Шим управление двигателем постоянного тока: Управление скоростью вращения двигателя постоянного тока с помощью Arduino и потенциометра

Содержание

Управление двигателем постоянного тока — схема и важные нюансы

Двигатель постоянного тока способствует превращению энергии постоянного тока в работу механического типа.

На сегодняшний день практичное управление двигателем постоянного тока осуществляется не только в соответствии с традиционными схемами, но также согласно достаточно оригинальным или малоизвестным схемотехническим решениям.

Схема управления двигателем постоянного тока

Самым простым способом регулировки скорости двигательного вращения является применение модуляции (РWМ) широтно-импульсного типа, или ШИМ.

Данный способ базируется на подаче питающего напряжения на движок в форме импульсов со стабильной частотой следования, но изменением длительности.

Вся ШИМ-сигнальная система имеет очень важный критерий, представленный коэффициентом стандартного заполнения (Duty сyсlе).

Такая величина соответствуют соотношению импульсной длительности к его периоду:

D = (t/Т) × 100 % 

Для самой простой схемы реализации управления ДПТ характерно наличие полевой транзисторной части с подачей на затвор ШИМ-сигнальной системы.

В подобной схеме транзистор представляет особый электронный ключ, которым один из двигательных выводов коммутируется на землю. В этом случае открытие полупроводникового триода осуществляется именно на момент импульсной длительности.

Конструкция двигателя постоянного тока

При низкой частоте и в условиях незначительного коэффициента ШИМ-сигнала преобразующее устройство срабатывает рывками. Высокая частота РWМ, составляющая несколько сотен Герц, способствует непрерывному вращению мотора, а скорость вращательного движения в этом случае изменяется строго пропорционально коэффициенту заполняемости.

Известно множество схематичных решений, генерирующих ШИМ-сигнал, но к числу наиболее простых относится «схема таймера 555», нуждающаяся в минимальном количестве компонентов и не требующая особой настройки.

Управление двигателем при помощи биполярного транзистора

Использование биполярного транзистора в качестве надежного переключателя — один из способов управления двигателем. Выбор пассивного элемента электрической цепи, или R, предполагает протекание тока, не превышающего показатели максимальных токовых величин в микроконтроллере.

Полупроводниковый триод должен иметь соответствующий коллекторный ток и оптимальные максимальные значения, а также выделяемую мощность:

P = Uкэ × Iк .

Одной из проблем, возникающих в процессе использования биполярных полупроводниковых триодов, является избыточный базовый ток.

Схема управления

Как правило, токовое соотношение на выходном сигнале и входном транзисторе составляет 100 hfe. Функционирование элемента в условиях насыщения вызывает сильное снижение коэффициента.

Оптимальным вариантом является транзисторное комбинирование, или высокоэффективный транзистор Дарлингтона, который характеризуется высокими показателями токового усиления и незначительной скоростью работы.

Индуктивные нагрузки

При выборе индуктивной нагрузки, представленной двигателем, решение проблемы режима плавного управления мощностными показателями мотора не всегда дается легко, что зависит от нескольких факторов, представленных:

  • мощностными показателями движка;
  • инерционностью нагрузочного уровня вала;
  • реактивными обмоточными показателями;
  • активными обмоточными показателями.

Управление двигателями постоянного тока

Оптимальным вариантом для решения практически всех перечисленных выше проблем является использование частотных инверторов.

Индуктивный тип схемы для управления двигателем ПТ не отличается особой сложностью по сравнению с частотным управлением, а также способен обеспечивать вполне приемлемую результативность.

Аспекты проблем при управлении двигателем ПТ

Качественное управление нагрузкой не требует в некоторых случаях потенциометра, а может быть задействовано на использовании микроконтроллера.

Наиболее важные проблемы управления представлены:

  • обязательным присутствием гальванической развязки;
  • плавным управлением мощностными показателями;
  • отсутствием старт-стопного типа управления;
  • контролированием перехода Zеrо — Сrоss;
  • некоторыми особенностями подбора RC-фильтра snubbеr сглаживающего типа.

Важно помнить, что данная схемотехника отличается незначительной сложностью, при которой инициализация микроконтроллера требует достаточного количества времени, что обусловлено конкретно решаемыми задачами при нахождении выходных сигналов в третьем состоянии.

Управление при помощи MOSFET транзистора

МОSFЕТ (mеtаl-охidе-sеmiсоnduсtоr fiеld еffесt trаnsistоr) — полевые полупроводниковые триоды или метал-окисел-полупроводники p-канального типа открываются на затворе отрицательным напряжением по отношению к источнику. Диод паразитного типа в канальной структуре анода подсоединяется к части стока, а катод соединяется с истоком.

Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме

Такой тип канала, как правило, подсоединяется таким образом, чтобы на сток приходились наиболее отрицательные показатели напряжения по сравнению с истоком.

MOSFET-транзисторы высокой степени мощности достаточно популярны, что обусловлено исключительно высокой переключательной скоростью в условиях низкого уровня мощности управления, прикладываемой к затвору.

Управление при помощи реле

Процесс управления достаточно мощным двигателем ПТ осуществляется посредством реле-модуля спаренного типа. Процесс подключения мотора к реле предполагает обязательный учет наличия трех выходных отверстий:

  • NО (Nоrmаlly ореn) — нормально-разомкнутого типа;
  • СОМ (Соmmоn) — общего типа;
  • NС (Nоrmаlly сlоsеd) — нормально-замкнутого типа.

Управление направлением вращения двигателя постоянного тока

Контактная группа устройства, преобразующего любой вид энергии в работу механического типа, подсоединяется к общим релейным контактам (СОМ).

«Плюс» элемента питания подключается к контактам нормально-разомкнутого реле (NО), а «минус» фиксируется на контактной группе реле нормально-замкнутого типа (NС).

Реализация полного мостоуправления двигателя осуществляется при включении и выключении реле соответствующим образом.

При помощи H-моста

Управление двигателем посредством H-моста с управляющими логическими сигналами на входах и вращением в две стороны осуществляется несколькими вариантами Н-мостов:

  • транзисторным H-мостом, простым в изготовлении и достаточно мощным. К недостаткам можно отнести риск короткого замыкания при подаче на два входа;
  • двойным H-мостом, собранным на маломощной микросхеме. Минусы данного варианта представлены слишком малой мощностью и необходимостью подключения вывода Е на питании к «плюсу»;
  • одиночным Н-мостом, собранным на микросхеме, что обеспечивает подачу единички на два входа и может стать причиной торможения работы двигателя.

Транзисторный Н-мост

Самым простым вариантом станет сборка Н-моста на МОSFЕT-транзисторах. Именно этот способ сочетает в себе легкость выполнения и достаточные показатели мощности, но не предполагает одновременную подачу на две единицы.

Известно множество вариантов микросхем, используемых для управления двигателем, включая ТLЕ4205 и L298D, а также стандартные электромагнитные реле, но перечисленные выше способы относятся к категории самых доступных.

Управление шаговым двигателем

Для управления двигателем шагового типа необходима подача постоянного напряжения на обмоточную часть с соблюдением максимально точной последовательности, благодаря чему обеспечивается точность угла осевого поворота.

При наличии постоянных магнитов

Шаговые двигатели, имеющие постоянные магниты, чаще всего применяются в бытовых приборах, но могут встречаться в устройствах промышленного типа. Доступные по стоимости двигатели обладают низким крутящим моментом и низкой скоростью вращения, благодаря чему прекрасно подходят для компьютеров.

Управление шаговым двигателем

Изготовление двигателей шагового типа на основе постоянных магнитов не отличается сложностью и экономически целесообразно только при больших объемах производства, а ограниченность использования обусловлена относительной инертностью и неприемлемостью применения в условиях точного временного позиционирования.

При наличии переменного магнитного сопротивления

Шагового типа двигатели, имеющие переменное магнитное сопротивление в условиях отсутствия стабильного магнита, характеризуются свободным роторным вращением без крутящего вращения остаточного типа. Такие двигатели, как правило, устанавливаются в компактных агрегатах, включая системы микро-позиционирования. Основные достоинства такой схемы представлены чувствительностью к токовой полярности.

Гибридный вариант

Гибридного типа двигатели в настоящее время относятся к категории наиболее популярных агрегатов в сфере промышленности.

Вариант характеризуется очень удачным сочетанием принципа работы моторов с переменными и постоянными магнитами.

Значительное количество двигателей гибридного типа отличается классическим двухфазным строением.

Заключение

Необходимость выполнять изменение полярности напряжения может возникать в процессе управления двигателем или при использовании схемы мостового преобразователя напряжения. В этом случае ключи чаще всего представлены реле, полевыми и биполярными транзисторами, а также H-мостами, встраиваемыми в микросхему.

Широтно-импульсное управление двигателем постоянного тока

  1. Цель работы

Практическое изучение принципа регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с помощью широтно-импульсного регулятора. Оценка влияния частоты коммутации и индуктивности якорной цепи двигателя на качество регулирования. Исследование механических характеристик электропривода при действии обратной связи по скорости вращения.

  1. Указания к самостоятельной работе

При подготовке к лабораторной работе необходимо по учебникам, конспектам лекций изучить тему «Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным управлением»: устройство, принцип действия, способы регулирования частоты вращения, механические и регулировочные характеристики в разомкнутой и замкнутой системе регулирования [1,2], а также лабораторный практикум к выполнению лабораторной работы 5.

  1. Принцип действия, характеристики системы широтно-импульный преобразователь двигатель постоянного тока и описание лабораторного стенда

3.1 Принцип действия, характеристики системы ШИП-ДПТ

Принцип широтно-импульсного управления двигателя постоянного тока поясняет рис. 3.1. На схеме штриховой линией очерчен электронный ключ VS, который периодически подключает цепь якоря двигателя М на выход неуправляемого выпрямителя V с напряжением ud. На отрезке времени tо, когда ключ VS замкнут, ток iя якоря двигателя создается напряжением Ud. При этом часть энергии, поставляемой выпрямителем V, запасается в якоре двигателя М в виде магнитного поля.

На отрезке времени tз, когда ключ VS разомкнут, ток iя якоря двигателя М протекает в прежнем направлении, но через шунтирующий диод VD, используя для этого энергию электромагнитного поля индуктивностей якорной цепи двигателя М.

Рис 3.1. Схема (а) и диаграмма (б) напряжений и тока при широтно-импульсном управлении

Среднее значение напряжения uя на якоре двигателя М за период TК коммутации VS ключа определяется по формуле

(3.1)

где­ скважность импульсов; ­ напряжение на выходе выпрямителяV.

Таким образом, напряжение Uя определяется путем изменения скважности импульсов. Для изменения скважности импульсов применяется широтно-импульсный модулятор ШИМ (рис. 3.1,a).

ШИМ состоит из генератора опорного напряжения (ГОН), нуль-органа сравнения (НО) и формирователя выходных импульсов (ФИ). Генератор ГОН вырабатывает треугольное напряжение u0 c частотой fк=1/Tк, которое сравнивается в НО с управляющим напряжением uу. В момент равенства этих напряжений и при условии, что Uу > u0, ФИ вырабатывает импульсы, включающие VS. При импульсном управлении ток в якоре двигателя М имеет колебательный характер. При этом пульсации составляют (2-10)% от номинального значения тока якоря. Величина пульсаций I якорного тока определяется выражением

(3.2)

где rя, Lя — соответственно активное сопротивление и индуктивность якорной цепи двигателя М; — электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя.

Из уравнения (3.2) видно, что величина пульсаций якорного тока обратно пропорциональна частоте коммутации fк и электромагнитной постоянной Тэ , а также зависит от величины скважности  импульсов. Наибольшие пульсации якорного тока возникают при =0,5. Для уменьшения пульсаций тока целесообразно увеличивать частоту коммутации ключа. В преобразователях с тиристорными ключами частота коммутации выбирается в пределах 200 — 2000 Гц, в преобразователях на транзисторах — в пределах 2 — 40 кГц.

Для обеспечения тормозных режимов при регулировании скорости вращения и сбросе нагрузки используется схема с двумя силовыми ключами (рис.3.2,а). Если в схеме работают ключ VS1 и диод VD1, то имеет место двигательный режим работы электропривода (сплошные стрелки). При этом энергия на движение вала потребляется из сети постоянного тока. При работе ключа VS2 и диода VD2 электропривод переводится в тормозной режим (штриховые стрелки) с рекуперацией энергии движения вала в сеть. Диаграмма тока iя якоря и тока iс питающей сети соответственно для двигательного и тормозного режимов изображены на рис. 3.2, б и в. Диаграмма токов показывает, что ток iс сети носит импульсный характер с изменением направления при тормозном режиме.

