Dwukierunkowy regulator obrotów silnika prądu stałego

Dwukierunkowy regulator obrotów silnika prądu stałego
Pobierz PDF Download icon
Zmiana prędkości obrotowej silnika prądu stałego jest podstawowym zadaniem w wielu układach napędowych. W artykule przedstawiono nieskomplikowany i co najważniejsze ? ?niemikroprocesorowy? dwukierunkowy regulator prędkości obrotowej silnika prądu stałego wykorzystujący metodę PWM. Rekomendacje: regulator przyda się majsterkowiczom do regulowania prędkości obrotowej narzędzi oraz w budowanych przez siebie urządzeniach.

W opisywanym urządzeniu, do ustawiania prędkości obrotowej silnika DC służy potencjometr. W skrajnych położeniach silnik pracuje z maksymalną prędkością obrotową w danym kierunku. Silnik jest zatrzymywany i hamowany, gdy potencjometr zostanie ustawiony w położeniu środkowym. Zmiana kierunku jest realizowana automatycznie w zależności od położenia potencjometru. W skrajnych położeniach sygnał PWM ma wypełnienie 100%, co zapewnia minimalne straty przy maksymalnej prędkości obrotowej. Położenie „zerowe” ma strefę martwą, co ułatwia stabilne zatrzymanie silnika.

Regulator może być zasilany napięciem z zakresu 8…30 V DC, co zapewnia współpracę z typowymi silnikami prądu stałego. Maksymalna obciążalność prądowa regulatora wynosi 2 A.

Schemat ideowy regulatora pokazano na rysunku 1. Składa się on z czterech bloków funkcjonalnych:

  • Generatora PWM 0…100% sterowanego napięciem – układu scalonego typu LTC6992-1 (U1).
  • Bloku obróbki sygnału sterującego z układem LM324 (U4).
  • Detektora kierunku i logiki sterującej driverem silnika 74HC00 (U2).
  • Drivera silnika z zabezpieczeniami – układu scalonego DRV8871 (U3).

Zasilanie układu sterującego zapewnia U5 typu LM317. Układ drivera silnika jest oparty o specjalizowany układ scalony typu DRV8871 (U3) firmy TI. Jego schemat blokowy pokazano na rysunku 2. Zawiera on wszystkie komponenty niezbędne do realizacji sterowania silnikiem szczotkowym prądu stałego: dwa półmostki MOSFET o małej rezystancji Rdson i z bezstratnym układem pomiaru prądu silnika niewymagającym zewnętrznych elementów, logikę zabezpieczającą, pompę ładunku do sterowania tranzystorów mocy, wbudowany układ zabezpieczeń przeciążeniowych i termicznych oraz wejściową logikę sterującą. Wbudowany czujnik prądu silnika nie wymaga zewnętrznego rezystora pomiarowego, ale w dalszym ciągu możliwa jest zmiana maksymalnego prądu uzwojeń poprzez dobór rezystora podłączonego do wyprowadzenia Ilim zgodnie ze wzorem Ilim=64/R8. W prototypie prąd ustalono na 2 A, co odpowiada rezystancji R8 wynoszącej około 33 kV. Minimalną wartość rezystora ustalono na 15 kV. Rezystor powinien być dobrany w zależności od zastosowanego silnika.

Sterowanie kierunkiem obrotów odbywa się w konwencji L/R za pomocą wejść IN1/IN2. Obwody logiczne wykonane z użyciem układu U2 (74HC00) zmieniają sposób sterowania na standard PWM/DIR. Dwubarwna dioda LED sygnalizuje kierunek obrotów oraz orientacyjnie wypełnienie PWM. Komparator ze wzmacniaczem operacyjnym U4A porównuje napięcie z suwaka potencjometru PWM z napięciem odniesienia REF=2,5 V generując wewnętrzny sygnał DIR określający kierunek obrotów silnika. Napięcie odniesienia jest uzyskiwane z napięcia zasilania 5 V (stabilizowanego przez U5) poprzez dzielnik R23/R24 i buforowane jest przez układ U4B. Gdy wypełnienie sygnału PWM wynosi 0% silnik jest hamowany, tj. zwierany wbudowanymi kluczami do masy.

Za generowanie sygnału PWM odpowiada układ U1 typu LTC6992-1, którego schemat blokowy pokazano na rysunku 3. Zawiera on wszystkie bloki potrzebne do realizacji generatora PWM o ustalonej częstotliwości i regulowanym współczynniku wypełnienia. Częstotliwość odniesienia wbudowanego generatora jest ustalana rezystorem dołączonym do wejścia SET (R1). Dodatkowy podział częstotliwości ustala dzielnik przyłączony do wyprowadzenia DIV (R2/R3). Zmiana napięcia na wyprowadzeniu MOD w zakresie 0…1 V zmienia współczynnik wypełnienia w granicach 0…100%. W prototypie częstotliwość generatora ustalono na ok. 128 kHz, a stopień podziału na 256, co daje taktowanie PWM równe 500 Hz.

Sygnał sterujący generatorem PWM jest wytwarzany w układzie dwóch wzmacniaczy różnicowych U4C/U4D, odpowiedzialnych za konwersję napięcia 0…5 V z suwaka potencjometru PWM na napięcie sterujące MOD U1, w zakresie 0…1 V. Wzmacniacz U4C pracuje dla napięć suwaka potencjometru z zakresu 2,5…5 V skalując je na zakres 0…1,7 V, a U4D, odpowiednio – 0…2,5 V na 1,7…0 V. Diody D2 i D3 sumują napięcia wzmacniaczy U4C/U4D i wprowadzają wraz z rezystorami R15, R20 niewielką strefę martwą w środkowym położeniu potencjometru. Diody D4 i D5 zabezpieczają wejście MOD U1 przed przekroczeniem dopuszczalnego zakresu napięcia. Przebiegi napięć w układzie regulacji pokazano na rysunku 4.

Napięcia zasilania 5 V dostarcza stabilizator U5 typu LM317 w typowej aplikacji. Regulator jest zasilany poprzez złącze PWR napięciem 8…30 V DC o mocy odpowiedniej do zastosowanego silnika. Silnik jest dołączany do złącza DCM.

Moduł regulatora zmontowano na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat montażowy pokazano na rysunku 5. W zależności od wymaganej precyzji regulacji w miejsce typowego potencjometru 9 mm (PWM) można wlutować złącze SIP i zastosować zewnętrzny potencjometr wieloobrotowy o rezystancji 1 kV. Układ U3 może być wyposażony w niewielki naklejany radiator dla obudowy SO8 ułatwiający odprowadzenie ciepła. Moduł zmontowany ze sprawnych elementów nie wymaga uruchamiania, jednak warto sprawdzić napięcia sterujące CTRL, DIR, PWM w zależności od położenia potencjometru.

Czasem warto uświadomić sobie, że nawet w XXI wieku nie wszystko musi być zrobione z użyciem mikrokontrolera lub mikroprocesora

Adam Tatuś, EP

 

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
grudzień 2017
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów