پروژه کنترل دور موتور های DC بدون جاروبک با استفاده از تراشه MC33035

فصل اول

مقدمه

امروزه کاربرد وسیع موتور های الکتریکی در بخشهای مختلف و در زندگی روزمره در مصارف خانگی و مصارف صنعتی آنچنان وسعت یافته که تصور دنیای موجود بدون موتورهای الکتریکی اگر نگوییم غیر ممکن باید گفت غیر قبل تصور می‌باشد. پس از طراحی و ساخت اولین نمونه ماشین الکتریکی توسط ارستد این ماشینها تغییر و تحولات بزرگی را در دهه‌های اخیر پذیرا بوده‌اند  جهت گیری عمومی این تغییرات افزایش راندمان و بهبود کیفیت کار ماشین همراه با کاهش وزن و حجم و قیمت تمام شده بوده است. گر چه تجمع تمامی این مولفه‌ها همیشه در یک طرح ممکن نیست اما طراحان ماشینهای الکتریکی بر اساس تجربه دانش و هنر خویش همیشه سعی در تلفیق آنها نموده‌اند.

تحقیق فوق در رابطه کنترل دور موتورهای DC بدون جاروبک بوده که شامل دو بخش طراحی و کنترل می‌باشد. که در بخش طراحی به نحوه طراحی بکمک نرم افزار و روابط و فرمولهای حاصله برای توان و گشتاور اشاره شده و در بخش کنترل نحوه کنترل  دور موتور بکمک تراشته‌های MC33035 و MC33039 بیان گردیده است. و مدارات و عناصر مرتبط با تراشه‌ های کنترلی نیز آورده شده است.

مواد آهنربای دائم

آهنرباهای دائم ممکن است در ماشینهای الکتریکی برای ایجاد تحریک، تولید خواص مشابه الکترومغناطیسهای تحریک شده با جریان مستقیم، مورد استفاده قرار گیرند. یک آهنربای دائم مفید می‌باشد زیرا انرژی مغناطیسی را ذخیره می‌کند و این انرژی صرف عملکرد وسیله نمی‌گردد. نقشی را که این انرژی ایفا می‌کند قابل مقایسه با یک کاتالیزور در یک واکنش شیمیایی است. هنگام کار در محدوده طبیعی، آهنربا انرژی‌اش را برای یک دوره نامحدود از زمان حفظ می‌کند. باید توجه نمود که اگر میدان مغناطیسی با استفاده از آهنربای الکتریکی به جای آهنربای دائم ایجاد شود، انرژی میدان تحریک همچنان باقی می‌ماند. با این حال قدری انرژی، یعنی تلفات اهمی جریان تحریک، از بین خواهد رفت.

اصول آهنربای دائم

آهنرباهای دائم، همانطور که در شکل  نشان داده شده، مواد مغناطیسی سخت با حلقه‌های هیسترزیس بزرگ می‌باشند. زمانی که یک ماده آهنربا در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد (بدین معنی که در میان قطبهای  مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی قرار گیرد)، چگالی شار در ماده همانطور که منحنی 0-1 در شکل1 نشان می‌دهد افزایش خواهد یافت، که به عنوان، منحنی شروع مغناطیس شدن، شناخته می‌شود. در نقطه 1 ماده اشباع می‌شود، و افزایش خواهد یافت، که به عنوان منحنی شروع مغناطیس شدن،[1] شناخته می‌شود. در نقطه 1 ماده اشباع می‌شود، و افزایش مجددی به صورت پیشروی حاشیه‌ای و در لبه منحنی، در شدت میدان مغناطیسی (H) و در چگالی شار (B) نتیجه می‌شود. چگالی شار در یک نسبت نزدیک به نفوذپذیری

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است )

کاهش پایدار مغناطیسی، پس از رسیدن به اشباع، باعث می‌شود که مسیر خطی B-H ، منحنی 1-2 را تعقیب کند. مقدار چگالی شار در نقطه 2 روی حلقه هیسترزیس (H=0) به عنوان چگالی شار باقیمانده یا پسماند [2]  ماده آهنربا شناخته شده، و نشان دهنده مقدار شار مغناطیسی است که ماده می تواند تولید کند.

معکوس شدن جهت و افزایش میدان مغناطیسی، حلقه هیسترزیس را در ربع دوم. یعنی منحنی 2-3 ایجاد خواهد کرد که به عنوان منحنی مغناطیس زدایی نرمال [3]  شناخته می‌شود و این قسمت مهمترین ناحیه مشخصه آهنربا می‌باشد. مقدار میدان مغناطیسی که در آن چگالی شار در آهنربا به صفر می‌رسد به عنوان پسماند زدایی یا نیروی پسماند زدا  شناخته می شود.

افزایش مجدد میدان مغناطیسی، ماده آهنربا را در جهت معکوس به اشباع می‌برد (نقطه 4 ). حلقه هیسترزیس با کاهش میدان مغناطیسی در نقطه 5 به صفر می‌رسد و سپس با معکوس شدن دوباره میدان اعمال شده به پلاریته‌های اولیه و افزایش آن تا رسیدن به نقطه 1، کامل می‌شود.

