مدار کنترل سرعت موتور DC بدون میکروکنترلر (آنالوگ)

موتور DC وسیله ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. امروزه، موتورهای DC را در بسیاری از دستگاه‌هایی که ما هر روز به آن‌ها نیاز داریم، مانند لوازم خانگی و اداری، خودروها، سیستم‌ های کنترل دسترسی و اسباب‌ بازی‌ ها پیدا می‌کنید. در این آموزش، اصول اولیه موتورهای DC را پوشش می دهیم و به شما نشان می دهیم که چگونه سرعت موتور را با استفاده از PWM، مدار پل H و درایور موتور L293D کنترل کنید.

موتورهای DC چگونه کار می کنند؟

سیم حامل جریان در حضور میدان مغناطیسی یک نیروی مکانیکی را تجربه می کند که در جهت خاصی عمل می کند.

برای تعیین کانون این نیرو، سر جان امبروز فلمینگ راه ساده ای را ایجاد کرد که از دست چپ برای تجسم رابطه بین جهت جریان، جهت میدان مغناطیسی و جهت نیرو استفاده می کند. این تکنیک ساده و در عین حال بسیار موثر به قانون دست چپ فلمینگ معروف شد.

در موتورهای DC، یک شفت به سیم پیچی متصل می شود که جریان الکتریکی از آن عبور می کند. همچنین آهنرباهای دایره ای در اطراف سیم پیچ وجود دارد. هنگامی که موتور تغذیه می شود، جریان از سیم پیچ سیم می گذرد و میدان مغناطیسی باعث چرخش سیم پیچ و چرخش شفت می شود.

خواص موتورهای DC

هنگام انتخاب یک موتور DC، باید چندین ویژگی را در نظر بگیرید که خواص الکتریکی موتور را مشخص می کند. این شامل:

• ولتاژ: می توانید موتورهای DC را پیدا کنید که با 1.5 ولت تا 100 ولت کار می کنند.
• گشتاور: گشتاور مقدار نیروی چرخشی است که یک موتور تولید می کند (بر حسب نیوتن متر). گشتاور موتورهای DC برای پروژه های سرگرمی می تواند از 2.8 گرم در سانتی متر تا 58 کیلوگرم در سانتی متر متغیر باشد.
• گشتاور راه اندازی: حداکثر گشتاوری که یک موتور برای شروع حرکت چرخشی نیاز دارد. موتورهای DC دارای گشتاور راه اندازی بالایی هستند.
• سرعت موتور: نرخ چرخش موتور بر حسب دور در دقیقه (RPM). سرعت معمولی بدون بار برای موتورهای DC بین 1-20000 RPM است.

نحوه کنترل سرعت موتور با PWM

سرعت یک موتور DC به طور مستقیم با ولتاژ تغذیه متناسب است. یک راه ساده برای کنترل سرعت یک موتور DC، تنظیم ولتاژ تغذیه با مدولاسیون عرض پالس (PWM) است.

ایده اصلی پشت PWM این است که ولتاژ منبع تغذیه را خیلی سریع روشن و خاموش می کند. با تنظیم طول پالس های ON/OFF، می توانیم ولتاژ را بین 0 ولت و حداکثر ولتاژ تنظیم کنیم. ما از این سیگنال PWM برای تغذیه موتور DC استفاده خواهیم کرد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر، مقاله PWM چیست را بخوانید.

درایور موتور PWM

راه های مختلفی برای تولید سیگنال PWM برای موتور وجود دارد، اما در این آموزش از آی سی تایمر 555 استفاده می کنیم. در اینجا یک شماتیک از مدار قرار داده شده است:

خروجی تایمر 555 ترانزیستور Q1 را روشن و خاموش می کند. خازن C1 از طریق مقاومت های R1 و R3 شارژ و تخلیه می شود. زمان شارژ یا تخلیه خازن به مقادیر R1 و R3 بستگی دارد. به محض شارژ شدن خازن، به سرعت از طریق دیود D2 و مقاومت متغیر RV1 به پایه 7 تخلیه می شود. در طول فرآیند تخلیه، خروجی تایمر 555 به 0 ولت کاهش می یابد و ترانزیستور را خاموش می کند. چرخاندن مقاومت متغیر سرعت موتور را تنظیم می کند.

درایور موتور H-BRIDGE

یک موتور DC معمولی دارای دو سیم اتصال است یکی برای ترمینال منفی و دیگری برای ترمینال مثبت. اگر این پایانه ها را معکوس کنید (تغییر قطبیت)، موتور در جهت مخالف می چرخد. البته راه های بهتری برای کنترل جهت موتور DC بدون تغییر مداوم ترمینال ها وجود دارد.

برای این کار می توانیم از مدار H-Bridge استفاده کنیم. مدار H-Bridge نام خود را از چهار ترانزیستور گرفته شده که شبیه یک “H” هستند. مدار پل H با استفاده از ترکیبات مختلف کلیدها (S1-S4) به کنترل موتور در هر دو جهت کمک میکند. در یک سناریوی واقعی، ما از ترانزیستورها به جای سوئیچ های اصلی استفاده می کنیم.

اصل کار این مدار ساده است. ما چهار سوئیچ S1-S4 داریم. اگر S2 و S3 را باز کنیم و S1 و S4 را ببندیم، جریان در جهت عقربه‌های ساعت از VCC به GND می‌رود. حالا برای معکوس کردن پلاریته موتور، S1 و S4 را باز می کنیم و S2 و S3 را می بندیم. در حال حاضر، موتور DC در جهت مخالف کار می کند.

در اینجا شماتیک مدار کنترل جهت موتور H-Bridge آمده است:

پیکربندی ترانزیستور H-Bridge. BW1 و BW2 جهت موتور را کنترل می کنند، در حالی که FW1 و FW2 موتور DC را معکوس می کنند.

درایور موتور L293D

همانطور که از نام آن پیداست، هدف درایور موتور L293D، راندن موتورهای DC است. L293D یک آی سی درایور موتور محبوب است که دارای مدار H-bridge داخلی است که می تواند دو موتور DC را به طور همزمان به حرکت درآورد. می تواند تا 1 آمپر جریان و ولتاژ های 4.5 ولت تا 36 ولت را تامین کند.

این بدان معناست که درایور موتور L293D برای ساختن پلتفرم های ربات چند چرخ ایده آل است. در اینجا یک نمودار از L293D نشان داده شده است که نحوه اتصال موتورها را نشان می دهد:

لیست پایه های این موتور درایور و توضیحات آنها در جدول زیر قرار داده شده است.

امیدواریم این مقاله به شما کمک کرده باشد تا درک بهتری از نحوه ترکیب موتورهای DC در پروژه های الکترونیکی خود داشته باشید! در صورت داشتن هرگونه سوال در زیر کامنت بگذارید.