. Для
подачи на затвор напряжения и тока достаточной величины в схему управле-
ния МОП-транзистором включается специальный усилитель тока, называе-
мый драйвером.
Для повышения КПД вентильного двигателя частоту подачи питания на
обмотки нужно синхронизировать с частотой вращения ротора. Большин-
ство вентильных двигателей не оснащается датчиками, поэтому положение
ротора в них определяется по переходу противоЭДС обмотки с плавающим
потенциалом через нулевой уровень. В главе приведена методика проведения
всех необходимых вычислений.
В конце главы описаны электрические схемы всех основных подсистем
регулятора хода, а также рассмотрена топология расположения электронных
компонентов на печатной плате.

13
Конструирование
квадрокоптера
Одно из важнейших предназначений электродвигателей в сов-
ременном моделировании — это вращение пропеллеров квадро-
коптера. Беспилотные летательные аппараты, к которым относятся
и квадрокоптеры, приобрели необычайную популярность, пройдя
эволюционный путь от игрушки, с которой интересно коротать
досуг, до отдельного вида транспортного средства, выполняющего
серьезные задачи во многих отраслях экономики. Квадрокоптеры
активно используются для проведения фото- и видеосъемки, до-
ставки товаров, картографирования, геологоразведки и даже для
мониторинга телекоммуникационной инфраструктуры. Но у квад-
рокоптеров есть и свои противники, утверждающие, что чрезмер-
ное их распространение приведет к вмешательству в личную жизнь
каждого из нас.
Независимо от стороны, принимаемой в актуальной дискуссии,
конструирование квадрокоптера, да еще и собственными руками,
вызывает неподдельный интерес у всех без исключения моделис-
тов. К сожалению, знаний одной только электротехники недоста-
точно для реализации столь амбициозного проекта. Вам придется
самым серьезным образом изучить основы аэродинамики и маши-
ностроения.

350
Часть III. Электродвигатели в действии
У меня нет диплома ни в одной из указанных выше специальностей, но
мне удалось создать прекрасно функционирующий квадрокоптер. В этой гла-
ве я познакомлю вас с важными решениями, которые мне пришлось прини-
мать при конструировании собственного квадрокоптера. Процесс разработки
и сборки летательного аппарата легче всего изучать, разбив его на несколь-
ко простых этапов. Не стоит ожидать, что мой квадрокоптер побьет хотя бы
один из существующих рекордов, но он такой же устойчивый в полете, как и
фабричные модели такого же класса при несоизмеримо меньшей стоимости.
В этой главе описаны все основные структурные составляющие квадро-
коптера, начиная с рамы и заканчивая пропеллерами и двигателями. Выби-
рая их для собственного проекта, нужно знать, какими критериями лучше
всего пользоваться при оценке функциональных возможностей будущего
квадрокоптера. В частности, вы узнаете о том, как диаметр, шаг винта и час-
тота вращения влияют на подъемную силу пропеллера, а также на общую
устойчивость многовинтового летательного аппарата.
При описании устройства квадрокоптера особое внимание уделено обору-
дованию, используемому для управления и питания всех его систем. С точки
зрения электронного оснащения квадрокоптер состоит из четырех отдельных
устройств: приемника сигнала, полетного контроллера, электронного регу-
лятора хода и аккумулятора. В следующих разделах вы ознакомитесь с их ра-
бочими характеристиками и научитесь правильно подключать электронные
устройства квадрокоптера. Вы также узнаете, какими соображениями я руко-
водствовался при выборе основных компонентов квадрокоптера.
13.1. Рама
К раме крепится все без исключения оборудование квадрокоптера: элек-
тронные устройства, двигатели с пропеллерами и подвесы с полезной нагруз-
кой. Кроме того, рамагопределяет общую форму летательного аппарата, а так-
же взаимное расположение основных компонентов системы. Как правило,
она оснащается шасси или другим посадочным приспособлением, обеспе-
чивающим приземление квадрокоптера без ущерба для всех его подсистем.
Именно поэтому от выбора рамы зависят общая надежность и срок службы
квадрокоптера.
Первое, на что нужно обращать внимание, — это материал, из которого
изготовлена рама. Моделистам предлагаются четыре современных материала.
■ Алюминий. Не гасит вибрацию, деформируется при ударах, дорогой в
производстве.

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
351
■ Углепластик (карбон). Легкий, прочный, гасит вибрацию, дорогой в
производстве.
■ Пластик. Тяжелый (зависит от типа), гасит вибрацию, дешевый в про-
изводстве.
■ Дерево. Гасит вибрацию, ломкий, подвержен деформации, дешевый в
производстве.
Углепластиковые (карбоновые) рамы применяются в профессиональной
технике и в аппаратах, подверженных большим нагрузкам. Рама из углепла-
стика обладает высокой прочностью и низким весом, хотя при определенных
условиях может гасить радиосигналы.
У рам из углепластика всего один существенный недостаток: цена. Стои-
мость одной такой рамы может варьироваться от нескольких тысяч до десят-
ков тысяч долларов. Поэтому в бюджетных и тестовых моделях лучше всего
использовать пластиковые рамы. Они не обладают прочностью и легкостью
углепластиковых рам, но достаточно надежные и легко заменяются при серь-
езных ударах о землю, вызванных падением квадрокоптера.
Для проекта квадрокоптера, описанного в этой главе, мною выбрана плас-
тиковая рама Flip Sport (рис. 13.1), приобретенная в магазине hover things.
com. Она обладает повышенной прочностью благодаря усилению основного
материала стеклопластиковым волокном. В процессе отладки и тестирования
квадрокоптера она "пережила" огромное количество падений без заметных
повреждений.
Рис. 13.1. Усиленная рама Flip Sport
Рама собирается очень просто, способна выдержать значительные нагруз-
ки и обладает следующими физическими характеристиками:

352
Часть III. Электродвигатели в действии
■ вес — 200 г, или 0,44 фунтов;
■ расстояние между валами двигателей, закрепленных на противополож-
ных лучах, — 385 мм, или 15,158 дюймов;
■ стоимость — около 90 долларов (http: / /www. get f pv. com).
Размер рамы определяет максимальный диаметр пропеллеров, устанавли-
ваемых на валы двигателей квадрокоптера. Опытные конструкторы летатель-
ных аппаратов рекомендуют использовать вместе с рамой Flip Sport пропел-
леры диаметром 8—10 дюймов. Подробно они описаны в следующем разделе.
13.2. Пропеллеры
После приобретения рамы можно переходить к выбору пропеллеров ква-
дрокоптера. У них всего три основные характеристики:
■ диаметр;
■ шаг винта;
■ материал.
Чаще всего пропеллеры изготавливают из пластика, нейлона или углепла-
стика (карбона). Традиционно углепластиковые пропеллеры самые дорогие,
но обладают наилучшими техническими характеристиками, поэтому в даль-
нейших рассуждениях мы будем ориентироваться исключительно на них.
Первые два параметра подобрать намного сложнее. На рынке представле-
но огромное количество пропеллеров самых разных размеров и форм. Чтобы
выбрать необходимый вариант, нужно точно знать, как диаметр и шаг винта
влияют на летные характеристики квадрокоптера. Чтобы понять это, в пер-
вой половине главы приводится математическое описание кругового движе-
ния пропеллера на валу двигателя.
13.2.1. Динамика вращения пропеллера
Задача пропеллера заключается в создании силы, удерживающей летатель-
ный аппарат в воздухе. В вертолетах и квадрокоптерах она обычно называется
подъемной силой или тягой. Наша задача состоит в выборе такого пропелле-
ра, который обеспечивает подъемную силу, достаточную для отрыва квадро-
коптера от земли при минимальной мощности его двигателей.
С другой стороны, пропеллеры различаются только тремя техническими
характеристиками: диаметром, шагом винта и частотой вращения. Таким
образом, нам нужно ответить на вопрос "Как подъемная сила пропеллера

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
353
зависит от его диаметра, шага винта и частоты вращения вала двигателя, на
котором он закреплен?"
Поискав в Интернете, вы найдете огромное количество ответов на данный
вопрос. Чаще всего зависимость между указанными техническими характе-
ристиками описывается следующей формулой:
Здесь/? — шаг винта в футах, d — диаметр в футах, а со — частота вращения,
выраженная в оборотах в минуту. Формула позволяет вычислить мощность
пропеллера (Р) в ваттах.
Происхождение этой формулы пришлось искать намного дольше, чем
ее саму. Впервые она встречается в книге "Electric Motor Handbook" (Robert
J. Boucher). К сожалению, после внимательного изучения мне так и не уда-
лось найти объяснение, каким же образом данная формула выведена.
Как по мне, то лучше всего тема динамики вращения пропеллера раскры-
та на сайте http: //www.electricrcaircraftguy.com, содержащем блог из-
вестного специалиста из аэрокосмической отрасли Гилберта Стейплза. Ниже
приведена информация, почерпнутая из указанного блога, но в несколько
другом изложении.
Проталкивание воздуха вниз
В известном пособии по управлению самолетами с жестким крылом "Stick
and Rudder" (Руль и штурвал) ее автор Вольфганг Лангевиш обобщает тео-
рию аэродинамики полета следующей исторической фразой: "Самолет летит
благодаря проталкиванию воздуха вниз". Это утверждение справедливо и по
отношению к квадрокоптерам. Если тяга, которую создают пропеллеры ква-
дрокоптера, проталкивая воздух вниз, превышает силу притяжения леталь-
ного аппарата к земле, то он поднимается вверх.
Движение воздуха, на который пропеллер не воздействует непосредствен-
но, формирует невозмущенный поток. Этот поток обтекает винт стороной и
обладает скоростью Vq.
Воздух, проталкиваемый пропеллером вниз, образует скошенный (вниз) по-
ток. Его скорость (ve) называется скоростью на выходе. На рис. 13.2 схемати-
чески показано, как направлены потоки обоих типов.
Невозмущенный поток не преобразуется в скошенный поток мгновенно —
на изменение скорости перемещения воздуха с v0 на ve уходит определенное
время. Изменение скорости за единицу времени называется ускорением.

354
Часть III. Электродвигатели в действии
Невозмущенный (не попавший
под воздействие лопастей) поток
i
Скошенный поток И Скошенный поток
Рис. 13.2. Невозмущенный и скошенный потоки
Произведение ускорения на массу воздуха (т) в скошенном потоке равняет-
ся силе давления воздуха вниз.
F = m\ ——-
Математики любят представлять силу как скорость изменения массы за
единицу времени, потому преобразуют приведенное выше уравнение к сле-
дующему виду:
,., din / \ . / \
F = -^{ve-v0) = m{ve-v0)
Согласно последней формуле скорость воздуха над и под пропеллером
остается постоянной, но его масса при прохождении через пропеллер изме-
няется. В аэродинамике изменение массы потока во времени называется мас-
совым расходом воздуха и представляется символом гп.
Массовый расход воздуха в потоке
Массовый расход воздуха нельзя определить напрямую, но его всегда мож-
но выразить через величины, которые поддаются измерению. Масса воздуха
рассчитывается как произведение его плотности (кг/м3) и объема (м3). Пред-
ставив плотность символом р, а объем — символом К, массу воздуха можно
вычислить по следующей формуле:

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
355
Теперь давайте рассмотрим цилиндрическую область, расположенную в
точности над пропеллером, как показано на рис. 13.3. Основание цилиндра
совпадает с кругом, описываемым пропеллером при вращении. Объем такого
цилиндра вычисляется как его высота А, умноженная на площадь круга (тгг2).
Объем цилиндра = nr2h
I __
Рис. 13.3. Цилиндрическая область, вмещающая воздух
над пропеллером
Масса воздуха в таком цилиндре представляется следующим выражением:
т
= pnr h
Предположим, что весь воздух, содержащийся в цилиндре указанного объ-
ема, проходит через пропеллер за время /. Таким образом, изменение массы
воздуха за единицу времени рассчитывается по такой формуле:
ема
Изменение массы = pnr2 -
Как видно, изменение массы воздуха пропорционально скорости умень-
шения высоты цилиндра, которая, в свою очередь, равна скорости скошен-
ного потока, ve. Исходя из этого изменение массы воздуха в обозначенном
цилиндре, приравниваемое к массовому расходу воздуха, рассчитывается
следующим образом:
т = pnr v

356
Часть III. Электродвигатели в действии
Подставив последнюю формулу в выражение вычисления силы, получаем
такую зависимость:
Длина пропеллера равна его диаметру d, который, как правило, указывает-
ся в дюймах. Для преобразования линейной размерности в метрические еди-
ницы измерения значение, выраженное в дюймах, нужно умножить на коэф-
фициент 0,0254 м/дюйм. После сведения к единой системе измерений наша
формула приобретает следующий вид:
т ^I7|(',i -v») -
Плотность воздуха на уровне моря при температуре 15°С в модели между-
народной стандартной атмосферы (International Standard Atmosphere — ISA)
определена равной 1,225 кг/м3. Подставив это значение в предыдущее равен-
ство, получаем конечную формулу для вычисления силы давления воздуха:
Шаг винта
Взяв два самореза разных типов и попробовав закрутить их в деревянный
брус, вы увидите, что скорость их вкручивания разная. Длина, на которую
саморез погружается в дерево за полный оборот, называется шагом или ходом
винта. Если в характеристиках самореза указан шаг в четверть дюйма, то^то
значит, что за каждый оборот саморез погружается в материал на одну четвер-
тую дюйма.
Шаг винта пропеллера определяется подобным образом. Теоретически
шаг винта определяет, насколько высоко поднимается пропеллер при каждом
полном обороте. Обратите внимание на то, что движение пропеллера проис-
ходит в направлении, перпендикулярном его вращению. Выразив пройден-
ное пропеллером расстояние символом х, шаг винта можно вычислить следу-
ющей простой формулой:
ТТТяг - Х
оборот
Чтобы выразить шаг винта через уравнение расчета подъемной силы, по-
лученное в предыдущем разделе, нужно представить скорость скошенного

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
357
потока как изменение величины х за единицу времени. В результате простых
преобразований скорость скошенного потока ve можно выразить через шаг
винта следующим образом:
dx ^/(шаг-оборот) ^(оборот)
vp = — = —* - = шаг • —^ '- = шаг • со
е dt dt dt
В этом выражении символ со представляет угловую скорость вращения
пропеллера. По странному стечению обстоятельств она выражается в оборо-
тах в минуту, а шаг винта указывается в дюймах. Для приведения формулы
к метрической системе измерений (линейная скорость выражается в метрах
в секунду) нужно ввести в формулу коэффициент перерасчета. В метриче-
ском представлении последняя формула принимает такой вид (в ней шаг
винта обозначен символом/?):
(0,0254м\ (\мин\ (А „. 1Л_4\
ve=p-\ — Усол —— = 4,233-10 )рсо
е { дюйм ) [60с ) \ г
Подставив ее в выражение расчета силы, получим следующую громоздко
выглядящую зависимость:
F = (2,628-10-7)^2 Г(4,233.10-4)(/ку)2 -
Гилберт Стейплз настаивает на том, что уравнение, полученное описан-
ным выше способом, не позволяет точно рассчитать подъемную силу пропел-
лера. Более того, оно не указывает даже на порядок зависимости этой силы от
диаметра и шага винта.
Причина неточности расчетов кроется в неправильном определении рас-
стояния, на которое перемещается пропеллер за полный оборот. Другими
словами, предположение, что ve равно dx/dt, исходно неверно. Чтобы согла-
совать полученную формулу с данными, полученными экспериментально,
Гилберт Стейплз умножил конечное выражение на добавочный коэффици-
ент, в котором учитывается обратное шаговое отношение (р/d)- Конечный
результат представляется такой формулой:
Т
3,29546/jJ
Конечно, при создании квадрокоптера мы не будем рассчитывать подъ-
емную силу пропеллера, но проанализировать полученную формулу все же
стоит. Сделав это, можно прийти к таким важным выводам.

358
Часть III. Электродвигатели в действии
■ Из трех технических характеристик пропеллера (диаметр, шаг и частота
вращения) подъемная сила больше всего зависит от диаметра. Неболь-
шое изменение диаметра пропеллера вызывает значительное увеличе-
ние подъемной силы.
■ Наименьший вклад в подъемную силу вносит шаг винта. Диаметр и ча-
стота вращения пропеллера влияют на нее несопоставимо сильнее.
Сделанные только что выводы — основополагающие при выборе пропел-
леров для квадрокоптера. Тонкости этой операции рассмотрены в следую-
щем разделе.
13*2.2. Выбор пропеллеров
Как уже упоминалось, расстояние между валами двигателей, закреплен-
ными на противоположных лучах рамы Flip Sport, составляет 385 мм. При
этом расстояние между валами соседних двигателей равно 272,24 мм, или
10,72 дюйма. Модель рамы Flip Sport, на которой указаны расстояниями
между валами двигателей, изображена на рис. 13.4.
272,24 мм
(10,72 дюйма)
385 мм
(15,16 дюйма)
272,24 мм
(10,72 дюйма)
Рис. 13.4. Параметры, определяющие максимальный диаметр пропеллеров

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
359
Чтобы пропеллеры при вращении не соприкасались друг с другом, их ди-
аметр должен быть меньше 10,72 дюйма. Изучив все доступные для покупки
варианты, я решил использовать 10-дюймовые пропеллеры.
В поисках наилучшего варианта с диаметром 10 дюймов я ориентировался
на предложения с шагом винта от 4,5 до 4,7 дюйма. В конце концов я сделал
выбор в пользу углепластиковых пропеллеров Tarot RC Helicopters 10x4,5.
Их внешний вид показан на рис. 13.5.
Рис 13.5. Углепластиковые пропеллеры 10x4,5 от Tarot RC Helicopters
Рабочее направление вращения пропеллеров маркируется аббревиатурой
CW (Clockwise — по часовой стрелке) или CCW (Counterclockwise — против
часовой стрелки). Пропеллеры Tarot RC Helicopters 10x4,5 продаются попар-
но—в паре имеется пропеллер каждого из направлений вращения. Прикре-
пляя пропеллеры к валам двигателей, следите за тем, чтобы пропеллеры од-
ного направления вращения располагались на противоположных лучах рамы.
13.3 «Двигатели
Для квадрокоптера среднего размера пропеллеры типоразмера 10x4,5
слишком большие. Для придания им частоты вращения, достаточной для
подъема аппарата в воздух, двигатели квадрокоптера должны обладать зна-
чительным вращающим моментом. Из главы 3 известно, что двигатели с вы-
сокой частотой вращения обладают небольшим вращающим моментом, по-
этому в своем квадрокоптере я использовал силовые устройства с низким
значением коэффициента Kv.
Питание квадрокоптеров — автономное и обеспечивается аккумулятора-
ми, поэтому в проекте я ориентировался исключительно на двигатели посто-
янного тока. Коллекторные двигатели предельно просты в управлении, но
имеют небольшой КПД и короткий срок службы. Приняв во внимание все
упомянутые факторы, методом исключения я остановил свой выбор на вен-

360
Часть III. Электродвигатели в действии
тильных двигателях (постоянного тока). Подробно о преимуществах и недо-
статках коллекторных и вентильных двигателей рассказывается в главе 3.
При выборе двигателя особое внимание нужно обращать на диаметр его
вала. Пропеллер должен насаживаться на него предельно плотно, без замет-
ного люфта. У подобранных мною пропеллеров компании Tarot диаметр цен-
трального отверстия равен 5 мм, поэтому нам понадобится двигатель с валом
такого же или несколько меньшего (но незначительно) сечения.
Определившись с самыми важными критериями — типом двигателя, ко-
эффициентом Kv и диаметром вала, — я сузил круг доступных вариантов до
всего нескольких моделей. Окончательный выбор пал на двигатель MN3110
KV470 компании T-Motor (www.rctigermotor.com). Внешне он выглядит
так, как показано на рис. 13.6.
Рис. 13.6. Внешний вид двигателя MN3110 KV470 компании T-Motor
Как следует из названия, коэффициент Kv этого двигателя равен 470 — на-
именьшему значению среди всех моделей вентильных двигателей, доступных
на момент покупки. Его вал имеет диаметр 4 мм, что меньше диаметра цен-
трального отверстия пропеллеров Tarot RC Helicopters. Полный список тех-
нических характеристики вентильного двигателя MN3110 KV470 приведен
в табл. 13.1.

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
361
Таблица 13-1. Технические характеристики двигателя MN3110 KV470
компании T-Motor
Характеристика
Диаметр вала, мм
Вес, г
Ток холостого хода при 10 В, А
Максимальный ток, А
Конфигурация обмоток
Внутреннее сопротивление, мОм
Значение
470
4
80
0,3
15
12N14P
135
Электрические характеристики двигателя учитываются при выборе акку-
муляторов квадрокоптера. Эту задачу мы рассмотрим в следующем разделе,
который посвящен подбору и настройке электронного оборудования проекта.
13*4* Электронное оборудование
После приобретения электромеханических компонентов квадрокопте-
ра можно переходить к подбору электронного оборудования. Даже при са-
мой скромной комплектации любой квадрокоптер оснащается следующими
электронными подсистемами.
■ Передатчик/приемник. Обеспечивает прием управляющих команд, по-
ступающих от пульта управления.
■ Полетный контроллер. Подает управляющие сигналы на электронный
регулятор хода (ESC).
■ Аккумулятор. Записывает электронное оборудование квадрокоптера.
На рис. 13.7 показано, как происходит обмен данными между упомяну-
тыми подсистемами. Аккумулятор на схеме не показан, но он обеспечивает
питанием приемник, полетный контроллер и регуляторы хода.
Далее вы познакомитесь с рабочими характеристиками каждой из подси-
стем и узнаете о критериях, по которым выбираются показанные на схеме
устройства.
13*4.1. Передатчик/приемник
Квадрокоптеры управляются радиосигналами, поступающими с пульта
управления в руках оператора. За получение сигнала квадрокоптером отве-

362
Часть III. Электродвигатели в действии
чает приемник, а его отправка на стороне пульта управления осуществляет-
ся передатчиком. Пульты управления, содержащие передатчики, относятся
к дорогим и сложным устройствам, а приемники — к простым и дешевым.
Передатчик
Оператор
Квадрокоптер
Р
Приемник
Электронный
регулятор хода
W
Электронный
регулятор хода
\ у9
Контроллер
S N.
Электронный
регулятор хода
Электронный
регулятор хода
Рис. 13.7. Схема управления квадрокоптером
Выбирая приемник и особенно пульт управления квадрокоптером, нуж-
но понимать, что обмен данными между устройствами осуществляется через
специально выделенные каналы. В радиосвязи под каналом подразумевают
отдельный поток данных. При управлении летательным аппаратом каждый
канал обмена данными привязывается к одному из исполнительных механиз-
мов. Например, в авиамоделировании первый канал связи может вьщеляться
для управления элеронами, второй — закрылками и т.д.
Для управления квадрокоптером нужно не менее четырех каналов связи.
По отдельным каналам передаются сигналы подъема вверх, наклона вперед/
назад (тангаж), наклона влево/вправо (крен) и поворота относительно верти-
кальной оси (рыскание). Кроме базовых операций, квадрокоптер может под-
держивать выполнение дополнительных действий, характерных только для
него и никаких других летательных аппаратов. Именно поэтому современные
передатчики и приемники снабжаются поддержкой не менее шести каналов
связи.

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
363
Пульт управления (передатчик)
Основные функциональные особенности пульта управления, на которые
стоит обращать внимание, — это его режимы работы. Режим работы опре-
деляет функции джойстиков (левого и правого) и дополнительных переклю-
чателей пульта управления. Чаще всего операторы квадрокоптеров переклю-
чаются на второй режим управления (Mode 2) — режим пилотирования, в
котором левый джойстик используется как рычаг газа и руль поворота (влево/
вправо), а правый джойстик выполняет функции руля крена (боковой полет)
и руля тангажа (вверх/вниз). Функции джойстиков и переключателей пульта
управления DX6i Spektrum во втором рабочем режиме проиллюстрированы
на рис. 13.8.
Крен (канал 1)/
Закрылки (канал 6) Тангаж (канал 2)
Передача
(канал 5)
Газ (канал 3)/
Рыскание(канал 4)
Рис. 13.8. Пульт управления DX6i от Spektrum в режиме пилотирования
Ниже перечислены дополнительные возможности пульта управления, ко-
торые упрощают управление квадрокоптером.

364 Часть III. Электродвигатели в действии
■ Память настроек. Позволяет сохранять настройки управления для каж-
дой модели летательного аппарата, которой ему приходилось уп-
равлять.
■ Тонкая регулировка. Обеспечивает более точную настройку органов
управления.
■ Программируемое™. Применяется для настройки пульта управления че-
рез соединение с компьютером.
■ Смешивание сигналов. Позволяет одновременно контролировать не-
сколько органов управления.
■ ЖК-дисплей. На него выводится полезная информация о соединении
передатчика с приемником, а также о выполняемых командах.
Совсем не обязательно выбирать пульт управления со всеми описанны-
ми выше органами управления и функциями. В отличие от беспилотных ле-
тательных аппаратов (БЛА), для полноценного управления квадрокоптером
они не нужны. Тем не менее большинство пультов управления от БЛА пре-
красно подходит и для квадрокоптеров.
В нашем проекте используется пульт управления DX6i компании Spektrum.
Он несколько дороже аналогов других производителей, но укомплектован
набором весьма удобных инструментов. Как это ни странно, основным моти-
вом приобретения именно DX6i была его доступность на складе магазина —
на момент заказа все конкурирующие модели были распроданы.
Приемник
Определившись с пультом управления, содержащим передатчик, самое
время подобрать совместимый с ним приемник. Совместимость по большому
счету сводится к способности приемника распознать модулированный пере-
датчиком управляющий сигнал. Модуляция определяет способ представле-
ния данных в радиосигнале. Три наиболее часто используемых метода моду-
ляции описаны в табл. 13.2.
Таблица 13.2. Популярные методы модуляции сигнала, используемые
при управлении квадрокоптером
Метод модуляции Описание
DSM2 (Direct Spectrum Соединение передатчика с приемником
Modulation — модуляция осуществляется посредством GUID
с расширением спектра) (Globally Unique IDentifier— глобальный
уникальный идентификатор)

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
365
Окончание табл. 13.2
Метод модуляции Описание
DSMX Полностью совместима с DSM2, но
позволяет перескакивать между 23
каналами на рабочей частоте 2,4 ГГц
FAAST (Futaba Advanced Spread Поддерживает динамическую
Spectrum Technology — широко- идентификацию канала (одного из 36)
полосное изменение спектра) посредством GUID
Все перечисленные выше способы модуляции основаны на технологии
широкополосного распределения спектра, позволяющей выбирать для связи
наименее зашумленный канал из всех доступных. Учтите, что передача дан-
ных ведется в диапазоне частот 2,4 ГЩ, что обусловливает ограничение даль-
ности действия сигнала областью прямой видимости.
Поскольку модуляция сигнала передатчиком DX6i выполняется по техно-
логии DSMX, приемник квадрокоптера должен в обязательном порядке под-
держивать этот стандарт. Свой выбор я остановил на модели AR610 компании
Spektrum, показанной на рис. 13.9.
— Сигнальные выводы
— Положительное питание
— Отрицательное питание
Рис. 13.9. Шестиканальный приемник AR610

366
Часть III. Электродвигатели в действии
Как видно на рис. 13.9, выводы приемника объединены в единую колод-
ку, состоящую из трех рядов штыревых контактов. С контактов верхнего ряда
(за исключением вывода BND/DAT) считываются управляющие сигналы, по-
даваемые на полетный контроллер. К контактам среднего и нижнего рядов
подключается питание приемника.
Перед тем как начать обмениваться данными, передатчик и приемник
нужно согласовать. В процессе согласования устройства обмениваются иден-
тификаторами, по которым они будут распознавать друг друга при передаче
данных. Точная последовательность действий по согласованию передатчика
и приемника зависит от моделей устройств.
В частности, для согласования приемника AR610 с передатчиком DX6i
требуется выполнить следующие операции.
1. Подключить сигнальный разъем к выводам столбца BIND/DAT вывод-
ной колодки приемника.
2. При отключенном питании передатчика перевести рычаг левого джой-
стика (газ) в нижнее положение.
3. Подать питание (3,5-9,6 В) на приемник, подключив его к любым двум
соседним выводам среднего и нижнего рядов выводной колодки.
4. Удерживая нажатой кнопку Trainer/Bind (Обучение/согласование),
включить передатчик. Светодиод на приемнике должен замигать крас-
ным цветом.
5. Удерживать кнопку Trainer/Bind до тех пор, пока светодиод приемника
не станет светиться красным цветом непрерывно.
6. Отключить сигнальный разъем от выводной колодки приемника.
Удостовериться в успешном согласовании передатчика и приемника очень
легко. После включения передатчика и подачи питания на приемник его све-
тодиод должен непрерывно светиться красным цветом.
13.4.2. Полетный контроллер
Основная задача полетного контроллера заключается в получении вход-
ного сигнала от приемника и формировании управляющего сигнала для дви-
гателей. При этом у него, как правило, множество вспомогательных функ-
ций, например GPS-навигация, удержание высоты полета согласно данным
встроенного гироскопа и акселерометра и даже сканирование окружающего
пространства с помощью камер и всевозможных датчиков.

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
367
Большинство полетных контроллеров защищено патентными правами,
поэтому в открытом доступе вы не найдете информации об их устройстве.
Тем не менее сообществом энтузиастов OpenPilot (www. openpilot. org) раз-
работано несколько прекрасно зарекомендовавших себя полетных контрол-
леров, не требующих покупки лицензии на использование в любительских
проектах.
На данный момент к практическому использованию полностью готовы
только две платы: Revo (Revolution) и CC3D (CopterControl 3D). Первая —
более функциональная, но на момент моего обращения она отсутствовала
в продаже (в магазине store.openpilot.org). В итоге мне пришлось до-
вольствоваться полетным контроллером CC3D, плата которого показана на
рис. 13.10.
Микроконтроллер STM32F103
I
Разъем
подключения
передатчика
ь
Разъем
подключения
электронного
регулятора хода
Порт Flexi Основной порт
USB-порт
Рис. 13.10. Плата полетного контроллера CC3D
У контроллера CC3D всего четыре функциональные особенности, требу-
ющие нашего внимания:
■ поддержка шести каналов связи с приемником;
■ обработка данных и генерирование управляющих импульсов выполня-
ется микроконтроллером STM32F103;

368
Часть III. Электродвигатели в действии
■ положение и скорость движения летательного аппарата определяется
с помощью измерительного блока MPU-6000, включающего гироскоп/
акселерометр;
■ данные настроек сохраняются во встроенной флеш-памяти емкостью
16 Мбайт.
Чтобы научиться создавать и настраивать квадрокоптеры, нужно пони-
мать, как работает полетный контроллер. Упрощенная схема обмена данны-
ми между электронными устройствами полетного контроллера представлена
на рис. 13.11.
Гироскоп/
акоеллером*
Регулятор хода 1
Регулятор хода 2
Регулятор хода 3
Регулятор хода 4
Регулятор хода 5
Регулятор хода 6
Рис. 13.11. Упрощенная схема полетного контроллера
Большинство возложенных на него задач полетный контроллер выпол-
няет с помощью двух основных устройств: микроконтроллера STM32F103 и
блока инерциальных измерений MPU6000. Микроконтроллер STM32F103
обрабатывает входные данные и формирует сигнал управления регуляторами
хода для каждого из двигателей. Блок MPU6000 содержит гироскоп и акселе-
рометр, обеспечивающие контроль за положением и скоростью полета квад-
рокоптера.
Программа управления квадрокоптером, выполняемая микроконтролле-
ром, называется прошивкой или встроенным программным обеспечением.

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
369
Чтобы обновить прошивку квадрокоптера и изменить настройки его управле-
ния, загрузите программу Ground Control Station (GCS) на следующем сайте:
https://www.openpilot.org/product/openpilot-gcs
Микроконтроллер STM32F103
Микроконтроллеры применяются во многих встроенных системах. Один
из самых примечательных примеров — плата Arduino Mega (см. главу 9),
оснащенная микроконтроллером Atmel, которая традиционно применяется
моделистами для управления электродвигателями. Полетный контроллер об-
рабатывает данные с помощью микроконтроллера STM32F103, обладающего
более широкими функциональными возможностями, чем микроконтролле-
ры, применяемые в системах Arduino.
Микросхема STM32F103 представляет собой 32-битный микроконтрол-
лер, работающий на максимальной тактовой частоте 72 МГц. Как и микро-
процессор одноплатного компьютера Raspberry Pi (см. главу 10), он основан
на архитектуре вычислительного ядра ARM. Но в отличие от Raspberry Pi,
вычислительное ядро Cortex-МЗ оптимизировано для задач, выполняемых
полетном контроллером.
Основное преимущество Cortex-МЗ заключается в выполнении команд,
недоступных 8-битному вычислительному ядру Atmel. К основному же недо-
статку относится невозможность программирования на языке, применяемом
в среде Arduino. Для того чтобы запускать в Cortex-МЗ собственные приложе-
ния, кроме архитектуры микроконтроллера вам придется изучить язык про-
граммирования С.
Блок инерциальных измерений MPU6000
Операторы квадрокоптеров очень редко прибегают к независимому управ-
лению каждым из четырех двигателей. Вместо этого пилотному контроллеру
отдаются команды изменения высоты или направления полета, а он само-
стоятельно генерирует сигналы управления для каждого двигателя. Контрол-
лер CC3D определяет текущее свое положение и скорость полета на осно-
вании данных, передаваемых встроенным блоком инерциальных измерений
MPU6000, который снабжен гироскопом и акселерометром.
Микросхема MPU6000 включаеттри микроэлектромеханических (МЭМС)
гироскопа, с помощью которых определяется вращение аппарата относитель-
но осей X, Y и Z. Угловая скорость вращения выражается в градусах в секунду
с возможностью указания максимального измеряемого значения (250, 500,
1000 или 2000). Кроме того, блок измерений MPU6000 оснащается трехна-

370
Часть III. Электродвигатели в действии
правленным акселерометром, регистрирующим изменение ускорения вдоль
осей X, Y и Z. Ускорение определяется в единицах g (ускорение свободного
падения) с масштабированием до уровня 2g, 4g, 8g или 16g.
Данные с блока инерциальных измерений MPU6000 передаются на мик-
роконтроллер STM32F103 через последовательное соединение SPI. Выступая
ведущим устройством, микроконтроллер отправляет команды запроса дан-
ных через линию MOSI (Master Output, Slave Input). После получения запроса
ведомое устройство (блок MPU6000) предоставляет сведения об угловой ско-
рости вращения и ускорении, передавая их через линию MISO (Master Input,
Slave Output).
13.4.3. Электронный регулятор хода (ESC)
О применении регулятора хода для управления трехфазным вентильным
двигателем рассказывалось в главе 3. У квадрокоптера четыре двигателя, по-
этому и регуляторов хода ему понадобится четыре. Вместо того чтобы приоб-
ретать четыре отдельных ESC, можно использовать интегрированное 4-ка-
нальное решение, совмещающее в себе функционал четырех электронных
регуляторов хода. Оно занимает меньше места и значительно дешевле четы-
рех отдельных устройств.
Четырехканальный регулятор хода оснащен двумя выводами подачи пита-
ния и четырьмя 3-выводными колодками управления вентильными двигате-
лями квадрокоптера. Управляющие сигналы с полетного контроллера пода-
ются на интегрированный регулятор хода через дополнительные 12 выводов.
К каждой из трехвыводных (сигнал, 5 В, общий) колодок подключаются про-
вода, идущие от отдельного вентильного двигателя.
При выборе электронного регулятора хода, помимо стоимости, нужно
учитывать следующие его функциональные особенности.
■ Стабилизатор напряжения (Battery eliminator circuit — ВЕС). Предостав-
ляет питание для приемника от общего источника питания, устраняя
необходимость в использовании отдельного аккумулятора. В некото-
рые регуляторы хода интегрированы импульсные стабилизаторы на-
пряжения (Switching Battery Eliminator Circuits — SB EC), называемые
универсальными (Universal Battery Eliminator Circuits — UBEC).
■ Максимальный ток. Разные регуляторы хода рассчитаны на подачу вы-
ходного тока разной силы. Каждый двигатель квадрокоптера потребля-
ет электрический ток от 20 до 40 А. Разумеется, ESC должен в полной

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
371
мере обеспечивать все двигатели квадрокоптера электропитанием до-
статочной мощности.
■ Вес. Чем меньше, тем лучше.
■ Программируемое™. У большинства регуляторов хода, оснащенных мик-
роконтроллером, можно заменить прошивку. На все ESC, управляемые
микроконтроллерами Atmel, можно установить прошивку, написанную
Саймоном Кирби. Она доступна для загрузки на сайте GitHub по сле-
дующему адресу:
https://github.com/sim-/tgy
Я ее не тестировал, но все, кто ее использовал, утверждают о заметном
улучшении точности управления и стабильности полета квадрокопте-
ра, что достигается за счет увеличения частоты импульсного сигнала,
подаваемого на двигатели.
■ Длина проводов. Провода должны быть достаточно длинными для под-
ключения всех двигателей квадрокоптера.
Будьте готовы к тому, что вам придется бороться с перегревом регуляторов
хода. Дешевые ESC сильно нагреваются в процессе работы, что вызывает час-
тые сбои в подаче питания на двигатели. Разумеется, о таком поведении ре-
гуляторов хода нельзя узнать из технической документации, поставляемой их
производителями. Поэтому перед приобретением регулятора хода почитайте
отзывы о нем на тематических форумах или на сайте интернет-магазина. Как
бы там ни было, самое распространенное решение проблемы перегрева старо
как мир — наклейка алюминиевого радиатора поверх микросхемы.
Для нашего квадрокоптера подойдет ESC, предоставляющий каждому
двигателю максимальный ток силой 25 А. Среди всех доступных вариантов я
выбрал модель Skywalker Quattro 25Ax4 компании Hobbywing. Кроме стабиль-
ного выходного тока в 25 А с пиковыми нагрузками до 30 А, он может похва-
статься наличием отдельной линии питания приемника, оснащенной UBEC.
Внешний вид этого электронного регулятора хода показан на рис. 13.12.
Несмотря на все мои "эксперименты", Skywalker Quattro сохранил исход-
ную работоспособность и все свои функциональные возможности, "налетав"
не один десяток часов. Большинство обозревателей этой модели ESC свиде-
тельствуют о похожих результатах, хотя в отдельных случаях возникал пере-
грев регулятора хода, что приводило к падению квадрокоптера.

372
Часть III. Электродвигатели в действии
Рис. 13.12. Электронный регулятор хода Skywalker Quattro 25Ax4
компании Hobbywing
13.4.4. Аккумуляторы
Основное преимущество четырехканального ESC с интегрированным
стабилизатором напряжения заключается в необходимости использования в
квадрокоптере всего одного источника питания. Согласно технической до-
кументации к электронному регулятору хода Skywalker Quattro 25Ax4 он рас-
считан на использовании аккумуляторной батареи 2S-4S (7,4 В-14,8 В). Как
вы знаете из главы 3, обозначение "2S—4S" указывает на последовательное
подключение от двух до четырех литий-полимерных аккумуляторов. Один
литий-полимерный аккумулятор обеспечивает на выходе напряжение 3,7 В,
поэтому выходное напряжение батареи составит от 7,4 до 14,8 В.
Аккумуляторы для квадрокоптеров выбираются по двум основным кри-
териям: максимальная емкость и токоотдача (измеряется в единицах ем-

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
373
кости С). Емкость определяет общий ток, который выдает аккумулятор при
указанном выходном напряжении. Как правило, емкость одного аккумулято-
ра составляет несколько тысяч миллиампер в час.
Токоотдача характеризует максимальную скорость разряда истоника пи-
тания. Таким образом, максимальный ток на выходе аккумулятора равен его
токоотдаче, умноженной на емкость. Например, у аккумулятора емкостью
2100 мАч с токоотдачей 20С наибольший безопасный ток на выходе состав-
ляет 2100x20 = 42000 мА = 42 А.
Емкость аккумулятора указывает на количество времени, а течение ко-
торого он сохраняет работоспособность (до полного разряда). Возникает
дилемма: чем выше емкость аккумулятора, тем дольше будет летать квадро-
коптер, но с увеличением емкости растет вес источника питания, и чем он
больше, тем меньше общее время полета.
Для моего квадрокоптера вполне подойдет литий-полимерная аккумуля-
торная батарея формата 3S (11,1 В). Критически важно обеспечить на выходе
сильный электрический ток, поэтому нужна модель с высоким уровнем то-
коотдачи. После небольших раздумий мною была выбрана аккумуляторная
батарея Venom RC емкостью 5000 мА и токоотдачей 35С. Батарея с такими
рабочими характеристиками способна обеспечить максимальный выходной
ток силой 175 А, что намного больше тока, потребляемого квадрокоптером.
Внешний вид подобранного мной истоника питания показан на рис. 13.13.
Батарея снабжена большим количеством силовых выводов, обеспечиваю-
щих ее удобное подключение к четырехканальному электронному регулятору
хода, рассмотренному в предыдущем разделе.
13*5* Сборка квадрокоптера
На текущий момент подобраны все основные компоненты квадрокоптера.
Но мне осталось решить небольшую трудность, связанную с недостаточным
количеством места на раме, чтобы вместить все необходимое оборудование,
в первую очередь — аккумуляторную батарею. Мне пришлось потратиться на
специальный подрамник (Center Plate Kit), приобретенный в магазине www.
hoverthings.com.
Сборка квадрокоптера сводится к выполнению такой последовательности
действий.
1. Сборка рамы Flip Sport. Лучи прикрепляются к центральной части
рамы снизу.

374
Часть til. Электродвигатели в действии
Рис. 13.13. Литий-полимерная аккумуляторная батарея Venom RC
емкостью 5000 мА-ч и токоотдачей 35С
1. Закрепление углепластиковых пропеллеров на валах вентильных дви-
гателей. Не забудьте вложить в отверстие каждого пропеллера по одно-
му центрирующему вкладышу
3. Монтирование двигателей с пропеллерами на концах лучей собранной
ранее рамы. Двигатели фиксируются четырьмя винтами, прикручива-
емыми к нижней части корпуса. Следите за тем, чтобы пропеллеры с
одинаковым направлением вращения располагались на противопо-
ложных лучах рамы (по диагонали).
4. Установка четырехканального регулятора хода под рамой. Он удобно
разместился в свободной центральной области, от которой расходятся
лучи рамы. Провода, выходящие с регулятора хода, нужно подключить
ко всем четырем вентильным двигателям, расположенным на концах
лучей. Для фиксации провисающих проводов воспользуйтесь пласти-
ковыми стяжками достаточной длины.
5, Закрепление подрамника, который состоит из двух крестообразных
пластин. Прикрепите одну из них под рамой.
6, Батарею нужно закрепить на только что добавленной к раме пластине
так, чтобы выходящие из нее провода доставали до разъема четырехка-

Глава 13. Конструирование квадрокоптера
375
нального регулятора хода. Прикрепите к подрамнику вторую пластину
из набора. Для фиксации аккумуляторной батареи удобно использо-
вать ремень с застежкой типа "липучка".
7. Монтаж полетного контроллера и приемника непосредственно на
раме. Убедитесь, что провода с электронного регулятора хода достают
до полетного контроллера.
8. Соединение ESC с полетным контроллером, а полетного контролле-
ра—с приемником. Только после этого к ESC можно подключать про-
вода от аккумуляторов.
Все компоненты должны быть надежно закреплены на раме и подсоеди-
нены друг к другу. Если все сделано правильно, то на полетном контроллере
должен загореться светодиодный индикатор. Внешний вид только что со-
бранного квадрокоптера перед включением ESC показан на рис. 13.14.
Рис. 13.14. Квадрокоптер собственной сборки

376
Часть III. Электродвигатели в действии
При первом запуске необходимо потратить какое-то время на то, чтобы
привыкнуть к органам управления. Научившись свободно управлять ква-
дрокоптером, я не планирую останавливаться на достигнутом. Самое время
снабдить квадрокоптер дополнительным навесным оборудованием!
В самом начале главы я упоминал, что не являюсь экспертом в конструи-
ровании и сборке квадрокоптеров. Именно поэтому мне хотелось бы, что-
бы перед построением своего первого квадрокоптера вы заручились техни-
ческой поддержкой общепризнанных экспертов одного из многочисленных
сообществ любителей беспилотных летательных аппаратов.
13.6. Резюме
Работа двигателей притягивает и завораживает, а возможность управлять
ими вызывает неподдельный восторг. Но эти эмоции блекнут по сравнению
с бурей чувств, возникающих при управлении квадрокоптером, собранным
собственными руками. В этой главе вы научились выбирать компоненты для
квадрокоптера и собирать его в домашних условиях.
Осознавая особую значимость пропеллеров в обеспечении полета квадро-
коптера, в первой половине главы я привел краткие сведения о динамике их
вращения и познакомил вас с факторами, определяющими подъемную силу
вращающегося в воздухе винта. Вы узнали о зависимости подъемной силы от
диаметра, шага винта и частоты вращения пропеллера, из которой следует,
что самой важной характеристикой пропеллера является не частота враще-
ния или шаг винта, а его диаметр.
При выборе остальных компонентов системы — рамы, передатчика и прием-
ника — нет строгих требований. Двигатели тем не менее должны обладать вы-
соким вращающим моментом, чтобы раскрутить длинные пропеллеры до необ-
ходимой рабочей частоты. Как известно, в технических характеристиках таких
двигателей указан большой коэффициент Kv. Следите за тем, чтобы диаметр
вала двигателя совпадал с диаметром центральных отверстий пропеллеров.
Устройство большинства выпускаемых промышленностью полетных
контроллеров защищено патентами, но это не относится к CC3D, имеюще-
му открытую архитектуру. Его работа основана на использовании микро-
контроллера STM32F103, отвечающего за получение данных от приемника,
формирование управляющих сигналов для регуляторов хода и обработку све-
дений, передаваемых блоком инерциальных измерений MPU6000, который
включает гироскоп и акселерометр. Программное обеспечение полетного
контроллера (прошивка) загружается с сайта www. openpilot. org.

14
Электромобили
Как ни странно, наиболее знаковым событием для современной
индустрии стало применение электродвигателей в современных
легковых автомобилях. Речь, конечно же, идет об электрических
автомобилях — транспортных средствах индивидуального пользо-
вания, маркируемых в технической документации аббревиатурой
"EV" (Electric Vehicles — электромобиль). Электромобили имеют
огромный список преимуществ перед традиционными автомоби-
лями, среди которых — отсутствие выхлопа, высокая надежность,
простота конструкции, низкий уровень шума и т.п.
Описанию устройства и функциональных особенностей элек-
тромобилей посвящено огромное количество книг самого разного
уровня сложности, поэтому в данной главе я приведу лишь крат-
кие сведения об автомобилях данного типа. Начну издалека —
с переоборудования в электромобиль серийных автомобилей, ос-
нащенных двигателями внутреннего сгорания. В ходе изложения
я предоставлю общую информацию об операциях, выполняемых
при замене существующей силовой установки на электрическую,
а также опишу наиболее часто используемые для этих целей акку-
муляторы и электродвигатели.
Далее мы перейдем к анализу текущей ситуации с "электрифи-
кацией" мирового рынка автомобилестроения. В частности, вы
познакомитесь с тремя наиболее популярными на момент написа-

378
Часть III. Электродвигатели в действии
ния книги моделями: Tesla Model S, Nissan Leaf и BMW i3. Я приведу общие
технические характеристики каждой из моделей, рассмотрю конструкцию и
принцип действия электродвигателей, а также характеристики аккумулятор-
ных батарей, устанавливаемых в них.
В конце главы описаны четыре важных для электромобилестроения па-
тента, зарегистрированных на компанию Tesla Motors. В 2014 году Илон Маек
объявил, что на защиту патентов уходит больше средств, чем они того стоят,
а потому они становятся общедоступными. Два из них касаются конструкци-
онных особенностей индукционных двигателей, а еще два описывают систе-
мы управления двигателями электромобилей.
14.1, Переоборудование автомобиля
в электромобиль
Многие владельцы легковых автомобилей, исходя из разных побуждений,
совершенно не против переоборудования их в электромобили. Стоимость
такой операции намного меньше стоимости нового электромобиля, что де-
лает ее весьма заманчивой затеей для любителей гаражного автотюнинга.
В среднем стоимость переоборудования стандартного автомобиля, оснащен-
ного двигателем внутреннего сгорания, в электромобиль составляет 10 тысяч
долларов, в то время как цена нового электромобиля начинается с отметки
30 тысяч долларов и заканчивается 80 тысячами долларов.
Серьезным вызовом для подобного рода индустрии становится отсутствие
квалифицированных сотрудников на существующих станциях технического
обслуживания. Далеко не каждая СТО возьмется за переоборудование авто-
мобиля в электромобиль — их количество невелико, и не факт, что в вашем
регионе есть хотя бы одна такая станция. Без внешней поддержки работы по
переоснащению силовой установки выполняются преимущественно автоме-
ханиками-любителями.
В этом разделе мы поговорим не столько о переоборудовании автомоби-
лей в электромобили, сколько о технологиях, играющих ключевую роль. В
частности, вы узнаете об электродвигателях, контроллерах, трансмиссии и
аккумуляторах, устанавливаемых в серийных автомобилях вместо силовой
установки внутреннего сгорания.
14.1.1 ♦ Электродвигатели
Львиная доля финансовых средств, выделенных на замену силовой уста-
новки автомобиля, тратится на приобретение электродвигателя. Стоимость

Глава 14. Электромобили
379
конверсионного электродвигателя составляет несколько тысяч долларов.
Двигатели, предназначенные для переоборудования автомобилей в электро-
мобили, изготавливаются ограниченным количеством компаний, а модель-
ный ряд каждого из производителей сильно отличается от продукции кон-
курирующей торговой марки, что сильно усложняет подбор новой силовой
установки.
Выбор модели электродвигателя, которым планируется заменить двига-
тель внутреннего сгорания, — это ключевой производственный этап, требую-
щий знания технологий, применяемых при производстве автомобилей обоих
типов. На начальном этапе определяются все доступные для приобретения
модели электродвигателей, обладающие рабочими характеристиками, сход-
ными с таковыми в двигателе внутреннего сгорания серийного автомобиля.
Далее принимается ключевое решение об использовании в автомобиле дви-
гателя переменного или постоянного тока. И только после этого подбирается
одна из ранее отобранных моделей электродвигателей с необходимыми рабо-
чими параметрами.
Мощность двигателя
Мощность гоночных и раллийных автомобилей традиционно выражает-
ся в лошадиных силах (л. с). Как было показано в главе 2, одна лошадиная
сила — это мощность, позволяющая за одну секунду поднять вес 550 фунтов
(250 кг). Для сравнения в среднеразмерные седаны устанавливаются двигате-
ли внутреннего сгорания мощностью 200—250 л. с.
Мощность электродвигателей традиционно измеряется в киловаттах
(кВт), где 1кВт равен 1,341 л. с. При переоборудовании силовой установки
автомобиля обычно применяются электродвигатели мощностью 60—70 кВт,
что приблизительно соответствует 80—95 л. с. Как будет показано далее, мощ-
ность серийно производимых электромобилей несоизмеримо выше.
Неспециалистам замена мощного бензинового или дизельного двигателя
менее мощным электродвигателем может показаться весьма странной. Для
понимания причины такого несоответствия достаточно понять, как опре-
деляется мощность каждого типа двигателей. В технических характеристи-
ках двигателей внутреннего сгорания указывается максимально возможная
мощность, достигаемая при наибольшей частоте вращения вала. На низких
оборотах такие двигатели имеют низкую выходную мощность, что известно
каждому автолюбителю.
Как было показано в главе 2, входная мощность электродвигателя опре-
деляется как произведение силы тока и напряжения его источника питания.