مقادیر چگالی شار به کار گرفته شده برای ترسیم حلقه هیسترزیس شکل 1 چگالی شار کلی در ماده آهنربا را نشان می دهد. البته همه شار ماده آهنربا از خواص شار در فاصله هوایی وجود خواهد داشت. البته چگالی شار در یک فاصله هوایی که در معرض میدان مغناطیسی H قرار دارد،  می‌باشد. در نتیجه چگالی شار کل (یا نرما) در ماده آهنربا (B) شامل دو مولفه است، یکی برابر  می باشد (که به هر حال در هوا موجود است) و دیگری چگالی شار ذاتی  است ( متعلق به قابلیت ذاتی ماده برای داشتن شار بیشتر نسبت به آنچه که در فاصله هوایی موجود است با شدت میدان اعمال شده H ). از لحاظ محاسباتی  در ربع اول و چهارم، و  در ربع دوم و سوم حلقه هیسترزیس می‌باشد، به طوری که H در ربع دوم و سوم یک علامت منفی دارد. نمودار  برحسب H به عنوان حلقه هیسترزیس ذاتی ماده آهنربا معروف است. شکل2 حلقه‌های هیسترزیس ذاتی و نرمال یک ماده آهنربا را نشان می‌دهد. در حال حاضر ما دو منحنی مغناطیس زدایی داریم: نرمان و ذاتی.[4]

چگالی شار باقیمانده یا پسماند برای هر دو منحنی مغناطیس زدایی نرمال و ذاتی یکسان است. با این حال، پسماند زدایی آنها متفاوت می‌باشد. پسماندزدایی ذاتی ،  ، بزرگتر از پسماند زدایی نرمال،  است. اختلاف بین و  به شیب منحنی مغناطیس زدایی در مجاورت  بستگی دارد. هر چه شیب بیشتر باشد، اختلاف کمتر خواهد بود. شیب منحنی مغناطیس زدایی که از محور –H می‌گذرد برای آهنرباهای آلنیکو خیلی زیاد است و بنابراین بین پسماند زدایی نرمال و ذاتی اختلاف کمی وجود دارد. سرامیکها (یا فریتها) و آهنرباهای خاک کمیاب بین  و  مشخصات مغناطیس زدایی نرمال تقریباً خطی دارند و اختلاف بین  و بیشتر است. در بعضی از آهنرباهای خاکی  حدوداً دو برابر  می‌باشد.

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است )

شکل 2 حلقه‌ های هیسترزیس ذاتی و نرمال یک ماده آهنربای دائم.

مواد آهنربای مدرن

مواد آهنربای دائم را بر طبق ترکیب شیمیایی شان می توان به سه گروه اصلی تقسیم نمود. این سه گروه شامل سرامیکها (یا فریتها)، آلنیکوها و آهنرباهای خاک کمیاب می‌شوند. در این میان فریتها (سرامیکها کاملاً مغناطیسی) عایقهای حرارتی و الکتریکی هستند در حالی که سایر آهنرباها، هادیهای فلزی می باشند. آلنیکوها پسماند نسبتاً زیاد و نیروی پسماند زدای کمی دارند، اما سرامیکها دارای پسماند کم و نیروی پسماند زادی نسبتاً زیادی می باشند، در حالی که در مورد آهنرباهای خاک کمیاب، هر دوی این پارامترها بزرگ می‌باشد. سرامیکها به عنوان مواد خام فراوان و خیلی ارزان مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلنیکوها و آهنرباهای کابالت- خاک کمیاب (کبالت- ساماریوم)  از کبالت اما با درصدهای مختلف استفاده می کنند، در حالی که در سرامیکها و آهنرباهای فریت- خاک کمیاب (آهنرباهای نئودیمیوم- آهن – بورون) اصلاً از کبالت استفاده نمی شود.

خصوصیات مواد آهنربای دائم تابع استاندارد بین المللی (1986) IEC 404-8-1 می‌‌باشند بر اساس استاندارد IEC 404-1 مواد آهنربای دائم با یک حرف که همراه آن چند عدد می آید، طبقه‌بندی می شوند. آهنرباهای آلیاژی با حرف R طبقه‌بندی می شوند، در حالی که سرامیکها با S مشخص می گردند. عدد اول نوع ماده را در کلاس مربوطه نشان می‌دهد. برای مثال R1 آهنرباهای آلنیکو را نشان می دهد و R5 گروه کبالت خاک کمیاب را مشخص می کند. عدد دوم از بین : (O) آهنرباهای همگرا، (1) غیرهمگرا، (3) پیوند پلیمر همگرا و (4) پیوند پلیمر غیرهمگرا تعیین می شود. عدد سوم به انواع مختلف آهنربای مشابه در یک گروه مربوط می‌گردد.

خواص مغناطیسی

مناسب‌ترین پارامتر برای تعیین کیفیت آهنربا، انرژی ماکزیموم آن است که حاصل ضرب میدان مغناطیسی و القایی آهنربا  می‌باشد، به طوری که این پارامتر بیانگر ماکزیمم انرژی است که می‌توان از آهنربا بدست آورد. وقتی که آهنربا در نقطه حاصل ضرب انرژی ماکزیموم خود  کار می کند، ابعاد آن مینیموم می‌‌باشد.

بهترین آهنرباهای دائم با قابلیت کار بالا، مواد کبالت- خاک کمیاب (SmCo) بودند که دارای حاصل ضرب انرژی ماکزیمومی بین  190-130 بودند. در سال 1984 با ظهور ترکب نئودیمیوم – آهن- بورون بدون کبالت که حاصل ضرب انرژی ماکزیموم  290 را داشت، این وضعیت تغییر یافت. سرعت گسترش و پیشرفت این ماده جدید در طول چند سال گذشته بسیار سریع بوده به طوری که هم اکنون این ماده در ابعاد تجاری از طریق تولید کنندگان آهنربا، قابل دسترسی است.