Управління двигуном постійного струму
Головна »Вимірювання та контроль» Управління двигуном постійного струму
Щоб двигун постійного струму почав обертатися, йому необхідно забезпечити потрібну кількість енергії. Як правило, для малопотужних двигунів досить кілька ват. Блок управління (мікроконтролер), який приймає рішення про запуск двигуна, не може безпосередньо керувати двигуном, тобто забезпечити необхідну потужність зі свого висновку. Це пов'язано з тим, що порти мікроконтролера мають дуже обмежену здатність навантаження (максимальний струм на виході мікроконтролера зазвичай не більше 20 мА).
Тому потрібен підсилювач потужності - пристрій, який може на свій вихід генерувати сигнал потужністю більшою, ніж потужність на його вході. Такими пристроями є транзистор і реле, які чудово підходять для керування двигуном постійного струму.
Управління двигуном за допомогою біполярного транзистора
Найпростіший спосіб приведення в дію двигуна показаний нижче:
Біполярний транзистор використовується в якості перемикача. Резистор R необхідно підібрати таким, щоб в гіршому випадку (потенціал бази дорівнює потенціалу емітера) через нього протікав струм, що не перевищує максимальний струм порту мікроконтролера.
Для того щоб підібрати підходящий транзистор, нам потрібно знати максимальний струм під час пуску або зупинки двигуна, і струм під час нормальної його роботи. Виходячи з цього, ми підберемо транзистор з відповідним струмом колектора і його максимальне значення.
Слід також звернути увагу на потужність, що виділяється на транзисторі (P = Uке * Ік). Незважаючи на те, що транзистор в даному випадку працює в стані насичення і напруга Uке часто не перевищує 1В, колекторний струм все ж великий (близько 0,5 А для двигуна середнього розміру) і, отже, потужність, яку випромінює на транзисторі може зажадати від нас установки радіатора.
Іншою проблемою при застосуванні біполярних транзисторів, може бути, занадто великий струм бази. Співвідношення струмів вихідного сигналу до вхідного такого транзистора - це найчастіше 100 (це відношення називається коефіцієнтом посилення по току і позначається або hfe). Але, на жаль, коли транзистор працює в стані насичення, цей коефіцієнт сильно знижується.
Це призводить до того, що якщо ми хочемо, щоб струм колектора мав велике значення, це може зажадати більшого струму, ніж 20 мА, тобто більше, ніж становить здатність навантаження порту мікроконтролера. У таких випадках рішенням може бути використання комбінації транзисторів - транзистор Дарлінгтона:
Така система веде себе як один транзистор з великим значенням посилення струму і малою швидкістю роботи.
Кілька слів про індуктивних навантаженнях
Оскільки двигун є індуктивним навантаженням, ми повинні бути обережні. Якщо через обмотку тече струм, і ми раптово зупинимо цей потік, то на висновках обмотки тимчасово з'являється велика напруга. Ця напруга може привести до пошкодження транзистора (в представленій схемі вище) викликаючи пробою переходу база-колектор. Крім того, це може створювати значні перешкоди. Для запобігання цьому необхідно паралельно з індуктивним навантаженням підключити діод:
Під час нормальної роботи двигуна діод зміщений у зворотному напрямку. Відключення живлення електродвигуна викликає наростання напруги на котушці, при цьому діод буде зміщений в прямому напрямку, завдяки чому станеться розряд зайвої енергії накопиченої в котушці.
Діод слід підібрати такий, щоб він витримував зворотна напруга під час нормальної роботи двигуна. Такий захист можна застосовувати як при використанні біполярних транзисторів, так і MOSFET. Так само рекомендується використовувати діод і в роботі з електромагнітним реле, для запобігання передчасного зносу контактів.
Управління двигуном за допомогою MOSFET транзистора
Так само можна управляти постійним двигуном за допомогою польового транзистора MOSFET:
Він повинен бути з каналом збагаченого типу. Основною перевагою такого транзистора є практично відсутність вхідного струму. Він має невелику активний опір каналу (частки ома), завдяки чому втрати потужності в транзисторі не великі. Недоліком є чутливість до електростатичних розрядів, які можуть вивести транзистор з ладу.