380
Часть III. Электродвигатели в действии
Аккумуляторы обеспечивают на выходе постоянное напряжение, поэто-
му сила тока всецело зависит от подключенной нагрузки. Таким образом,
электродвигатель может отбирать максимальную мощность сразу же после
подачи на него питания. Это объясняет, почему менее мощный по паспорту
электродвигатель разгоняется до 100 км/ч за такое же время, как и двигатель
внутреннего сгорания, обладающий более высокой (максимальной) выход-
ной мощностью.
Двигатели постоянного и переменного тока
На сегодняшний день двигатели переменного тока считаются слишком
дорогими и сложными для установки в серийные автомобили вместо двига-
телей внутреннего сгорания. Указанные причины побуждают авторов многих
пособий по переоснащению легковых автомобилей настаивать на исполь-
зовании коллекторных двигателей постоянного тока. Такие двигатели уже
давно используются в других видах транспортных средств, например в авто-
погрузчиках. Процедура их установки и обслуживания давно отлажена и не
вызывает особых затруднений.
Согласно данным, приведенным в главе 3, использовать коллекторные
двигатели постоянного тока в легковых электромобилях категорически нель-
зя, поскольку они обладают низким КПД и малой надежностью, а также тре-
буют регулярного обслуживания. Кроме того, от коллекторного двигателя
трудно добиться постоянной частоты вращения вала при изменении внеш-
ней нагрузки. Именно поэтому управлять электромобилем с таким двигате-
лем на пересеченной местности будет весьма трудно.
Существенное преимущество двигателей переменного тока состоит в воз-
можности рекуперации энергии при замедлении автомобиля. В случае тормо-
жения такой двигатель начинает работать в режиме генератора (см. приложе-
ние). Рекуперируемая при торможении энергия используется для дозарядки
аккумуляторов, увеличивая максимальную дальность поездки электромоби-
ля. Для двигателей постоянного тока организовать рекуперацию энергии на-
много сложнее.
Второе важное преимущество двигателей переменного тока — это обеспе-
чение постоянного вращающего момента при изменении частоты вращения
вала. Тяговое усилие двигателей переменного тока сохраняется при резком
ускорении и движении электромобиля по пересеченной местности.
Конечно, двигателями переменного тока управлять намного сложнее, чем
коллекторными электродвигателями. Основная трудность заключается в не-
обходимости преобразования постоянного напряжения на выходе аккумуля-

Глава 14. Электромобили
381
торов в трехфазный синусоидальный сигнал, подаваемый на вход двигателя
переменного тока. Эта задача выполняется с помощью инверторных прео-
бразователей, которые стоят намного больше, чем контроллеры двигателей
постоянного тока.
Производители электродвигателей
Простой поиск в Интернете позволяет быстро определить всех основных
производителей коллекторных двигателей постоянного тока, устанавлива-
емых в серийные автомобили при их переоснащении до электромобилей.
Речь идет о двух компаниях: D&D Motor Systems и Netgain. Наибольшее рас-
пространение на станциях переоборудования силовых установок получили
двигатели серии WarP компании Netgain. Последняя модель этой линейки
(WarP 11) обеспечивает выходную мощность 34,4 л. с. при напряжении пита-
ния 144 В.
Двигатели переменного тока для легковых автомобилей выпускают такие
известные компании, как Siemens и BRUSA. У Siemens очень широкий мо-
дельный ряд двигателей, но они не поступают в розничную продажу, а по-
ставляются только крупным производителям наборов для переоборудования
силовых установок. Двигатели BRUSA доступны в свободной продаже, но са-
мая дешевая модель, которую мне удалось найти в интернет-магазинах, сто-
ила более 11 тысяч долларов.
На рынке переоснащения силовых агрегатов работает еще один замет-
ный производитель двигателей переменного тока: компания Hi Performance
Electric Vehicle Systems (HPEVS). Предлагаемые ею установки стоят от 3 до 6
тысяч долларов. Краткие технические характеристики двигателей перемен-
ного тока, производимых HPEVS, приведены в табл. 14.1.
Таблица 14.1. Технические характеристики индукционных
двигателей компании HPEVS
Двигатель
АС-34
АС-35
АС-50
АС-51
Мощность, л. с.
при 2900 об/мин
65
63
71
88
Вес.
кг
38,5
38,5
52,2
52,2
Напряжение питания, В
48/72/96/108
48/72/96/108/144
48/72/96/108/144
96/108/144
Детально с продукцией компании HPEVS можно ознакомиться на сайте
http://www.hpevs.com. Просматривая все предложения, вы заметите, что

382
Часть III. Электродвигатели в действии
некоторые двигатели маркируются символами "Х2". Они указывают на воз-
можность установки в автомобиле сразу двух таких двигателей, сопряженных
между собой. Учтите, что двухдвигательные автомобили, обладая удвоенной
мощностью, потребляют вдвое больше электроэнергии.
14.1.2. Контроллеры (инверторы)
Устройство управления питанием коллекторного двигателя имеет простую
и понятную конструкцию. Первая его функция состоит в подаче на двигатель
электрического питания, достаточного для комфортного вождения элект-
ромобиля. Контроллер также предотвращает подачу на двигатель слишком
сильного тока (что способно вывести его из строя).
Вторая функция контроллера — это изменение выходных характеристик
двигателя, таких как вращающий момент и частота вращения. Прежде чем
приступить к изучению рабочих особенностей контроллеров, вернитесь к
главе 3 и вспомните, чем различаются коллекторные двигатели следующих
типов.
■ С постоянными магнитами. Обладают постоянным магнитным полем.
■ Последовательного возбуждения. Имеют большой вращающий момент
и не позволяют точно контролировать частоту вращения.
■ Параллельного возбуждения. Обеспечивают высокую точность измене-
ния частоты вращения.
■ Комбинированные. Совмещают конструктивные преимущества двигате-
лей последовательного и параллельного возбуждения.
Каждый тип двигателей требует использования своего контроллера,
В частности, компания Netgain выпускает не только двигатели постоянного
тока серии WarP, но и контроллеры к ним. Подобным образом контроллеры
для своих двигателей выпускают все основные производители, включая D&D
Motor Systems и Curtis Instruments.
Чтобы обеспечить питанием двигатель переменного тока, контроллер пре-
образует постоянное напряжение, получаемое с аккумуляторов, в трехфаз-
ный синусоидальный сигнал. Именно поэтому контроллеры для двигателей
постоянного тока часто называют инвертирующими преобразователями или
просто инверторами. Чаще всего инверторы, применяемые в электромоби-
лях, наряду со своей основной функцией выполняют некоторые вспомога-
тельные операции. Например, инверторы могут оптимизировать частоту
синусоидального сигнала, а также поддерживать работу сразу в нескольких
режимах.

Глава 14. Электромобили
383
Инвертирующие усилители мощности востребованы не только в авто-
мобилестроении. На сегодня инверторы, предназначенные для установки
только в электромобили, производятся всего двумя компаниями. Устройства
компании Curtis Instruments хорошо зарекомендовали себя при подключении
к ним двигателей HPEVS. Для двигателей BRUSA лучше всего подходят "род-
ные" контроллеры, обеспечивающие хорошую точность управления и высо-
кий КПД.
14.1.3. Аккумуляторы
После двигателя и инвертора нужно определить тип и количество аккуму-
ляторов, устанавливаемых в серийный автомобиль с электрической силовой
установкой. Насколько мне известно, электромобили, построенные на базе
автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, снабжаются аккумулятор-
ными батареями одного из трех типов.
■ Свинцово-кислотные (электролитные). Низкая стоимость, большой вес.
■ Литий-ионные. Малый вес, высокая стоимость.
■ Литий-железо-фосфатные (Lithium-Iron-Phosphate — LFP). Малый вес,
безопасные, высокая стоимость.
Удельная энергетическая емкость свинцово-кислотных аккумуляторов
(33-42 Вт-ч/кг) намного ниже, чем литий-ионных (100-265 Вт-ч/кг). Таким
образом, вес электромобиля, оснащенного свинцово-кислотными аккумуля-
торами, существенно выше веса электромобиля с литий-ионными источни-
ками питания с таким же запасом хода.
Несмотря на это многие электромобили с переоборудованной силовой
установкой оснащаются именно свинцово-кислотными аккумуляторами.
Причина очень проста: высокая стоимость литий-ионных источников пита-
ния. Свинцово-кислотные аккумуляторы с выходным напряжением 12 В и
емкостью 80 А-ч стоят всего 300 долларов, а литий-ионную батарею с такими
же рабочими характеристиками можно приобрести только за 1000 долларов.
Тем не менее свинцово-кислотные аккумуляторы становятся непригодны-
ми для эксплуатации через 600 циклов перезаряда, а литий-ионные выдержи-
вают не менее 1000 таких циклов. Подбирая аккумуляторы для электромоби-
ля, нужно помнить об их недолговечности.
Аккумуляторы относятся к устройствам повышенного уровня опаснос-
ти. В 2013 году был зарегистрирован случай возгорания автомобиля Tesla
Model S, что было вызвано повреждением его литий-ионных аккумуляторов.
Производители прилагают максимум усилий, чтобы сделать литий-ионные

384
Часть III. Электродвигатели в действии
аккумуляторы безопасными для использования в любых устройствах, но
победить химическую природу щелочного металла (лития) очень сложно.
Чтобы полностью обезопасить электромобили, многие эксперты по пере-
оснащению силовых установок предлагают устанавливать в электромобили
литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Они химически стабильнее литий-
ионных источников питания, но обладают меньшей удельной энергетиче-
ской емкостью.
Важно подобрать не только тип аккумуляторов, но и их количество. Об-
щая емкость аккумуляторной батареи в первую очередь определяется техни-
ческими характеристиками инвертора и электродвигателя. Например, если
в автомобиль устанавливается инвертор, рассчитанный на входное напря-
жение 96 В, то для снабжения его достаточным питанием вам понадобится
собрать батарею из восьми последовательно соединенных аккумуляторов с
выходным напряжением 12 В каждый. Для обеспечения инвертора большим
током последовательно с имеющейся батареей нужно подключить еще одну
такой же емкости.
14.1 А. Трансмиссия
Основная задача трансмиссии заключается в передаче механической энер-
гии двигателя на колеса автомобиля. После замены в автомобиле двигателя
внутреннего сгорания электродвигателем нужно подсоединить к нему имею-
щуюся трансмиссию или заменить ее механической коробкой передач.
Каждая модель автомобиля имеет свою конструкцию трансмиссии. Имен-
но поэтому для подсоединения ее к новой (электрической) силовой уста-
новке требуется специальный адаптер, рассчитанный исключительно для
данных моделей автомобиля и электродвигателя. В состав многочисленных
предустановленных наборов для переоборудования автомобилей в электро-
мобили входит несколько универсальных адаптеров, но чаще всего их при-
ходится изготавливать отдельно. Это сложная задача, выходящая за рамки
данной книги.
При движении автомобиль с автоматической трансмиссией переключа-
ет передачи самостоятельно. Такие трансмиссии массово устанавливают в
современные автомобили, оснащенные двигателями внутреннего сгорания.
К сожалению, в электромобилях они неприменимы из-за низкого КПД.
К тому же их подключение к силовой установке и дальнейшая настройка
представляются чрезмерно сложной задачей для большинства станций пе-
реоборудования, сотрудники которых не имеют должной квалификации.

Глава 14. Электромобили
385
Именно поэтому большинство серийных автомобилей, переоборудованных в
электромобили, оснащается механической коробкой передач.
14.2. Серийные электромобили
Чтобы в полной мере ознакомиться с уровнем развития технологий, при-
меняемых в современных электромобилях, нужно изучить рынок серийно
выпускаемых моделей. На момент написания книги наибольшей популяр-
ностью среди покупателей пользовались три модели электромобилей: Tesla
ModelS, Nissan Leaf и BMWi3. Ниже приведено краткое описание каждой
из них. Особое внимание в обзорах уделяется двигателям и аккумуляторным
батареям.
14.2.1 • Tesla ModelS
Свой первый электромобиль (Tesla Roadster), серьезно воспринятый экс-
пертами автоиндустрии, компания Tesla Motors выпустила еще в 2008 году
В 2012 году появилась модель Tesla Model S, технологически превосходящая
Tesla Roadster во многих аспектах. Внешний вид автомобиля Tesla Model S по-
казан на рис. 14.1.
Рис. 14.1.Tesla Models
В качестве силовой установки Tesla Model S, равно как и других моделей
компании, используется обычный индукционный двигатель. Из главы 6 из-
вестно, что индукционный двигатель —- это двигатель переменного тока с

386
Часть III. Электродвигатели в действии
ротором цилиндрической формы, вдоль которого смонтированы короткоза-
мкнутые проводники, как показано на рис. 14.2. Питание электродвигателя
подается на обмотки статора, возбуждая в них магнитное поле. Вследствие
электромагнитной индукции в продольных проводниках возникает ток, вза-
имодействие которого с магнитным полем статора вызывает вращение рото-
ра. Из-за особенностей конструкции ротор индукционных двигателей назы-
вают "беличьей клеткой".
Короткозамыкающие
кольца ^
Подшипник
. -^ ^—^
Вал
V
Проводники
Рис. 14.2. Конструкция ротора типа "беличья клетка", устанавливаемого
в индукционных двигателях
В 2007 году ведущий специалист по силовым установкам Tesla Motors Уолли
Риппел опубликовал в блоге компании статью, озаглавленную "Индукцион-
ные и вентильные двигатели". В ней он затронул актуальную тему преимуществ
каждого из типов электродвигателей в разрезе их применения в электромоби-
лях Tesla Motors. В конце этой статьи описаны причины отказа от использова-
ния в автомобилях компании вентильных двигателей в пользу индукционных.
Данное послание к общественности сводится к следующим тезисам.
■ Стоимость постоянных магнитов из редкоземельных металлов, диспро-
зия или неодима, применяемых в вентильных двигателях, очень высокая.
■ Магнитное поле вентильных двигателей носит постоянных характер.
Направленность и величина магнитного поля индукционных двига-
телей определяются напряжением и частотой входного сигнала. Та-
ким образом, электрические потери индукционного двигателя можно
уменьшить, изменив указанные характеристики электропитания.

Глава 14. Электромобили
387
Придерживаясь правильной стратегии при выборе используемых техно-
логий, Tesla Motors удалось добиться высокой мощности силовых устано-
вок, устанавливаемых в собственные электромобили. В частности, Model S
базовой комплектации развивает мощность 362 л. с, а у модели Performance
Model S она увеличена до 416 л. с. О расходе электроэнергии Model S всех
известных комплектаций можно судить по данным, приведенным в табл. 14.2.
Таблица 14.2. Базовые характеристики Tesla Model S
Модель Емкость ак- Расход электроэнер- Расход электроэнер-
кумулятор- гии в перерасчете на гии в перерасчете на
ной батареи, бензин (городской бензин (загородный
кВт-ч цикл), л/100 км цикл), л/100 км
Model S
Model S
Model SAWD
Model S AWD-85D
Model S AWD-P85D
60
85
85
85
85
2,50
2,67
2,74
2,48
2,64
2,43
2,61
2,5
2,22
2,40
Во всех электромобилях Tesla Motors в качестве источника питания ис-
пользуется литий-ионная аккумуляторная батарея. На данный момент мак-
симальная емкость батареи составляет 85 кВтч, что позволяет Model S про-
езжать 426 км до полной ее разрядки. В старых моделях электромобилей Tesla
базовую батарею на 60 кВт-ч можно заменить более емкой — на 70 кВтч.
14.2.2. Nissan Leaf
В 2010 году компания Nissan Motor презентовала Nissan Leaf (рис. 14.3) —
компактный легковой автомобиль с кузовом типа "хэтчбэк", силовая уста-
новка которого работает исключительно от аккумуляторной батареи. В 2011
году он получил награду "Автомобиль года".
Подобно Model S, Nissan Leaf приводится в движение силовой установкой
переменного тока. Кроме того, для преобразования постоянного напряжения
аккумуляторной батареи в трехфазный синусоидальный сигнал применяется
обычный инвертор.
В отличие от индукционного двигателя, устанавливаемого в Model S, в
Nissan Leaf применяется синхронный трехфазный двигатель переменного
тока. Это означает, что магнитное поле его ротора образуется постоянными

388
Часть III. Электродвигатели в действии
магнитами. Схематически устройство статора и ротора синхронного двигате-
ля переменного тока показано на рис. 14.4.
Рис. 14.3. Nissan Leaf
Обмотки
Магниты
Ротор
Статор
Рис. 14.4. Конарукция ротора синхронного двигателя переменного тока

Глава 14. Электромобили
389
В ноябре 2012 года в журнале "Popular Mechanics" вышла короткая обзор-
ная статья Стива Руссо, посвященная конструкции электродвигателя, уста-
навливаемого в Nissan Leaf. Исходя из нее, известно, что он оснащен ротором
с постоянными магнитами из редкоземельных металлов (диспрозия и неоди-
ма). Производство роторов с требуемыми рабочими характеристиками стало
возможным благодаря разработке учеными Nissan новой технологии, обес-
печивающей понижение в магните содержания диспрозия на 40%. Это гово-
рит о том, какую важную роль играют редкоземельные металлы производстве
электродвигателей, устанавливаемых в современных легковых автомобилях.
Nissan Leaf развивает мощность 110 л. с, позволяющую ему разгоняться до
100 км/ч за 9,9 с. В моделях, выпускаемых в 2010-2011 годах, максимальная
скорость движения составляла 150 км/ч.
Питание Nissan Leaf осуществляется от батареи литий-ионных аккумуля-
торов общей емкостью 24 кВт-ч. Согласно данным агентства по защите окру-
жающей среды США (U.S. Environmental Protection Agency) до полной раз-
рядки аккумуляторов Nissan Leaf способен проехать 117 км.
Несмотря на меньшую емкость аккумуляторной батареи и не самый мощ-
ный двигатель, объем продаж Nissan Leaf больше, чем Model S. Причина, что
вполне оправданно, кроется в цене. На 2015 год рекомендуемая производите-
лем розничная цена Nissan Leaf составляла 29 680 долларов, а для Model S —
69 900 долларов.
14.2.3. BMW 13
В 2013 году компания BMW выпустила первый из автомобилей серии
"Project i" — i3. В 2014 году этот электромобиль получил награду за лучший
дизайн. Внешний вид BMWi3 показан на рис. 14.5.
Техническое оснащение BMW i3 подобно применяемому в Nissan Leaf.
В качестве силовой установки в обоих автомобилях используется синхрон-
ный двигатель переменного тока, а емкость аккумуляторной батареи остав-
ляет желать лучшего. Скромная емкость аккумуляторов позволяет снизить
стоимость и вес электромобиля, хотя и уменьшает расстояние, которое он
проходит без дозарядки.
Синхронный двигатель переменного тока, устанавливаемый в BMW i3,
развивает мощность 170 л. с. До 100 км/ч он разгоняется за 7,2 секунд, а его
максимальная скорость ограничена значением 150 км/ч.
В дополнение к электродвигателю BMWi3 может оснащаться бензиновым
двигателем, называемым удлинителем хода (Range Extender— REX). Исход-
но разработанный для установки в мотоциклы, он позволяет увеличить даль-

390
Часть III. Электродвигатели в действии
ность хода и скорость электромобиля, хотя и требует остановок для заправки
автомобиля топливом, также как и электричеством.
Рис. 14.5. BMW i3
Электродвигатель BMW i3 получает питание от батареи литий-ионных ак-
кумуляторов общей емкостью 22 кВтч. Запас хода без дозарядки аккумулято-
ров зависит от режима работы электрической системы электромобиля.
■ COMFORT. Базовый режим, обеспечивающий дальность хода 130—
160 км.
■ ECO PRO. Частично отключена климатическая установка, максималь-
ная скорость ограничена 130 км/ч. Запас хода увеличен на 12%.
■ ECO PRO+. Полностью отключена климатическая установка, макси-
мальная скорость ограничена 90 км/ч. Запас хода увеличен на 24%
У BMW i3 есть важное преимущество перед остальными популярными
электромобилями. Его рама изготовлена из алюминия, а кузов — из пласти-
ка, армированного углеродным волокном (Carbon Fiber Reinforced Plastic —
CFRP). Такой выбор материалов позволяет значительно уменьшить вес
электромобиля без потери прочности кузова, а также обеспечить его суще-
ственным запасом хода (это особенно важно для аккумуляторов емкостью
22 кВт-ч).

Глава 14. Электромобили
391
14.3. Патенты Tesla Motors
В июне 2014 года Илон Маек заявил о том, что Tesla Motors намерена сде-
лать патенты, оформленные на компанию, общедоступными. Он выразил
недовольство патентным законодательством, указывая, что оно препятству-
ет инновациям и развитию технического прогресса. Более того, по мнению
Маска, получение патента — это сродни выигрышу лотерейного билета на
судебное разбирательство.
Чтобы ускорить развитие отрасли электромобилестроения, Маек пообе-
щал вскоре открыть все патенты, которыми владеет Tesla Motors, для свобод-
ного пользования. Он акцентировал внимание на том, что Tesla Motors не бу-
дет преследовать никого из тех, кто с добрыми намерениями воспользуется ее
патентами в собственных целях.
Вскоре обещание было сдержано, и на данный момент все патенты стали
всеобщим достоянием. С моей точки зрения, наибольший интерес представ-
ляют следующие четыре свободных патента Tesla Motors.
■ Патент 7 960 928. Управление работой двигателя, исходя из команд, по-
даваемых водителем, и/или данных, предоставляемых автомобилем.
■ Патент 8 154 167. Внутренняя конструкция индукционного двигателя.
■ Патент 8 453 770. Система управления электромобилем, оснащенным
двумя двигателями.
■ Патент 8 572 837. Повышение качества изготовления ротора электрод-
вигателя.
Несмотря на то что большая часть технической информации о работе
индукционных двигателей была известна человечеству еще столетие назад,
указанные выше патенты Tesla Motors содержат сведения о последних тех-
нологических достижениях, позволяющих улучшить и без того высокопро-
изводительные силовые установки. Если исходно в Tesla Motors посчитали
нужным защитить их патентами, то они точно стоят более пристального вни-
мания с нашей стороны.
14.3Л. Управление двигателем через изменение
магнитного потока
Патент 7 960 928 описывает методы управления двигателем на основе дан-
ных, поступающих от нескольких независимых источников. Патентом уста-
навливается пять режимов работы, каждый из которых изменяет конечное
поведение электродвигателя.

392
Часть III. Электродвигатели в действии
■ Режим высокой производительности. Обеспечивает максимальные вра-
щающий момент и частоту вращения.
■ Экономный режим. Устанавливает минимальное энергопотребление.
■ Режим рекуперации энергии. Оптимизирует регенерацию энергии тор-
можения.
■ Низкотемпературный режим. Поддерживает температуру двигателя на
минимально возможном уровне.
■ Тяговый режим. Обеспечивает максимальное сцепление колес с дорогой.
Патентом определяется, что в каждый отдельно взятый момент времени
для двигателя может быть выбрано несколько режимов работы. В нем де-
тально описывается, каким образом в каждом из режимов осуществляется
изменение вращающего момента и частоты вращения. Например, в разделе,
посвященном низкотемпературному режиму, показано, каким образом ток в
обмотках и проводящих элементах ротора влияет на температуру электродви-
гателя. Из описания следует, что при переходе в низкотемпературный режим
контроллер должен поддерживать на входе двигателя минимально возмож-
ный ток питания.
Режимы работы двигателя активизируются и отключаются электронными
системами электромобиля автоматически. Патент подробно рассказывает о
том, как реализуется такое управление двигателем.
" При нажатии водителем педали газа (или по команде контроллера
увеличить вращающий момент двигателя) настройки автомобиля
переводятся (вручную или автоматически) в режим максимальной
производительности (без отключения активизированных ранее ре-
жимов, например режима рекуперации энергии торможения). При
включении круиз-контроля настойки системы восстанавливаются
до исходных значений, определяемых экономным режимом рабо-
ты двигателя (исходные режимы работы, например рекуперации,
при этом по-прежнему не отключаются). Как только круиз-конт-
роль отключается, двигатель возвращается в режим максимальной
производительности".
На рис. 14.6 показана диаграмма, иллюстрирующая действия контроллера
по изменению режимов работы электродвигателя.
Управление индукционным двигателем в бытовых устройствах — это
сложная, хотя и хорошо известная инженерам задача, решение которой не
вызывает больших затруднений. При изучении патентов Tesla Motors стано-

Глава 14. Электромобили
393
вится очевидным, что организовать управление индукционным двигателем
в электромобиле несравнимо сложнее, поскольку это требует принятия ком-
плексных решений в режиме реального времени.
1405
1410
1415
Рис. 14.6. Алгоритм принятия решений по изменению настроек
системы управления электродвигателем
14.3.2. Внутренняя конструкция индукционного
двигателя
Патент 8 154 167 содержит сведения об усовершенствованной конструк-
ции индукционного двигателя, применяемого в электромобилях. За основу
взят стандартный двигатель с ротором типа "беличья клетка", описанный
в главе 6. На поверхности его ротора цилиндрической формы смонтированы
проводящие стержни, в которых под воздействием магнитного поля обмоток
(но не постоянных магнитов) статора индуцируется электрический ток.

394
Часть III. Электродвигатели в действии
Патент описывает изменения в конструкции статора и ротора индукци-
онного двигателя, устанавливаемого в электромобили. Поперечный разрез
индукционного двигателя усовершенствованной конструкции показан на
рис. 14.7.
Воздушный
зазор
. Зубья
"статора
Рис. 14.7. Поперечный разрез защищенного патентом индукционного двигателя
В патенте весьма точно указаны геометрические размеры и расположение
элементов конструкции, показанных на рис. 14.7. В частности, в тексте па-
тента приводятся следующие сведения.
■ Статор двигателя должен содержать не менее 60 зубьев, а ротор — не
менее 74 зубьев.
■ Длина зубьев статора/ротора в 4—6 раз больше его ширины.

Глава 14. Электромобили
395
■ Зубья ротора длиннее зубьев статора в 1 -1,2 раза.
■ Воздушный зазор между ротором и статором должен составлять 0,5-
0,8 мм.
Обмотки статора и ротора размещаются на двух уровнях углубления. Пи-
тание на обмотки подается согласно трехфазной схеме: А, В и С. Порядок
организации обмоток в статоре, содержащем 60 зубьев, показан на рис. 14.8.
Первый слой
Верхний
Нижний
Паз
1
А1
А1
2
А1
А1
3
А1
4
5
6
7
8
В4
9
В4
В4
10
В4
В4
11
12
13
А1
14
А1
А1
15
А1
А1
16
А2
А2
17
А2
А2
18
А2
19
20
21
С1
С1
22
С1
С1
23
С1
24
25
26
27
28
А2
29
А2
А2
30
А2
А2
Верхний
Нижний
31
32
33
С1
34
С1
С1
35
С1
С1
36
С2
С2
37
С2
С2
38
С2
39
40
41
ВЗ
ВЗ
42
ВЗ
ВЗ
43
ВЗ
44
Паз
45
46
47
48
С2
49
С2
С2
50
С2
С2
51
52
53
ВЗ
54
ВЗ
ВЗ
55
ВЗ
ВЗ
56
В4
В4
57
В4
В4
58
В4
59
60
Второй слой (полужирный курсив)
Паз
Верхний
Нижний
Верхний
Нижний
А1
31|32
А31АЗ\
аз\аз
А1
СЗСЗСЗС4С4С4
СЗ СЗ 04 С4
37
С2
В4
38
39
10
11
В4В1
В4 В1 В1
С2 В2 В2 В2
С2 В2 В2
40
42
ВЗ
43
А1
44
Паз
45
ВЗ A3 A3 A3 А4 А4 А4
ВЗ АЗАЗА4А4
46
47
48
19
20
С4С4 С1
С4С4
21
С2
50
С1
51
С2 СЗ
52
С2 СЗ СЗ СЗ
СЗ
53
ВЗ
27I28
В2\В2
В2В2\№
57
В4
58
59(60
ВАА4А4\А4
В4 А4\А4
Рис. 14.8. Двухуровневое расположение обмоток трехфазного индукционного
двигателя
Патент также детально описывает способ наматывания и соединения об-
моток статора в общие схемы при полностью автоматизированном производ-
стве.
Согласно патенту соединение обмоток в общие электрические схемы для
всех 60 полюсов осуществляется в едином с наматыванием вокруг сердечни-
ков статора процессе. Такой подход позволяет отказаться от характерного для
традиционного способа изготовления трудоемкого процесса подключения
обмоток в общие схемы питания. В результате увеличивается общая скорость
производства двигателей, снижается их стоимость и повышается надежность
и долговечность конструкции.
В конце патента рассмотрены электромагнитные поля, возникающие в
области ротора и статора предложенной конструкции. В нем показано, что

396
Часть III. Электродвигатели в действии
форма и размер зубьев статора и ротора выбраны таким образом, чтобы опти-
мизировать силу тока, индуцируемого в проводящих стержнях ротора.
14.3.3. Система управления электромобилем
с двумя двигателями
Большинство электромобилей оснащено только одним двигателем, но
в патенте 8 453 770 описана система управления автомобилем, силовая уста-
новка которого представлена сразу двумя электродвигателями. Двухдвига-
тельная компоновка имеет целый ряд преимуществ перед традиционной кон-
струкцией:
■ оптимизация энергопотребления обеспечивает высокий уровень эко-
номии заряда аккумуляторной батареи;
■ перераспределение нагрузки позволяет поддерживать работу двигате-
лей в оптимальном диапазоне температур;
■ упрощение равномерного распределения массы между осями автомо-
биля;
■ оптимизация управления электромобилем при разных дорожных усло-
виях и режимах работы.
Еще одно преимущество описанной в патенте компоновки силовых агре-
гатов электромобиля проявляется при разделении нагрузки на двигатели. На-
пример, один из них может работать в обычном режиме при низкой скорости
движения, а второй — активизироваться только при возникновении повы-
шенных нагрузок или необходимости в быстром ускорении автомобиля. По-
добная схема управления силовыми агрегатами обеспечивает существенную
экономию заряда аккумуляторов и гарантированно продлевает срок службы
каждого из двигателей.
При установке в электромобиль двух двигателей возрастает нагрузка на
контроллер, которому приходится обрабатывать намного больше данных,
чем при управлении только одним двигателем, и генерировать вдвое больше
управляющих сигналов. Патент 8 453 770 содержит общие сведения об алго-
ритме принятия решений контроллером, называемым регулятором вращаю-
щего момента, в двухдвигательной схеме управления. В предложенном патен-
том варианте он состоит из трех основных компонентов.
■ Блок генерирования команд для антипробуксовочной системы. Обрабаты-
вает данные о скорости автомобиля и коэффициенте скольжения колес
~~ подорожному покрытию, а также учитывает ошибки проскальзывания.

