Схема ШИМ регулятора оборотов двигателя постоянного тока

Когда-то регулирование скорости вращения электродвигателя постоянного тока производилось изменением питающего напряжения. При этом приходилось использовать мощные резисторы, на которых терялось немало энергии. Теперь существует простой и эффективный способ управления путем питания двигателя импульсами разной длительности. Частота их следования сохраняется постоянной, и количество энергии, питающей нагрузку, меняется порционно.

Такой метод регулирования получил название широтно импульсной модуляции или сокращенно ШИМ (PWM). Соответствующий сигнал характеризуется коэффициентом заполнения, что видно на рисунке.

Содержание
1. Простой регулятор скорости вращения электродвигателя на NE555
2. ШИМ регулятор мощности двигателя постоянного тока на ATtiny45
3. Комментарии посетителей по теме статьи

Простой регулятор скорости вращения электродвигателя на NE555

Простая и эффективная схема регулятора оборотов коллекторного двигателя на 12 В реализуется на популярном таймере NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1). Она же замечательно подходит для управления яркостью свечения светодиодных ламп и прожекторов, ламп накаливания, силы тока зарядного устройства и проч. Такое устройство вполне реально собрать своими руками в домашних условиях.

В данном случае таймер NE555 включен по схеме генератора. Его частота определяется емкостью С2, а скважность импульсов определяется скоростью заряда этого конденсатора напряжением с выхода 3 микросхемы через резисторы R1, R2. Регулируя соотношение этих сопротивлений, можно управлять коэффициентом заполнения генерируемых импульсов. Для сглаживания выбросов индуктивности электродвигателя параллельно его обмотке включен диод VD3.

Тип управляющего элемента определяется мощностью нагрузки. Если использовать на выходе регулятора оборотов полевой транзистор вместо обычного, например, IRF2805 или IRF 3205, то он не будет греться при токе нагрузки до 7 А. Соответствующая схема представлена на фото.

Для питания схемы необходимо стабилизированное напряжение до 16 В. Можно использовать стабилизатор 7812 или его отечественный аналог КРЕН8Б, который обеспечивает питание 12 В. Диоды подойдут практически любые, маломощные. При емкости конденсатора, подключенного к выводам 2,6 микросхемы, равной 4,7 нФ, частота генератора будет около 18 кГц, при емкости 1 нФ – около 27 кГц. На работу устройства это не влияет, соответствующего звука при работе устройства почти не слышно.

Сборку устройства своими руками с небольшим количеством элементов можно выполнить методом навесного монтажа на макетной плате. В таких случаях я использую кусочек пластика, к которому прикручиваю большие элементы винтами, а мелочь фиксирую горячим клеем «вверх ногами». Затем выполняю все электрические соединения тонким многожильным проводом (МГТФ), конечно, методом пайки.

Впрочем, можно изготовить и печатную плату, которая представлена для самого первого варианта схемы. При правильной сборке регулятор наладки не требует. Однако полезно сначала проверить наличие питания 12 В, а затем проконтролировать работу ШИМ с помощью осциллографа. Вместо осциллографа можно использовать звуковой индикатор в виде громкоговорителя. Его нужно подключить к выводу 3 таймера и минусу питания. При этом емкость конденсатора, подключенного к выводам 2,6 микросхемы, следует временно увеличить в 10 раз. Тогда после подачи питания будет слышен высокочастотный звук, а при вращении потенциометра его тональность будет меняться. Если все нормально, возвращаем схему в исходное состояние и подключаем нагрузку.

Возможно, выходной транзистор будет греться. Кардинальное решение – установить его на теплоотвод. Зачастую удается решить проблему, подключив параллельно коллекторному двигателю конденсатор емкостью 10-20 нФ. Если при работе устройства раздается слишком заметный «свист», можно изменить рабочую частоту генератора, меняя емкость конденсатора, подключенного к выводам 2,6 таймера.

ШИМ регулятор мощности двигателя постоянного тока на ATtiny45

Генераторы с широтно-импульсной модуляцией — ШИМ представляют собой разновидность цифро-аналоговых преобразователей со специфическими свойствами. Приведенная ниже схема является именно таким генератором ШИМ, и хотя он полностью цифровой, но управляется аналоговым способом, с помощью потенциометра.