Для повышения эффективности торможения, особенно при низких скоростях вращения вала, необходимо увеличить время замыкания ключа VS2 и иметь в цепи якоря достаточную суммарную индуктивность.

Рис. 3.2. Схема (а), диаграмма (б и в) работы и механические характеристики электропривода с широтно-импульсным управлением

Механические характеристики электропривода с широтно-импульсным управлением для двухквадрантного режима работы представлены на рис 3.2,г. Характеристики не имеют области прерывистых токов, и их жесткость определяется активным сопротивлением якоря двигателя М. Уравнение механических характеристик может быть записано в виде:

(3.3)

где — скорость вращения холостого хода;- постоянная двигателя М;- ток короткого замыкания цепи якоря.

В импульсных преобразователях в качестве электронных ключей применяются силовые транзисторы и транзисторные модули, которые должны надежно работать в широких пределах входного напряжения и тока нагрузки, иметь высокую перегрузочную способность и обеспечивать требуемую частоту fк коммутации.

Регулирование скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока

Для подачи питания на обмотки ротора коллекторного двигателя постоянного тока используется встроенный коммутатор, получивший наименование коллектор. Конструктивный элемент состоит из медных пластин, изолированных друг от друга с помощью диэлектрика. По пластинам скользят графитовые щетки, попеременно подавая электрическое напряжение на разные обмотки ротора. В результате образуется переменное магнитное поле, взаимодействующее с постоянным полем статора. Так электрическая энергия преобразуется в механическую и вал двигателя начинает вращаться. На производстве и в быту применяется мотор-редуктор — система, состоящая из электродвигателя и редуктора. В качестве примера можно привести схему движения щеток лобового стекла автомобиля. Вращение ротора передается на цилиндрические колеса с косыми зубьями, которые приводят дворники в рабочее положение.

Регулирование оборотов двигателя постоянного тока методом ШИМ

Главные характеристики электродвигателя — мощность, скорость вращения и крутящий момент (иногда еще выделяют момент инерции ротора). От этих величин зависит, сможет ли электропривод справиться с возложенными на него задачами. В большинстве электрических сетей используется переменный ток, который перед подачей на щетки электромотора нужно сделать постоянным. Для этого используют выпрямители, в их схеме нередко предусмотрена возможность добавления дополнительных сегментов для регулировки напряжения. Основной недостаток выпрямителя заключается в том, что при его работе происходит существенная потеря мощности, а значит, снижается КПД и часть электроэнергии уходит в никуда.

Для того, чтобы управление двигателем постоянного тока было эффективным, применяют широтно-импульсную модуляцию, сокращенно ШИМ. Принцип действия ШИМ можно объяснить на простом примере: если взять электрический мотор малой мощности и запитать его от батарейки, вал двигателя будет вращаться с максимальной скоростью, но если попеременно замыкать и размыкать контакты, идущие к источнику питания, частота вращения ротора изменится, какое-то время он будет двигаться по инерции. На щетки коллектора подается полное напряжение, а ШИМ позволяет установить точное время подачи. Способ дает возможность управлять вращением вала с применением цифровых микроконтроллеров.

Изменение скорости вращения ротора

Регулятор оборотов коллекторного двигателя подает на щетки импульсы. Например, максимальное напряжение электромотора 12 Вольт, а нам нужно, чтобы он работал в половину своей силы. Как реализовать это на практике, используя широтно-импульсную модуляцию? Для этого нужно рассмотреть понятие импульса — всплеска напряжения. Если таких всплесков в течение 1 секунды случается 10, то говорят о том, что частота импульсов составляет 10 Герц. То есть, за секунду на щетки электродвигателя 10 раз подается полное напряжение. Для начала нужно определить период следования импульсов T по формуле:

T=1/F,

где F — это частота. В нашем случае частота равна 10 Гц, тогда:

T=1/10=0,1 с,

то есть, напряжение поднимается от 0 Вольт до 12 и снова опускается до 0 за 0,1 секунды.

Еще одной важной характеристикой импульса является скважность S — это отношение периода следования к продолжительности импульса, не имеющее единиц измерения. Параметр определяется по формуле:

S=T/t,

где t — длина импульса. В нашем случае длина импульса составит половину от периода следования импульса, ведь нам нужен мотор, работающий вполсилы. Тогда получим:

S=0,1/0,05=2.

Теперь вычислим, сколько процентов от максимального числа оборотов мы получим с нашими показателями, для этого найдем коэффициент заполнения D, выражаемый в процентах и вычисляемый по формуле:

D=1/S,

где S — полученная ранее скважность. Выполняем подсчет:

D=1/2=0,5.

Вычисляем проценты:

0,5*100=50%.

Если в течение секунды на обмотку электродвигателя мы 10 раз подадим напряжение, которое будет длиться 0,05 секунды, то получим скорость вращения, соответствующую 6 Вольтам напряжения. В нашем случае периоды подачи и отсутствия напряжения равны, но если нужно получить повышенное количество оборотов ротора, длину импульса t нужно увеличивать. Например, необходимо получить 75% от максимальной скорости вращения вала, тогда длина импульса t должна быть равна:

t=T-25%=0,1–25%=0,075 с,

то есть 75% времени периода следования импульсов нужно подавать ток.

Найдем скважность:

S=0,1/0,075=1,33.

Теперь вычислим коэффициент заполнения:

D=1/1,33=0,75*100=75%.

Это наглядный пример. В реальности после завершения подачи тока на щетки, вал электродвигателя продолжает двигаться по инерции, поэтому если угловая скорость ротора растет и не успевает уменьшиться в течение паузы, регулирование потеряет свою эффективность.

Способы торможения двигателя

Если используется мотор-редуктор, или электродвигатель с нагрузкой на вал, обеспечивающей быстрое торможение, то в принципиальной схеме ШИМ достаточно предусмотреть ключ и один диод. Во время работы ключ подает импульс на коллектор, отчего происходит разгон ротора, после прекращения подачи питания, вал затормаживается самостоятельно, благодаря статической нагрузке. При этом существует 2 основных режима работы:

  1. Режим непрерывного тока. Ток в якоре хотя и уменьшается во время паузы, но все же продолжает протекать в прежнем направлении.
  2. Режим прерывистого тока. Ток в якоре течет только во время действия импульса, на паузе напряжение равняется нулю.

На двигателях, которые работают без статической нагрузки, необходимо применять электрическое торможение. Для этого в принципиальную схему включают сопротивление. Во время паузы, ключ присоединяет якорь мотора к сопротивлению, для запуска процесса динамического торможения.

Виды преобразователей

Широтно-импульсные преобразователи, осуществляющие управление двигателем постоянного тока, состоят из силовой части, схемы управления и подразделяются на следующие виды:

  • Тиристорные. Дополняются схемами с параллельной и последовательной искусственной коммутацией.
  • С запираемыми тиристорами. Схема работы мало отличима от транзисторных.
  • Транзисторные. Характеризуются низкой инерционностью и минимальным внутренним сопротивлением.

Широтно-импульсный регулятор оборотов коллекторного двигателя позволяет гибко настраивать скорость вращения ротора с минимальным показателем рассеивания мощности.

Так же по теме ШИМ регулирования предлагаем статью «Регулирование скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока»

АО «Лаборатория электроники»

Блок управления коллекторным двигателем постоянного тока AWD50 предназначен для управления скоростью вращения, моментом, и угловым положением двигателей постоянного тока с напряжением питания 12…110 В и током до 50 А. 

Блок AWD50 позволяет реализовать сервопривод на основе коллекторного двигателя постоянного тока.

Версия 5.хх

Режимы работы:

  • Прямое управление ШИМ от RS485 без регуляторов и ограничений (ШИМ)
  • Управление скоростью вращения без контроля тока (момента) (Ск)
  • Управление моментом без контроля скорости вращения (М)
  • Управление скоростью вращения с ограничением момента (СкМ)

Источники сигнала задания скорости вращения:

  • аналоговый сигнал -10…10 В или 0…5 В
  • интерфейс RS485 Modbus RTU
  • встроенный потенциометр
  • разность двух аналоговых сигналов
  • разность аналогового сигнала и задания по RS485
  • разность числа импульсов между входом Step/dir и энкодером обратной связи
  • разность числа импульсов между заданием траектории движения и энкодером обратной связи
  • длительность положительного импульса входного сигнала Step
  • разность времени положительного и отрицательного импульса сигнала Step

Источники сигнала обратной связи по скорости:

  • противо-ЭДС двигателя
  • произведение мгноверного тока на сопротивление якоря IR
  • аналоговый сигнал от -10 до 10 В (например сигнал от тахогенератора)
  • число импульсов на входе Step за заданный промежуток времени
  • число импульсов на входе энкодера за заданный промежуток времени

Источники сигнала задания момента на валу двигателя:

  • аналоговый сигнал от -10 до 10 В
  • разность двух аналоговых сигналов
  • интерфейс RS485 Modbus RTU
  • разность аналогового сигнала и значения от интерфейса RS485 Modbus RTU
  • встроенный потенциометр
  • разность числа импульсов между входом Step/dir и энкодером обратной связи
  • разность числа импульсов между заданием траектории движения и энкодером обратной связи
  • длительность положительного импульса входного сигнала Step
  • разность времени положительного и отрицательного импульса сигнала Step

Источники сигнала обратной связи по моменту:

  • мгновенный ток двигателя

Источники сигнала значений ПИ регуляторов момента и скорости вращения:

  • встроенные потенциометры
  • интерфейс RS485 

Источник сигнала концевых выключателей:

  • дискретные входы с возможностью инверсии срабатываний
  • переход в режим стабилизации момента на время более заданного

Основные характеристики блока управления коллекторным двигателем постоянного тока

AWD50 V5.хх:

  • ПИ регулятор скорости вращения двигателя
  • ПИ регулятор момента на валу двигателя
  • Фильтрация входных сигналов с заданной постоянной времени
  • Программирование диапазона изменения входных сигналов
  • Возможность инверсии дискретных сигналов запуска и концевых выключателей
  • Встроенный формирователь траектории движения от точки к точке с заданием координаты, скорости и ускорения
  • Режим «электронный кулачек» для реализации колебаний механизма между двумя точками 
  • Постоянный подсчет числа импульсов (32 разряда) на входах энкодер и Step/Dir
  • Возможность установки преобразователя СКВТ-энкодер или преобразователя сельсин — энкодер
  • Напряжение питания двигателей от 12 до 110В
  • Максимальный ток двигателя 50А
  • Возможность управления коллекторными двигателями с постоянными магнитами, независимым или последовательным возбуждением
  • Плавный разгон и торможение с заданием ускорения
  • Встроенный тормозной резистор со схемой управления и возможностью подключения дополнительного сопротивления
  • Возможность работы в режиме торможения
  • Обработка концевых выключателей и входа разрешение движения
  • Защита от перегрева
  • Защита от короткого замыкания выхода
  • Частота ШИМ 20кГц
  • Управление по интерфейсу RS485 ModBus или аналоговыми и дискретными сигналами
  • Рабочий температурный диапазон от -40 до +55 С

Возможные применения блока управления коллекторным двигателем постоянного тока AWD50 V5.хх:

  • Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с постоянными магнитами или независимым возбуждением без дополнительных датчиков.
  • Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по тахогенератору.
  • Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по квадратурному энкодеру.
  • Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по импульсному датчику.
  • Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и аналоговым заданием.
  • Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и заданием по RS485.
  • Управление механизмами без концевых выключателей с остановкой по переходу в режим стабилизации момента.
  • Реализация режима «шагового двигателя» с управлением положением входом Step/Dir и обратной связью по квадратурному энкодеру.
  • Управление угловым положением вала двигателя с обратной связью по квадратурному энкодеру. Задание кривой разгон-скорость-торможение с возможностью изменения параметров в процессе отработки.
  • Реализация бесконечных колебаний между двумя точками любого механизма, снабжённого энкодером
  • Усилитель мощности класса D. Прямое управление величиной ШИМ.
  • Управление углом поворота вала по сигналу PWM (аналог сервомашинки).

NEW!

Версия 6.хх

Разработана новая модификация AWD50v6

Отличия блоков AWD50v6 AWD50v5:

  • Дополнительный выход твердотельного реле позволяет подключить обмотку возбуждения двигателя, электрический тормоз или вентилятор охлаждения с регулировкой температуры срабатывания.
  • Входы энкодеров заменены на дифференциальные с возможностью подключения и не дифференциальных энкодеров.
  • Напряжение питания логической части расширено до 10..36 В. 