Глава 14. Электромобили
397
■ Блок перераспределения вращающего момента. Вычисляет оптимальные
значения вращающего момента для каждого из двигателей.
■ Блок антипробуксовочной системы. Компенсирует проскальзывание
колес.
Для выполнения своих функций регулятор вращающего момента полу-
чает данные от многочисленных датчиков, установленных в системе, вклю-
чая датчик скорости, положения руля, газа, торможения и выбора передачи.
Общая схема устройства регулятора вращающего момента электромобиля с
двухдвигательной силовой установкой показана на рис. 14.9. На ней показа-
ны все основные устройства, передающие данные контроллеру и принимаю-
щие непосредственное участие в управлении двигателями.
В патенте самым детальным образом описаны способы обмена управля-
ющими сигналами между отдельными устройствами системы. Например,
для устранения несоответствия в частотах вращения обоих двигателей в ре-
гуляторе вращающего момента применяется двухкаскадная схема с обратной
связью. Для перераспределения вращающих моментов задействуется схема
управления с прямой связью.
На схеме, изображенной на рис. 14.9, аббревиатурой "ESS" обозначается
электроаккумулирующая система, представляемая как аккумуляторами, так
и конденсаторами большой емкости. Данная система оснащена датчиками
температуры, выходного напряжения и тока, данные с которых предаются в
блок ограничения вращающего момента. Его задача сводится к вычислению
максимального вращающего момента, развиваемого обоими двигателями.
Регулятор вращающего момента использует эти данные для определения вра-
щающего момента каждого из двигателей.
14.3.4. Повышение качества производства ротора
В то время как в патентах, рассмотренных в предыдущих разделах, речь
шла об улучшении общей конструкции двигателя и систем его управления,
в данном разделе мы поговорим об улучшении качества производства ком-
плектующих. Патент 8 572 837 посвящен способам улучшения рабочих харак-
теристик ротора индукционного двигателя.
Как было показано в главе 6, вал двигателя данного типа вращается под
воздействием силы, возникающей в результате взаимодействия магнитно-
го поля статора с индукционным током, который образуется в проводниках
ротора. Ключевой момент производства ротора заключается в равномерном
распределении на его поверхности проводящих стержней, замыкаемых ис-

398
Часть III. Электродвигатели в действии
ключительно на торцах цилиндра. Еще один критически важный аспект про-
изводства ротора — это полная автоматизация процесса. На рис. 14.10 пока-
заны составляющие элементы и порядок сборки ротора.
Система
курсовой
устойчивости
1335
1331
1300
Датчик
переключателя
передач
Трансмиссия/
дифференциал
Датчик
положения
педали газа
•1329
Рис. 14.9. Схема устройства регулятора вращающего момента в электромобиле
с двухдвигательной силовой установкой

Глава 14. Электромобили
399
210 Диски из
ламинированной
стали
212 Стержни
214 Втулки
220 Вал
236 Отверстие
240 Отверстия
234 Пластины
222 Фланец
224 Гайка
230 Хомут
)—232 Муфта
— 238 Отверстие
Рис. 14.10. Компоненты, используемые при производстве
ротора индукционного двигателя
Ламинированные стальные диски формируют сердечник ротора, на по-
верхности которого проделаны продольные бороздки. Впоследствии в эти
бороздки запрессовываются (или отливаются) алюминиевые или медные
стержни, обрезаемые по длине сердечника. На торцах сердечника устанавли-
ваются специальные проводящие втулки, в которые заводятся алюминиевые
или медные стержни. Тем самым обеспечивается замыкание проводников ро-
тора. Для фиксации всей конструкции в радиальном направлении оба ее тор-
ца обжимаются хомутами. В продольном направлении стальные диски сер-
дечника зажимаются на валу с помощью гаек, под которые подкладываются
фланцы, соразмерные поперечному сечению сердечника. Для повышения

400
Часть III. Электродвигатели в действии
прочности удержания проводящих стержней втулки на торцах ротора могут
дополнительно обжиматься бериллиевыми хомутами.
Ключевой элемент в конструкции ротора — это проводящие стержни. Чем
меньше их сопротивление, тем выше КПД индукционного двигателя. По-
скольку проводимость меди выше, чем алюминия, в патенте делается акцент
на использовании в роторе исключительно медных проводящих элементов.
Чтобы обеспечить низкое сопротивление стержней ротора, их замыкание на
торцах ротора должно осуществляться через втулки, изготовленные из посе-
ребренной меди.
У серебра низкая температура плавления, поэтому после завершения сбор-
ки ротор помещают в электропечь, где стержни спаиваются с втулками, обес-
печивая надежный контакт. После остывания с ротора снимаются обжимные
хомуты и торцевые гайки с фланцами — теперь он полностью готов к уста-
новке в индукционный двигатель.
14*4. Резюме
Важность развития отрасли легкового электромобилестроения сложно
переоценить. В дополнение к уменьшению уровня загрязнения электромо-
били помогают обществу преодолеть глобальную зависимость от ископае-
мых источников энергии. На момент написания книги электромобили были
слишком дорогим видом легкового транспорта для рядового потребителя и
по целому ряду параметров уступали автомобилям, оснащенным двигателя-
ми внутреннего сгорания. Хочется верить, что данный разрыв в технических
характеристиках и ценовой политике будет сокращен или даже преодолен в
самом ближайшем будущем.
Для большинства потребителей, фанатично относящихся к идее облада-
ния электромобилем, единственный верный способ его приобретения заклю-
чается в переоборудовании бензиновой или дизельной силовой установки
имеющегося в наличии легкового автомобиля в электрическую. Такая опе-
рация обойдется намного дешевле приобретения серийного электромобиля
с заведомо лучшими техническими характеристиками. Основные трудности
при переоснащении силового агрегата заключаются в муках выбора аккуму-
ляторной батареи и электродвигателя. Коллекторные двигатели постоянного
тока дешевые и простые в управлении, но имеют низкий КПД, недостаточ-
ную надежность, требуют регулярного обслуживания и не позволяют поддер-
живать постоянную скорость вращения при изменении нагрузки. Двигатели
переменного тока существенно дороже и сложнее в управлении, но обеспе-

Глава 14. Электромобили
401
чивают рекуперацию энергии торможения, что позволяет дозаряжать акку-
муляторы в процессе эксплуатации.
При выборе источника питания следует помнить, что свинцово-кислот-
ные аккумуляторы, хотя и имеют небольшую стоимость, обладают низкими
токоотдачей и удельной емкостью на единицу веса. Литий-ионные аккумуля-
торы, наоборот, характеризуются высокой удельной емкостью и токоотдачей,
но небезопасны при повреждении, а их стоимость порой сводит на нет все
озвученные выше преимущества. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
имеют несколько меньшую удельную емкость, чем литий-ионные источники
питания, но абсолютно безопасны при неосторожной эксплуатации и проще
в обслуживании.
В главе описывались основные характеристики трех наиболее популярных
серийных электромобилей: Tesla Motors Model S, Nissan Leaf и BMWi3. Наи-
большей мощностью и запасом хода обладает Tesla Model S, но его стоимость
в 2-3 раза выше ближайших конкурентов.
В конце главы был приведен обзор четырех патентов Tesla Motors, ставших
всеобщим достоянием с подачи руководства компании. Патенты содержат
подробные сведения о конструктивных особенностях двигателей, устанавли-
ваемых в электромобилях. Два из четырех рассмотренных патентов касаются
систем управления индукционными электродвигателями. Примечательно,
что для принятия окончательных решений системе управления приходится
принимать во внимание огромное количество факторов.
Во всех моделях компании Tesla Motor применяются исключительно ин-
дукционные двигатели. Неудивительно, что оформленные ею патенты опи-
сывают улучшения, позволяющие таким двигателям работать в электромо-
билях в максимально эффективных режимах. Один из рассмотренных в главе
патентов определяет оптимальную форму зубьев ротора и статора, а другой
детально описывает процедуру изготовления роторов на автоматизирован-
ных производственных линиях.

Часть IV
Приложения

А
Электрогенератор
Ha протяжении всей книги мы рассматривали устройства, по-
зволяющие преобразовывать электрическую энергию в механиче-
скую. В приложении мы изучим обратный процесс — получение
электрического тока из механической энергии. Эта операция назы-
вается генерированием электроэнергии, а электрические машины,
выполняющие такую задачу, называют генераторами. Как вы узна-
ете далее, у электродвигателей и генераторов очень много общего.
Электрические генераторы играют важнейшую роль в совре-
менном обществе. В случае катастроф или серьезных поломок на
электростанциях первостепеннейшей задачей служб спасения ста-
новится восстановление подачи электрического тока в магистраль-
ные линии электропередач. До устранения неполадок энерго-
снабжение жилых домов и предприятий поддерживается за счет
локальных электрогенераторов разного уровня мощности. Генера-
тором оснащен каждый легковой автомобиль, расходующий элект-
роэнергию на освещение дорожного полотна, усиление рулевого
управления и поддержание сигнализации в рабочем состоянии.
Генераторы бывают двух основных типов: постоянного и пере-
менного тока. Они имеют схожую конструкцию, но для получения
постоянного тока напряжение на выходе генератора нужно до-
полнительно выпрямить и сгладить. Генераторы постоянного тока
иногда называют динамомашинами. Их конструкция и принципы

406
Часть IV. Приложения
функционирования, включая системы выпрямления и сглаживания, рассма-
триваются в первой половине приложения.
Генераторы переменного тока более распространены, чем генераторы по-
стоянного тока, поэтому им посвящена большая часть приложения. Все ге-
нераторы переменного тока делятся на две большие категории: с постоян-
ными магнитами и с катушками возбуждения. Генераторы первой категории
называются магнитоэлектрическими (МЭГ) и отличаются простотой кон-
струкции и высокой надежностью. Ко второй категории относятся самовоз-
буждающиеся генераторы — чаще всего они устанавливаются в современных
автомобилях и на электростанциях.
Общие сведения
В главе 1 были приведены общие сведения об устройстве и функциониро-
вании электродвигателей. В ней было показано, что на проводник с током,
помещенный в магнитное поле, действует сила, заставляющая его переме-
щаться. Она называется силой Лоренца и обусловливает работоспособность
любого электродвигателя.
Имеет место и обратный эффект. Перемещая проводник без электрическо-
го тока в магнитном поле, можно обнаружить на его концах разницу потенци-
алов. Как известно из главы 6, на этом эффекте построена работа индукцион-
ных двигателей. Функционально генератор переменного тока представляет
собой индукционный двигатель, вход и выход у которого поменяны местами.
На вход генератора подается механическая энергия, а с его выхода снимается
электрический ток.
Для получения электрического тока внутри генератора вращается либо
проводник, либо возбуждающий магнитное поле элемент. Как и у электро-
двигателя, движущаяся часть генератора называется ротором, а неподвиж-
ная — статором. Под якорем подразумевают элемент генератора, в котором
возникает индукционный ток. Магнитное поле в генераторе либо возбужда-
ется обмотками, либо образуется постоянными магнитами.
Упрощенная схема устройства генератора показана на рис. АЛ. В изобра-
женном на рисунке варианте якорь, в котором возникает индукционный ток,
вращается внутри статора, содержащего постоянные магниты.
Для вращения проводника внутри магнитного поля используется входная
механическая система. В процессе вращения в проводнике якоря индуциру-
ется электрический ток, который поступает на токосъемные кольца и снима-
ется внешним устройством через графитные щетки.

Приложение А. Электрогенератор
407
Вращение (на входе)
Индукционный ток
(подается на выход)
Щетки
Токосъемные
кольца
Рис. А.1. Упрощенная схема устройства генератора
Входная мощность генератора равна произведению частоты вращения его
вала (со) и вращающего момента (т). Выходная мощность рассчитывается как
индуцированное напряжение на якоре ((/), умноженное на силу протекаю-
щего в нем тока (/). Таким образом, КПД генератора определяется следую-
щей зависимостью:
~ =
Рвх
Рмех
Генератор, схема которого показана на рис. АЛ, обеспечит электрическим
током разве что лампочку или зарядное устройство для телефона. Чтобы по-
лучить намного больше электроэнергии, потребуется генератор крупных раз-
меров. Например, если создать генерирующую установку на базе обычного
велосипеда и крутить педали изо всех сил, то удастся получить не более 100 Вт
электричества. Такой мощности как раз хватит для обеспечения питанием
небольшого телевизора.
Подобно тому как двигатели работают от постоянного или переменного
тока, генераторы также производят либо постоянный, либо переменный ток.
Далее мы рассмотрим каждый из двух типов генераторов.

408
Часть IV. Приложения
Генератор постоянного тока
В начале электрической эры человечество пользовалось приборами, рабо-
тающими исключительно от постоянного тока, и ничего не знало о возмож-
ностях, предоставляемых переменным током. Чтобы обеспечить постоянно
возрастающую потребность в электричестве, инженерам пришлось изобре-
сти генераторы постоянного тока, которые в то время назывались динамома-
шинами или просто динамо.
ПРИМЕЧАНИЕ
Динамомашины — это не единственно возможный тип генераторов посто-
янного тока. Постоянный ток можно также получать с помощью униполярного
генератора или магнитогидродинамического (МГД) генератора. Рассмотрение
устройств данного типа выходит за рамки книги.
По принципу действия динамомашина подобна генератору, схематически
изображенному на рис. АЛ. Если быть точным, то конструктивно он полнос-
тью совпадает с коллекторным двигателем постоянного тока, описанным
в главе 3. У генератора постоянного тока есть коммутирующее устройство,
постоянные магниты и коллекторный узел. Основное различие между гене-
ратором и двигателем, как подчеркивалось ранее, заключается в типе преоб-
разования энергии. Двигатель потребляет электричество для производства
механической энергии, а генератор, наоборот, производит электрический
ток, потребляя механическую энергию.
По мере вращения ротора ток на выходе генератора сначала увеличива-
ется, а затем спадает. Каждые пол-оборота ротора коммутатор изменяет на-
правление тока на противоположное, обеспечивая его протекание только в
одном направлении. Временная зависимость сигнала на выходе генератора
показана на рис. А.2.
Рис. А.2. Выпрямленный сигнал на выходе генератора

Приложение А. Электрогенератор
409
Перед тем как подавать такой ток на приемники постоянного тока, не-
обходимо привести напряжение к одному уровню. Этот процесс называет-
ся сглаживанием и заключается в подключении конденсатора параллельно к
нагрузке. По понятным причинам конденсатор, обеспечивающий сглажива-
ние выходного напряжения генератора, называется сглаживающим, и чем
больше его емкость, тем стабильнее напряжение, подаваемое на нагрузку.
Электрическая схема устройства, включающего сглаживающий конденсатор,
показана на рис. А.З.
Рис. А.З. Электрическая схема подключения
к генератору сглаживающего конденсатора
Результат сглаживания выходного напряжения генератора конденсатором
показан на рис. А.4.
Рис. А.4. Пульсирующее напряжение на выходе генератора, сглаженное
с помощью конденсатора
Если один конденсатор плохо справляется со сглаживанием напряже-
ния, то его заменяют фильтром, состоящим из двух параллельно включен-
ных конденсаторов и катушки индуктивности между ними. Электрическая
схема сглаживающего фильтра для генератора постоянного тока показана
на рис. А.5.

