Управление скоростью и направлением двигателя постоянного тока Arduino с помощью реле и MOSFET

В этом проекте мы контролируем направление и скорость сильноточного двигателя 24 В с помощью Arduino и двух реле. Для этой схемы не требуются переключатели питания, только две кнопки и потенциометр для управления направлением и скоростью двигателя постоянного тока. Одна кнопка будет вращать двигатель по часовой стрелке, а другая - против часовой стрелки. Для управления скоростью двигателя требуется один n-канальный MOSFET. Реле используются для переключения направлений двигателя. Это похоже на схему H-Bridge.

Обязательные компоненты:

1. Ардуино Уно
2. Два реле 12 В (также можно использовать реле 5 В)
3. Два транзистора; BC547
4. Две кнопки
5. IRF540N
6. Резистор 10к
7. Источник 24 вольт
8. Потенциометр 10K
9. Три диода 1N4007
10. Соединительные провода

Принципиальная схема и пояснения:

Принципиальная схема этого проекта двунаправленного управления двигателем показана на изображении ниже. Выполните соединения в соответствии с ним:

• Подключите нормально замкнутые клеммы обоих реле к положительной клемме аккумуляторной батареи.
• Подключите нормально открытые клеммы обоих реле к клемме стока полевого МОП-транзистора.
• Подключите источник полевого МОП-транзистора к отрицательной клемме батареи и к контакту заземления Arduino UNO.
• Вывод затвора на вывод 6 PWM Arduino.
• Подключите резистор 10 кОм от затвора к истоку и диод 1N4007 от истока к стоку.
• Подключите двигатель между средними клеммами реле.
• Из двух оставшихся выводов один идет на вывод Vin Arduino Uno, а другой - на вывод коллектора транзистора (для каждого реле).
• Подключите вывод эмиттера обоих транзисторов к выводу GND Arduino.
• Цифровые выводы 2 и 3 Arduino, каждый из которых соединен последовательно с кнопкой, идут к базе транзисторов.
• Подключите диод к реле точно так, как показано на рисунке.
• Подключите концевой вывод потенциометра к контакту 5 В и контакту Gnd Arduino соответственно. И клемму стеклоочистителя к выводу A0.
• ** если у вас есть две отдельные батареи на 12 В, подключите положительную клемму одной батареи к отрицательной клемме другой батареи и используйте оставшиеся две клеммы как положительную и отрицательную.

Назначение транзисторов:

цифровые выводы Arduino не могут подавать ток, необходимый для включения обычного реле 5 В. Кроме того, в этом проекте мы используем реле на 12 В. Вывод Vin Arduino не может легко обеспечить такой большой ток для обоих реле. Следовательно, транзисторы используются для передачи тока от вывода Vin Arduino к реле, которое управляется с помощью кнопки, подключенной от цифрового вывода к базовому выводу транзистора.

Назначение Ардуино:

• Чтобы обеспечить ток, необходимый для включения реле.
• Включить транзистор.
• Для управления скоростью двигателей постоянного тока с помощью потенциометра с помощью программирования. Ознакомьтесь с полным кодом Arduino в конце.

Назначение MOSFET:

MOSFET требуется для управления скоростью двигателя. MOSFET включается и выключается при высокочастотном напряжении, и поскольку двигатель подключен последовательно со стоком MOSFET, значение напряжения PWM определяет скорость двигателя.

Текущие расчеты:

Сопротивление катушки реле измеряется мультиметром, которое оказывается = 400 Ом.

Вывод Vin Arduino дает = 12 В

Значит ток нужно включить реле = 12/400 Ампер = 30 мА

Если оба реле находятся под напряжением, ток = 30 * 2 = 60 мА.

** Вывод Vin Arduino может обеспечивать максимальный ток = 200 мА.

Таким образом, в Arduino нет проблем с перегрузкой по току.

Работа двунаправленного двигателя, управляемого Arduino:

Работа этой двухходовой схемы управления двигателем проста. Оба контакта (2, 3) Arduino всегда будут оставаться высокими.

Когда ни одна кнопка не нажата:

В этом случае ток не течет к базе транзистора, поэтому транзистор остается выключенным (действует как разомкнутый переключатель), из-за чего ток не течет к катушке реле от вывода Vin Arduino.

При нажатии одной кнопки:

В этом случае через нажатую кнопку, которая включает его, на базу транзистора протекает ток. Теперь ток легко течет к катушке реле от контакта Vin через этот транзистор, который включает это реле (РЕЛЕ A), и переключатель этого реле переводится в положение NO. Пока другое реле (РЕЛЕ B) все еще находится в положении NC. Таким образом, ток течет от положительной клеммы аккумулятора к отрицательной клемме через двигатель, т.е. ток течет от реле A к реле B. Это вызывает вращение двигателя по часовой стрелке.

Когда нажата другая кнопка:

На этот раз включается другое реле. Теперь ток легко течет к катушке реле от контакта Vin через транзистор, который включает это реле (РЕЛЕ B), и переключатель этого реле переводится в положение NO. Пока другое реле (РЕЛЕ A) остается в положении NC. Таким образом, ток течет от положительной клеммы батареи к отрицательной клемме батареи через двигатель. Но на этот раз ток течет от реле B к реле A. Это вызывает вращение двигателя против часовой стрелки.

Когда обе кнопки нажаты:

В этом случае ток течет к базе обоих транзисторов, в результате чего оба транзистора включаются (действуют как замкнутый переключатель). Таким образом, оба реле теперь находятся в положении НЕТ. Таким образом, ток не течет от положительной клеммы аккумулятора к отрицательной клемме через двигатель и, следовательно, не вращается.

Управление скоростью двигателя постоянного тока:

Затвор полевого МОП-транзистора подключен к выводу 6 PWM Arduino UNO. Mosfet включается и выключается при высоком напряжении частоты PWM, и, поскольку двигатель подключен последовательно со стоком mosfet, значение напряжения PWM определяет скорость двигателя. Теперь напряжение между клеммой стеклоочистителя потенциометра и Gnd определяет напряжение ШИМ на контакте № 6, и когда клемма стеклоочистителя вращается, напряжение на аналоговом контакте A0 изменяется, вызывая изменение скорости двигателя.

Полная работа этого двунаправленного управления скоростью и направлением двигателя на основе Arduino показана на видео ниже с кодом Arduino.