Примеры подключения для различных режимов работы блока управления

 
 
Режим 1

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с постоянными магнитами или независимым возбуждением без дополнительных датчиков. 

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с постоянными магнитами или независимым возбуждением без дополнительных датчиков внешними аналоговыми сигналами

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с постоянными магнитами или независимым возбуждением без дополнительных датчиков.

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с постоянными магнитами или независимым возбуждением без дополнительных датчиков по RS485.

Режим 2 

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по тахогенератору. 


Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по тахогенератору 

Режим 3 

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по квадратурному энкодеру. 

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по квадратурному энкодеру 

Режим 4 

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по импульсному датчику. 

Управление скоростью вращения и ограничением момента коллекторного двигателя с обратной связью по импульсному датчику 

Режим 5 

Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и аналоговым заданием. 


Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и аналоговым заданием. Управление с помощью токовой петли 4-20мА.


Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и аналоговым заданием. Управление с помощью разности между входами AN1 и AN0.

Режим 6 

Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и заданием по RS485. 


Управление положением исполнительного механизма с обратной связью по потенциометрическому датчику и заданием по RS485 

Режим 7 

Управление механизмами без концевых выключателей с остановкой по переходу в режим стабилизации момента. 


Управление механизмами без концевых выключателей с остановкой по переходу в режим стабилизации момента 

Режим 8 

Реализация режима «шагового двигателя» с управлением положением входом Step/Dir и обратной связью по квадратурному энкодеру. 


Реализация режима «шагового двигателя» с управлением положением входом Step/Dir и обратной связью по квадратурному энкодеру 

Режим 9 

Управление угловым положением вала двигателя с обратной связью по квадратурному энкодеру. Задание кривой разгон-скорость-торможение с возможностью изменения параметров в процессе отработки. 


Реализация бесконечных колебаний между двумя точками любого механизма, снабжённого энкодером.

 

 

Реализация бесконечных колебаний между двумя точками любого механизма, снабжённого энкодером


Управление угловым положением вала двигателя с обратной связью по квадратурному энкодеру. Задание кривой разгон-скорость-торможение с возможностью изменения параметров в процессе отработки.

 

 

Усилитель мощности класса D. Прямое управление величиной ШИМ


Усилитель мощности класса D. Прямое управление величиной ШИМ

Управление углом поворота вала по сигналу PWM (аналог сервомашинки) 


Управление углом поворота вала по сигналу PWM (аналог сервомашинки)

 

 

 

Продукция изготовлена по техническим условиям МДТУ. 421212.002 ТУ «Блоки управления двигателями постоянного тока AWD»

 

Электропривод с ШИМ – способ улучшения динамики контура тока / Хабр

Динамика контура тока очень важна для точности и устойчивости работы электропривода. В свою очередь она определяется точностью и динамикой измерения токов, которое, как правило, осуществляется в условиях интенсивных помех. Подавление помех с помощью фильтров нижних частот приводит к существенному запаздыванию обратной связи контура, что делает его «вялым» и нединамичным. Ну а на базе такого контура можно построить лишь некачественный и неточный электропривод.

Данная статья посвящена исследованию алгоритмических способов фильтрации, позволяющих исключить помехи и точно, практически без запаздывания,  измерить ток в фазах двигателя. Исследование проводилось с помощью моделирования процессов в среде SimInTech

При дальнейшем рассмотрении будем считать, что система управления преобразователем реализуется на цифровом контроллере, цикл управляющей  программы которого равен периоду ШИМ.

В преобразователях небольшой мощности общая точка управляющего контроллера часто соединяется с минусовым полюсом звена постоянного тока. Это позволяет измерять токи при помощи шунтов.

Ниже на Рис.1 приведена структура инвертора, в которой полумосты подключаются к минусовой шине через измерительные шунты.

Рис.1

При ШИМ-управлении через эти шунты текут прерывистые токи. Если ток имеет активный характер, он протекает через транзистор, а если реактивный, то через обратный диод. Если измерять напряжения на этих шунтах во время открытого состояния соответствующих нижних ключей, то они будут пропорциональны токам соответствующих фаз.

Сигналы с шунтов, отмасштабировав и профильтровав, можно подать на входы АЦП контроллера. Следует заметить, что исключительно важным является правильный выбор момента аналогово-цифрового преобразования.

Для минимизации запаздывания реакции в контуре тока логично осуществить преобразование непосредственно перед началом очередного цикла расчёта. Кроме того, правильно выбрав  момент преобразования, можно существенно снизить уровень помех в каналах измерения тока.

Основные помехи в этих каналах формируются при переключении ключей инвертора. Во время защитной паузы закрыты оба транзистора полумоста и ток обмотки (если он не нулевой) имеет реактивный характер, то есть протекает через обратный диод. Пусть, например, это диод верхнего плеча. При отпирании транзистора нижнего плеча диод запирается не сразу. Время запирания диода определяется его параметром, называемым временем обратного восстановления. У высокочастотных диодов это время мало, но короткий сквозной ток полумоста, возникающий при отпирании оппозитного транзистора, как правило, достигает значительной величины и вызывает высокочастотные колебательные процессы в цепях инвертора. В вышеприведенной схеме этот высокочастотный процесс происходит непосредственно в токоизмеряющем шунте и может сильно искажать  измерения. Кроме того, индуктивные помехи наводятся на цепи измерения тока и в моменты коммутации полумостов соседних фаз.

Для того, чтобы эти помехи минимизировать, надо обеспечить несовпадение процесса аналогово-цифрового преобразования сигнала, поступающего с датчика, с моментами переключения ключей инвертора.

Это можно обеспечить, если сделать амплитуду опорного треугольника ШИМ несколько больше максимального значения модулируемого сигнала. В этом случае в районе вершины треугольника всегда будет существовать некоторая временная область, в которой переключений ключей гарантированно не будет. Там как раз и можно осуществить преобразование аналога в цифру.

Для исследования вышеописанного предположения в SimInTech была создана модель трёхфазного ШИМ-инвертора с измерителями токов. В сигналы тока модели были искусственно введены индуктивные и кондуктивные помехи. Пакет модели приведен на Рис.2.

Рис. 2.

На Рис. 3. Приведены графики сигналов модели в масштабе, удобном для восприятия.

Рис. 3.

Область, свободная от коммутаций, в районе вершины опорного треугольника будет минимальна при максимальной амплитуде модулируемого сигнала. Во избежание потери амплитуды напряжения желательно делать эту минимальную длительность покороче.  Но всё же она должна быть достаточно длинной для того, чтобы успокоились переходные процессы предшествующей коммутации инвертора и до следующей коммутации осуществились бы преобразования тока во всех  каналах преобразования.

Важно заметить, что область преобразования не совпадает с вершиной опорного треугольника ШИМ. На её оптимальное положение влияют величина защитной паузы, временные задержки в драйверах ключей и времена задержек включения/выключения самих силовых ключей. Учитывая эти параметры, область преобразования надо немного задерживать относительно вершины треугольника, ориентируясь на расчёт или лучше — на измерения указанных задержек в конкретном инверторе.

За счёт существования бескоммутационной паузы в районе вершины опорного треугольника ШИМ описываемый алгоритм несколько снижает напряжение, прикладываемое к двигателю, и соответственно приводит к недоиспользованию двигателя по мощности.

Для того, чтобы сохранить и мощность двигателя, и помехозащищенность аналого-цифрового преобразования, можно применить описанный ниже метод.

Он основан на том, что основные помехи на токовый датчик фазы возникают именно при коммутации ключей данной фазы.

Как уже говорилось, минимальная бескоммутационная пауза соответствует максимальному модулируемому напряжению.

Пусть в фазе А это напряжение максимально, например, равно единице. Уменьшение амплитуды опорного треугольника ШИМ увеличивает глубину модуляции, а следовательно и прикладываемого к двигателю максимального напряжения. Однако в этом случае рано или поздно возникнет ситуация совпадения коммутации ключей фазы А с процессом аналого-цифрового преобразования. Таким образом, результат измерения тока фазы А станет недостоверным. Однако в двух других фазах модулируемые напряжения в этот момент будут в два раза меньше максимального (-0.5 и -0.5) и процесс преобразования с гарантией не совпадёт с коммутациями ключей этих фаз.

В соответствии с симметрией трёхфазной системы ток (напряжение) в фазе двигателя всегда равен сумме токов (напряжений) в двух других фазах с противоположным знаком.

Следовательно, обеспечить точность преобразования можно, исключив из процесса фазу с максимальной величиной модулируемого напряжения, а ток в этой фазе получать суммированием (с противоположным знаком) преобразованных значений тока из двух других, не подверженных помехам фаз.

Если на базе инвертора строится электропривод с коммутацией по датчику положения ротора (БДПТ), то токовый шунт, как правило, используется один и устанавливается так, как показано на Рис.4.

Рис. 4

Канал ШИМ-а в БДПТ один, и для исключения помех остаётся смириться с некоторым увеличением амплитуды треугольника для создания бескоммутационной паузы.

В преобразователях, работающих с напряжениями, — начиная с 380В  и мощностями — более нескольких кВт, для измерения тока в фазы инвертора обычно устанавливаются датчики на элементах Холла, так, как показано на Рис.5.

Рис. 5

Сквозные токи полумостов через эти датчики непосредственно не текут, но обеспечение защиты от коммутационных помех в мощных преобразователях также актуально. Помехи на измерительные цепи наводятся как по воздуху (индуктивные), так и через паразитные ёмкости цепей и элементов (кондуктивные).

В этих преобразователях применимы оба подхода, уже описанные для трёх измерительных шунтов в полумостах. Отличие заключается лишь в том, что токи через датчики протекают всегда и не связаны с отпиранием или запиранием ключей фаз.

На Рис.6 показан смоделированный процесс исключения помех при измерении тока в векторно-управляемом СДПМ.

Рис. 6

Следует заметить, однако, что при высоком уровне индуктивных помех метод с исключением из преобразования тока фазы с наибольшим напряжением может оказаться неэффективным.

Дополнительный бонус

Способ измерения тока в районе вершины треугольника имеет ещё и дополнительный бонус – он позволяет осуществлять качественную фильтрацию ШИМ-пульсации токов с точным выделением среднего значения.

При ШИМ-управлении в токах фазах двигателя имеется пульсация, связанная с импульсностью управления.

Если амплитуда опорного треугольника больше амплитуды задающего сигнала, то в районах вершин треугольника все фазы трёхфазного двигателя подключаются к одному из полюсов звена постоянного тока:

  • в районе минимума треугольника – к положительному полюсу 

  • в районе максимума треугольника – к отрицательному полюсу.

В эти моменты к обмотке приложено нулевое напряжение.

Рис. 7.

Заметим, что середины участков с нулевым напряжением немного сдвинуты относительно вершин треугольника вследствие наличия защитных пауз и задержек сигнала в драйверах и ключах.

Таким образом, измерение токов надо проводить один раз за период ШИМ в строго определённый момент в районе вершины опорного треугольника непосредственно перед началом следующего цикла вычислений.

Если позволяет быстродействие АЦП, то можно попробовать провести несколько измерений одно за другим, с последующим усреднением полученных значений.

При применении вышеописанного метода программные фильтры тока в системе управления можно и нужно исключать, так как их постоянная времени слишком велика. Однако маленький аппаратный фильтр, установленный до АЦП, лишним не будет.

Бытующее мнение о том, что ток надо измерять  два раза за период ШИМ в районе вершин с последующим усреднением, по мнению автора, неверно. Такой способ измерения применим, только если изменением тока за период ШИМ можно пренебречь. В противном случае это приведет лишь к запаздыванию в обратной связи контура тока и ухудшению его динамики.

Другие публикации Юрия Николаевича Калачева:

Импульсное управление ДПТ — Лекция

Лекция

Импульсное управление ДПТ

Наиболее широкое применение из всех видов импульсного регулирования для управления двигателями постоянного тока нашло широтно-импульсное регулирование напряжения (ШИР). Импульсное регулирование возможно как со стороны якоря, так и со стороны обмотки возбуждения главных полюсов, однако наиболее распространено импульсное якорное управление. Сущность импульсного способа состоит в том, что регулирование угловой скорости ротора достигается не за счет изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к якорю двигателя, а путем изменения времени, в течение которого подводится номинальное напряжение.

Рис. 1

Иначе говоря, при импульсном способе (рис 1) к микродвигателю подводятся импульсы неизменного по амплитуде напряжения управления Uу.ном, в результате чего его работа состоит из чередующихся периодов разгона и торможения. Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки ротора, то угловая скорость ротора не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений и установится некоторая средняя угловая скорость, однозначно определяемая относительной продолжительностью включения (скважностью). Значение при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется относительной продолжительностью импульсов ε:

ε =tи/Т, (1)

где t и— длительность импульса; Т – период (Ти).