410
Часть IV. Приложения
Рис. А.5. Электрическая схема П-образного LC-фильтра
В данной схеме первый конденсатор (С1) представляет собой короткозам-
кнутую цепь для переменного тока. Он препятствует прохождению больших
пульсаций переменного тока на выход схемы. Сопротивление катушки ин-
дуктивности L1 препятствует дальнейшему прохождению переменного тока
на выход схемы. Второй конденсатор (С2) также удаляет переменную со-
ставляющую тока на выходе схемы, в результате чего получается достаточно
сглаженное постоянное напряжение, подходящее для работы большинства
устройств.
Генератор переменного тока
В XX веке человечество начало понемногу отказываться от использования
мощных приемников постоянного тока в пользу устройств, требующих мно-
гофазного питания переменным током. С изобретением трансформаторов
стало возможным полностью отказаться от использования мощных прием-
ников постоянного тока как в быту, так и на производстве. Трансформаторы
бывают повышающими (увеличивают напряжение, уменьшают ток) и пони-
жающими (уменьшают напряжение, увеличивают ток). Их важность предо-
пределяется необходимостью передачи электроэнергии на большие рассто-
яния. Чем слабее ток протекает в линии электропередач, тем меньше потери
в ней при передаче электроэнергии на значительные расстояния. Именно
поэтому в современные линии электропередач ток подается через повышаю-
щие трансформаторы. Перед тем как подать его в бытовую электросеть, вы-
соковольтный сигнал пропускают через понижающий трансформатор, чтобы
получить напряжение нужного уровня.
Поскольку передача переменного тока на большие расстояния осуществ-
ляется с незначительными потерями, генераторы переменного тока более

Приложение А. Электрогенератор
411
востребованы, чем генераторы постоянного тока. Основная характеристика
генераторов переменного тока — это коэффициент полезного действия, и
чем он выше, тем лучше. В этом разделе рассмотрены принципы функцио-
нирования генераторов переменного тока, а также описаны основные типы
генераторов, используемых в промышленности.
Принцип действия генератора переменного тока
Над улучшением конструкции генератора переменного тока постоян-
но работают лучшие инженеры и электротехники всего мира, хотя базовые
принципы его функционирования остаются неизменными с момента изобре-
тения. Генератор переменного тока имеет такое же устройство, как и генера-
тор постоянного тока, но сигнал на его выходе не подвергается выпрямлению
и сглаживанию. Это означает, что в нем не задействуется коммутатор, и на-
правление электрического тока изменяется каждые полпериода. В результате
сигнал на выходе генератора переменного тока изменяется так, как проиллю-
стрировано на рис. А.6.
Рис. А.6. Сигнал на выходе генератора переменного тока
Характеристики выходного сигнала напрямую зависят от особенностей
конструкции генератора переменного тока.
■ Амплитуда сигнала пропорциональна напряженности магнитного поля
статора (обусловливается постоянными магнитами).
■ Количество фаз определяется числом катушек ротора, вращающихся в
магнитном поле статора.
■ Частота сигнала зависит от частоты вращения ротора и количества по-
люсов статора.
Последнее утверждение очень важно для понимания принципов функ-
ционирования генератора переменного тока. Обозначив частоту вращения

412
Часть IV. Приложения
ротора как ns, а количество полюсов — как р, частоту выходного сигнала/
можно вычислить согласно следующей формуле:
f
J 120
Это уравнение полностью повторяет формулу, использованную в главе 6
для определения частоты вращения вала синхронного двигателя переменно-
го тока. В частности, если ротор четырехполюсного генератора вращается с
частотой 90 об/мин, то частота выходного сигнала составляет (90)(4)/120 =
= 360/120 = 3 Гц.
Магнитоэлектрические и самовозбуждающиеся
генераторы
Генераторы переменного тока, как и двигатели, классифицируются по са-
мым разным критериям: весу, размеру, вращающему моменту, частоте враще-
ния и количеству фаз выходного сигнала.
В этом разделе генераторы будут разделяться на категории согласно спо-
собу получения магнитного поля. Магнитоэлектрическими называются гене-
раторы, в которых для получения магнитного поля применяются постоянные
магниты. В самовозбуждающихся генераторах магнитное поле формируется
обмотками, на которые подается постоянный ток.
ПРИМЕЧАНИЕ
В некоторых источниках самовозбуждающийся генератор называется аль-
тернатором или синхронным генератором. Отдельные авторы называют аль-
тернаторами все без исключения генераторы переменного тока независимо от
способа получения в них магнитного поля.
Магнитоэлектрический генератор
Генераторы, конструкция которых предполагает использование постоян-
ных магнитов, называются магнитоэлектрическими. Они просты в производ-
стве и обладают высокой надежностью, поэтому обычно устанавливаются в
устройствах, где это критически важно, например в самолетах и маяках.
В большинстве магнитоэлектрических генераторов постоянные магни-
ты располагаются снаружи, а обмотки, с которых снимается электрический
ток, — внутри. Другими словами, постоянные магниты закреплены на рото-
ре, а обмотки — на статоре (рис. А.7). Легко заметить, что такое взаимное

Приложение А. Электрогенератор
413
расположение конструктивных элементов характерно для внешнероторного
вентильного двигателя, описанного в главе 3.
Ротор
Статор
я Проводник
СЭЛ. ТОКОМ
Постоянные
магниты
Рис. А.7. Конструкция магнитоэлектрического генератора
Магнитоэлектрические генераторы обычно используются в схемах зажи-
гания маломощных двухтактных двигателей, устанавливаемых, например, в
газонокосилках или бензопилах. В указанных устройствах функция генерато-
ра заключается в периодической подаче импульсов высокого напряжения на
свечи, а не в подаче постоянного напряжения.
Самовозбуждающийся генератор
В отличие от магнитоэлектрического генератора, в самовозбуждающемся
генераторе магнитное поле образуется обмотками ротора, через которые про-
пускается постоянный ток. В данном случае, чтобы получить на выходе элек-
трический ток, на вход генератора подается и механическая, и электрическая
энергия. Процесс получения электрической энергии из нее самой называется
самовозбуждением.
Описанный выше способ получения электроэнергии может показаться
странным, но у самовозбуждающихся генераторов есть одно неоспоримое

414
Часть IV. Приложения
преимущество: они намного мощнее, чем магнитоэлектрические генераторы.
Именно поэтому они применяются в устройствах с высоким уровнем энерго-
потребления. В частности, самовозбуждающиеся генераторы устанавливают-
ся в современных легковых и грузовых автомобилях, пиковое энергопотре-
бление которых может составлять 100 А. Магнитоэлектрические генераторы
не смогут обеспечить выходной ток такой силы ни при каких обстоятельствах.
Для получения высокой выходной мощности самовозбуждающемуся генера-
тору автомобиля нужно иметь достаточное количество обмоток, запитанных
от полностью заряженного аккумулятора.
Базовая конструкция самовозбуждающегося генератора показана на
рис. А.8.
Обмотки
Ротор возбуждения
д
Статор
/
Обмотки
якоря
Рис. А.8. Конструкция самовозбуждающегося генератора
При установке в легковые или грузовые автомобили питание обмоток гене-
ратора данного типа осуществляется от аккумуляторной батареи. Выходной
электрический ток, поступающий с генератора, выпрямляется и сглаживает-

Приложение А. Электрогенератор
415
ся до уровня, безопасного для подачи на электронное оборудование автомо-
биля. Кроме обеспечения питанием фар и усилителей рулевого управления,
ток, поступающий с генератора в электросеть автомобиля, используется для
зарядки аккумуляторной батареи.
Самовозбуждающиеся генераторы также используются для выработки
электроэнергии на электростанциях. На момент написания книги в пяти
крупнейших гидроэлектростанциях для получения электроэнергии применя-
лись самовозбуждающиеся генераторы, которые интегрированы в турбины,
вращаемые водным потоком.
В частности, производство электроэнергии крупнейшей китайской гидро-
электростанцией, построенной на плотине "Три ущелья", осуществляется с
помощью 32 самовозбуждающихся генераторов, каждый из которых имеет
выходную мощность 700 МВт и диаметр статора чуть более двух метров.
Резюме
Современная техника немыслима без электродвигателей, а без генерато-
ров невозможна человеческая цивилизация. Если вам знакомы устройство
и принципы функционирования электродвигателей, то генераторы не пока-
жутся вам сложными для понимания устройствами. Как известно, в двигате-
лях вращение вала обеспечивается силой, которая действует на проводник с
током, помещенный в магнитное поле. В генераторах же наблюдается обрат-
ный эффект: перемещение проводника в магнитном поле приводит к возник-
новению в нем электрического тока.
Любой генератор вырабатывает переменный ток. Для получения на выхо-
де постоянного уровня напряжения, его необходимо выпрямить и сгладить.
Выпрямление осуществляется коммутатором, который обеспечивает проте-
кание тока в одном направлении. Для последующего сглаживания напряже-
ния применяется П-образный ZC-фильтр.
В повседневной жизни мы сталкиваемся преимущественно с генератора-
ми переменного тока. По способу возбуждения магнитного поля они делятся
на магнитоэлектрические и самовозбуждающиеся. У магнитоэлектрических
генераторов формирование магнитного поля происходит под воздействием
постоянных магнитов, а за образование магнитного поля у самовозбужда-
ющихся генераторов отвечают катушки возбуждения. Мощность последних
намного выше, чем постоянных магнитов, поэтому именно они применяют-
ся в автотранспорте и на электростанциях.

Б
Словарь терминов
Изучая электродвигатели, вам придется черпать информацию
из других источников. Чтобы не запутаться в хитросплетении по-
нятий, описывающих физические принципы и явления, важно на-
учиться использовать единую терминологию. В приведенном далее
словаре вы найдете определения всех основных терминов, применя-
емых не только в этой книге, но и во многих справочных пособиях.
Arduino. Наиболее популярная микроконтроллерная плата, пред-
назначенная для построения встроенных систем. К ее неоспори-
мым достоинствам относят простоту в использовании, низкую сто-
имость и открытость аппаратной платформы.
Асинхронный двигатель (asynchronous motor). Электродвигатель,
скорость вращения вала которого не совпадает с частотой подавае-
мого на него электрического тока (известен также как индукцион-
ный двигатель).
Бездатчиковая система управления (sensorless motor control). Кон-
тролирует работу двигателя (как правило вентильного) без исполь-
зования встроенных датчиков. Его работа основывается на опре-
делении противоЭДС, что позволяет установить момент перехода
напряжения через нулевую отметку.
Биполярный транзистор с изолированным затвором, БТИЗ (Insu-
lated-Gate Bipolar Transistor — IGBT). Транзистор, сопротивление
между эмиттером и коллектором которого определяется напряже-

418
Часть IV. Приложения
нием, приложенным к затвору. Применяется в устройствах подачи питания
на электродвигатель. Не такой скоростной, как МОП-транзистор, но поддер-
живает большие рабочие токи и обеспечивает низкое остаточное напряжение
в открытом состоянии.
Биполярный шаговый двигатель (bipolar stepper). Шаговый двигатель, осна-
щенный четырьмя выводами, каждый из которых подключается к отдельно-
му полюсу одного из электромагнитов. Управление им осуществляется с по-
мощью драйвера, основанного на мостовой (или подобной) схеме.
Ватт (Вт). Единица измерения мощности.
Один ватт равен 0,0013410220Ялх,
Вентильный, или бесколлекторный, двигатель постоянного тока (В rush less
DC Motor — BLDC). Электродвигатель, рассчитанный на импульсное управ-
ление. Вследствие отсутствия коммутатора имеет высокую надежность и
производительность, но ощутимо сложнее в управлении, чем коллекторный
электродвигатель.
Возбуждающий (постоянный) магнит (field magnet). Постоянный магнит, не-
обходимый для возникновения индукции в электродвигателе.
Воздушный (радиальный) зазор (air gap). Пространство, отделяющее ротор
от статора.
Внешнероторный двигатель (outrunner). Вентильный, или бесколлектор-
ный, двигатель, ротор которого находится снаружи, а статор — внутри. В об-
щем случае внутрироторные двигатели обеспечивают большую скорость вра-
щения вала, а внешнероторные — больший вращающий момент.
Внутрироторный двигатель (inrunner). Вентильный, или бесколлекторный,
двигатель, ротор которого находится внутри, а статор — снаружи.
Вращающий момент (torque). Физическая величина, обусловленная сущес-
твованием вращающей силы. Если учесть, что вращающая сила направлена
перпендикулярно радиусу дуги, то вращающий момент определяется как
произведение силы и радиуса.
Гибридный шаговый двигатель (hybrid stepper). Шаговый двигатель, объеди-
няющий лучшие свойства обоих типов шаговых двигателей: реактивного и с
постоянными магнитами. Обладает меньшим угловым разрешением и боль-
шим вращающим моментом.
Датчик на эффекте Холла (Hall effect sensor). Датчик, выходной сигнал с
которого зависит от величины магнитного поля.
Датчик положения вала (encoder). Устройство, обеспечивающее обратную
связь электродвигателя с контроллером. Датчики обратной связи бывают
магнитными и оптическими.

Приложение Б. Словарь терминов
419
Датчиковая система управления (sensored motor control). Контролирует
работу двигателя (как правило вентильного), основываясь на показаниях
встроенных в него датчиков (обычно датчиков на эффекте Холла).
Двигатель без сердечника (coreless motor). Двигатель, обмотки в котором не
имеют стального сердечника.
Двигатель переменного тока (AC motor). Двигатель, получающий питание от
источника переменного тока (АС). Бывают синхронными и асинхронными,
одно- и многофазными.
Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (Shunt-Wound DC
Motor — SHWDC). Электродвигатель постоянного тока, в котором обмотка
возбуждения, формирующая магнитное поле, включена параллельно обмот-
ке якоря.
Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением (Series-Wound
DC Motor — SWDC). Электродвигатель постоянного тока, в котором обмотка
возбуждения, формирующая магнитное поле, подключена последовательно
с обмоткой якоря.
Двигатель с воздушным сердечником или полым ротором (aircore motor). Дви-
гатель, в электромагнитах которого отсутствует стальной или любой другой
сердечник.
Двигатель с дробным числом пазов на полюс и фазу (fractional slot motor).
Электродвигатель, в котором количество обмоток не кратно количеству по-
люсов магнита.
Двигатель с целым числом пазов на полюс и фазу (integral slot motor). Элек-
тродвигатель, в котором количество обмоток кратно количеству магнитных
полюсов.
Динамометр (dynamometer). Прибор для измерения силы или вращающего
момента, часто применяемый для определения рабочих характеристик элек-
тродвигателя.
Дробление шага, или микрошаг (microstep). Метод независимого управле-
ния током обмоток шагового электродвигателя. Устанавливая произвольное
соотношение токов в обмотках, можно зафиксировать ротор в промежуточ-
ном положении между шагами.
Зависимость вращающего момента от частоты вращения (torque-speed curve).
Характеристика, показывающая, как вращающий момент электродвигателя
зависит от частоты вращения его вала.
Зацепление (cogging). Склонность ротора вращаться рывками.
Инвертирующий преобразователь (power inverter). Источник питания, обес-
печивающий на выходе сигнал требуемой формы. Для вентильных двигате-

420
Часть IV. Приложения
лей это импульсный сигнал с разными уровнями напряжения, а для элек-
тродвигателей переменного тока — синусоидальный сигнал для одной или
нескольких фаз.
Йедлик, Аньош. Венгерский инженер, сконструировавший первую про-
мышленную модель электродвигателя.
Катушка возбуждения/обмотка электромагнита (field coil/field winding). Элек-
трообмотка, в задачу которой входит создание магнитного поля.
Кодовый датчик абсолютного положения (absolute encoder). Устройство, ко-
торое предоставляет контроллеру сведения о скорости вращения вала и его
положении.
Коллекторный электродвигатель постоянного тока (brushed DC motor). Дви-
гатель, оснащенный коммутатором, позволяющим изменять направление
прохождения тока через якорь. Дешевый в производстве и простой в управ-
лении, но требует регулярной замены щеток.
Коммутация (commutation). Процесс изменения направления тока через
каждые пол-оборота ротора. Характерна для коллекторных двигателей посто-
янного тока и генераторов постоянного тока.
Коэффициент заполнения (duty cycle). В ШИМ-сигнале определяет соотно-
шение длительности импульса к периоду импульса. Представляется процент-
ным значением.
Коэффициент мощности (power factor). Представляется числом из диапазо-
на от 0 до 1 и определяет ту часть мощности, которая ушла на выполнение
полезной работы. Одна из важнейших характеристик двигателей переменно-
го тока.
Линейный двигатель (linear motor). Электродвигатель, обеспечивающий ли-
нейное перемещение своей подвижной части, в отличие от обычного двига-
теля, в котором вращается вал.
Литий-железо-фосфатный аккумулятор, LiFePO4 (Lithium-Iron-Phosphate —
LFP). Автономный источник питания, созданный по новой технологии, ко-
торый редко применяется в системах управления электродвигателями. Акку-
муляторные батареи, построенные по технологии LiFePO4, имеют меньшую
емкость, чем литий-полимерные (Li-Po) источники питания, но обладают
более стабильными рабочими характеристиками.
Литий-полимерный аккумулятор (Lithium-Polymer — Li-Po). Автономный
источник питания, чаще других применяемый в системах управления элек-
тродвигателями. Литий-полимерные аккумуляторы обладают большой емко-
стью на единицу веса, но не могут похвастать стабильными рабочими харак-
теристиками.

Приложение Б. Словарь терминов
421
Лошадиная сила (л.с). Единица измерения мощности двигателя, равная
745,699872 Вт.
Любительский сервопривод (hobbyist servo). Сервопривод, оснащенный все-
го тремя выводами: питание, общий и управляющий» Установка угла поворо-
та рычага сервопривода осуществляется с помощью ШИМ-сигнала. У элект-
родвигателя отсутствует обратная связь с контроллером.
Многофазный двигатель (polyphase motor). Двигатель переменного тока,
питание на который подается от нескольких (обычно трех) источников тока,
имеющих разные фазы.
Мостовая схема (Н bridge). Электрическая схема, состоящая из четырех
переключателей и позволяющая пропускать ток в двух направлениях. При-
меняется для изменения направления вращения вала электродвигателя на
противоположное.
Мощность (power). Скорость, с которой выполняется работа. Электричес-
кая мощность устройства определяется как сила тока, умноженная на по-
данное напряжение. Мощность обычных двигателей постоянного тока рас-
считывается как произведение вращающего момента и частоты вращения.
Мощность линейных двигателей равна линейной скорости, умноженной на
приложенную силу.
Накапливающий датчик положения, или энкодер (incremental encoder). Ко-
довый датчик, определяющий скорость вращения вала двигателя, но не его
положение.
Напряжение автоматической отсечки (auto-cutoff). Напряжение, при дости-
жении которого контроллер автоматически понижает мощность двигателя.
Об/мин (RPM). Единица измерения скорости вращения вала двигателя.
Один оборот в минуту соответствует угловой скорости 6 град/с
Обратная, или противодействующая, электродвижущая сила, противоЭДС
(back-EMF). Напряженность, генерируемая электродвигателем в процессе
работы. Измеряется в вольтах, пропорциональна скорости вращения вала
двигателя и по направлению противоположна протекающему в проводнике
току.
ПИД, или пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор
(Proportional-Integral-Differential controller — PID). Используется в контрол-
лерах для формирования управляющего сигнала, являющегося суммой трех
слагаемых: сигнала рассогласования, пропорционального разности входного
сигнала и сигнала обратной связи, интеграла сигнала рассогласования и про-
изводной сигнала рассогласования.

