Схемы управления двигателем постоянного тока

Как правильно регулировать направление и скорость вращения мото­ра постоянного тока? Нюансы ШИМ управления микроконтроллером. Какую частоту ШИМ выбрать для DC двигателя?

Из всех видов двигателей постоянного тока наибольшее распространение получили привычные всем коллекторные двигатели. Они универсальны, дёшевы и, как правило, не требуют сложных систем управления, так как для их функционирования достаточно подачи постоянного напряжения питания. Однако при необходимости регулировки скорости вращения вала или режимом управления моментом вращения такого двигателя могут возникнуть определённые нюансы, которые необходимо учитывать при проектировании "правильных" схем управления.
Под "правильными" подразумеваются устройства, работающие с максимальным КПД и обеспечивающие высокую надёжность работы как самого двигателя, так и компонентов, входящих в схему управления.

Наиболее распространённый метод регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Его суть – подача на двигатель однополярных прямоугольных импульсов постоянной частоты, но изменяемой скважности (т. е. промодулированных по длительности). Чем больше длительность этих импульсов (ниже скважность), тем выше средний ток через обмотку, а соответственно, выше крутящий момент и скорость вращения вала двигателя.
Простейшая схема регулирования скорости вращения вала изображена на Рис.1.
Полевой MOSFET транзистор исполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Коммутация происходит в течении времени, когда входной импульс имеет положительную полярность. Чем больше это время, тем больший средний ток будет протекать через обмотку двигателя, тем выше будет скорость вращения вала.
Если частота ШИМ сигнала будет низкой, то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.

Рис.1 Схема ШИМ регулирования скорости вращения вала электродвигателя

При частоте в сотни (а лучше тысячи Гц) двигатель будет "воспринимать" среднее значение подводимой к нему энергии, и скорость его вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения.

Так какую частоту ШИМ можно считать оптимальной? Практика показывает, что оптимальная частота ШИМ находится в диапазоне 5...20 кГц, ниже будет слышен свист, выше – возрастут коммутационные потери, обусловленные инерционностью переключения мощных полевых транзисторов.

Теперь слегка углубимся в характер входного сигнала, управляющим ключом, особенно для тех случаев, когда он формируется с помощью микроконтроллера или иного цифрового устройства с относительно низковольтным питанием (3...5 В).
Если двигатель маломощный (менее 1А), то тут всё просто – схема, изображённая на Рис.1, остаётся в силе, полевой транзистор выбирается из числа приборов с низкими напряжениями отсечки (см. страницу), например IRLML2402, и на этом – всё.

Другое дело – мощный электродвигатель, коммутировать который необходимо не менее мощным транзистором. Учитывая довольно высокую входную ёмкость мощного MOSFET-транзистора, источник управляющих импульсов должен иметь низкое выходное сопротивление и обеспечивать ток не менее 200 мА. Мало того – амплитуда этих импульсов должна как минимум вдвое превышать напряжение отсечки полевика. Поэтому без драйвера MOSFET-а в данном случае не обойтись, причём – это может быть как специализированная ИМС драйвера ключей, так и собранная на расхожей рассыпухе.
Такая схема, выполненная на 3-х транзисторах, приведена на Рис.2.
Помимо того, что драйвер обладает необходимой нагру­зочной способностью, также он осуществляет амплитудное преобразование низковольтно­го сигнала МК в импульсы, амплитуда которых близка к напряжению питания драйве­ра.

Рис.2 Драйвер управления мощными MOSFET-транзисторами

Как все уже, наверное, догадались, выход драйвера подключается ко входу силового ключа, управляющего двигателем (Рис.1).

Теперь рассмотрим устройства, обеспечивающие реверс коллекторного двигателя постоянного тока, то есть осуществляющие переключение направления вращения его вала. Для подобных целей в основном используется схема, называемая мостовой (Рис.3).

Рис.3 Мостовая схема переключения направления вращения электромотора

Работает схема следующим образом:
1. При подаче на входы А и В высоких уровней напряжения (равных напряжению питания +Еп) нижние транзисторы Т2 и Т4 будут находиться в открытом состоянии, а верхние Т1 и Т3 – в закрытом, т. е. на обеих клеммах обмотки будет нулевое напряжение и двигатель будет обесточен.
2. При подаче на вход А нулевого напряжения (при высоком уровне на В) транзистор Т1 откроется, а Т2 закроется, на левой клемме появится высокое напряжения (при нуле на правой), что приведёт к вращению двигателя в соответствующую данной полярности сторону.
3. При подаче на вход В нулевого напряжения (при высоком уровне на А) транзистор Т3 откроется, а Т4 закроется, на правой клемме появится высокое напряжения (при нуле на левой), полярность тока сменится и мотор будет крутиться в другую сторону.
4. Если вместо нулевого напряжения на один из входов подать ШИМ сигнал, то в зависимости от его скважности будет происходить регулировка оборотов двигателя.
5. Состояние, соответствующее нулевым уровням напряжения на обоих входах, также не является запрещённым, так как на обеих клеммах будет одинаковое высокое напряжение +Еп, т. е. двигатель будет обесточен.

Если мощность двигателя невелика, а его рабочее напряжение совпадает с напряжением питания МК или иных цифровых микросхем, то мостовой ключ можно подключить напрямую к выходам ИМС. Транзисторы в этом случае также необходимо подобрать с соответствующими электромотору (не слишком высокими) мощностями, а также напряжениями отсечки, как минимум, вдвое меньшими, чем напряжение питания устройства.
Если же мощность двигателя существенна (например, пусковой ток превышает 1 А) и/или его рабочее напряжение выше напряжения питания МК, то мостовой ключ необходимо подключать через драйвер, пример схемы которого изображён на Рис.2.

Цепочки, подобные R1,D1...R4,D4, не часто используют в устройствах, описанных в различных источниках информации. Однако они значительно повышают КПД и надёжность устройств, создавая так называемое «мёртвое время», необходимое для того, чтобы избежать сквозных токов, т. е. наложения открытых состояний ключей при их переключении. При использовании полевых транзисторов с высокой мощностью номиналы резисторов R1...R4 следует уменьшить до 51...100 Ом.
Защитные диоды Шоттки, включённые на схеме параллельно транзисторам, дублируют встроенные в полевики диоды и при относительно невысоких мощностях электродвигателя не нужны. Однако при использовании мощных моторов эти диоды желательно поставить – это повысит надёжность устройства.

Приведём несколько практических схем управления коллекторными двигателями постоянного тока.

Рис.4 Схема регулировки оборотов коллекторного электродвигателя

Регулятор, изображённый на Рис.4, можно использовать с двигателями, пусковой ток которых не превышает 4 А.
Схема содержит одну логическую микросхему, состоящую из 6 инвертирующих триггеров Шмитта, и один MOSFET транзистор.
На триггере D1.1 реализован генератор ШИМ с регулируемой скважностью, а все остальные вентили соединены параллельно и предназначены для умощнения выхода генератора.
Такое построение генератора на логическом элементе имеет преимущества перед популярным решением ШИМ на NE555 таймере, так как не содержит аналоговых элементов (таких как ОУ, компаратор и т. д.), что даёт значительный выигрыш по помехоустойчивости в моменты бросков тока при переключениях транзистора.

Указанный на схеме транзистор IRL510 очень хорош для подобных регуляторов, так как имеет низкое напряжение отсечки (менее 2 В) и небольшую входную ёмкость (около 250 пФ). Это, с одой стороны, позволяет его использовать в схемах с относительно низковольтным питанием (от 5 В), а с другой – не предъявлять серьёзных требований к мощности управляющего сигнала. При невозможности применить IRL510 имеет смысл дополнить схему транзисторным каскадом, как это будет показано в следующей схеме.

А на следующей схеме (Рис.5) изображена схема устройства, которое позволяет не только регулировать скорость, но и направление вращения электродвигателя.

Рис.5 Схема регулировки оборотов коллекторного электродвигателя

Функциональные особенности узлов, входящих в приведённую схему, были описаны выше.
При выборе полевых MOSFET транзисторов и диодов Шоттки следует исходить из максимального пускового тока применяемого электромотора. Напряжение отсечки полевиков должно быть, как минимум, вдвое ниже напряжения питания устройства.