В период, когда электронный ключ открыт, питающее напряжение полностью подается на двигатель, ток якоря увеличивается, двигатель развивает положительный момент и частота вращения возрастает; когда электронный ключ закрыт, ток под действием запаса электромагнитной энергии продолжает протекать в том же направлении, но через обратный диод. При этом он уменьшается, момент двигателя уменьшается, угловая скорость вращения падает.

Управление, при котором изменяется соотношение длительности импульса tи и паузы tп при постоянном периоде Т, называется широтно-импульсным.

ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ. ШИМ — это цифровой сигнал, с помощью которого можно задать аналоговый сигнал.

Если параметры схемы подобраны так, что колебания тока, момента и угловой скорости вращения небольшие, работа двигателя практически не отличается от работы при постоянном напряжении, за которое можно принять среднее напряжение за период управления Т

. Исправить t на ε

С увеличением относительной продолжительности импульсов угловая скорость ротора растет (ω’срср).В период паузы tп ротор обязательно должен тормозиться. Если это условие не будет выполняться, то угловая скорость ротора при любом значении ε будет непрерывно увеличиваться, пока не достигнет значения угловой скорости х.х., так как во время импульса угловая скорость будет возрастать, а во время паузы – оставаться практически неизменной.

С ростом частоты управляющих импульсов амплитуда колебаний скорости уменьшается; среднее значение угловой скорости остается при этом неизменным.

Принципиальные схемы импульсного регулирования показаны на рис. 2.

Рис. 2

Если к валу двигателя приложен статический момент нагрузки, приводящий к механическому торможению двигателя во время паузы,то возможно применение схемы (рис. 2,а), в которой ключ К в течение одной части цикла подключает якорь непосредственно к источнику питания, создавая положительный момент (разгон), в течение же другой части отключает якорь от источника питания (торможение). Если двигатель работает без или с малой статической нагрузкой, то возможно применение электрического торможения (динамического или противовключением) во время паузы. Например, в схеме на рис. 2,б ключ К переключает во время паузы якорь на сопротивление Rд для осуществления динамического торможения. В качестве ключевых элементов в современных схемах используются транзисторы или тиристоры.

Рассмотрим механические и регулировочные характеристики исполнительного двигателя постоянного тока при импульсном управлении с торможением за счет статического момента сопротивления Mст на валу (рис. 2,а). Под механической характеристикой при импульсном управлении понимают зависимость средней угловой скорости от среднего значения момента при неизменной относительной продолжительности импульсов ε. Под регулировочной характеристикой понимают зависимость средней угловой скорости ротора от относительной продолжительности импульсов ε при неизменном среднем моменте на валу двигателя.

В зависимости от параметров двигателя схемы управления и момента нагрузки возможны два основных режима работы двигателя: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока,

Режим прерывистого тока характеризуется тем, что ток якоря течет во время импульса, а в течение основного времени паузы tn равен нулю. Этот режим может возникнуть в схеме рис. 2,а при τя << Tия -электромагнитная постоянная времени обмотки якоря).

При малой амплитуде колебаний мгновенной угловой скорости в процессе регулирования можно пренебречь изменением тока якоря и вращающего момента двигателя в интервале tи. В этом случае изменение угловой скорости ротора в периоды разгона Δ ω р и торможения Δ ω m происходит по линейному закону (с постоянным ускорением) и определяется соотношениями

Δω р=(Мcp.ucm)tи/J, (2)

Δωm=-Mcmtп/J , где Mcp.u — среднее в интервале tи значение вращающего момента двигателя; J – момент инерции ротора и нагрузки; (Mcp.u-Mcm)/J и -Mcm/J – соответственно ускорения разгона и торможения.

В установившемся режиме Δωp=Δωm, следовательно, из (2) можно получить соотношение моментов:

МсриtиcmТи. (3)

Это соотношение в системе относительных единиц имеет вид

Мcp.u*(tии)=Мcm*, (4)

Выражение, стоящее в левой части формулы (4), есть среднее за период времени Ти значение вращающего момента

Mcp*=Mcp.u*ε. (5)

Как и следовало ожидать в установившемся режиме Мср.*ст.*

Значение Мcp.u*, соответствующее установившейся средней угловой скорости ω cp*, определяем при α=1, так как амплитуда импульсов равна номинальному напряжению управления:

Мcp.u*=1-ωcp.* , (6)

Подставив (6) в (5), получаем

ω cp.*=1-Mcp.*/ε. (7)

Рис. 3

Уравнение (7) представляет собой при ε=const уравнение механической характеристики, а при Mcp.*=const – уравнение регулировочной характеристики. Механические характеристики (рис. 3,а) линейны и начинаются из одной общей точки х.х.; жесткость механических характеристик уменьшается при уменьшении ε. Регулировочные характеристики (рис. 3,б) нелинейные; регулирование возможно только при Mcp.*≠0.

Режим непрерывного тока характеризуется тем, что во время паузы tп уменьшающийся ток якоря iя продолжает протекать по якорю в том же направлении, что и во время tи (рис. 4,а).

Рис. 4

Этот режим может возникнуть, например, при регулировании по схеме рис. 2,а при Ти<<τ я.

При отключении ключа К (пауза tп) ток якоря начинает уменьшаться. Возникает ЭДС самоиндукции якоря, стремящаяся поддержать в цепи ток прежнего направления. Направление ЭДС самоиндукции такое, что диод Д оказывается открытым и через него замыкается цепь для тока якоря iя.

При малой амплитуде колебаний мгновенной угловой скорости ток якоря iя и момент Мэм меняются незначительно относительно средних значений Iя.ср и Мср. К якорю двигателя приложено напряжение, среднее за период значение которого

Uя.ср=Uя.номtии=εUя.ном

Если подставить в уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока значения Uя=Uя.ср и Mэмср,то при переходе к относительным единицам получим уравнение:

ω ср*=ε-Мср*. (8)

Механические и регулировочные характеристики будут иметь такой же вид, как и при непрерывном якорном способе управления (см. рис. 5) с заменой α на ε. Как видно, закон регулирования угловой скорости в режиме непрерывного тока получается линейным.

Рис. 5

В реальных схемах импульсного управления режим работы двигателя в одном диапазоне моментов и угловых скоростей ближе к режиму непрерывного тока, в другом — к режиму прерывистого тока.

Механические и регулировочные характеристики для этого случая представлены на рис. 4, б, в. Граница перехода из одного режима в другой показан пунктирной линией (рис. 4, б). С целью обеспечения линейного закона регулирования диапазон прерывистых токов стремятся сузить.

Аналогично можно исследовать механические и регулировочные характеристики любой другой схемы импульсного управления. Основные преимущества импульсного способа управления – меньшее значение средней потребляемой двигателем мощности; возможность управления при нерегулируемом источнике постоянного тока, например, бортовой аккумуляторной батарее. Однако аппаратура управления в общем случае более сложная, чем при непрерывном управлении.

Управление маломощным коллекторным двигателем постоянного тока mosfet транзистором

Желание привнесённое в жизнь с детства всётаки одолело меня и я таки решил попробывать вращать двигателем. Да не просто так как в детстве — при помощи батарейки и самого двигателя, а по взрослому — при помощи силовых ключей и ШИМ.

Думаю в наше время уже не стоит говорить о достоинствах ШИМ. Каждому известно, что он в разы увеличивает наше КПД, прост и удобен в использовании.

Знакомый ехал на радиорынок, поэтому в течении 30 секунд выбирал транзистор. Выбрал STP16NF06. Да вот беда… промазал я и не увидел, что тремя вольтами его не открыть.

Пришлось выковырять из старой магнитолы транзистор биполярный npn типа и соорудить усилительный каскад с общим эмитором. В силу этого как вы понимаете придётся использовать инверсный ШИМ. Чтобы тот пройдя через усилитель на pnp транзисторе стал прямым.

Рисунок 1 — Усилительный каскад ОЭ.

С номиналами я сильно не заморачивался. Задача была зафиксировать рабочую точку в нуле при неактивном состоянии сигнала и в 3В при активном.

Таким образом выбрал R1=63K , R2=20 Ом. Резистор R3 ограничивает ток при открытии транзистора и особого значения его номинал не играет для нас. Я взял 1.5К просто потому что был под рукой.

С этой частью готово. Теперь при подаче 3В на вход, на выходе будет — 0В. При подаче 0В — на выходе напряжение питания. В нашем случае 9В.

Теперь двигаемся в сторону mosfet`ов.

Mosfet — это такая технология изготовления транзисторов. По русски это будет МОП (Метал — Окисел — Полупроводник). Это полевые транзисторы.

При подаче энергии на затвор в канале транзистора возникает поле, которое позволяет электрическому току течь черь сток-исток.

Бывает два типа таких транзисторов — с P и N каналом. Различие очень похоже на биполярные транзисторы.

Если транзистор n-канальный:

  • он открывается положительным напряжением на затворе по отношению к истоку.
  • паразитный диод в структуре канала катодом подсоединен к стоку, анодом — к истоку.
  • канал обычно подсоединяют так, что на стоке более положительное напряжение, чем на истоке.

Если транзистор p-канальный:

  • он открывается отрицательным напряжением на затворе по отношению к истоку.
  • паразитный диод в структуре канала анодом подсоединен к стоку, катодом — к истоку.
  • канал обычно подсоединяют так, что на стоке более отрицательное напряжение, чем на истоке.

У нас N-канальный транзистор.

Рисунок 2 — Управление двигателем при помощи MOSFET транзистора

На вход подаётся сигнал с усилителя npn.

Из-за индуктивных свойств обмоток двигателя необходимо включить в схему диод, который будет разряжать обмотку при выключении питания.

В итоге получилось вот такая фиговина:

Питаю всё от блока питания от приставки SEGA, которое подаю на вот такую плату:

Вот и вся наука)))

широтно-импульсная модуляция | Электроприводы постоянного тока

Широтно-импульсная модуляция

(ШИМ) использует цифровые сигналы для управления силовыми приложениями, а также ее довольно легко преобразовать обратно в аналоговую с минимальным аппаратным обеспечением.

Аналоговые системы, такие как линейные источники питания, имеют тенденцию выделять много тепла, поскольку они в основном представляют собой переменные резисторы, несущие большой ток. Цифровые системы обычно не выделяют столько тепла. Почти все тепло, выделяемое коммутационным устройством, приходится на переход (что делается быстро), при этом устройство ни включено, ни выключено, а находится в промежутке.Это потому, что мощность следует следующей формуле:

P = E I, или Вт = Напряжение X Ток

Если либо напряжение, либо ток близки к нулю, мощность будет близка к нулю. ШИМ в полной мере использует этот факт.

ШИМ может иметь многие характеристики аналоговой системы управления, в том смысле, что цифровой сигнал может быть свободным. ШИМ не должен захватывать данные, хотя есть исключения для контроллеров более высокого класса.

Рабочий цикл

Одним из параметров любой прямоугольной волны является коэффициент заполнения.Большинство прямоугольных волн составляют 50%, это норма при их обсуждении, но они не обязательно должны быть симметричными. Время включения может полностью варьироваться между выключенным сигналом и полным включением, от 0% до 100% и во всех диапазонах между ними.

Ниже показаны примеры рабочего цикла 10 %, 50 % и 90 %. Хотя частота одинакова для всех, это не является обязательным требованием.

Причина популярности ШИМ проста. Многие нагрузки, такие как резисторы, интегрируют мощность в число, соответствующее проценту.Преобразование в его аналоговое эквивалентное значение является простым. Светодиоды очень нелинейны в своей реакции на ток, дают светодиоду половину его номинального тока, и вы все равно получаете более половины света, который может производить светодиод. С ШИМ уровень света, создаваемый светодиодом, очень линейный. Двигатели, о которых будет рассказано позже, также очень чувствительны к ШИМ.

Одним из нескольких способов создания ШИМ является использование пилообразного сигнала и компаратора. Как показано ниже, пилообразная (или треугольная) волна не обязательно должна быть симметричной, но важна линейность формы волны.Частота пилообразного сигнала является частотой дискретизации сигнала.

Если нет никаких вычислений, ШИМ может быть быстрым. Ограничивающим фактором является частотная характеристика компараторов. Это может не быть проблемой, так как многие из применений имеют довольно низкую скорость. Некоторые микроконтроллеры имеют встроенный ШИМ и могут записывать или создавать сигналы по запросу.