422
Часть IV. Приложения
Поворотный двигатель (rotary motor). Электродвигатель, преобразую-
щий энергию электрического тока в механическую энергию вращения вала.
В отличие от него линейный двигатель преобразует электрическую энергию
в поступательное движение.
Полевой транзистор со структурой "металл-океид-полупроводник", или
МОП-транзистор (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor —
MOSFET). Транзистор, сопротивление между истоком и стоком которого
определяется напряжением, приложенным к затвору Применяется в устрой-
ствах подачи питания на электродвигатель. Более скоростной, чем биполяр-
ный транзистор с изолированным затвором, но обеспечивает большее паде-
ние напряжения между стоком и истоком.
Полушаг (half-step). Метод управления шаговым двигателем, при котором
контроллер попеременно подает ток то на одну обмотку, то сразу на две. На
каждом этапе вал поворачивается на половину угла, а вращающий момент
зависит от количества одновременно задействованных обмоток.
Полярность (polarity). Взаимное расположение северного и южного полю-
сов магнита.
Порог нечувствительности (dead bandwidth). Максимальная длина импуль-
сов, которые все еще игнорируются сервоприводом. Вал сервопривода начи-
нает поворачиваться на заданный угол при подаче на него импульсов, дли-
тельность которых больше порога нечувствительности.
Потери в обмотке или меди (copper loss). Потери мощности, вызванные су-
ществованием у якоря собственного сопротивления. При токе I через якорь,
имеющий сопротивление Ra, потери мощности в обмотке составляют I2Ra.
Предельный перегрузочный момент (stall torque). Вращающий момент элек-
тродвигателя, определяющий предельно допустимую рабочую нагрузку. Ра-
вен максимальному вращающему моменту двигателя. Обозначается как xs.
Преобразование Лапласа (Laplace transform). Математическое преобразо-
вание, позволяющее представить дифференциальные уравнения в виде алге-
браических и наоборот.
Ротор (rotor). Движущаяся честь электродвигателя.
Сдвиг фаз (phase angle). В электротехнике определяется как смещение или
угол между фазами напряжения и тока. Сдвиг фаз считается положительным,
если напряжение опережает ток по фазе, и отрицательным в противном слу-
чае (напряжение отстает от тока по фазе).
Сервопривод (servomotor). Электродвигатель с датчиком обратной связи,
который позволяет точно управлять угловым положением, скоростью и уско-

Приложение Б. Словарь терминов
423
рением подключенного к нему исполнительного механизма. Любительские
сервоприводы не имеют обратной связи с контроллером.
Синхронный двигатель (synchronous motor). Электродвигатель переменного
тока, частота вращения вала которого совпадает с частотой вращения маг-
нитного поля в нем.
Система стабилизации напряжения (Battery Eliminator Circuit — ВЕС). Сис-
тема питания двигателя от аккумуляторов, обеспечивающая его отключение
при достижении порогового напряжения. Может представлять собой само-
стоятельное устройство либо являться частью электронного регулятора хода.
Система управления без обратной связи, или разомкнутая система управле-
ния (open-loop control system). Система управления без обратной связи элек-
тродвигателя с контроллером.
Система управления с обратной связью (closed-loop control system). Система
управления, обеспечивающая обратную связь электродвигателя с контрол-
лером.
Статор (stator). Неподвижная часть электродвигателя.
Точка максимальной эффективности (peak efficiency point). Рабочие условия,
при которых электродвигатель имеет максимальный КПД.
Удерживающий момент (holding torque). Вращающий момент, который удер-
живает вал шагового двигателя в текущем положении.
Униполярный шаговый двигатель (unipolar stepper). Шаговый двигатель,
оснащенный шестью выводами, каждый из которых соединен либо с возбуж-
дающей обмоткой, либо с центральной точкой. Проще в управлении, чем би-
полярный шаговый двигатель, но обладает меньшим вращающим моментом,
поскольку в каждый момент времени в нем задействуется только половина
обмоток возбуждения (электромагнитов).
Частота вращения холостого хода (no-load speed). Частота вращения вала
электродвигателя постоянного тока при отсутствии на нем нагрузки. Обозна-
чается как соп и определяет максимально возможную частоту вращения.
Шаг (step angle). Угол, на который поворачивается вал шагового двигателя
при каждом следующем срабатывании. Стандартными считаются следующие
углы поворота: 30°, 15°, 7,5°, 5°, 2,5° и 1,8°.
Шаговый двигатель (stepper motor). Электродвигатель (обычно вентиль-
ный), вал которого способен поворачиваться на дискретные углы, фиксиру-
ясь в каждом из таких положений.
Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением (variable
reluctance stepper). Шаговый двигатель, оснащенный ротором зубчатой фор-

424
Часть IV. Приложения
мы. Обеспечивает большее угловое разрешение, но небольшой вращающий
момент.
ШИМ, широтно-импульсная модуляция (Pulse Width Modulation — PWM).
Способ запитывания электродвигателя, заключающийся в подаче периоди-
чески повторяющихся импульсов определенной длительности.
Щетка (brush). Часть электрической цепи, по которой от источника пита-
ния электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из гра-
фита или других проводящих материалов.
Шунтирующий, или защитный, диод, (flyback diode). Подключенный парал-
лельно к двигателю диод, обеспечивающий прохождение тока, генерируемо-
го противоЭДС.
Электродвигатель постоянного тока с постоянным магнитом (Permanent
Magnet DC motor — PMDC). Электродвигатель постоянного тока, в котором
магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов.
Электромагнит (electromagnet). Устройство, создающее магнитное поле
при прохождении электрического тока через него. Для получения сильных
магнитных полей медный провод наматывается на сердечник, собранный из
стальных пластин.
Электронный регулятор хода (Electric Speed Control — ESC). Устройство,
получающее управляющий сигнал от контроллера и подающее питание на
электродвигатель (чаще всего применяется для управления коллекторными
двигателями постоянного тока).
Эрстед, Ханс Кристиан. Датский физик, изучивший поведение стрелки
компаса при приближении к ней проводника с током.
Якорь (Armature). Элемент двигателя, на который подается электрический
ток.

Предметный указатель
425
Предметный указатель
ArduinoMega 222,315
Arduino Motor Shield 240
ATmega2560 224
В
BeagleBone Black 289
ВЕС 90, 370
BLDC 77
BMWi3 389
D
Debian 294
DMA 273
DMCC 290
Dual Motor Controller 306
EEPROM 227
ESC 75,88,315,370
ESS 397
GPIO 259, 266, 297
I
I2C 308
IDE 228
IDLE 264
N
Nissan Leaf 387
P
PRU 293
PWM 64
Python 264
Raspberry Pi 257
Raspbian 263
RaspiRobot 278
REX 389
S
SCL 308
SDA 308
SIMD 261,292
SoC 260, 292
SRAM 227
Tesla Model S 385
VideoCore IV 261
Z
ZCD 88
LC-фильтр 410
LSM 201
M
MCU 225
Автоматическое отключение 91
Аккумулятор 92, 372, 383
Актюатор 197
Альтернатор 412
Аналоговый сигнал 237

426
Предметный указатель
Аналого-цифровой преобразователь
(АЦП) 226
Антипробуксовочная система 397
Аппаратный интерфейс 223
Асинхронный двигатель 155,209
Бездатчиковый вентильный
двигатель 86, 329
Беличья клетка 157, 386, 393
Библиотека
Adafruit_BBIO 296
DMCC 311
RPI.GPIO 266
RPIO 266
RRB2 281
Servo 252
Stepper 246
Биполярный шаговый двигатель
110,250,284
Блок
инерциальных измерений 369
объявления переменных 233
шестерен 180
Блок-схема 138
БТИЗ 62,319
В
Вал 25
Ватт 48
Вентильный двигатель 76, 329, 339
бездатчиковый 86
Вихревой ток 170
Внешнероторный двигатель 81
Внутрироторный двигатель 78,81
Водило 191
Возбуждение 26
магнитного поля 79
Воздушный зазор 26
Воздушный сердечник 46, 204
Вращающий момент 35,56, 156
Временная задержка 236
Время обратного восстановле-
ния 324
Вторичный элемент 202
Выводная колодка 334
Вычислительное ядро 292
Гармоника 173
Генератор 406
магнитоэлектрический 412
переменного тока 410
постоянного тока 408
самовозбуждающийся 413
Гибридный шаговый двигатель 106
Графический процессор 261
Графическое ядро 292
д
Датчик
на эффекте Холла 86
положения ротора 85
угла поворота 128
Двойное возбуждение 162
Двунаправленное вращение 75
Двухканальный драйвер 242
Делительная окружность 181
Делительный конус 187
Диаметральный шаг 181
Динамомашина 408
Диод
защитный 323
Шоттки 324
шунтирующий 73
Длинный статор 202
Длительность импульса 65
Драйвер
двигателей постоянного тока 279
МОП-транзистора 324

Предметный указатель
427
Емкость аккумулятора 373
Задержка реверса 91
Зазор 26, 182, 395
Закон Ампера 56
Закрытое состояние 320
Затвор 62,319
Заторможенный ротор 156
Зацепление 79
Зубья 104, 109, 395
Й
Йедлик, Аньош Иштван 24
И
Измерительный блок 369
Импульсный источник питания 83
Инвертирующий усилитель
мощности 382
Инвертор 84, 382
Индукционный двигатель 393
Индукция 155
Инструкция 233
Интегрированная среда
разработки 228, 264
Искажение сигнала 173
Исполнительный механизм 196
Исток 62,319
Источник питания 83
К
Катушка электромагнита 69
Квадрокоптер 349
прошивка 368
Кейп 305
Класс 247
Коллектор 69
Коллекторный двигатель 66,244,282
Коммутация 67
Компас 23
Компенсирующая обмотка 174
Конденсаторный пуск 166
Коническая передача 187
Конструктор класса 248
Контроллер 60, 382
цифровой обработки сигналов 309
Коронная шестерня 191
Короткий статор 202
Короткозамкнутый ротор 157
Корпус 25
Косозубая передача 184
Коэффициент
заполнения 65, 239
мощности 153,154
передачи 180
перекрытия 183
скольжения 211
КПД 49, 180
Круговой шаг 181
Л
Линейный двигатель 195
асинхронный 209
открытого типа 205
синхронный 201
униполярный 213
Линия
передачи данных 308
синхроимпульсов 308
Лошадиная сила 48, 379
Люфт 182
М
Маглев 208
Магнит 26,40
постоянный 69, 80
Магнитная энергия 198
Магнитное поле 149
Магнитоэлектрический
генератор 412

428
Предметный указатель
Массовый расход воздуха 354
Механическая передача 183
Микроконтроллер 224, 369
Микрошаг 118
Минимальная длительность
импульса 125
Минимальный пусковой момент 156
Многофазный электродвигатель 148
Модуляция сигнала 364
Моментный коэффициент 57
МОП-транзистор 62, 319
Мостовая схема управления 75,111,
243,309
Мощность
генератора 407
двигателя 379
механическая 48
электрическая 49
Н
Накопительный конденсатор 327
Направляющие пути 208
Начальное ускорение 91
Невозмущенный поток 353
Обмотка 26
возбуждения 79, 112
Обработка событий 271,300
Объект 247
Ограничение по току 91
Однонаправленное вращение 73
Однофазное электропитание 146
Однофазный двигатель 165
Операционная система 263, 294
Опережение 91
Опрокидывающий момент 156
П
Пазы 79
Параллельное возбуждение 71
Первичный элемент 202
Передаточное отношение 180
Передатчик 361
Передача 178
коническая 187
косозубая 184
планетарная 190
прямозубая 183,188
реечная 188
спиральнозубая 188
червячная 189
шевронная 186
Переключатель 61,319
Переменный ток 146
Перераспределение вращающего
момента 397
Переход через нулевой уровень 337
Период 126
Печатная плата 338
ПИД-управление 140
Планетарная передача 190
Плата расширения 277
Подъемная сила 352
Поезд на магнитной подушке 208
Полезная работа 154
Полетный контроллер 366
Полный шаг 116
Полушаг 118
Полюс 80, 102
зацепления 181
магнита 40
Последовательное возбуждение 69
Последовательное соединение 308
Постоянный магнит 40, 69, 80
Потери
в обмотке 44
в сердечнике 44
Предельный перегрузочный
момент 39
Преобразование Лапласа 135
Прерывание 270

Предметный указатель
429
Приемник 364
Программатор 128
Программная среда 228
Пропеллер 352
ПротивоЭДС 46, 86, 329
Процессор общего назначения 261
Прямозубая передача 183,188
Пульт управления 363
Пушка Гаусса 200
Работа 47
Рабочий конденсатор 168
Рама квадрокоптера 350
Рамка с током 67
Расщепление фазы 165
Реактивная плита 213
Реактивный двигатель 103,164
Реверс 91
Регулятор
вращающего момента 396
хода 90
Редактор кода 265
Ре дукторный двигатель 177,192
Реечная передача 188
Режим насыщения 321
Режим работы 115
Реле 197
Рельсотрон 215
Ротор 26, 78, 104, 108, 395, 397
фазный 158
Самовозбуждающийся
генератор 413
Свободный ход 182
Сглаживающий конденсатор 409
Сдвиг по фазе 153
Сервопривод 123, 252, 272
управление 131
Сила 34
Синусоидальная широтно-импульс-
ная модуляция 172
Синусоидальная электрическая
машина 88
Синхронный двигатель 79, 160,201
Система
зубчатых передач 180
на кристалле 260, 292
управления 73,132
Скетч 228,231
Скольжение 155
Скошенный поток 353
Солнечная шестерня 191
Соответствие выводов 244, 279
Спиральнозубая передача 188
Среда разработки 264
Среднее положение 125
Средний отвод 112
Стабилизатор напряжения 90, 370
Статор 26, 78, 108, 394
двухполюсный 148
длинный 202
короткий 202
Степень редукции 180
Стержневой магнит 42
Сток 62,319
Схема замещения 44,45,330
Сценарий 264
СШИМ 172
Токоотдача 373
Ток холостого хода 44, 57
Тормоз 91
Транзистор 62,319
Трансмиссия 384
Трансформатор 410
Трапецеидальная электрическая
машина 88
Трехфазное электропитание 147

430
Предметный указатель
Углепластик 351
Угловая скорость 38
Угол
делительного конуса 187
поворота 125
сдвига фазы 154
Удерживающий момент 124
Универсальный двигатель 174
Униполярный двигатель 112,213
Управляющий сигнал 335
Ускорение 34
Ф
Фаза 79,101,104
Фазный ротор 158
Фильтр Калмана 88
Флеш-память 227
Функция 233
обратного вызова 302
передачи 138
Холостой ход 38
ток 44, 57
частота 39
Частота
вращения 38, 58, 125
синхронная 152
выходного сигнала 412
холостого хода 39
Частотно-регулируемый электро-
привод 170
Червячная передача 189
Ш
Шаблон оптического растра 129
Шаг
винта 356
между зубьями 181
Шаговый двигатель 97, 246, 249, 283
биполярный 110,250
гибридный 106
рабочий режим 115
реактивный 103
униполярный 112
Шевронная передача 186
Шестерня 178
Шилд 240
Широтао-импульсная модуляция
(ШИМ) 64,125, 238, 273, 303
синусоидальная 172
Шток 197
щ
Щетка 68
Экранирование полюсов 168
Электрические потери 44
Электрический ток 56
Электроаккумулирующая
система 397
Электрогенератор 405
Электродвигатель 25
бесколлекторный 77
вентильный 76
индукционный 155
коллекторный 66
линейный 195
многофазный 148
переменного тока 29,145
постоянного тока 28, 55
синхронный 79
схема замещения 44
универсальный 174
шаговый 97
Электродвижущая сила 46
Электромагнит 41
Электромагнитная индукция 155
Электромобиль 377

Предметный указатель 431
Электронный регулятор хода 75,88,
315,370
Электропривод 170
Энкодер 128
Эрстед, Ханс Кристиан 23
Эффект Холла 86
Я
Явно выраженный полюс 164
Якорь 26, 202