Через что управлять двигателем постоянного тока

Управление мотором постоянного тока с помощью одного транзистора

В данной статье рассматривается наиболее простой способ подключения мотора постоянного тока к Arduino.

Введение

Моторы постоянного тока нельзя подключать напрямую к Arduino. Это обусловлено тем, что пины не способны выдавать ток более 40 мА. Мотору же, в зависимости от нагрузки, необходимо несколько сотен миллиампер. Потому возникает потребность увеличения мощности. Делается это, как-правило, с помощью транзисторов.

В статье «Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые» можно ознакомиться с основными типами транзисторов и их принципами работы.

Так же рекомендуется посмотреть: Видеоуроки по Arduino, 5-я серия — Моторы и транзисторы. В данном уроке Джереми Блюм рассказывает о подключении мотора постоянного тока к Arduino через биполярный транзистор.

Необходимые компоненты

Мы рассмотрим вариант взаимодействия с полевым транзистором. Принципы подключения мотора будут разобраны на конкретном железе: DC-мотор, плата Arduino, N-канальный полевой транзистор, резистор на 10 кОм (R1), резистор на 220 Ом (R2).

Вы же в своих экспериментах вольны использовать то, что есть в наличии. Важны лишь 3 условия:

Схема подключения

По-сути, обмотка мотора представляет собой катушку индуктивности. В момент подачи напряжения возникнет обратная электродвижущая сила, которая может вывести из строя транзистор. Flyback диод устанавливается в обратном направлении и предотвращает утечку тока с мотора на транзистор. Поэтому, если в транзисторе нет flyback диода, его необходимо установить дополнительно: анод на исток, катод на сток.

Транзистор IRF530N является мощным и поставляется в корпусе TO-220. Ниже приведена его распиновка.

В данной схеме транзистор будет работать в ключевом режиме: по одной команде (установка уровня HIGH на затворе) от Arduino транзистор будет подключать мотор к источнику питания (отпираться), по другой команде (установка уровня LOW на затворе) — отключать мотор от источника питания.

Резистор R1 подтягивает к земле затвор транзистора. Номинал не принципиален — можно использовать любые резисторы в диапазоне от 1 до 10 кОм. Резистор R2 служит для защиты пина микроконтроллера. Диапазон, примерно, от 10 до 500 Ом.

Чтобы запитать данную схему, можно подключить к Arduino внешний источник питания на 6-9 В, либо подать питание непосредственно на макетную плату ( синяя шина — минус, красная шина — плюс).

Программинг

Для наибольшей простоты воспользуемся, пожалуй, самым известным скетчем из готовых примеров — Blink.

Посмотрим, что получилось.

Цифровой пин 13 раз в секунду меняет своё состояние. Когда на выходе устанавливается значение HIGH — загорается светодиод и начинает вращаться мотор. Когда устанавливается LOW — светодиод гаснет, а мотор останавливается.

Результаты

Была получена возможность подключать к выводам Arduino мощные устройства, в частности, моторы постоянного тока.

Использование ШИМ для регулировки скорости мотора

Если мотором управлять ничуть не сложнее, чем светодиодом, то, наверное можно изменять яркость скорость вращения мотора точно так же, как при работе со светодиодами? Именно так! С точки зрения Arduino абсолютно не важно с чем мы имеем дело.

Как вы уже, наверно, могли догадаться, для изменения скорости вращения мотора нам понадобится скетч Fade.

Схема подключения

Чтобы использовать возможности функции analogWrite(..) , нам придётся перейти на один из пинов (3/5/6/9/10/11), поддерживающих аппаратный ШИМ. Поскольку, по умолчанию, в скетче Fade задействован 9-й пин, остановим свой выбор на нём.

Читайте также:  Как отрегулировать двигатель на классику ваз

Результат

Была получена возможность изменять скорость вращения мотора, используя аппаратный ШИМ Arduino.

На чём данная статья подходит к завершению. Теперь вы смело можете использовать моторы постоянного тока в своих проектах!

Источник

Управление двигателем постоянного тока

В автономных приложениях, таких как робототехника и электротранспорт, электродвигатели постоянного тока получили много большее распространение чем асинхронные машины. Связано это в первую очередь с тем что при питании от АКБ нет необходимости в преобразовании её напряжения в переменное, да ещё и определённой последовательности.

Но как же управлять таким электродвигателем? На первый взгляд, ответ очевиден. Скорость вращения электродвигателя постоянного тока прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению. Т.е. очевидно, что нужен регулятор напряжения, а коммутировать реверс — дело техники.

Но при автономной работе, одним с ключевых показателей схемы является её эффективность — время работы от АКБ . А при использовании регулятора на нём будет падать сравнительно большая мощность аккумуляторной батареи. К тому же при прямом регулировании напряжения на электродвигателе, мы будем снижать момент, что очень критично в схемах для электротранспорта.

В этой статье речь пойдёт об эффективной базовой схеме 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).