Применение ШИМ широко варьируется. Это сердце аудиоусилителей класса D, увеличивая напряжение, вы увеличиваете максимальную выходную мощность, а выбирая частоту за пределами человеческого слуха (обычно 44 кГц), можно использовать ШИМ.Динамики не реагируют на высокие частоты, а дублируют низкие частоты, являющиеся звуковым сигналом. Более высокие частоты дискретизации могут использоваться для еще большей точности, а частота 100 кГц и выше не является чем-то необычным.

Еще одним популярным приложением является управление скоростью двигателя. Двигатели как класс требуют очень больших токов для работы. Возможность изменять их скорость с помощью ШИМ значительно увеличивает эффективность всей системы. ШИМ более эффективен для управления скоростью двигателя при низких оборотах, чем линейные методы.

Н-образные мосты

PWM часто используется в сочетании с H-Bridge. Эта конфигурация названа так потому, что напоминает букву H и позволяет удвоить эффективное напряжение на нагрузке, поскольку источник питания можно переключать с обеих сторон нагрузки. В случае индуктивных нагрузок, таких как двигатели, диоды используются для подавления индуктивных пиков, которые могут повредить транзисторы. Индуктивность двигателя также имеет тенденцию подавлять высокочастотную составляющую сигнала.Эта конфигурация также может использоваться с динамиками для аудиоусилителей класса D.

Несмотря на то, что эта схема H-моста в основном точна, у нее есть один серьезный недостаток: при переключении между полевыми МОП-транзисторами оба транзистора сверху и снизу будут включены одновременно и примут на себя всю нагрузку, которую может обеспечить источник питания. . Это состояние называется прорывом через и может произойти с любым типом транзистора, используемого в H-мосте. Если блок питания достаточно мощный, транзисторы не выживут.Это решается с помощью драйверов перед транзисторами, которые позволяют одному выключиться, прежде чем включить другой.

Импульсные источники питания

Импульсные источники питания

(SMPS) также могут использовать ШИМ, хотя существуют и другие методы. Добавление топологий, использующих накопленную мощность как в катушках индуктивности, так и в конденсаторах, после основных коммутационных компонентов может значительно повысить эффективность этих устройств, в некоторых случаях превышающую 90%. Ниже приведен пример такой конфигурации.

КПД в данном случае измеряется в ваттах. Если у вас есть SMPS с эффективностью 90%, и он преобразует 12 В постоянного тока в 5 В постоянного тока при 10 А, сторона 12 В будет потреблять примерно 4,6 А. Неучтенные 10% (5 Вт) будут отображаться как отработанное тепло. Несмотря на то, что этот тип регулятора немного шумнее, он будет работать намного медленнее, чем его линейный аналог.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Управление двигателем постоянного тока с помощью ШИМ-сигналов — Arduino — Robo India || Учебники || Изучите Ардуино |

В этом руководстве Robo India объясняется, как управлять скоростью двигателя постоянного тока с помощью сигналов ШИМ.

1. Введение

Скорость двигателя постоянного тока в целом прямо пропорциональна напряжению питания, поэтому, если уменьшить напряжение с 9 вольт до 4,5 вольт, наша скорость станет вдвое меньше, чем была изначально. Но на практике для изменения скорости двигателя постоянного тока мы не можем все время изменять напряжение питания. ШИМ-регулятор скорости для двигателя постоянного тока работает путем изменения среднего напряжения, подаваемого на двигатель

. Сигнал ШИМ

представляет собой прямоугольную волну высокой частоты (обычно более 1 кГц).Рабочий цикл этой прямоугольной волны варьируется для изменения мощности, подаваемой на нагрузку.

Входные сигналы, подаваемые на ШИМ-контроллер, могут быть аналоговыми или цифровыми сигналами в зависимости от конструкции ШИМ-контроллера. ШИМ-контроллер принимает управляющий сигнал и регулирует рабочий цикл ШИМ-сигнала в соответствии с требованиями. На приведенной ниже диаграмме показаны формы сигналов, полученные на выходе при различных требованиях к напряжению.

В этих волнах частота одинакова, но время включения и выключения разное.

 
1.2 Требуемое оборудование
1.3 Распиновка микросхемы драйвера двигателя L293D

Драйвер двигателя — это модуль для двигателей, который позволяет вам одновременно контролировать рабочую скорость и направление двух двигателей. Этот драйвер двигателя разработан и разработан на основе L293D IC.

L293D представляет собой 16-контактную микросхему с восемью выводами на каждой стороне для одновременного управления двумя двигателями постоянного тока. Для каждого двигателя имеется 4 контакта INPUT, 4 контакта OUTPUT и 2 контакта ENABLE.

Pin 1: когда Enable1/2 находится в состоянии HIGH, левая часть микросхемы будет работать, т. е. двигатель, подключенный к контактам 3 и 6, будет вращаться.

Контакт 2: Вход 1, когда на этом контакте ВЫСОКИЙ уровень, ток будет течь через выход 1.

Контакт 3: Выход 1, этот контакт соединен с одной клеммой двигателя.

Контакт 4/5: контакты заземления

Контакт 6: Выход 2, этот контакт соединен с одной клеммой двигателя.

Контакт 7: Вход 2, когда на этом контакте ВЫСОКИЙ уровень, ток будет течь через выход 2.

Контакт 8: VSS, этот контакт используется для подачи питания на подключенные двигатели от 5 В до 36 В максимум, в зависимости от подключенного двигателя.

Pin 9: Когда Enable 3/4 имеет ВЫСОКИЙ уровень, правая часть микросхемы будет работать, т. е. двигатель, подключенный к контактам 11 и 14, будет вращаться.

Контакт 10: Вход 4, когда на этом контакте ВЫСОКИЙ уровень, ток будет течь через выход 4.

Контакт 11: Выход 4, этот контакт подключен к одной клемме двигателя.

Контакт 12/13: контакты заземления

Контакт 14: Выход 3, этот контакт соединен с одной клеммой двигателя.

Контакт 15: Вход 3, когда на этом контакте ВЫСОКИЙ уровень, ток будет течь через выход 3.

Контакт 16: VCC, для подачи питания на микросхему, т. е. 5 В.

2. Соединения с Arduino

1. Модуль 5В (VCC) – Arduino 5В.

2. Модуль GND — Земля Arduino.

3. Модуль 1 – Arduino D8.

4. Модуль 2 – Arduino D9.

5. Модуль 3 – Arduino D10.

6. Модуль 4 – Arduino D11.

7.Модуль EN12 — Ардуино D5.

8. Модуль EN34 – Arduino D6.

9. Модуль Двигатель Винтовые клеммы – двигатели постоянного тока.

10. Модуль питания VSS Винтовой зажим- Внешний источник питания 9В.

Убедитесь, что убрана предустановка перемычки на контактах включения модуля, чтобы мы могли подключить вход ШИМ к этому контакту и управлять скоростью двигателей. Если мы подключим эти контакты к земле, то двигатель отключится.

3. Программирование:

Вот код для запуска этой схемы.

Вы можете скачать этот код (Arduino Sketch) отсюда.

//Учебное пособие от RoboIndia по управлению двигателем с использованием ШИМ-сигналов
//Требуемое оборудование: драйвер двигателя (от RoboIndia и Arduino)
 
 // Двигатель А
const int inputPin1 = 10; // Контакт 15 микросхемы L293D
const int inputPin2  = 11; // Контакт 10 микросхемы L293D
 // Двигатель Б
const int inputPin3  = 9; // Контакт 7 микросхемы L293D
const int inputPin4  = 8; // Контакт 2 микросхемы L293D
инт EN1 = 5; // Контакт 1 микросхемы L293D
инт EN2 = 6; // Контакт 9 микросхемы L293D
недействительная установка ()

{
 
 pinMode(EN1, ВЫХОД); // куда подключен двигатель
 pinMode(EN2, ВЫХОД); // куда подключен двигатель
 pinMode (входPin1, ВЫХОД);
 pinMode(inputPin2, ВЫХОД);
 pinMode(inputPin3, ВЫХОД);
 pinMode(inputPin4, OUTPUT);
  Серийный номер  .начало (9600);
  Серийный номер  .println("Введите значения от 0 до 255");
}

пустой цикл ()

{
 если ( серийный номер  .доступно())
 {
 int скорость =  Серийный номер  .parseInt(); //Получить значение от последовательного монитора
  Серийный номер  .println(скорость)
 аналоговая запись (EN1, скорость); //устанавливаем скорость моторов
 аналоговая запись (EN2, скорость); //устанавливаем скорость моторов
 цифровая запись (входной контакт 1, ВЫСОКИЙ);
 цифровая запись (inputPin2, НИЗКИЙ);
 цифровая запись (входной контакт 3, ВЫСОКИЙ);
 цифровая запись (inputPin4, НИЗКИЙ);
 }
}

 
 
4.Выход

После подключения вы скопируете и вставите этот код в Arduino IDE, а затем загрузите код. Откройте Serial Monitor и отправьте входные значения в Arduino. Вы можете управлять скоростью двигателя постоянного тока, отправляя различные значения от 0 до 255.

Если у вас есть какие-либо вопросы, напишите нам по адресу  [email protected]

С уважением и благодарностью
Команда разработки контента 
Robo India
https://roboindia.ком

Что такое ШИМ-управление двигателем — 4QD

Что такое широтно-импульсная модуляция? как работает ШИМ-управление двигателем и как выглядит схема ШИМ? На этой странице мы подробно рассмотрим теорию и практику ШИМ-управления двигателем.

Принципы

Для управления скоростью постоянного тока. двигатель нам нужен переменного напряжения постоянного тока. источник питания. Однако, если вы возьмете 12-вольтовый двигатель и включите на него питание, двигатель начнет ускоряться: двигатели не реагируют сразу, поэтому для достижения полной скорости потребуется небольшое время.Если мы отключим питание за некоторое время до того, как двигатель достигнет полной скорости, двигатель начнет замедляться. Если мы будем включать и выключать питание достаточно быстро, двигатель будет работать на некоторой скорости между нулевой и полной скоростью. Это именно то, что p.w.m. контроллер делает: он включает двигатель серией импульсов. Для управления скоростью двигателя он изменяет (модулирует) ширину импульсов — отсюда и широтно-импульсная модуляция.

Рассмотрим форму сигнала выше. Если двигатель подключен одним концом к положительному аккумулятору, а другим концом к отрицательному аккумулятору через переключатель (МОП-транзистор, силовой транзистор или аналогичный), то, если МОП-транзистор включен на короткий период и выключен на длительный период, как в A выше, двигатель будет вращаться только медленно.В B переключатель включен на 50% и выключен на 50%. В точке С двигатель работает большую часть времени и отключается только на короткое время, поэтому скорость близка к максимальной. В практическом низковольтном контроллере переключатель открывается и закрывается на частоте 20 кГц (20 тысяч раз в секунду). Это слишком быстро для бедного старого двигателя, чтобы даже понять, что он включается и выключается: он думает, что питается от чистого постоянного тока. Напряжение. Это также частота выше слышимого диапазона, поэтому любой шум, издаваемый двигателем, будет неслышен. Он также достаточно медленный, чтобы МОП-транзисторы могли легко переключаться на этой частоте.Однако двигатель имеет индуктивность. Индуктивность не любит изменений тока. Если двигатель потребляет какой-либо ток, то этот ток протекает через переключатель MOSFET, когда он включен, но куда он будет течь, когда MOSFET выключается? Читайте дальше и узнайте!

A Цепь управления двигателем с ШИМ

Цепь управления двигателем с ШИМ

Рассмотрим приведенную выше схему: на ней показаны приводной МОП-транзистор и двигатель. Когда приводной МОП-транзистор проводит ток, ток течет от плюса батареи через двигатель и МОП-транзистор (стрелка A) и обратно к минусу батареи.Когда MOSFET отключается, ток двигателя продолжает течь из-за индуктивности двигателя. К двигателю подключен второй полевой МОП-транзистор: МОП-транзисторы действуют как диоды для обратного тока, а это обратный ток через МОП-транзистор, поэтому он проводит. Вы можете использовать такой полевой МОП-транзистор (замкнуть его затвор на исток) или использовать силовой диод. Однако не так общеизвестный факт о полевых МОП-транзисторах заключается в том, что когда они включены, они проводят ток в любом направлении. Проводящий МОП-транзистор сопротивляется току в любом направлении, и проводящий мощный МОП-транзистор фактически падает меньше напряжения, чем диод с прямым смещением, поэтому МОП-транзистор требует меньшего отвода тепла и тратит меньше энергии батареи.

