Управление коллекторным двигателем постоянного тока

Типы коллекторных двигателей

• С постоянными магнитами — самые распространённые в электронике. Скорость почти линейно зависит от напряжения, а ток — от момента нагрузки; на изменение напряжения двигатель отзывается быстро. Магниты со временем слабеют.
• Параллельного возбуждения — обмотка статора включена параллельно якорю, токи независимы, скорость хорошо регулируется. AN905 называет для них мощности от пяти лошадиных сил.
• Последовательного возбуждения — обмотка статора последовательно с якорем: под нагрузкой растёт ток и в статоре, и в якоре, поэтому момент большой, но скорость держится хуже.
• Смешанного возбуждения — обе обмотки сразу: момент выше, чем у параллельного, а скорость регулируется лучше, чем у последовательного.

Дальше речь о двигателях с постоянными магнитами — именно они стоят в игрушках, роботах, насосах и вентиляторах.

Включение в одну сторону: ключ и диод

Если двигатель вращается только в одну сторону, достаточно одного ключа — MOSFET или транзистора — в нижнем или верхнем плече. Ключ в нижнем плече (между двигателем и землёй) проще: N-канальный MOSFET открывается напряжением относительно земли, и драйвер затвора часто не нужен. Ключу в верхнем плече нужен драйвер, который поднимет управляющий сигнал до уровня питания двигателя.

Параллельно двигателю обязательно ставят диод в обратном направлении. Обмотка — индуктивность: когда ключ размыкается, ток в ней продолжает течь, и без диода выброс напряжения пробьёт ключ. Диод выбирают на ток двигателя. AN905 добавляет к схеме два резистора: последовательный в цепи затвора ограничивает ток с вывода микроконтроллера, а резистор между затвором и истоком держит ключ закрытым, пока вывод не настроен. Как выбрать MOSFET для такого ключа — в статье «Ключ на MOSFET».

Скорость: ШИМ

Скорость коллекторного двигателя пропорциональна напряжению на нём. Регулировать его реостатом невыгодно — резистор греется. Вместо этого ключ открывают и закрывают с постоянной частотой, меняя долю времени, когда он открыт, — скважность D. Обмотка двигателя сглаживает импульсы, и на двигателе действует среднее напряжение (AN905, уравнение 1):

Скорость меняется так же: двигатель, рассчитанный на 15 000 об/мин при 12 В, при скважности 50 % в идеале будет вращаться со скоростью 7500 об/мин. На деле под нагрузкой скорость ниже.

Частота ШИМ. На слишком низкой частоте двигатель гудит на малых оборотах и медленно отзывается на изменение скважности, на слишком высокой растут потери на переключение ключей. AN905 советует 4–20 кГц и подбирать частоту под конкретный двигатель. Аппаратный ШИМ таймера микроконтроллера даёт такую частоту без участия программы.

Направление: H-мост

Чтобы менять направление, на двигатель нужно подавать напряжение обеих полярностей. Это делает H-мост — четыре ключа, по два в каждой половине: каждый полумост подключает свой вывод двигателя к плюсу или к земле. Режимы моста (AN905, таблица 1; Q1, Q3 — верхние ключи, Q2, Q4 — нижние):

Главная опасность моста — сквозной ток: если открыть верхний и нижний ключ одного полумоста одновременно, они замкнут питание на землю и сгорят. Поэтому все ключи должны быть заперты, пока микроконтроллер стартует и его выводы не настроены (AN905 ставит подтягивающие к земле резисторы на входы драйверов), а при переключении между режимами сначала закрывают все ключи и только потом открывают нужные.

ШИМ при реверсе подают на один из ключей включённой диагонали. В готовых микросхемах мостов всё это уже есть: у L298 (таблица 5 даташита DS0218) при высоком уровне на входе разрешения входы C = H, D = L дают вращение вперёд, C = L, D = H — назад, C = D — быструю остановку, а низкий уровень на входе разрешения — свободный выбег. Какой мост выбрать — в статье о драйверах H-моста.

Обратная связь по скорости

Без датчика скорость коллекторного двигателя зависит от нагрузки и напряжения. Если её нужно держать точно, AN905 называет три способа измерить её:

• Оптический энкодер — диск с прорезями на валу, светодиод и фототранзистор: каждая прорезь даёт импульс, частота импульсов пропорциональна скорости.
• Датчик Холла — магниты на диске и неподвижный датчик Холла, который выдаёт импульс при прохождении магнита.
• Противо-ЭДС — вращающийся двигатель сам вырабатывает напряжение, пропорциональное скорости. Его измеряют АЦП в паузе между импульсами ШИМ, когда один вывод двигателя отключён, а другой на земле; соотношение напряжения и скорости определяют опытом с тахометром.