Так як струм стоку може досягати (для середнього транзистора) десятків ампер і, маючи практично нульовий вхідний струм, MOSFET транзистори відмінно підходять в якості підсилювача потужності і часто є кращою альтернативою, ніж біполярні. Вони так само повинні бути захищені діодами від індуктивних сплесків, так як це може привести до пробою між затвором і каналом (напруга пробою становить кілька десятків вольт).
Управління двигуном за допомогою реле
Якщо вам необхідно управління двигуном постійного струму, і ви знаєте, що частота перемикання не буде занадто велика (нижче 20 Гц), то ви можете для комутації використовувати реле (реле не підходять для управління ШІМ). Перевагою такого рішення є, перш за все, мале виділення тепла.
Існують малогабаритні реле здатні управляти струмами до 10 А. Для таких великих струмів, втрати потужності в реле є прийнятними, але для невеликих струмів гірше. Котушка управління контактами реле можна працювати навіть від декількох сотень мА. Так що немає ніякого сенсу у використанні такого реле для управління струмом подібної величини. На щастя, є окремі екземпляри, які споживають струм близько 40 мА і це вже набагато краще.
Якщо мова йде про напругу управління реле, то воно буває від 3 до 24 В. Як ми вже писали раніше, максимальний вихідний струм мікроконтролера 20 мА, а це занадто мало, щоб управляти реле безпосередньо. Тому для управління необхідно використовувати транзистор. Схема такого підключення, як правило, виглядає наступним чином:
Так і так, нам потрібен транзистор. Слід, відзначити, що в даному випадку виділяється набагато менше тепла, ніж на схемі, заснованої тільки на транзисторі, так як через транзисторний ключ в цій системі тече невеликий струм, а саме реле майже не розсіює енергію в вихідний ланцюга.
Захисний діод на реле не є обов'язковим. Його наявність залежить від сили струму, індуктивності котушки і максимальної напруги Uке транзистора. А ось наявність діода в вихідний ланцюга більше залежить від того, чи хочемо ми продовжити термін служби контактів реле.
В кінці міркувань про реле наведемо ситуацію, коли даний вид управління двигуном є оптимальним. Припустимо, що ми хочемо керувати двигуном, у якого номінальна робоча напруга 2,5 В і струм 3А і працює він від джерела напругою 2,5 В (перемикання з невеликою частотою). Якщо ви будете використовувати підсилювач, побудований на транзисторі, то на виході ми будемо мати падіння напруги близько 1 В, що в даному випадку є занадто великим значенням. При використанні ж реле у нас ніякого падіння напруги не буде.
Управління двигуном за допомогою H-моста
Рішення, які ми привели до цього, мають основний недолік - з їх допомогою неможливо управляти двигуном в двох напрямках! Така необхідність, швидше за все, нам знадобитися, наприклад, при будівництві роботів. H-моста - це конструкція, яка може бути побудована як з обох типів транзисторів, як і з реле.
Буква «H» виходить з того, що чотири реле і двигун в середині утворюють на схемі букву «H».
Детально про те, як працює H-міст можна почитати тут
Управління кроковим двигуном
Крокові двигуни, так само як і колекторні, складаються в основному з котушок. Тобто для обертання потрібно пропустити струм через котушки. Таким чином, всі з представлених схем управління двигунами можуть бути використані і для управління кроковим двигуном. (Все, крім H-моста)
Різниця в схемі підсилювача потужності для крокових двигунів полягає в тому, що тут трохи інші напруги і струми, і також в основному потрібно 4 перемикача на один двигун (коли двигун має п'ять контактів).
Номінальна робоча напруга, в основному, знаходиться в діапазоні 9 - 24 В. При таких не малих напругах ми маємо справу також з великим струмом: 0,3 - 1A на одну фазу! Нижче наведено приклад підключення крокової двигуна з 5 висновками:
