Obr. 1 Jednokvadrantový proudový regulátor otáček (dioda plní funkci ochrany tranzistoru proti zápornému napětí generovaného vinutím motoru)

Transkript

1 Regulace otáček stejnosměrných motorů pomocí PWM Otáčky stejnosměrných motorů lze řídit pomocí stejnosměrného napájení. Tato plynulá regulace otáček motoru však není vhodná s energetického hlediska. Podstatně výhodnější regulace otáček stejnosměrných motorů je pomocí pulsně šířkové modulace (PWM). Nejjednodušší je tzv. jednokvadrantový proudový regulátor otáček, který je znázorněn na obr. 1. Nazývá se tak proto, že otáčky můžeme řídit pouze v jednom směru a moment můžeme generovat také v jednom směru. Výkonový tranzistor, případně výkonový operační zesilovač, je ovládán řídicím napětím. Celkové napájecí napětí Ucc se rozdělí na úbytek na výkonovém tranzistoru UT a úbytek na motoru UMOT. Výkon Pv = RI2 se přemění v teplo. Ztráty u malých výkonů jsou akceptovatelné (do cca W) a může pak převážit výhoda slabého rušení spolu s cenou výkonové jednotky oproti celkové účinnosti. Obr. 1 Jednokvadrantový proudový regulátor otáček (dioda plní funkci ochrany tranzistoru proti zápornému napětí generovaného vinutím motoru)

2 V případě, že potřebujeme kromě řízení proudu měnit také jeho polaritu (z důvodu změny smyslu otáčení), musíme použít bipolárního způsobu napájení motoru. To lze buď bipolárním zdrojem - viz obr. 2, kde je jeden tranzistor uzavřen a druhý řízen (a naopak). V současné době se dává přednost můstkovým spínačům (,,H-můstek ) a to v provedení lineárním (pro spojité řízení velikosti proudu) nebo spínacím - pro PWM řízení. Obě zapojení vycházejí principiálně ze schématu na obr. 3 a liší se typy použitých tranzistorů (lineární/spínací) a především pak v bloku označeném jako řízení. Obr. 2 Řízení otáček a smyslu otáčení Obr. 3 Můstkový zesilovač (případně spínač - viz text) Další způsob řízení proudu protékajícím motorem je založen na rychlé změně plného napětí na motoru - napětí zapnutu/vypnuto. Konstantní napájecí napětí je časově rozděleno do impulzů s konstantní frekvencí a s řízenou šířkou, tzv. PWM (pulse width modulation). Protože výkonové tranzistory (zde spínací) jsou buď zcela otevřeny nebo zcela zavřeny, nevznikají na nich téměř žádné ztráty. Indukčnost vinutí motoru pak způsobí, že proud do vinutí nestačí sledovat rychlé změny napětí a průběh proudu je více nebo méně zvlněný. Otáčky motoru budou úměrné střední hodnotě protékaného proudu. Proud se lépe vyhladí při vyšší frekvenci pulzů a při vyšší indukčnosti vinutí (v některých případech je indukčnost vinutí motoru nedostatečná a je nutno do série s motorem zapojit dodatečnou tlumivku).

3 Obr. 4 Vnitřní schéma integrovaného obvodu L298N Příklad řízení otáček motoru pomocí PWM je nakreslen na obr. 5. Využívá polovinu integrovaného obvodu L298N. Jedná se o obvod, který obsahuje dva identické můstkové spínače (každý tvořen dvěma samostatnými polovičními H-mosty) včetně potřebné logiky zabraňující současnému sepnutí koncových tranzistorů jedné větve. Maximální frekvence PWM signálu je u tohoto obvodu 40 khz, maximální proud 2 A (každého můstku). Jednotlivé můstky (i z dalších obvodů) lze zapojovat paralelně, čímž můžeme realizovat i spínání vyšších proudů. Obr. 5 Výkonová část můstkového proudového regulátoru otáček využívající signál PWM Jako výhody tohoto způsobu řízení proudu lze uvést nízké výkonové ztráty,

4 vysokou účinnost a dostupnost i pro vysoké proudy (výkony). Mezi nevýhody patří vznik elektromagnetického rušení na rozhlasových frekvencích, vysoké ztráty při zastaveném motoru. Obr. 6 Průběh proudu při PWM

5 Praktické zapojení obousměrného regulátoru stejnosměrných motorků Obr. 7 Schéma zapojení 1. Popis zapojení Integrovaný obvod IO1 je zapojen jako astabilní multivibrátor s kmitočtem 200 Hz. Náběžnou hranou jsou shodně spouštěny dva monostabilní klopné obvody tvořené integrovaným obvodem IO2. Jejich časová konstanta je nastavitelná potenciometrem P1. Pokud bude hřídel potenciometru uprostřed dráhy, budou časové konstanty obou klopných obvodů shodné, motorek se neotáčí. Když se však otočí potenciometr k jednomu konci dráhy více, motorek se roztočí. Čím více bude poloha běžce potenciometru ke konci dráhy, motorek se bude rychleji otáčet. To samé platí pro otočení hřídele potenciometru do druhé krajní polohy od středu s tím, že motorek se bude otáčet v opačném směru. Z výstupu klopných obvodů je ovládán výkonový regulační můstek H, který je osazený komplementárními výkonovými tranzistory typu MOSFET. Motorek je zapojen v kolektorech tranzistoru tohoto můstku. Aby se motorek roztočil, je potřeba můstek spínat v jeho úhlopříčce. Toho je dosaženo použitím komplementárních dvojic tranzistorů, které jsou pak ovládány rozdílnou šířkou řídících impulsů z výstupů klopných obvodů. Použití výkonových tranzistorů MOSFET má velkou výhodu proti tranzistorům bipolárním v tom, že napěťové úbytky, které vznikají na tranzistorech při spínání, jsou zcela zanedbatelné, a proto jsou nároky na chlazení minimální. 2. Osazení plošného spoje a jeho sestavení s chladícím profilem L

6 Deska s plošnými spoji (dále jen DPS) se začne osazovat nejdříve drátovými propojkami a pokračuje se se součástkami od nejmenších po největší. Tranzistory se zatím neosazují. Před osazením tranzistorů je ještě potřeba vyvrtat chladící profil podle obrázku. Potom se u tranzistoru natvarují jejich vývody podle obrázku tak, aby je bylo možno zastrčit do desky. Následně se montují tranzistory přes izolační slídové podložky chladícímu profilu a sešroubují se s DPS. Na šroubky jsou navlečeny izolační bužírky tak, aby odizolovaly chladící ohmmetrem! profil Montážní od šroubky tranzistoru. zároveň Izolaci propojují překontrolujeme kolektory s plošným spojem. 3. Deska s plošnými spoji a rozmístění součástek tranzistoru

7 4. Seznam součástek R1...15kΩ R kΩ R3, R4....3,9kΩ R5...33Ω P1..25kΩ/N C µF/16V C nF/MKT C nF/ker. C4, C nF/MKT IO1...NE555 IO T1, T2 IRF9540 T3, T4 IRF540 L Chladící profil.. 30 x 30 x 90 mm Slídová podložka..to220, 4ks Šroubek.M3, 4ks Matice.. M3, 4ks 4. O bráz e zhotoveného regulátoru PWM s připojeným motorkem Toto zapojení bylo prakticky odzkoušeno studenty 4. ročníku SE4 na stejnosměrném motorku 12V/60W a pracovalo bez závad. Použitá literatura Novák, P.: Mobilní roboty, Nakladatelství Ben, Praha 2005 Maixner, L. a kol.: Mechatronika, Computer Press, Brno 2006 Praktická elektronika 5/2005 k