Из приведенного выше следует, что если приводной МОП-транзистор включен в течение 50% рабочего цикла, напряжение двигателя составляет 50% от напряжения батареи, и, поскольку ток батареи протекает только при включенном МОП-транзисторе, ток батареи протекает только в течение 50% времени, поэтому средний ток батареи составляет всего 50% от тока двигателя!

Главный конденсатор

Однако есть проблема: когда МОП-транзистор отключается, он не только прерывает ток двигателя, но и ток, протекающий от батареи.Провода от батареи имеют индуктивность (как и батарея), поэтому, когда этот ток прерывается, эта индуктивность вызывает всплеск напряжения: в цепи основной конденсатор поглощает (большую часть) этого всплеска. Когда приводной МОП-транзистор снова включается, ток батареи просят быстро течь, чего он не может. Основной конденсатор подает ток в течение периода восстановления тока батареи. В контроллере, способном выдавать 120 ампер, этот конденсатор работает очень тяжело, и, если большой ток потребляется слишком долго (в зависимости от длины провода батареи), главный конденсатор может взорваться! Во время ранней разработки мы однажды использовали стандартные конденсаторы с проволочными наконечниками и расплавили провода конденсатора! Конденсаторы имеют медные выводы из стали , и в приложениях управления двигателем эти выводы могут сильно нагреваться!

Из вышеизложенного видно, что работа этого конденсатора сильно зависит от индуктивности контура проводов батареи.Длинные провода будут иметь большую индуктивность. Скручивание проводов батареи снижает их индуктивность.

Сопротивление в выводах батареи будет иметь эффект, аналогичный индуктивности, поэтому эти провода должны быть толстыми.

Кроме того, некоторые люди хотят поставить амперметр на провода аккумуляторной батареи. Следует сопротивляться искушению: в частности, простые автомобильные амперметры обладают высокой индуктивностью.

Простые контроллеры (например, используемые для моторизованных сумок для гольфа) обычно обходятся без дорогостоящего основного конденсатора и полагаются на емкость батареи.Вам это может сойти с рук — наши ранние Eagle и Egret являются такими контроллерами. Однако необходимо краткое объяснение эффектов. Чтобы проиллюстрировать это, график напряжения батареи, как его можно увидеть с помощью осциллографа, подключенного непосредственно к источнику питания батареи на клеммах контроллера. Масса прицела находится на отрицательной шине.

Сверху вид «прицела» на положительный аккумулятор, внизу на отрицательный вывод двигателя (который переключается контроллером).Для наглядности формы сигнала были сильно подчищены: на практике на сигнале много «грязного» звона. Показан источник питания 12В.

Мы соединяем форму волны в точке, где нет тока батареи: выходная мощность двигателя высока, а ток рециркулирует в маховике. В точке A включается полевой МОП-транзистор контроллера, отводя ток двигателя от батареи. Но выводы батареи имеют индуктивность! Ток батареи не может начаться немедленно, поэтому выводы батареи падают на полные 12 В, а напряжение контроллера гаснет до тех пор, пока индуктивность выводов не сможет зарядиться, что и происходит в точке B.Время AB зависит от тока и индуктивности контура батареи и может составлять значительную часть времени цикла!

Затем, в точке C, нижний MOSFET резко отключается, прерывая ток. Ток двигателя не проблема, он продолжает течь, а маховик должен убедиться, что это так! Но резко остановить ток батареи нельзя — поэтому он возражает в виде большого всплеска напряжения. Этот всплеск нарастает до тех пор, пока что-то не дает: в этом случае он достигает напряжения лавинного пробоя MOSFET, и MOSFET его зажимает.Вы можете легко увидеть напряжение фиксации с плоской вершиной с помощью осциллографа. МОП-транзисторы рассчитаны на повторяющуюся энергию лавины, и вы должны быть уверены, что 1/2Li², хранящаяся в индуктивности контура батареи, значительно ниже безопасной повторяемой энергии лавины.

Проблема: рассчитать индуктивность контура батареи практически невозможно даже инженеру. Для игрока сделать это — ну, сложно. Таким образом, производитель просто поставляет контроллеры известному набору клиентов, которые используют их стандартными способами, и решает проблемы по мере их возникновения на эмпирической основе.Это всегда вопрос нетехнического заказчика, пытающегося получить что-то даром: нужен основной конденсатор. Для некоторых приложений вы действительно можете обойтись без! Но это определенно «сходит с рук»!

В контроллерах с главным конденсатором большинство (но не все) перебоев питания сглаживаются конденсатором. Тем не менее, вы увидите положительное превышение и звон, поскольку ток батареи прерывается.

 


ШИМ и нагрев двигателя

Популярная «бабушкина сказка» состоит в том, что ШИМ заставляет двигатель нагреваться больше, чем чистый d.в. Как и большинство бабьих сказок, это происходит от частичной правды, взращенной непониманием. «Миф» возникает из-за того, что если частота слишком низкая , то ток прерывистый (или, по крайней мере, изменяется в зависимости от ШИМ-сигнала), потому что индуктивность двигателя не может должным образом поддерживать ток в течение периода выключения сигнала. Таким образом, ток двигателя будет импульсным, а не непрерывным. Средний ток будет определять крутящий момент, но нагрев будет интегралом от квадрата тока (нагрев пропорционален I²R) — «форм-фактор» тока будет больше единицы.Чем ниже частота, тем выше ток пульсаций и больше нагрев.

Итак, рассмотрим упрощенный случай, когда ток либо включен, либо выключен. Если ток течет, скажем, в течение 1/3 времени, и вам требуется крутящий момент от двигателя, эквивалентный крутящему моменту, заданному 1 ампером, то вам явно нужен средний ток 1 ампер. Чтобы сделать это с рабочим циклом 33%, у вас должно быть 3 ампера (ток течет в течение 1/3 времени).

Теперь сила тока 3 ампера дает в 9 раз (в квадрате) больший эффект нагрева, чем 1 ампер.

Но если ток 3 ампера течет только 1/3 всего времени, то двигатель нагревается в 9 раз за 1/3 времени, или в 3 раза больше, чем постоянный 1 ампер! Говорят, что этот сигнал имеет «форм-фактор» 3.

Однако, если частота повторения импульсов достаточно высока, индуктивность двигателя вызовет эффект маховика, и ток станет стабильным. Например, двигатель Линча имеет индуктивность всего 39 мкГн (это один из двигателей с самой низкой индуктивностью, которые я знаю) и сопротивление 0.016 Ом. «Постоянная времени» для цепи L-R равна L/R, что (для двигателя Линча) дает 2,4 мс. Для SEM DPM40P4 (1 кВт) индуктивность составляет 200 мкГн, а сопротивление 40 мОм, что дает постоянную времени 5 мс.

Согласно эмпирическому правилу и во избежание излишних математических вычислений период повторения импульсов должен быть значительно короче постоянной времени двигателя.

Другими факторами, влияющими на ЧПИ, являются:
Если он находится в звуковом диапазоне, двигатель может издавать гул (вызванный явлением, известным как «магнитострикция», поэтому держитесь выше звукового диапазона).
Схема MOSFET больше всего рассеивается при переключении из одного состояния в другое, поэтому частота не должна быть слишком высокой — MOSFET можно использовать с осторожностью до 100 кГц, но это становится немного выше.
РЧ-излучение: оно увеличивается с увеличением частоты, поэтому держите частоту как можно ниже!

Очевидно, трудно выбрать «лучший» компромисс между ними, но оптимальная частота, по-видимому, составляет около 20 кГц.


На нашем дочернем сайте 4qdtec есть более подробная версия этой страницы, а также гораздо больше технических деталей.com

Рекламная пауза…. приходите и посмотрите на наш полный ассортимент контроллеров!

 

Использование ШИМ для управления двигателем постоянного тока — блог Upverter

Начните работу с Altium Upverter, зарегистрируйтесь сейчас.

Среднее значение постоянного тока для различных рабочих циклов

Двигатели постоянного тока

преобразуют электрическую энергию в механическую, а скорость двигателя постоянного тока прямо пропорциональна значению входного постоянного напряжения.Направление вращения зависит от полярности входного напряжения. Во многих приложениях вам может понадобиться управлять скоростью или направлением вращения, и вы можете использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с H-мостом в качестве простого метода управления скоростью и направлением. В этой статье мы рассмотрим, что такое ШИМ и как использовать ШИМ для управления двигателем постоянного тока.

Что такое ШИМ?

Существует много типов схем модуляции, которые можно использовать для периодического изменения некоторых аспектов цифрового или аналогового сигнала (частотная модуляция, амплитудная модуляция, фазовая модуляция и т. д.).). Как следует из названия, ШИМ — это тип модуляции, при котором ширина импульса изменяется без изменения частоты (то есть частоты повторения) сигнала. Время, в течение которого сигнал находится в состоянии ВЫСОКОГО уровня, называется рабочим циклом. Как мы увидим, эта величина является фундаментальной при использовании ШИМ для управления двигателем постоянного тока.

Использование ШИМ приводит к изменению среднего значения постоянного тока сигнала при прохождении через фильтр нижних частот. Если такой сигнал подается на двигатель постоянного тока, мы можем изменить скорость двигателя, изменив коэффициент заполнения ШИМ-сигнала.Изменение ширины импульса создается за счет увеличения времени включения (ВЫСОКОЕ значение) импульса при уменьшении времени выключения (НИЗКОЕ значение) на ту же величину, чтобы частота сигнала оставалась постоянной. Увеличение времени включения увеличивает среднее значение постоянного напряжения сигнала и наоборот. На следующем рисунке показано изменение среднего значения постоянного тока в зависимости от рабочего цикла.

Среднее значение постоянного тока ШИМ-сигнала для различных значений коэффициента заполнения.

Простое соотношение для расчета среднего значения постоянного тока:

, где V(REF) – значение высокого логического уровня.Это позволяет аналоговое управление двигателем постоянного тока с помощью цифрового сигнала, что позволяет использовать микроконтроллеры для управления двигателями постоянного тока. Микроконтроллер может динамически изменять ширину импульса, обеспечивая мгновенное или постоянное изменение соответствующей скорости двигателя постоянного тока. Мы можем видеть, как выходное напряжение динамически изменяется в зависимости от рабочего цикла:

Скорость двигателя постоянного тока в зависимости от рабочего цикла

Усиление выхода ШИМ

К сожалению, невозможно использовать выход микроконтроллера для непосредственного управления двигателем постоянного тока, поскольку ток обычно слишком мал для управления двигателем.Кроме того, все двигатели постоянного тока имеют пусковое напряжение, которое гарантирует, что двигатель начнет двигаться в любом положении. Во многих случаях выходного сигнала микроконтроллера может быть недостаточно для запуска двигателя.

Обычно сигнал ШИМ используется для управления переключателем BJT или FET, который подключает двигатель постоянного тока к источнику высокого напряжения. Напряжение, достигающее питания двигателя постоянного тока, в этом случае становится равным

.

Схема соединения между выходом ШИМ и двигателем постоянного тока показана ниже:

Схема драйвера MOSFET для двигателя постоянного тока. Источник изображения .

Использование H-моста для управления направлением

Если нам нужно управлять направлением вращения двигателя, нам нужно изменить направление тока через него, и наиболее распространенный способ сделать это — использовать H-мост. H-мост содержит четыре переключателя в конфигурации мостового типа с двигателем в центре.

H-мост для управления двигателем

Выборочно включая различные переключатели, мы можем изменить направление тока и, следовательно, направление вращения двигателя.Это также можно использовать для внезапного торможения двигателя или для того, чтобы двигатель работал свободно, пока он не остановится из-за трения. Замыкающие выключатели S1 и S4 будут вращать двигатель в одном направлении, и наоборот, когда S2 и S3 замкнуты. Двигатель сломается, если вы замкнете переключатели S2 и S4 при разомкнутых других переключателях или когда вы замкнете S1 и S3.

Если хотите, вы можете управлять направлением вращения двигателя в цифровом виде, поместив транзисторы в приведенную выше схему H-моста вместо механических переключателей.Например, когда транзисторы S1 и S4 выдают ВЫСОКИЙ уровень, двигатель будет вести себя так же, как если бы механические переключатели были закрыты. То же самое можно сказать и об остальных конфигурациях коммутаторов.

