Минусы прямого регулирования напряжения электродвигателя
Во многих конструкциях робототехники или электротранспорта, электродвигатели постоянного тока получили много большее распространение чем асинхронные машины. Во многом это связано из-за того, что при питании схемы от АКБ нет необходимости в преобразовании её напряжения в переменное, да ещё и определённой последовательности.
На первый взгляд управление двигателем постоянного тока выглядит довольно простым. Скорость вращения электродвигателя постоянного тока прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению. Т.е. очевидно, что нужен регулятор напряжения.
Но при автономной работе, одним с ключевых показателей схемы является её эффективность - время работы от АКБ. И очевидно, что при использовании регулятора на нём будет падать сравнительно большая мощность аккумуляторной батареи.
Ещё одним недостатком прямого регулирования напряжения на электродвигателе является снижение момента, что является критичным в схемах для электротранспорта.
В статье показана базовая мостовая схема управления электродвигателем постоянного тока на основе широтно-импульсной модуляции - ШИМ. Сам электродвигатель при этом подключается к АКБ через mosfet-транзисторы. Такое включение в зарубежной литературе именуют как Н-bridge (Н-мост).
Схема электрическая
Принцип работы
Принцип такого регулирования основан на том, что электродвигатель питается не постоянным напряжением, а импульсами высокой частоты одинаковой амплитуды, но разной длительности. Длительность импульса управляемая, т.е. среднее приложенное напряжение к электродвигателю будет зависеть от их длительности.
Генератор частоты 20 кГц построен на таймере 555 в моностабильном режиме. Коэффициент заполнения - ширину импульсов, регулируют переменным сопротивлением R2, от 10 до 98 %.
С выхода генератора импульсы поступают на специализированную микросхему - драйвер для mosfet-транзисторов. Микросхем TC4427А содержит в себе два драйвера с неинвертирующим выходом. В данном включении они включены параллельно.
Выход драйвера через переключатель «Reverce» управляет затворами МОП-транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4. К стокам этих транзисторов, которые работают в ключевом режиме, и подключается электродвигатель.
Работа H-bridge моста
В исходном состоянии (нет импульса управления), p-канальные транзисторы VT1, VT3 закрыты, а n-канальные VT2, VT4 открыты через напряжение смещения R3, R4.
Допустим переключатель находится в верхнем по схеме положении. Когда последует импульс управления с драйвера DA1, то VT1 откроется, а VT2 закроется.
Электродвигатель окажется подключённым к источнику питания левым (по схеме) контактом через VT1, правым через VT4. И в зависимости от установки R2, будет вращаться с определённой скоростью в прямом (условно) направлении.
Чтобы поменять направление вращения электродвигателя, достаточно поменять управляемую пару транзисторов переключателем «Reverce».
Испытание и отладку схемы на макетной плате можно посмотреть ниже.
Конструкция
На печатной плате располагаются все элементы схемы кроме задатчика скорости вращения - R2 и переключателя направления вращения - «Reverce». Указанные на схеме транзисторы позволяют управлять электродвигателями постоянного тока с номинальным напряжением до 20 В и током до 40 А, естественно с соответствующим отводом от них тепла.