Представленное устройство является регулятором мощности и направления вращения двигателя постоянного тока, но прекрасно работает и как регулятор мощности, например, лампочки. Элементы C1…C4 и L1 фильтруют напряжение питания. Это чрезвычайно важно для систем с импульсным силовым каскадом. Стабилизатор IC3 вместе с C5 и C6 подает 5 В на операционные усилители IC2. Элементы C5 и C9 обеспечивают сброс системы при включении питания.

Транзисторы Т5 и Т6 совместно с элементами R2, R7…R9 регулируют уровни напряжения на входах схемы IC1, они являются драйверами выходных транзисторов. Работой устройства управляет хорошо оснащенный микроконтроллер ATtiny45 в маленьком корпусе с восьмью ножками. Основная задача программы настроить внутренний таймер микроконтроллера как генератор ШИМ, в котором скважность пропорциональна напряжению на входе аналого-цифрового преобразователя, встроенного в IC2. Рабочая частота генератора ШИМ составляет около 500 Гц для первого режима и около 250 Гц для режимов 2 и 3.

Устройство управляется с помощью потенциометра POT1 и кнопки S1. Кратковременное нажатие кнопки приводит к немедленному отключению выходного напряжения и переходу в режим ожидания, о чем свидетельствует мигание светодиода. Повторное кратковременное нажатие возобновляет работу в том режиме, в котором она была прервана. Об этом сигнализирует постоянное свечение диода. Удерживание кнопки меняет режим работы в зависимости от положения потенциометра, о чем сигнализирует многократное мигание диода.

Каждое изменение режима работы вызывает переход в режим ожидания, поэтому мы должны подтвердить изменение режима повторным нажатием кнопки или для режимов 2 и 3, повернув ползунок потенциометра в ноль. Если потенциометр находится в среднем положении, будет активирован первый режим, в котором среднее положение является нулевым состоянием, напряжения на выходах нет. Поворот вправо приводит к тому, что на выход подается сигнал ШИМ с базовой поляризацией, т.е. выход A плюс питание, а выход B минус и заполнение, пропорциональное углу поворота. Поворот влево вызывает тот же эффект, но с обратной полярностью, т.е. выход A — минус питание, а выход B — плюс.

При подключенном двигателе это заставляет вращаться двигатель сначала в одном направлении, а затем в противоположном направлении, при этом нейтральная точка находится в середине шкалы. Удерживание кнопки при нахождении потенциометра в правом или левом положении или слегка отклоненном от центрального положения переключает режимы 2 или 3 в зависимости от положения ползунка. Работа в этих режимах позволяет регулировать уровень заполнения ШИМ-сигнала только для одной выходной полярности, но в полном диапазоне вращения потенциометра.

Это позволяет точно регулировать мощность двигателя без изменения направления вращения. Также в устройстве реализована функция плавного пуска — при выходе из дежурного режима наполнение ШИМ-сигнала не сразу достигает установленного значения, а постепенно увеличивается до него. Это приводит к плавному пуску двигателя и снижению пускового тока. Длительность работы функции плавного пуска можно установить, зажав кнопку и включив питание устройства. Об этом сигнализирует многократное мигание диода.

Это время будет пропорционально положению потенциометра, при максимальном отклонении оно будет составлять около 5 секунд. Устройство запоминает режим работы и время плавного запуска после отключения питания, поэтому достаточно разовой настройки. Также в устройстве реализована функция плавного пуска — при выходе из дежурного режима наполнение ШИМ-сигнала не сразу достигает установленного значения, а постепенно увеличивается до него. Это приводит к плавному пуску двигателя и снижению пускового тока.

Стоит отметить, что регулирующим параметром является напряжение от потенциометра, но может быть и напряжение от другого источника (цепи). Таким образом, мы можем получить эффект ШИМ-модуляции, вызванный другим переменным сигналом. Подключив простую RC-цепь вместо центрального контакта потенциометра, мы можем создать лампу с медленным затемнением или более яркой лампой или даже эффект затемнения одной лампы и затем увеличения яркости другой.

Система исправно работает при напряжении до 20 В, однако данное значение не следует превышать, так как это повредит IC1. Благодаря импульсному режиму на выходных транзисторах выделяется небольшое количество тепла. Для работы автомобильной лампочки 12 В/45 Вт дополнительный радиатор не требовался. Ток нагрузки 4 А — это значение, при котором было испытано устройство, но максимальный ток транзисторов силового каскада намного выше, и после использования подходящего радиатора и увеличения диаметра нескольких дорожек, например, путем лужения можно проводить испытания с более высокими токами. Печатная плата представлена на следующем фото.