Использование ШИМ для управления двигателем постоянного тока в вашем следующем проекте

Теперь, когда у вас есть довольно хорошее представление о том, как использовать ШИМ для управления двигателем постоянного тока и построить H-мост для дополнительной степени свободы, вы можете легко построить цифровую схему для управления направлением и усилить входное напряжение для запуска. мотор.Для этого требуется источник ШИМ и 5 дискретных транзисторов. Вы также можете использовать микроконтроллер (например, встроенный в Arduino) для генерации ШИМ-сигнала и численного управления рабочим циклом. Если вы не хотите создавать схему управления направлением самостоятельно, вы можете использовать драйвер двигателя постоянного тока с двойным Н-мостовым мостом 298N. Пример этого проекта можно посмотреть здесь.

Вы можете бесплатно зарегистрироваться и получить доступ к лучшему браузерному редактору печатных плат, редактору схем и базе данных компонентов. Посетите Upverter сегодня, чтобы узнать больше.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Управление двигателем постоянного тока с транзистором NPN и ШИМ Arduino

В мире Arduino рано или поздно может случиться, что придется иметь дело с двигателем постоянного тока. Как вы можете себе представить, Arduino не может напрямую управлять двигателем постоянного тока, так как для его работы требуется большое количество энергии.

Предположим, мы используем двигатель постоянного тока вентилятора ПК: для его работы требуется источник питания 12 В с током около 50 мА, что в сумме дает мощность 0,6 Вт.

Если мы пытались управлять двигателем с помощью Arduino, мы должны учитывать, что выходная мощность составляет 5 В с током 40 мА (максимальный ток ввода-вывода), всего 0,2 Вт на выходе. Итак, вы видите, что энергии не хватает!

Обычно для управления двигателем постоянного тока с помощью arduino мы используем H-мосты, которые позволяют увеличить мощность двигателя через отдельную схему. Типичным H-мостом, используемым для этой цели, является L293B.

Но если у нас нет H-моста, можем ли мы по-прежнему управлять двигателем постоянного тока с помощью Arduino?

Конечно да! Используя NPN-транзистор, соединения которого задаются соответственно парами (сток, двигатель 2), (затвор, контакт 3), (исток GND), можно увеличить энергию, подаваемую на двигатель (путем подключения другого контакта двигателя). к внешнему источнику питания, например, к батарее 9 В).

После выполнения этих подключений мы можем проверить, действительно ли двигатель работает. Вы можете воспользоваться кодом, предназначенным для проверки включения/выключения двигателя.

Этот код управляет только включением и выключением двигателя, поэтому мы видим, что на данный момент мы можем включать и выключать его.

А что, если мы хотим контролировать скорость вращения? Как ты это делаешь?

С помощью этой схемы мы можем регулировать скорость вращения двигателя, используя очень важную функцию Arduino, а именно генерацию ШИМ-сигналов.

Предположим, что с digitalWrite (3, HIGH) мы собираемся генерировать сигнал со 100% рабочим циклом при напряжении 5В. Этот сигнал математически представлен постоянной функцией f(x)=5V.

Если мы сократим рабочий цикл вдвое, например, до 50%, мы будем генерировать сигнал, который в периоде колебаний будет на 50% выше при 5 В, а остальные 50% ниже при 0 В.

Возьмем практический пример, мы думаем, что генерируем сигнал с частотой f = 1 Гц, и в этом случае, поскольку f = 1 / T [Гц], мы получаем, что T = 1 / f [с], то есть период нашего сигнала составляет 1 секунду.Если мы теперь модулируем его с рабочим циклом 50%, у нас будет 5 В в течение 0,5 секунды и 0 В в течение других 0,5 секунды. Поскольку сигнал периодический, эта процедура будет повторяться «бесконечно».

Скорость вращения двигателя будет пропорциональна рабочему циклу, установленному в сигнале.

Наконец, давайте рассчитаем фактическое энергопотребление двигателя с общим рабочим циклом.

Как известно, каждый двигатель имеет внутреннее сопротивление, определяемое обмотками, назовем его R. Если мы будем постоянно питать двигатель напряжением V, то из закона Ом мы знаем, что потребляемый ток будет I = V/ Р.

Однако, поскольку мы собираемся генерировать сигнал с рабочим циклом D, это больше не будет действительным. В этом случае выходное напряжение будет представлено функцией f(D) = V * D, принимая постоянное значение V и значение коэффициента заполнения D, входящее в интервал [0, 1].

Следовательно, выражение тока будет дано как I (D) = V * D / R

Спасибо за интерес к этому проекту, вы можете найти меня на youtube по следующей ссылке:

https:/ /YouTube.com/c/ProjectoOfficial?sub_confirmation=1

Управление щеточными двигателями постоянного тока с помощью ШИМ

Введение

Многие приложения, в которых используются миниатюрные коллекторные двигатели постоянного тока Portescap, требуют приведения в действие двигателей со скоростью, превышающей одной точки нагрузки или через определенные циклы нагрузки. Для запуска двигателя в точках полезной нагрузки требуется переменная, управляемый источник питания, что может быть достигнуто за счет источников питания с линейной регулировкой непрерывного действия или посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Линейное регулирование, как правило, неэффективно и требует повышенных жилплощадь.Более того, в приложениях с батарейным питанием становится непрактичным использование линейного регулирования при различные точки нагрузки. ШИМ-стабилизация напряжения, с другой стороны, эффективна и может эффективно использоваться с приложения с питанием от батареи или постоянного тока. Повышенная эффективность ШИМ-привода увеличивает срок службы батареи и снижает нагрев электронных компонентов.

Одним из недостатков использования ШИМ с двигателем является появление потерь на вихревые токи в обмотках ротора из-за непрерывное ШИМ-переключение, которого в общем случае нет в случае линейного источника питания.Тем не мение, При правильном проектировании ШИМ эффекты вихревых токов могут быть сведены к минимуму, что позволяет двигателям работать оптимально. ведомый.

Коллекторные двигатели постоянного тока Portescap

обладают очень низкой инерцией и малой индуктивностью. Это позволяет использовать двигатель в приложение, в котором требуется динамичное поведение и быстрая реакция. То использование ШИМ позволяет контролировать ток в обмотках. Следовательно, вывод крутящий момент, линейно пропорциональный среднему току обмотки, может быть правильно управляемым; благодаря нашему дизайну без сердечника.

В отличие от чисто резистивной нагрузки, для двигателя постоянного тока сопротивление, индуктивность и обратная ЭДС на обмотках ротора являются решающими факторами для оптимизации частоты ШИМ и рабочего цикла.

Линейный источник питания по сравнению с ШИМ

ЛИНЕЙНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 1 показана эквивалентная схема двигателя, приводимого в действие линейным источником постоянного тока. Здесь ток является функцией только сопротивление обмотки. Индуктивность не влияет на ток, так как при постоянном источнике импеданс индуктора равен нулю.

Значения по каталогу

Portescap и результаты испытаний на долговечность получены при постоянном линейном источнике питания постоянного тока.

ИСТОЧНИК ШИМ

В дополнение к омическому сопротивлению, обмотка двигателя постоянного тока обеспечивает индуктивность цепи ШИМ. Кроме того, обратная ЭДС, эквивалентная характеристикам двигателя (KE) и скорости, генерируется на клемме. Этот усложняет конструкцию схемы ШИМ, поскольку необходимо учитывать не только рабочий цикл, но и частоту ШИМ. точно регулируется для оптимальной работы двигателя.

Когда двигатель находится в состоянии покоя или вращается с очень низкой скоростью, противо-ЭДС можно пренебречь и использовать упрощенную схему. показана эквивалентная схема двигателя (рис. 2).

Обгонный или демпферный диод, показанный на рис. 2, никогда не следует исключать при использовании переменного напряжения, такого как как в случае ШИМ, управляющего двигателями. Наличие диода свободного хода позволяет рассеять заряд без искрения в момент переключения.

Когда двигатель работает на умеренно высокой скорости, противо-ЭДС сравнима с приложенным напряжением, поэтому компонент, представляющий обратную ЭДС, необходимо добавить в эквивалентную схему.Модифицированный эквивалент схема показана на рис. 3.

Наличие противо-ЭДС вместе с цепью RL в коллекторном двигателе постоянного тока приводит к нелинейности ШИМ. управления, и как частота ШИМ, так и рабочий цикл ШИМ становятся важными для оптимальной выходной мощности. При использовании ШИМ для управления двигателем, где ЭМС (электромагнитная совместимость) имеет решающее значение, рекомендуется для анализа эффектов излучения, поскольку излучаемая электромагнитная энергия обычно выше при ШИМ, когда по сравнению с линейными источниками постоянного тока.

Вольт-амперные характеристики

Когда напряжение подается на цепь RL, катушка индуктивности противодействует току в цепи. Как результат, ток экспоненциально возрастает до установившегося значения в зависимости от отношения L/R двигателя. Рис. 4 показывает Схема нарастания тока через обмотку. Когда приложенное напряжение снимается с цепи, ток медленно достигает нуля, затухая экспоненциально.

Постоянная L/R, известная как постоянная времени для цепи RL, определяет максимальную скорость изменения приложенное напряжение в цепи.Стационарное состояние после любого изменения приложенного напряжения достигается через время равно нескольким постоянным времени. На приведенной ниже кривой показан экспоненциальный рост тока в двигателе и представляет собой идеальный сценарий. Пятикратная постоянная времени обычно считается требуемым количеством времени. для достижения устойчивого состояния. Однако, как показано ниже, при пятикратной постоянной времени мы получаем около 99,33% максимальный ток. Следовательно, выбор нескольких постоянных времени остается за разработчиком.

Игнорируя для простоты наличие противо-ЭДС, нарастание тока в простой RL-цепи можно представить как

‘I0 ’ — максимальный ток через цепь RL для данного напряжения.«τ» — постоянная времени цепи RL. определяется как время, необходимое для того, чтобы ток достиг (1/e ≈ 63,21%) максимального тока. А «т» — это время.

После достижения устойчивого состояния, если источник питания отключен, ток через цепь RL уменьшается. экспоненциально, как показано на рис. 5.

Рекомендации по проектированию ШИМ

При использовании ШИМ-привода с щеточными двигателями постоянного тока внутренняя индуктивность ротора действует как токовый фильтр. и является выгодным для схемы привода.Однако другие конструктивные параметры, такие как частота ШИМ и коэффициент заполнения цикла, влияют на пульсацию тока и, следовательно, на срок службы щеточной коммутации.

ОПТИМАЛЬНАЯ ЧАСТОТА

При использовании ШИМ для управления двигателем ток через двигатель увеличивается и падает с каждым периодом ШИМ. Игнорируя противо-ЭДС двигателя, нарастание тока является функцией индуктивности двигателя и общей сопротивление. Для каждого цикла ШИМ, чтобы ток достиг своего установившегося значения, частота ШИМ следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить достаточное время для цепи RL, обычно более 5τ.

Когда частота ШИМ превышает пороговое значение, время включения и выключения ШИМ становится меньше время, необходимое для срабатывания цепи RL и достижения установившегося состояния тока. Следовательно, текущий колеблется между двумя нестационарными значениями, что приводит к текущая пульсация. На рис. 6 показаны условия, когда частота ШИМ достаточно для достижения стационарного состояния. Рис. 7 показывает условие когда частота ШИМ выше, чем время, необходимое для устойчивого состояние и ток через двигатель колеблется.Из дизайна В перспективе текущие пульсации должны быть уменьшены за счет оптимизации частоты возбуждения, чтобы почти линейная поведение крутящего момента может быть достигнуто.

Также рекомендуется поддерживать частоту ШИМ выше слышимого человеком диапазона (20 Гц – 20 кГц) в качестве пульсации тока в этом диапазоне частот могут вызвать шум во время работы двигателя.

ПУЛЬСАЦИЯ ТОКА

Для двигателей Portescap без сердечника рекомендуется максимально снизить пульсации тока. Как правило, пульсация
<10% считается низким значением.Более высокая пульсация повлияет на производительность:

I. Выходной крутящий момент двигателя пропорционален току, где омический (резистивный) нагрев в обмотке пропорциональна квадрату силы тока. Следовательно, при пиковых токах нагрев пакета обмотки будут доминировать и снижать двигательную активность и жизнь.

II. В коллекторных двигателях постоянного тока Portescap не используются пластины из железа, поэтому потери на вихревые токи и гистерезис в магнитной цепи прямо пропорциональны пульсациям тока и уменьшили бы общий производительность мотора.

III. Для коммутации драгоценных металлов повышенная электроэрозия повлияет на срок службы двигателя, поскольку электроэрозия пропорциональна коэффициенту L.Ieff 2 . Где L — индуктивность, а Ieff — эффективная ток через обмотку.

