Электронный регулятор скорости или регулятор хода
Без регулятора хода невозможно построить даже самую простую модель, приводимую в движение электродвигателем. Простейший вариант регулятора хода (РХ) — это обыкновенный выключатель, связанный тягой с обычной рулевой машинкой. Более «сложные» РХ, построенные по этому принципу, позволяют реверсировать двигатель для движения модели «задним ходом», а часто и реализуют функции двух-трехступенчатой «коробки передач», подавая напряжение питания на двигатель через цепочку балластных резисторов, замыкаемых последовательно. Относительная простота подобных «включалок» перевешивает их существенные недостатки (прежде всего, невысокую надежность и крайне низкий КПД на «пониженных передачах») и такие РХ широко применяются даже в промышленных моделях «игрушечного» класса. Конструкции этих устройств достаточно тривиальны, и мы не будем на них останавливаться.
В спортивных моделях применяют более сложные электронные регуляторы хода, с помощью которых можно не просто ступенчато изменять напряжение на ходовом двигателе, но даже плавно регулировать обороты мотора в очень широком диапазоне от «малого газа» до «педали в пол» как при движении вперед, так и на «заднем ходу». Очевидно, что эта функция актуальна только для автомоделей, и, возможно — для судомоделей.
По сути, электронный регулятор с «реверсом» и регулировкой оборотов, это обычная аналоговая сервоэлектроника РМ, только с более мощными выходными каскадами. Это очевидно из схем, показанных на Рис.5 и Рис.6. Ведь если электродвигатель РМ в этих схемах заменить на более мощный ходовой мотор, работа системы не изменится, только в движение будет приводиться вся модель, а не выходной вал редуктора.
К сожалению, регуляторы, построенные по такому принципу, тоже имеют невысокий КПД и поэтому применяются только в моделях с маломощными двигателями. Реальный КПД таких регуляторов в лучшем случае на превышает 70 — 80%, а в переходных режимах может уменьшаться до 10 — 20%. Это значит, что до 80% мощности, потребляемой энергетической установкой модели от аккумуляторов, будет затрачиваться буквально на «разогрев атмосферы». Если учесть, что некоторые современные электродвигатели для спортивного моделизма рассчитаны на работу под напряжением 30 вольт, а потребляют при этом ток до 100 ампер (например, двигатель KF744/4-PRO, выпускаемый фирмой ROBBE), то не сложно рассчитать, что «в воздух» рассеивается до 1.5 — 2.0 киловатт мощности! Далеко не каждая бытовая электроплита имеет такие нагревательные конфорки… Очевидно, что для восполнения этих потерь приходится увеличивать электрическую емкость аккумуляторной батареи, а это влечет за собой резкое увеличение массы источника питания.
Гораздо более высокие эксплуатационные характеристики имеют электронные регуляторы, а точнее — коммутаторы, не предназначенные для реверсирования двигателя и плавной регулировки оборотов (их еще называют «включалками»). От этих устройств требуется только одно — подать на электромотор напряжение питания с минимальными потерями. В качестве активного элемента, «выключателя», обычно используют мощные современные полевые транзисторы, способные коммутировать постоянные токи до нескольких сотен ампер. Некоторые типы MOSFET транзисторов имеют исключительно низкое «напряжение насыщения», не превышающее 0.05 В при максимальном коммутируемом токе. Но даже на таких «коммутаторах» потери могут составлять десятки ватт. Именно поэтому, при размещении коммутатора на модели, необходимо уделять особое внимание условиям его охлаждения. На судомодели эта задача решается просто: забортная вода пропускается через каналы металлического радиатора-теплообменника, на котором закрепляют коммутирующий элемент. На авто- и авиамоделях приходится довольствоваться простым обдувом электронного коммутатора.
Основу электронного коммутатора составляет специализированный микропроцессор, который не только обрабатывает входной РРМ-сигнал, но и выполняет еще некоторые дополнительные функции. Прежде всего это «электронный тормоз». Воздушный винт авиамодели, вращающийся со скоростью до 20 тысяч оборотов в минуту и более (на авиамоделях не всегда применяют моторы с понижающими редукторами), после отключения питания продолжает вращаться по инерции, превращаясь в аэродинамический тормоз для модели. Для уменьшения «тормозного эффекта» лопасти винта делают складывающимися. Очевидно, что перед этим необходимо остановить вращение вала мотора и пропеллера. Проще всего это сделать, «закоротив» щетки электродвигателя, и мотор «сам себя остановит». Для этого, после отключения питания ходового двигателя, «включается» тормозной транзистор (аналогичный главному коммутирующему), подключенный параллельно выводам электромотора. Он замыкает возникающую в электромоторе ЭДС, которая и тормозит двигатель.
Как мы уже говорили, мощные современные электродвигатели даже в «маршевых» режимах потребляют очень большие токи, порой достигающие 100 ампер. В момент «пуска» двигателя ток может в десятки раз превышать «обычные» рабочие значения, и порой достигает величин, которые измеряются уже в килоамперах! Обычные модельные NiCd аккумуляторы на таких режимах не только быстро «закипают», но и просто долго не живут. Естественно, что при старте такого двигателя возникают еще и огромные механические (динамические) усилия, способные не только деформировать конструкцию модели, но даже и разрушить сам двигатель. Для предотвращения подобных электрических и механических «ударных» нагрузок часто применяют режим «ступенчатого» пуска, при котором на электродвигатель напряжение питания подается не сразу, а двумя-тремя «ступенями», т.е. в первый момент подается ~ 1/3 напряжения аккумулятора, затем через 20 — 100 миллисекунд напряжение повышается до ~ 2/3, и еще через 20 — 100 миллисекунд на двигатель подается полное напряжение. При этом потребляемые токи никогда не превышают предельно-допустимых для аккумуляторов и электромотора величин, да и механические динамические перегрузки, за счет «плавной раскрутки» существенно снижаются. Подобный стартовый режим, также как и режим торможения, можно реализовать только с помощью специального устройства, управляемого микропроцессором.
Несколько лет назад в арсенале спортсменов-моделистов появились новые сверхмощные асинхронные электродвигатели переменного тока. Для питания такого электродвигателя необходим мощный трехфазный генератор переменного тока, точнее, преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное с частотой ~ 1 — 10 килогерц. Современная электроника легко справляется и с этой задачей. Специальные контроллеры для подобных двигателей реализуют все перечисленные выше функции. Более того, именно трехфазные преобразователи имеют самый высокий КПД в переходных режимах, т.к. обороты двигателя регулируются не путем изменения напряжения питания (обычно это делается при помощи балластного сопротивления, на котором и теряется мощность), а путем плавного изменения частоты этого напряжения.
Рис. Электронный регулятор
Конструктивно все электронные регуляторы, как для коллекторных, так и для асинхронных двигателей, чаще всего изготавливаются в «бескорпусном» варианте (см. Рис.8), т.е. просто монтируются на печатной плате, а затем затягиваются в изолирующий «чулок» из термоусадочной трубки. Регуляторы для судомоделей могут иметь еще и радиатор с охлаждающими «водоводами». Размер подобного устройства (без радиатора) обычно не превышает 10х30х50 мм, а вес, в зависимости от величины коммутируемого тока, колеблется от 5 — 7 до 50 грамм.
С принципиальной схемой и конструкцией одной из таких «включалок», предназначенной для управления двигателем класса SPEED-400 вы можете познакомиться, прочитав статью, помещенную на сайте www.rсdesign.ru в разделе электроники. При максимальной простоте и дешевизне, этот регулятор отвечает всем требованиям, предъявляемым к устройствам подобного класса и может быть легко повторен даже начинающими моделистами.