Đơn giản h

Ngay từ đầu, việc điều khiển động cơ có vẻ là một nhiệm vụ dễ dàng - chỉ cần móc động cơ lên ​​thanh ray điện áp thích hợp và nó sẽ bắt đầu quay. Nhưng đây không phải là cách hoàn hảo để điều khiển động cơ đặc biệt là khi có các thành phần khác tham gia vào mạch điện. Ở đây chúng ta sẽ thảo luận một trong những cách phổ biến nhất được sử dụng và hiệu quả để ổ DC động cơ - H-Bridge mạch.

Lái xe mô tô

Loại động cơ phổ biến nhất mà bạn có thể bắt gặp trong giới yêu thích cho các ứng dụng công suất thấp là động cơ DC 3V được hiển thị bên dưới. Loại động cơ này được tối ưu hóa cho hoạt động điện áp thấp từ hai tế bào 1,5V.

Và việc chạy nó cũng đơn giản như kết nối nó với hai tế bào - động cơ hoạt động ngay lập tức và chạy miễn là các pin được kết nối. Mặc dù kiểu thiết lập này phù hợp với các ứng dụng 'tĩnh' như cối xay gió hoặc quạt thu nhỏ, nhưng khi nói đến ứng dụng 'động' như rô bốt, cần có độ chính xác cao hơn - dưới dạng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn thay đổi.

Rõ ràng là giảm điện áp trên động cơ sẽ làm giảm tốc độ và pin chết dẫn đến động cơ chậm nhưng nếu động cơ được cấp điện từ một thanh ray chung cho nhiều thiết bị, thì cần phải có mạch dẫn động thích hợp.

Điều này thậm chí có thể ở dạng bộ điều chỉnh tuyến tính có thể thay đổi như LM317 - điện áp trên động cơ có thể thay đổi để tăng hoặc giảm tốc độ. Nếu cần thêm dòng điện, mạch này có thể được chế tạo kín đáo với một vài bóng bán dẫn lưỡng cực. Các nhược điểm lớn nhất với loại hình thiết lập là hiệu quả - giống như với bất kỳ tải khác, transistor mất đi tất cả sức mạnh không mong muốn.

Các giải pháp cho vấn đề này là một phương pháp gọi là PWM hoặc xung điều chế độ rộng. Ở đây, động cơ được điều khiển bởi một sóng vuông với chu kỳ làm việc có thể điều chỉnh được (tỷ lệ giữa thời gian và chu kỳ của tín hiệu). Tổng công suất cung cấp tỷ lệ thuận với chu kỳ làm việc. Nói cách khác, động cơ được cấp nguồn trong một khoảng thời gian nhỏ - do đó, theo thời gian, công suất trung bình của động cơ thấp. Với chu kỳ làm việc 0%, động cơ tắt (không có dòng điện chạy qua); với chu kỳ làm việc là 50%, động cơ chạy ở một nửa công suất (một nửa dòng điện rút ra) và 100% thể hiện toàn bộ công suất ở dòng điện tối đa.

Điều này được thực hiện bằng cách kết nối mặt cao của động cơ và điều khiển nó với MOSFET kênh N, được điều khiển lại bằng tín hiệu PWM.

Điều này có một số ý nghĩa thú vị - động cơ 3V có thể được điều khiển bằng cách sử dụng nguồn cung cấp 12V sử dụng chu kỳ hoạt động thấp vì động cơ chỉ nhìn thấy điện áp trung bình. Với thiết kế cẩn thận, điều này giúp loại bỏ sự cần thiết phải có nguồn điện riêng cho động cơ.

Điều gì xảy ra nếu chúng ta cần đảo ngược chiều của động cơ? Điều này thường được thực hiện bằng cách chuyển đổi các đầu cuối của động cơ, nhưng điều này có thể được thực hiện bằng điện.

Một lựa chọn có thể là sử dụng FET khác và một nguồn cung cấp âm để chuyển hướng. Điều này yêu cầu một đầu cuối của động cơ phải được nối đất vĩnh viễn và đầu kia được kết nối với nguồn cung cấp dương hoặc âm. Ở đây, MOSFET hoạt động giống như một công tắc SPDT.

Tuy nhiên, một giải pháp thanh lịch hơn tồn tại.

Mạch điều khiển động cơ cầu H

Mạch này được gọi là cầu H vì MOSFET tạo thành hai nét dọc và động cơ tạo thành nét ngang của bảng chữ cái 'H'. Đây là giải pháp đơn giản và thanh lịch cho mọi vấn đề về động cơ. Các hướng có thể được thay đổi một cách dễ dàng và tốc độ có thể được kiểm soát.

Trong cấu hình cầu H, chỉ các cặp MOSFET đối diện theo đường chéo được kích hoạt để điều khiển hướng, như thể hiện trong hình bên dưới:

Khi kích hoạt một cặp MOSFET (đối diện theo đường chéo), động cơ nhìn thấy dòng điện chạy theo một hướng và khi cặp kia được kích hoạt, dòng điện qua động cơ sẽ đảo chiều.

Các MOSFET có thể được bật để có toàn bộ nguồn hoặc PWM-ed để điều chỉnh nguồn hoặc tắt để cho động cơ dừng. Kích hoạt cả MOSFET dưới cùng và trên cùng (nhưng không bao giờ cùng nhau) sẽ hãm động cơ.

Một cách khác để triển khai H-Bridge là sử dụng bộ định thời 555 mà chúng ta đã thảo luận trong hướng dẫn trước.

Thành phần bắt buộc

Đối với cầu H

• Động cơ DC
• 2x IRF3205 MOSFET kênh N hoặc tương đương
• 2x IRF5210 MOSFET kênh P hoặc tương đương
• 2x điện trở 10K (kéo xuống)
• 2x tụ điện 100uF (tách rời)
• 2x tụ gốm 100nF (tách)

Đối với mạch điều khiển

• Bộ hẹn giờ 1x 555 (bất kỳ biến thể nào, tốt nhất là CMOS)
• 1x TC4427 hoặc bất kỳ trình điều khiển cổng thích hợp nào
• 2x 1N4148 hoặc bất kỳ tín hiệu / diode siêu nhanh nào khác
• Chiết áp 1x 10K (thời gian)
• Điện trở 1x 1K (thời gian)
• Tụ điện 4,7nF (thời gian)
• Tụ điện 4,7uF (tách rời)
• Tụ gốm 100nF (tách)
• Tụ điện 10uF (tách)
• Công tắc SPDT

Sơ đồ cho mạch cầu H đơn giản

Bây giờ chúng ta đã hiểu hết lý thuyết, đã đến lúc chúng ta bắt tay vào xây dựng một trình điều khiển động cơ cầu H. Mạch này có đủ công suất để điều khiển động cơ cỡ trung bình lên đến 20A và 40V với cấu trúc và tản nhiệt phù hợp. Một số tính năng đã được đơn giản hóa, chẳng hạn như việc sử dụng công tắc SPDT để điều khiển hướng.

Ngoài ra, MOSFET bên cao là kênh P để đơn giản hóa. Với mạch điều khiển thích hợp (với khởi động), MOSFET kênh N cũng có thể được sử dụng.

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh cho H-Bridge này sử dụng MOSFET được đưa ra dưới đây:

Giải thích làm việc

1. Bộ hẹn giờ 555

Bộ đếm thời gian là một mạch 555 đơn giản tạo ra chu kỳ hoạt động từ khoảng 10% đến 90%. Tần số được thiết lập bởi R1, R2 và C2. Tần số cao được ưu tiên để giảm tiếng rên rỉ có thể nghe thấy, nhưng điều này cũng có nghĩa là cần một trình điều khiển cổng mạnh mẽ hơn. Chu kỳ làm việc được điều khiển bởi chiết áp R2. Tìm hiểu thêm về cách sử dụng bộ hẹn giờ 555 ở chế độ ổn định tại đây.

Mạch này có thể được thay thế bằng bất kỳ nguồn PWM nào khác như Arduino.

2. Trình điều khiển cổng

Trình điều khiển cổng là TC4427 hai kênh tiêu chuẩn, với 1,5A chìm / nguồn cho mỗi kênh. Ở đây, cả hai kênh đã được song song để có thêm dòng điện. Một lần nữa, nếu tần số cao hơn, trình điều khiển cổng cần phải mạnh hơn.

Công tắc SPDT được sử dụng để chọn chân của cầu H điều khiển hướng.

3. Cầu H

Đây là phần làm việc của mạch điều khiển động cơ. Các cổng MOSFET thường được kéo xuống thấp bằng điện trở kéo xuống. Điều này dẫn đến cả hai MOSFET kênh P đều bật, nhưng đây không phải là vấn đề vì không có dòng điện nào có thể chạy qua. Khi tín hiệu PWM được áp dụng cho các cổng của một chân, MOSFET kênh N và kênh P được bật và tắt luân phiên, điều khiển nguồn.

Mẹo xây dựng mạch cầu H

Ưu điểm lớn nhất của mạch này là nó có thể được mở rộng để điều khiển động cơ ở mọi kích cỡ, và không chỉ động cơ - bất kỳ thứ gì khác cần tín hiệu dòng điện hai chiều, như bộ nghịch lưu sóng sin.

Khi sử dụng mạch này ngay cả ở công suất thấp, việc tách cục bộ thích hợp là điều bắt buộc trừ khi bạn muốn mạch của mình bị trục trặc.

Ngoài ra, nếu xây dựng mạch này trên một nền cố định hơn như PCB, thì nên sử dụng mặt phẳng đất lớn, giữ cho các bộ phận dòng điện thấp tránh xa các đường dẫn dòng điện cao.

Vì vậy, mạch H-Bridge đơn giản này là giải pháp cho nhiều vấn đề về điều khiển động cơ như hai chiều, quản lý điện năng và hiệu quả.