Регулятор скорости двигателя постоянного тока

14/07/2013 - 15:06 Павел Бобков

ШИМ

 Наиболее простой метод регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ или PWM). Суть этого метода заключается в том, что напряжение питания подается на двигатель в виде импульсов. При этом частота следования импульсов остается постоянной, а их длительность может меняться.

   ШИМ сигнал характеризуется таким параметром как коэффициент заполнения или Duty cycle. Это величина обратная скважности и равна отношению длительности импульса к его периоду.

 

D = (t/T) * 100%

   На рисунках ниже изображены ШИМ сигналы с различными коэффициентами заполнения.

duty cycle

   
   При таком методе управления скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ сигнала. 

Простая схема управления двигателем постоянного тока

   Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.


   Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала. 
   При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет "воспринимать" среднее значение подводимой к нему энергии. 

Схема для генерации ШИМ сигнала

   Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых - это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час. 

генератор шим сигнала

   Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 - 16 Вольт. В качестве диодов VD1 - VD3 можно взять практически любые диоды. 

   Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера. 

блок схема 555 таймера

 
   Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую. 

   В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться. 

   Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:


F = 1.44/(R1*C1), [Гц]

где R1 в омах, C1 в фарадах. 

При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:


F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.

ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока

   Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.

регулятор оборотов двигателя


   VT1 - полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1. 

   Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.

Комментарии   

# САБ 15.07.2013 08:17
В схемах в статье параллельно мотору указан диод 1N4148, его максимально допустимый прямой ток - 200мА.
В момент закрывания транзистора ток замыкается через этот диод. То есть через этот диод в первый момент течет такой же ток, который тек через транзистор и мотор. Потом он, конечно, постепенно спадет.
Что же за мотор подразумевается в этих схемах, максимальный ток через который не превышает 200мА?
Мне кажется 1N4148 даже для небольших моторчиков нужно заменить на 1N4001 и в статье дать комментарий по выбору типа этотго диода (по максимальному току через мотор и напряжению питания).
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 15.07.2013 13:23
Хорошо. Рисунки исправил. Текст скоро поправлю.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# ДмитрийН 20.02.2015 19:48
Цитирую САБ:

В момент закрывания транзистора ток замыкается через этот диод. То есть через этот диод в первый момент течет такой же ток, который тек через транзистор и мотор. Потом он, конечно, постепенно спадет.


Вот, совершенно верно! ШИ-регулятор - тот же чоппер: если правильно выбрать рабочую частоту коммутации, то ток через двигатель - почти постоянный (пила пульсаций конечно же есть, но невелика), ток диода и транзистора - прямоугольные импульсы с амплитудой~=сре днему току мотора. При D
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# neiver 17.07.2013 10:31
>> При таком методе управления скорость вращения двигателя будет пропорциональна коэффициенту заполнения ШИМ сигнала

Это не совсем так. Уменьшение коэффициента заполнения будет эквивалентно подключению последовательно с двигателем дополнительного сопротивленияю. Физически это реактивное сопротивление обмоток при данной форме питающего напряжения. Механическая характеристика двигателя станет мягче. Обороты холостого хода будут меняться слабо, а под нагрузкой будут быстро проседать.
Чтоб получилось как Вы говорите, нужно добавить LC фильтр - параллельно двигателю - конденсатор, последовательно - дроссель.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Ивашка 01.02.2014 17:20
Чтобы движок не шел рывками при маленьком коэф заполнении,надо поставит RC цепь, чтобы выглаживала пульсации ШИМ.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Жека 13.12.2014 15:30
Цитирую Ивашка:
Чтобы движок не шел рывками при маленьком коэф заполнении,надо поставит RC цепь, чтобы выглаживала пульсации ШИМ.

что имено поставить?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# mr.Dream 13.04.2015 21:37
Тогда теряется весь смысл ШИМ. Можно поставить обычный линейный регулятор на эмиттерном повторителе и сэкономить время и нервы :) Смысл ШИМ как раз в том, чтобы использовать накопленную энергию в обмотках двигателя для его вращения в момент закрытого ключа. При закрытии ток продолжает течь, но спадает из за индуктивности, через диод, включенный параллельно мотору. По той же причине нельзя выбирать слишком низкую (как описал автор - сотни герц) частоту ШИМ по причине насыщения электромагнита, и возрастании тока почти до максимального, если обороты двигателя низкие, и скважность ШИМ тоже. Тогда будут больше тепловые потери в обмотках, проводниках, и ключах. Слишком большую частоту (десятки-сотни КГц) тоже не нужно. Ибо железо не будет успевать перемагничивать ся, а так же из за индукции рассеяния и вихревых токов будет его нагрев, а так же нужно более "мощное" управление полевиками, заряжая-разряжа я затвор сотни тисяч раз за секунду. Нужно выбирать оптимальную частоту коммутации, при которой нарастания тока сохраняет линейность а пульсации тока двигателя (после диода) в пределах 15-25%.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Митя 2 15.04.2015 07:53
Добрый день! Мы с другом собрали схему драйвера двигателя. Хотели бы проконсультиров аться по подбору элементов схемы. Вы не окажите такую услугу. При положительном решении прошу отписаться на мою почту d.afonin@kstg.ru
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Andrei1 29.07.2014 16:20
Подскажите пожалуста какои транзистор подобрать для двигателя 200ват, ток К-Э примерно 20А, такои ток мне указал амперметр при прямом подключении двигателя
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# василий_3855 08.08.2014 08:15
Андей,полевик IRF150- 40А,100В;IRFP 260- 50А,200Впри25га д.и 35А при 100град.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# zeonmaster 15.09.2015 09:42
подскажите пожалуйста, мне нужно управлять двигателем 220В 600Вт - какой полевик взять в таком случае. как коммутировать двигатель, надо ли ставить диодный мост и конденсаторы движку и т.д. заранее спасибо за ответы!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# гость 25.08.2016 11:42
Цитирую zeonmaster:
подскажите пожалуйста, мне нужно управлять двигателем 220В 600Вт - какой полевик взять в таком случае. как коммутировать двигатель, надо ли ставить диодный мост и конденсаторы движку и т.д. заранее спасибо за ответы!

Можно....найдит е в инете схему регулятора переменного напряжения на диодном мосту....
А конкретно получится,что здешний транзистор включает в диагональ постоянного напряжения, а диагональ диодного моста переменного-пос ледовательно с нагрузкой...над еюсь,что объяснил…..
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# гость 25.08.2016 11:36
Можно ли,вместо ролевиков,и вообще,транзист оров, поставить тиристор,либо оптотиристор-дв игун на 20/45(мах)КВт?! мотор-ДПТ45.оче нь нужно!!!! И ещё,ели кто знает, обратный диод как высчитать?!Зара нее благодарен всем,кто подскадет что-то реально осуществимое!!!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# AlexOn 26.09.2016 20:28
Цитирую гость:
Можно ли,вместо ролевиков,и вообще,транзисторов, поставить тиристор,либо оптотиристор-двигун на 20/45(мах)КВт?!мотор-ДПТ45.очень нужно!!!! И ещё,ели кто знает, обратный диод как высчитать?!Заранее благодарен всем,кто подскадет что-то реально осуществимое!!!

Данная схема слишком примитивна для Вашей задачи. Вам нужен более сложный драйвер. По поводу транзисторов - смотрите в сторону мосфетов для сварочных инверторов, по несколько штук в параллель, например 60n60 и тд. Максимальный ток Вашего мотора до 400А. Исходите из этого при выборе транзисторов и диода.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить