Двигатели постоянного тока повсеместно используются в робототехнике и электронных устройствах. Их область применения обширна: от самодельных фрезеровочных аппаратов до вездеходных машинок и роботов на радиоуправлении. При разработке подобных устройств требуется управлять мощностью/скоростью (число оборотов в единицу времени) таких двигателей, потому что не всегда нужно что-либо делать с одинаковой скоростью. Например, при движении машинки назад скорость должна отличаться от той, что была при движении вперёд. Или для управления фрезой в зависимости от поставленной задачи.
У двигателей постоянного тока мощность возрастает при увеличении входного напряжения, поэтому нужен контроллер, который сможет отвечать за регулировку. И не простой контроллер, а с поддержкой ШИМ-сигнала.
Широтно-импульсная модуляция представляет собой сигналы прямоугольной формы, которые переключаются между состояниями двух логических уровней: вкл (1) или выкл (0). Данный метод используется для управления мощностью исполнительных устройств: двигателей, лампочек и т.д. Время, в течение которого сигнал имеет высокий уровень напряжения, называется рабочим циклом.Отношение рабочего цикла времени к общему времени называется скважностью и выражается в процентах. Чем больше скважность, тем больший период времени занимает высокий логический импульс, а значит с большей мощностью будет работать подключенное устройство.
Встроенная поддержка ШИМ-сигналов имеется и в отладочных платах на базе микроконтроллеров (Arduino, ESP32), но управлять двигателями с них напрямую небезопасно из-за большого потребления тока этих самых двигателей. Также проблемой является небольшая частота ШИМ-сигнала (от 490 до 1000 Гц) , которая по умолчанию установлена в контроллерах и для ее увеличения требуются значительные навыки в работе с ними по части программного кода.
Для тривиальных задач по управлению мощностью двигателей постоянного тока используются модули (один из них изображён на картинке ниже) на основе интегральных схем — ШИМ-регуляторы. Они отвечают за генерацию прямоугольных импульсов с высокой частотой сигнала (до 25 кГц на некоторых моделях). Поворотная ручка устроена по аналогии с потенциометром и позволяет изменить период рабочего цикла или значение скважности (от 1 до 100%), что напрямую влияет на скорость подключенного двигателя.
ШИМ-регуляторы имеют всё необходимое для удобного управления нагрузкой: помимо поворотного потенциометра имеются винтовые клеммы для подключения выводов двигателя и внешнего источника питания. Большинство ШИМ регуляторов оснащены радиаторами для эффективного охлаждения, что значительно повышает максимальную коммутируемую силу тока. Например, данная модель диммера может обеспечить двигатель непрерывным током до 10 ампер.
Помимо регулировки скорости двигателя, на ШИМ-контроллер возложены такие задачи, как управление направлением вращения, плавный пуск и плавная остановка двигателя. Результат для последних двух функций достигается за счет использования встроенных конденсаторов, которые также устраняют внешний шум на клеммных колодках модуля. Плавкий предохранитель защищает регулятор скорости от перегорания, вызванного коротким замыканием.
Для подбора ШИМ-регулятора под ваши задачи необходимо смотреть на номинальное напряжение работы двигателя и потребляемый им ток: превышение последнего параметра может привести к выходу из строя модуля регулятора, при отсутствии предохранителя достаточного уровня защиты от перегрузок по току.
Полезно смотреть и на максимальную частоту ШИМ сигнала. Особенно важен этот вопрос для двигателей промышленного назначения. Например, при низкой частоте могут появиться пульсации по току, а работа мощных двигателей при частоте до 16…20 кГц (в пределах порога частоты слышимого человеком звука) вызывает звуковую вибрацию, оказывающую неприятное воздействие на пользователя.
Сравнительная характеристика ШИМ-регуляторов в магазине YouBot.ru:
Номинальный ток 10А
Напряжение двигателя 12-48 В
Частота ШИМ сигнала 25 кГц
Максимальный ток до 20 А
Номинальный ток 10А
Напряжение двигателя 12-40 В
Частота ШИМ сигнала 13 кГц
Максимальный ток до 10 А
Номинальный ток 3А
Напряжение двигателя 6-28 В
Частота ШИМ сигнала 25 кГц
Максимальный ток до 3А
Номинальный ток 2А
Напряжение двигателя 1,8-15 В
Частота ШИМ сигнала 20 кГц
Максимальный ток до 2А
Номинальный ток 5А
Напряжение двигателя 4,5-35 В
Частота ШИМ сигнала 20 кГц
Максимальный ток до 5А
Номинальный ток 2А
Напряжение двигателя 1,8-12 В
Частота ШИМ сигнала 21 кГц
Максимальный ток до 2А