Простой h

Вначале управление двигателем может показаться простой задачей - просто подключите двигатель к соответствующей шине напряжения, и он начнет вращаться. Но это не идеальный способ управлять двигателем, особенно когда в цепи задействованы другие компоненты. Здесь мы обсудим один из наиболее часто используемых и эффективных способов управления двигателями постоянного тока - Н-мостовую схему.

Моторное вождение

Самый распространенный тип двигателя, с которым вы можете столкнуться в кругах любителей для маломощных приложений, - это двигатель 3 В постоянного тока, показанный ниже. Этот тип двигателя оптимизирован для работы при низком напряжении от двух ячеек 1,5 В.

И запустить его так же просто, как подключить его к двум элементам - двигатель мгновенно запускается и работает, пока подключены батареи. Хотя такая установка хороша для «статических» приложений, таких как миниатюрная ветряная мельница или вентилятор, когда дело доходит до «динамического» приложения, такого как роботы, требуется большая точность - в форме регулирования скорости и крутящего момента.

Очевидно, что уменьшение напряжения на двигателе снижает скорость, и разряженная батарея приводит к медленному двигателю, но если двигатель питается от общей шины для более чем одного устройства, необходима правильная схема управления.

Он может быть даже в форме регулируемого линейного регулятора, такого как LM317 - напряжение на двигателе может изменяться для увеличения или уменьшения скорости. Если требуется больший ток, эту схему можно незаметно построить с помощью нескольких биполярных транзисторов. Самым большим недостатком такой схемы является эффективность - как и с любой другой нагрузкой, транзистор рассеивает всю нежелательную мощность.

Решение этой проблемы является метод, называемый ШИМ или широтно - импульсной модуляции. Здесь двигатель приводится в действие прямоугольной волной с регулируемым рабочим циклом (отношение времени включения к периоду сигнала). Общая передаваемая мощность пропорциональна рабочему циклу. Другими словами, двигатель получает питание в течение небольшой части периода времени, поэтому со временем средняя мощность двигателя будет низкой. При рабочем цикле 0% двигатель выключен (ток не течет); при рабочем цикле 50% двигатель работает на половинной мощности (половина потребляемого тока), а 100% представляют полную мощность при максимальном потреблении тока.

Это реализуется путем подключения верхней стороны двигателя и его возбуждения с помощью N-канального MOSFET, который снова управляется сигналом PWM.

Это имеет некоторые интересные последствия - двигатель 3 В может работать от источника питания 12 В с низким рабочим циклом, поскольку двигатель видит только среднее напряжение. Благодаря продуманной конструкции это устраняет необходимость в отдельном источнике питания двигателя.

Что, если нам нужно изменить направление двигателя? Обычно это делается путем переключения клемм двигателя, но это можно сделать и электрически.

Одним из вариантов может быть использование другого полевого транзистора и отрицательного источника питания для переключения направления. Для этого требуется, чтобы одна клемма двигателя была постоянно заземлена, а другая подключена к положительному или отрицательному источнику питания. Здесь полевые МОП-транзисторы действуют как переключатель SPDT.

Однако существует более элегантное решение.

Схема драйвера двигателя H-моста

Эта схема называется H-мостом, потому что полевые МОП-транзисторы образуют два вертикальных штриха, а двигатель - горизонтальный штрих алфавита «H». Это простое и элегантное решение всех проблем с автомобилем. Направление может быть легко изменен, и скорость можно регулировать.

В конфигурации H-моста для управления направлением активируются только диагонально противоположные пары полевых МОП-транзисторов, как показано на рисунке ниже:

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление.

МОП-транзисторы можно оставить включенными для полной мощности или с ШИМ-управлением для регулирования мощности или выключить, чтобы двигатель остановился. Активация нижнего и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) приводит к торможению двигателя.

Другой способ реализовать H-Bridge - использовать таймеры 555, которые мы обсуждали в предыдущем руководстве.

Необходимые компоненты

Для H-образного моста

Двигатель постоянного тока
2x IRF3205 N-канальных полевых МОП-транзистора или эквивалентных
2x IRF5210 P-канальных МОП-транзисторов или аналогичные
2 резистора 10 кОм (выпадающее)
2 электролитических конденсатора по 100 мкФ (развязка)
2x керамических конденсатора по 100 нФ (развязка)

Для цепи управления

1x555 таймер (любой вариант, желательно CMOS)
1x TC4427 или любой подходящий драйвер ворот
2x 1N4148 или любой другой сигнальный / сверхбыстрый диод
1x 10K потенциометр (время)
1x резистор 1 кОм (время)
Конденсатор 4,7 нФ (синхронизация)
Конденсатор 4,7 мкФ (развязка)
Керамический конденсатор 100 нФ (развязка)
Электролитический конденсатор 10 мкФ (развязка)
Переключатель SPDT

Схема простой H-мостовой схемы

Теперь, когда у нас есть теория, пришло время запачкать руки и построить драйвер двигателя с Н-мостом. Эта схема имеет достаточную мощность для управления двигателями среднего размера до 20 А и 40 В с надлежащей конструкцией и радиатором. Некоторые функции были упрощены, например использование переключателя SPDT для управления направлением.

Кроме того, полевые МОП-транзисторы верхнего плеча являются P-канальными для простоты. С соответствующей схемой управления (с начальной загрузкой) можно также использовать N-канальные полевые МОП-транзисторы.

Полная принципиальная схема этого H-моста с использованием полевых МОП-транзисторов приведена ниже:

Рабочее объяснение

1. Таймер 555

Таймер представляет собой простую схему 555, которая генерирует рабочий цикл от 10% до 90%. Частота устанавливается R1, R2 и C2. Высокие частоты предпочтительны для уменьшения слышимого нытья, но это также означает, что необходим более мощный драйвер затвора. Рабочий цикл регулируется потенциометром R2. Узнайте больше об использовании таймера 555 в нестабильном режиме здесь.

Эта схема может быть заменена любым другим источником ШИМ, например Arduino.

2. Драйвер ворот

Драйвер затвора представляет собой стандартный двухканальный TC4427, с приемником / истоком 1,5 А на канал. Здесь оба канала подключены параллельно для увеличения управляющего тока. Опять же, если частота выше, драйвер затвора должен быть более мощным.

Переключатель SPDT используется для выбора ветви H-моста, которая управляет направлением.

3. H-образный мост

Это рабочая часть схемы, управляющей двигателем. Затворы MOSFET обычно снижаются понижающим резистором. Это приводит к включению обоих полевых МОП-транзисторов с Р-каналом, но это не проблема, поскольку ток не может течь. Когда сигнал ШИМ подается на затворы одной ветви, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P включаются и выключаются поочередно, контролируя мощность.

Советы по построению H-мостовой схемы

Самым большим преимуществом этой схемы является то, что ее можно масштабировать для управления двигателями всех размеров, а не только двигателями - всем, что требует двунаправленного сигнала тока, например, синусоидальными инверторами.

При использовании этой схемы даже на малых мощностях, правильная локальная развязка является обязательной, если вы не хотите, чтобы ваша схема работала с ошибками.

Кроме того, при построении этой схемы на более постоянной платформе, такой как печатная плата, рекомендуется использовать большую пластину заземления, удерживая слаботочные части подальше от сильноточных путей.

Таким образом, эта простая схема H-Bridge является решением многих проблем с приводом двигателя, таких как двунаправленное управление, управление питанием и эффективность.