Эта схема разработана, чтобы позволить небольшому двигателю постоянного тока работать на низких скоростях вращения. Двигатель приводится в действие с помощью сигнала ШИМ, при котором рабочий цикл увеличивается всякий раз, когда двигатель вынужден работать под нагрузкой.
Иногда случается, что вам нужно запустить двигатель постоянного тока на медленных скоростях. Стандартное решение состоит в том, чтобы управлять двигателем с прямоугольным сигналом, имеющим низкий рабочий цикл. Но если двигатель перегружен механически, прямоугольные импульсы могут выдавать недостаточную мощность, вызывая остановку двигателя.
Решение этой проблемы заключается в схеме ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с переменным рабочим циклом. Схем, предлагающие регулируемый вручную рабочий цикл, конечно, множество, но было желание, чтобы рабочий цикл менялся автоматически.
Мы берем генератор ШИМ, используем его для управления двигателем, измеряем ток через двигатель и подаем его обратно на генератор ШИМ в качестве управляющего сигналом. С парой операционных усилителей и управляющего транзистором MOSFET. Что касается управления двигателем, то некоторые резисторы и конденсаторы, а также простой источник питания USB 5В.
Все началось с классической схемы, приведенной на рисунке, взятой из технических данных на микросхему LM358.
(Номера компонентов были изменены, чтобы соответствовать номерам в окончательной схеме, которая будет приведена далее на рисунке.)
Основной принцип будет знаком многим, V DC — это напряжение постоянного тока (DC для постоянного тока, не путать с DC для Duty Cycle). При включении положительный вход операционного усилителя Vi всегда больше, чем ноль, в то время как напряжение конденсатора V на отрицательном входе все еще равно ноль. Выходной сигнал Vo усилителя переходит в насыщение при своем максимальном выходном напряжении (Vomax).
Выходное напряжение заряжает конденсатор C1via R1, пока Vc не станет больше, чем Vi. Мы будем называть это состояние VtH. Когда эта точка достигнута, выход возвращается к нолю, после чего конденсатор разряжается через R1 в точку VtL, где Vc падает ниже Vi. Теперь Vo снова повышается, и цикл повторяется.
Схема представляет собой комбинацию генератора пилообразного напряжения и триггера Шмитта. Самое замечательное в том, что теперь вы можете поместить эти компоненты в пару формул, с помощью которых вы сможете точно рассчитать, какие значения вам нужны для определенного цикла
Вот приведена полная схема на рисунке.
На резисторах R2 и R3 собран делитель V DC равный половине напряжения питания. Сигнал ШИМ на выходе IC1A поступает на полевой МОП-транзистор, который включает и выключает двигатель. Используя R5 (1,8 Ом), мы измеряем ток через двигатель (номинально около 450 мА). Это дает напряжение Vs 0,8 В при нормальной нагрузке, повышающееся до 1,2 В, когда двигатель должен работать интенсивнее.
В этом случае около 700 мА протекает через R5. Но поскольку напряжение и ток являются импульсными, мощность (I 2 R = 0,7 2 x 1,8 = 0,9 Вт) в резисторе уменьшается на коэффициент заполнения примерно до 20%. Достаточно резистора 0,5 Вт R5 не будет обращать на это никакого внимания. Vs немного усиливается с помощью IC1B, и в результате проходит через R6 к Vi. Вследствие этого Vi немного возрастает, и, когда двигатель становится все более нагруженным, он потребляет больший ток в зависимости от ситуации.
Все это звучит очень просто, но выбрать правильные значения резистора не так просто. Для начала, частота сигнала ШИМ уменьшается с увеличением рабочего цикла. Вы можете увидеть это в формуле. Время зарядки t1 и время разряда t2 C1 являются решающими, коэффициент использования =
Чем больше период зарядки, тем выше коэффициент заполнения, но частота равна 1 / (t1 + t2), и тогда она становится ниже. Это дает нам меньше импульсов в секунду, что приводит к падению скорости двигателя (в то время, когда вы действительно хотите поддерживать его постоянным). Если вы увеличиваете влияние Vm, используя более низкое значение для R6, то вы увеличиваете рабочий цикл, но снижаете скорость еще больше.
Более короткая постоянная времени (R1 × C1) не была решением, потому что двигатель постоянного тока издавал зловещий звук на частотах ШИМ выше 75 Гц, и выше 120 Гц визг прекращался. Кроме того, напряжение на R5 является напряжением постоянного тока с наложенной коммутационной пульсацией, вызванной переключением с одной щетки двигателя на другую во время работы двигателя.
При более высокой нагрузке напряжение на R5 является максимальным, и частота пульсаций также увеличивается. Это имеет смысл, потому что мотор тогда вращается медленнее. Наконец, ток двигателя (усиленный и преобразованный в напряжение Vm) был добавлен к положительному входу ШИМ-усилителя, достигая положительной обратной связи.
Согласно теории, это плохая идея, отчасти потому, что полное сопротивление источника напряжения влияет на суммирование. На самом деле это не играет главной роли здесь. Выходной импеданс IC1B очень низкий и намного ниже, чем R6. Импеданс источника делителя напряжения R2 / R3 здесь составляет 50 кОм, половина от R4.
Также были проведены эксперименты с эмиттерным повторителем делителем напряжения, чтобы уменьшить импеданс, но это, как оказалось, практически не повлияло на работу. При значениях, приведенных на схеме, рабочий цикл составлял около 17% при 55 Гц, увеличиваясь до 21% при 45 Гц при самых высоких механических нагрузках.
Небольшая печатная плата для схемы, приведена на рисунке.
Но что еще хотелось выделить, вам все равно придется отрегулировать резистор, значения для каждого типа двигателя.