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 ВЧ импульсы поступают на специализированную микросхему — драйвер для mosfet -транзисторов. Микросхем TC4427А содержит в себе два драйвера с не инвертирующим выходом. В данном включении они запаралельлены.

Выход драйвера через переключатель « Reverce » управляет затворами VT1 , VT2 и VT3 , VT4 . К стокам этих транзисторов, которые работают в ключевом режиме, и подключается электродвигатель. Остановимся на работе H-bridge моста подробней.

В исходном состоянии (нет импульса управления), p -канальные транзисторы VT1 , VT3 открыты, а n -канальные VT2 , VT4 закрыты. Допустим, переключатель находится в верхнем по схеме положении. Когда последует импульс управления с драйвера DA1 , то VT1 закроется, а VT2 откроется. Двигатель окажется подключенным к источнику питания правым (по схеме) контактом через VT3 , левым через VT2 . 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 ». Отладку и испытание макетной платы устройства Вы можете посмотреть в конце статьи.

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.

Источник

Двунаправленное управление двигателем постоянного тока

Всем здравствуйте. Схемы управления двигателями постоянного тока чаще всего выполняются с использованием широтно-импульсной модуляции. Преимущество — стабильный крутящий момент и практически полный диапазон регулирования от 0 до максимальной скорости. Режим переключения также предъявляет более низкие требования к охлаждению силовых ключевых элементов.

В этой схеме также используется принцип ШИМ. Обычные контроллеры имеют потенциометр для регулирования скорости, а переключение направления вращения выбирается отдельным переключателем. В этой конструкции используется только один потенциометр. Среднее положение соответствует нулевой скорости, и при повороте в одну или другую сторону двигатель начинает вращение в нужном направлении. В крайних положениях потенциометра скорость максимальная. Принципиальная схема этого регулятора представлена на рисунке.

Читайте также:  Запуск двигателя ниссан патфайндер

Схему регулятора можно разделить на четыре основные части. IC1A определяет напряжение от бегунка управляющего потенциометром P1 и с помощью IC1B сдвигает выходной уровень постоянного тока генератора треугольной формы. Этот сигнал поступает на компараторы на операционных усилителях IC1C и IC1D.

На выходах обоих компараторов установлена ключи на MOSFET-транзисторах IRFZ44 и IRF4905. Двигатель постоянного тока подключается к центру к клеммной колодки K1. Поскольку двигатель и схемы управления имеют общий источник питания, схему можно использовать с напряжением примерно до 30В. Максимальный ток транзисторов IRFZ44 составляет 50А, но ток, проходящий через двигатель, скорее будет ограничен конструктивной особенностью и допустимой нагрузкой на печатной плате. Его можно увеличить, припаяв к дорожкам более толстый провод тем самым увеличить пропускной ток.

Схема контроллера выполнена на двухсторонней печатной плате размером 50х50 мм. Расположение компонентов на печатной плате показано, а также разводка показаны на рисунке.

Источник

Управление щёточными моторами с Arduino

Как вы знаете, никакую нагрузку мощнее светодиода нельзя подключать к Ардуино напрямую, особенно моторчики. Ардуино, да и вообще любой микроконтроллер – логическое устройство, которое может давать только логические сигналы другим железкам, а те уже могут управлять нагрузкой. Кстати, урок по управлению мощной нагрузкой постоянного и переменного тока у меня тоже есть. “Драйвером” мотора могут быть разные железки, рассмотрим некоторые из них.

При помощи обычного реле можно просто включать и выключать мотор по команде digitalWrite(пин, состояние) , прямо как светодиод:

При помощи двойного модуля реле (или просто двух реле) можно включать мотор в одну или другую сторону, а также выключать:

Купить модуль реле можно на Aliexpress.

Мосфет

Полевой транзистор, он же мосфет, позволяет управлять скорость вращения мотора при помощи ШИМ сигнала. При использовании мосфета обязательно нужно ставить диод, иначе индуктивный выброс с мотора очень быстро убьёт транзистор. Скорость мотора можно задавать при помощи ардуиновской analogWrite(пин, скорость) .

Вместо “голого” мосфета можно использовать готовый китайский модуль:

Купить мосфет модуль можно на Aliexpress.

Реле и мосфет

Если объединить реле и мосфет – получим весьма колхозную, но рабочую схему управления скоростью и направлением мотора:

Специальный драйвер

Лучше всего управлять мотором при помощи специального драйвера, они бывают разных форм и размеров и рассчитаны на разное напряжение и ток, но управляются практически одинаково. Рассмотрим основные драйверы с китайского рынка:

Драйвер Vmot Ток (пик)

Стоимость

Aliexpress
L298N 4-50V 1A (2A) 100р Купить
MX1508 2-9.6V 1.5A (2.5A) 20р Купить
TA6586 3-14V 5A (7A) 100р (чип 30р) Купить, купить, купить чип
L9110S 2.5-12V 0.8A (1.5A) 50р Купить
TB6612 4.5-13.5V 1.2A (3A) 80р Купить
BTS7960 5.5-27V 10A (43A) 300р Купить
Большой 3-36V 10A (30A) 700р Купить

Остальные драйверы смотри у меня вот тут. Схемы подключения и таблицы управления:




Пины направления управляются при помощи digitalWrite(pin, value) , а PWM – analogWrite(pin, value) . Управление драйвером по двум пинам может быть двух вариантов:

Моторы переменного тока

Мотором переменного тока (220V от розетки) можно управлять при помощи диммера на симисторе, как в уроке про управление нагрузкой.

Библиотеки

У меня есть удобная библиотека для управления мотором – GyverMotor, документацию можно почитать вот здесь. Особенности библиотеки:

  • Контроль скорости и направления вращения
  • Работа с ШИМ любого разрешения
  • Программный deadtime
  • Отрицательные скорости
  • Поддержка всех типов драйверов
  • Плавный пуск и изменение скорости
  • Режим “минимальная скважность”

Помехи и защита от них

Индуктивный выброс напряжения

Мотор – это индуктивная нагрузка, которая в момент отключения создаёт индуктивные выбросы. У мотора есть щетки, которые являются источником искр и помех за счёт той же самой индуктивности катушки. Сам мотор потребляет энергию не очень равномерно, что может стать причиной помех по линии питания, а пусковой ток мотора так вообще сильно больше рабочего тока, что гарантированно просадит слабое питание при запуске. Все четыре источника помех могут приводить к различным глюкам в работе устройства вплоть до срабатывания кнопок на цифровых пинах, наведения помех на аналоговых пинах, внезапного зависания и даже перезагрузки микроконтроллера или других железок в сборе устройства.

Отсечь индуктивный выброс с мотора можно при помощи самого обычного диода, чем мощнее мотор, тем мощнее нужен диод, то есть на более высокое напряжение и ток. Диод ставится встречно параллельно мотору, и чем ближе к корпусу, тем лучше. Точно таким же образом рекомендуется поступать с электромагнитными клапанами, соленоидами, электромагнитами и вообще любыми другими катушками. Логично, что диод нужно ставить только в том случае, если мотор или катушка управляется в одну сторону. Важные моменты:

  • При работе с драйвером и управлением в обе стороны диод ставить не нужно и даже нельзя!
  • При управлении ШИМ сигналом рекомендуется ставить быстродействующие диоды (например серии 1N49xx ) или диоды Шоттки (например серии 1N58xx).
  • Максимальный ток диода должен быть больше или равен максимальному току мотора.
  • Защитный диод, принимающий на себя обратный выброс ЭДС самоиндукции, также называется шунтирующим диодом, снаббером, flyback диодом.
  • В природе существуют мосфеты со встроенным защитным диодом. Этот диод является отдельным элементом и такой мосфет обычно имеет нестандартный корпус, читайте документацию на конкретный транзистор.
  • Диод, который показан на схематическом изображении мосфета, не является защитным диодом: это слабый и медленный “паразитный” диод, образованный при производстве транзистора. Он не защитит мосфет от выброса, нужно обязательно ставить внешний!

Помехи от щёток

Искрящиеся щетки мотора, особенно старого и разбитого, являются сильным источником электромагнитных помех, и здесь проблема решается установкой керамических конденсаторов с ёмкостью 0.1-1 мкФ на выводы мотора. Такие же конденсаторы можно поставить между каждым выводом и металлическим корпусом, это ещё сильнее погасит помехи. Для пайки к корпусу нужно использовать мощный паяльник и активный флюс, чтобы залудиться и припаяться как можно быстрее, не перегревая мотор.

Помехи по питанию, просадка

Мотор потребляет ток не очень равномерно, особенно во время разгона или в условиях переменной нагрузки на вал, что проявляется в виде просадок напряжения по питанию всей схемы. Беды с питанием решаются установкой ёмких электролитических конденсаторов по питанию, логично что ставить их нужно максимально близко к драйверу, то есть до драйвера. Напряжение должно быть выше чем напряжение питания, а ёмкость уже подбирается по факту. Начать можно с 470 мкф и повышать, пока не станет хорошо.

Разделение питания

Если описанные выше способы не помогают – остаётся только одно: разделение питания. Отдельный малошумящий хороший источник на МК и сенсоры/модули, и отдельный – для силовой части, в том числе мотора. Иногда ради стабильности работы приходится вводить отдельный БП или отдельный аккумулятор для надёжности функционирования устройства.

Экранирование

В отдельных случаях критичными являются даже наводки от питающих проводов моторов, особенно при управлении ШИМ мощными моторами и управлении мощными шаговиками в станках. Такие наводки могут создавать сильные помехи для работающих рядом чувствительных электронных компонентов, на аналоговые цепи, наводить помехи на линии измерения АЦП и конечно же на радиосвязь. Защититься от таких помех можно при помощи экранирования силовых проводов: экранированные силовые провода не всегда удаётся купить, поэтому достаточно обмотать обычные провода фольгой и подключить экран на GND питания силовой части. Этот трюк часто используют RC моделисты, летающие по FPV.

Видео

Источник

Adblock
detector