Двунаправленный регулятор скорости двигателя постоянного тока. Схема и описание

Изменение скорости двигателя постоянного тока является фундаментальной задачей во многих устройствах, в которых используются двигатели.

В статье представлен несложный, а главное — «не микроконтроллерный» двунаправленный регулятор скорости вращения двигателя постоянного тока с использованием метода ШИМ.

В этом устройстве для установки скорости двигателя используется потенциометр. В крайних положениях двигатель работает на максимальной скорости в заданном направлении. Двигатель останавливается и тормозит, когда потенциометр находится в среднем положении.

 

Изменение направления вращения выполняется автоматически в зависимости от положения потенциометра. В крайних положениях сигнал ШИМ имеет 100% заполнение, что обеспечивает минимальные потери при максимальной скорости. «Нулевое» положение имеет мертвую зону, что способствует стабильной остановке двигателя.

На контроллер можно подавать напряжение в диапазоне 8 … 30 В постоянного тока, что обеспечивает совместимость с типичными двигателями постоянного тока. Максимальная допустимая нагрузка по току составляет 2 А.

Принципиальная схема регулятора скорости вращения двигателя показана на рисунке ниже.

Регулятор состоит из четырех функциональных блоков:

• ШИМ генератор (0 … 100%), управляемый напряжением — интегральная схема LTC6992-1 (DD1).
• Блок обработки управляющего сигнала на микросхеме LM324 (DA1).
• Детектор направления и логическое управление приводом двигателя на микросхеме 74HC00 (DD2).
• Драйвер двигателя с защитой — интегральная микросхема DRV8871 (DD3).

Устройство питается от стабилизатора LM317 (DA2). Схема драйвера двигателя собрана на специализированной интегральной схеме DRV8871 (DD3). Блок-схема данной микросхемы показана на следующем рисунке.

Микросхема DRV8871 содержит все компоненты, необходимые для реализации управления щеточным электродвигателем постоянного тока:

• два MOSFET полумоста с низким сопротивлением Rdson и систему измерения тока двигателя, для которой не требуются внешние компоненты
• защитную логику
• зарядовый насос для управления силовыми транзисторами,
• встроенную систему защиты от перегрузки
• тепловую защиту
• логику управления входом

Встроенный датчик тока двигателя не требует внешнего измерительного резистора, но по-прежнему можно изменить максимальный ток обмотки путем подключения соответствующего резистора к выводу Ilim, в соответствии с формулой:

 Ilim = 64 / R8

В прототипе ток был установлен на уровне 2 А, что соответствует сопротивлению R8 около 33 кОм. Минимальное значение резистора составляет 15 кОм. Резистор следует подобрать в зависимости от используемого двигателя.

Направление вращения двигателя регулируется с использованием входов IN1 / IN2. Логические схемы, построенные с использованием микросхемы DD2 (74HC00), меняют способ управления на стандарт PWM/DIR. Двухцветный светодиод LED1 указывает на направление вращения и индикацию заполнения ШИМ.

Компаратор на операционном усилителе DA1.1 сравнивает напряжение с ползунка потенциометра ШИМ с опорным напряжением REF = 2,5 В, генерируя внутренний сигнал DIR, определяющий направление вращения двигателя.

Опорное напряжение является производным от напряжения питания 5 В (стабилизированный DA2) через резистивный делитель R23 / R24 и буферизуется через DA1.2.

Когда заполнение сигнала ШИМ равно 0%, двигатель останавливается, т. е. замыкается встроенными ключами к массе. Сигнал ШИМ генерируется микросхемой LTC6992-1 (DD1), блок-схема которой показана на следующем рисунке.

Данная микросхема содержит все блоки, необходимые для реализации генератора ШИМ с фиксированной частотой и регулируемым рабочим циклом. Опорная частота встроенного генератора устанавливается резистором, подключенным к входу SET (R1). Дополнительное деление частоты устанавливает делитель, подключенный к выводу DIV (R2 / R3).

Изменение напряжения на клемме MOD в диапазоне 0 … 1 В изменяет рабочий цикл в пределах 0 … 100%. В прототипе частота генератора была установлена ​​на уровне около 128 кГц, а степень деления на уровне 256, что дает тактовую частоту 500 Гц.

Управляющий сигнал генератора ШИМ вырабатывается с помощью двух дифференциальных усилителей DA1.3 / DA1.4, которые отвечают за преобразование напряжения 0 … 5 В от ползунка потенциометра ШИМ в управляющее напряжение MOD U1 в диапазоне 0 … 1 В.

Усилитель DA1.3 работает для напряжения ползунка потенциометра в диапазоне 2,5…5 В, масштабируя до диапазона 0 … 1,7 В, а DA1.4 соответственно —  0…2,5 В масштабируя до 1,7 … 0 В.

Диоды VD2 и VD3 складывают напряжение усилителей DA1.3 / DA1.4 и вводят вместе с резисторами R15, R20 небольшую мертвую зону в среднем положении потенциометра. Диоды VD4 и VD5 защищают вход MOD DD1 от превышения допустимого диапазона напряжения. Кривые напряжения в системе управления показаны на рисунке ниже.

Напряжение питания 5 В подается стабилизатором DA2 типа LM317 в своем типовом применении. Питание на регулятор подается через разъем PWR напряжением 8 … 30 В с мощностью, соответствующей используемому двигателю. Двигатель подключен к разъему DCM.

В зависимости от требуемой точности регулировки вместо обычного 9-миллиметрового потенциометра (ШИМ) можно припаять SIP-разъем и использовать внешний многооборотный потенциометр с сопротивлением 1 кОм.

Микросхему DD3 необходимо снабдить небольшим радиатором для корпуса SO8 для облегчения рассеивания тепла. Модуль, собранный из исправных компонентов, не требует наладки, но стоит проверить управляющие напряжения CTRL, DIR, PWM в зависимости от положения потенциометра.