IV. При коммутации угольных щеток повышенная пульсация тока увеличивает накопление патины. (патина или Пленка представляет собой слой оксида меди, образующийся на поверхности коллектора угольной щетки, который помогает в улучшении коммутации и уменьшении трения.) Следовательно, при более низких скоростях щеточный контакт ухудшится. На средних и высоких скоростях патин не влияет на работу двигателя. существенно.

Индуктивное напряжение на клемме может быть указано как

Где L — индуктивность, U L — напряжение, генерируемое на катушке индуктивности, а T — бесконечно малое время. в течение которого ток изменился на ∆I.

При работе двигателя в режиме ШИМ напряжение на его клемме противодействует генерируемой противо-ЭДС. через клемму двигателя.Следовательно, ур. (3) можно переписать как для нарастания, так и для спада тока в ШИМ. операции как:

Где нижний индекс ON обозначает время «включения», а OFF обозначает время «выключения» ШИМ-импульса, так что общее время TP указано как

Где, D — рабочий цикл ШИМ-сигнала.

Следовательно, ур. (8) можно переписать как

Уравнение (11) можно использовать для извлечения пульсаций тока в двигателе из-за ШИМ-сигнала рабочего цикла «D» и частота ‘1/T P ’.

Представляет особый интерес отметить из ур. (11) пульсации тока максимальны при коэффициенте заполнения 50 %. Следовательно, разработчикам ШИМ предлагается запускать двигатель вне зоны 50% рабочего цикла.

Кроме того, из приведенного выше уравнения пульсации тока зависят только от индуктивности двигателя, а не от электрическая постоянная времени двигателя.

В идеале, для двигателей без сердечника Portescap разница (U ON – U OFF ), иногда обозначаемая как ∆U, должна сохраняться как как можно ниже, в зависимости от максимального входного напряжения двигателя и рабочей скорости.Индуктивность двигателя на его клемме зависит от ШИМ. частота. В каталоге продукции Portescap индуктивность двигателя указана при 1 кГц. Например, на частоте 100 кГц индуктивность может уменьшиться до 20%. от каталожной стоимости.

По сравнению с двигателем с железным сердечником индуктивность двигателей Portescap ниже в два раза. Также показатель качества хуже, так как в роторе отсутствуют железные пластины. обмотки. Следовательно, ШИМ-привод с двигателем Portescap будет иметь относительно более высокие потери и будет предлагать меньше энергии. Электронная стабильность.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СЛУЖБЕ МОТОРА

В щеточных двигателях постоянного тока преобладающим видом неисправности является щеточная коммутация. В течение жизни двигатель, щетки из углеграфита или драгоценного металла подпружинены и механически соединены с сегменты коллектора для зарядки катушек. Следовательно, износ щеток является функцией механического трения, когда скольжение щеток по сегментам коллектора и электроэрозия, вызванная электрическими разрядами во время коммутация.

При использовании приводов ШИМ для работы двигателя с различными скоростями и нагрузками оценка срока службы двигателя становится сложной комбинацией различных факторов, влияющих на его износостойкость. Этими факторами могут быть:

я. Более высокая плотность тока в коммутации из-за пониженного КПД, высокого механического трения, недостаточная смазка или рециркуляция тока.

ii. Высокая электроэрозия во время всплесков тока при использовании источников ШИМ.

III. Повышенная рабочая температура двигателя из-за условий окружающей среды или высокой удельной мощности двигатель, что снижает качество смазки.

В зависимости от области применения и типа источника питания двигателя ожидаемый срок службы может зависеть от один или несколько факторов, описанных выше.

Для конструкций двигателей, где точка нагрузки требует, чтобы двигатель работал с умеренными крутящим моментом и скоростью, без осевых и радиальных нагрузках, действующих на вал, и в умеренном диапазоне температур (обычно <60ºC) преобладает износ. методом электроэрозии. Тогда срок службы двигателя обратно пропорционален индуктивности и квадрату тока:

В приведенном выше уравнении рассматривается линейный источник питания или источник ШИМ с незначительной пульсацией тока по сравнению с к среднему току через двигатель.В практических сценариях пульсация может способствовать снижению жизнь значительно.

Вариант 1: пульсации тока меньше 10 %.

С коллекторными двигателями постоянного тока Portescap, чтобы уменьшить пульсации тока до уровня менее 10 %, диапазон частот может достигать 40–120 кГц.

llosses — это потери в диоде, потери из-за вихревых токов и гистерезиса на трубке двигателя. Это бы снизить общий КПД двигателя. Тем не менее, хорошая конструкция обеспечивает КПД 85-90%. ШИМ.

 

Из ур. (12) и (13), и учитывая потери как 10% Imotor, как 10% Imotor,

Вариант 2: Пульсации тока значительны

Уравнение (14) верно, когда Ilosses низок по сравнению с Imotor. Когда пульсация тока высока, мгновенный ток выброс через двигатель нагревает двигатель, и уравнение должно быть изменено как

Учитывая ШИМ с рабочим циклом 50 %, когда пульсации максимальны, а средняя мощность двигателя равна «P», составная часть может быть переписана как

УВЕЛИЧЕНИЕ СЛУЖБЫ ДВИГАТЕЛЯ С ШИМ

Есть несколько вещей, которые можно сделать, чтобы увеличить срок службы двигателя при использовании ШИМ:

1.СНИЖЕНИЕ ПУЛЬСАЦИИ ТОКА ДВИГАТЕЛЯ

Пульсации тока можно уменьшить, увеличив частоту ШИМ. Если частота ШИМ значительно выше, чем постоянная времени L/R двигателя, пульсации еще больше уменьшаются. Для конструкции Portescap без сердечника с точки зрения срока службы двигателя рекомендуется пульсация <10%.

Другим общим интуитивным подходом к уменьшению пульсаций тока является добавление внешней индуктивности в двигатель. цепь, которая действует как фильтр тока. Обычно это повышает эффективность.Однако наличие индуктор ухудшает общую электроэрозию системы щетка-коллектор, так как электроэрозия непосредственно пропорциональна индуктивности цепи. Следовательно, если только эффективность и нагрев двигателя не являются единственными проблемами, мы не рекомендуем это решение.

2. КОНСТРУКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В конструкциях, подобных показанной на рис. 8, эффективность системы резко повышается, а щетка двигателя срок службы лучше по сравнению с решением, в котором в цепь добавляется внешняя индуктивность.

Чтобы оптимизировать схему, пульсации напряжения, заданные ур. 18, следует свести к минимуму. Значение менее 10% достаточно хорошо с точки зрения практической эксплуатации двигателя.

Из приведенного выше уравнения на более высоких частотах значение катушки индуктивности и конденсатора будет уменьшаться и следовательно, общая упаковка ШИМ-привода уменьшится. Кроме того, ультразвуковые колебания могут быть вызваны в роторе при работе двигателя на более низких частотах. Поэтому рекомендуется запускать двигатель на частоты выше 20 кГц.

Заключение

Для приложений с батарейным питанием, где используются миниатюрные двигатели, эффективность приложения определяет производительность. цикл заряда аккумуляторов. Преимущество ШИМ-привода заключается в том, что он позволяет двигателю работать на разных скоростях. Однако требуется точная конструкция ШИМ, чтобы гарантировать, что пульсации тока и напряжения будут незначительными и срок службы двигателя не влияет.

Инженеры

Portescap могут помочь вам разработать правильный ШИМ в соответствии с потребностями вашего приложения, а также выбрать правильный двигатель из широкого ассортимента продукции.Поговорите с одним из инженеров Portescap, чтобы обсудить ваше приложение. Основываясь на требованиях текущей пульсации и ожидаемой продолжительности жизни, мы поможем вам спроектировать правильная частота ШИМ и рабочий цикл. Это поможет вам максимизировать производительность вашего приложения и расширить срок службы батареи.

СВЯЖИТЕСЬ С ИНЖЕНЕРОМ

Светодиодный диммер и схема контроллера скорости двигателя постоянного тока с использованием технологии ШИМ светодиоды.В этой схеме используется микросхема таймера 555 для генерации непрерывных импульсов включения-выключения, которые управляют скоростью двигателей постоянного тока или яркостью светодиодов.

Вы также можете использовать эту цепь как светодиодный диммер для декоративных огней, таких как светодиодные полосы и т. Д.

Компоненты Требуются

  • 555 Timer IC
  • Резисторы: 1K, 100R
  • 47K Потенциометр
  • 47N Конденсатор
  • Для сглаживания потребляемой мощности)
  • PN Диоды * 2
  • N-канальный Mosfet (я использовал IRFZ44N)
  • Макетная плата
  • Несколько разъемов макетной платы
  • (5-12)V Блок питания

0 используют эту схему для управления скоростью редукторных двигателей постоянного тока или для уменьшения яркости светодиодных лент.Это не требуется для управления отдельными светодиодами.

Принципиальная схема

Ниже приведена принципиальная схема цепи светодиодного диммера с ШИМ-управлением:

Если вы хотите управлять тяжелыми нагрузками, такими как двигатели постоянного тока или светодиодные ленты, вам необходимо подключить MOSFET к выходу микросхемы таймера 555 и подключить двигатель/светодиодную ленту к стоковому контакту MOSFET. Ниже схема демонстрирует это расположение:

Как работает эта схема

[Пожалуйста, ознакомьтесь с пояснениями, представленными в видеоруководстве для лучшего визуального понимания]

Эта схема управляет скоростью или яркостью выхода, непрерывно включая и выключая выход.Скорость двигателя постоянного тока или яркость светодиода можно контролировать, регулируя продолжительность времени включения по отношению к общему времени. Другими словами, если необходимо увеличить скорость или яркость, мы увеличиваем длительность импульса включения и наоборот. Этот процесс известен как широтно-импульсная модуляция или сокращенно ШИМ.

Каждый импульс представляет собой комбинацию сигналов ВКЛ и ВЫКЛ. Отношение времени включения к общему времени импульса называется рабочим циклом. Таким образом, увеличение рабочего цикла увеличит скорость двигателя или яркость светодиода, и наоборот.

  Рабочий цикл = (Время ВКЛ) / (Время ВКЛ + ВЫКЛ)

Скорость двигателя = рабочий цикл * максимальная скорость двигателя
Яркость светодиода = рабочий цикл * максимальная яркость светодиода
  

Как мы можем включать и выключать выход, а также одновременно контролировать рабочий цикл?

Чтобы включать и выключать выход через равные промежутки времени, мы используем микросхему таймера 555 в нестабильном режиме. Вы можете обратиться к этому учебному пособию: Регулируемая схема мигания / мигания светодиодов с использованием микросхемы таймера 555, чтобы узнать, как микросхема таймера 555 может использоваться для создания непрерывных тактовых импульсов и как значения резистора и конденсатора влияют на время включения и выключения.

Мы начнем с аналогичной схемы и разделим пути зарядки и разрядки конденсатора, используя 2 диода и потенциометр. Теперь время включения зависит от скорости, с которой заряжается конденсатор емкостью 100 нФ, что, в свою очередь, зависит от того, насколько велика левая часть сопротивления потенциометра.

Точно так же время выключения зависит от скорости разряда конденсатора, которая, в свою очередь, зависит от того, насколько велика правая часть сопротивления потенциометра.

А поскольку общее сопротивление потенциометра постоянно, увеличение одной части сопротивления автоматически уменьшает другую часть и наоборот!.

Таким образом, увеличение левой части сопротивления означает, что мы увеличиваем сопротивление, через которое заряжается конденсатор, поэтому для зарядки конденсатора требуется больше времени, что увеличивает время включения. В то же время сопротивление, через которое разряжается конденсатор, уменьшается, поэтому конденсатор может быстро разряжаться, что сокращает время выключения.

Короче говоря, из-за расположения потенциометра и диода, если время включения увеличивается, время выключения автоматически уменьшается, и наоборот.В результате мы можем поддерживать постоянную сумму времени включения и выключения, в то же время имея возможность изменять время включения и, следовательно, рабочий цикл. Это и есть ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Дальнейшие усовершенствования

Если детальный контроль рабочего цикла выхода ШИМ не требуется, потенциометр можно заменить комбинацией нескольких переключателей. Таким образом, пользователь сможет выбрать фиксированный рабочий цикл из доступных вариантов (например: 0% 25% 50% 75% 100%).

Применение

  • Для управления скоростью двигателей постоянного тока или яркостью светодиодных лент, как показано в видео
  • Для точного управления серводвигателями
  • Используется в инверторных схемах для генерации импульсов, которые управляют повышающим трансформатором есть какие-либо вопросы / предложения, не стесняйтесь публиковать их в разделе комментариев к этому видео: Светодиодный диммер и схема регулятора скорости двигателя постоянного тока с использованием метода ШИМ

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *