Во многих приложениях необходимо поддерживать постоянную частоту вращения двигателя, даже если ее пытаются изменить вариации напряжения питания или механической нагрузки. В других случаях необходимо ограничивать средний ток, протекающий через двигатель, чтобы начальный пусковой ток при запуске двигателя не был слишком большим. Кроме того, иногда необходимо обеспечивать блокировку двигателя в режиме торможения без вреда для двигателя или схемы управления. Эти две функции часто можно объединить в одной схеме управления.
Существует множество способов контроля скорости вращения двигателя постоянного тока. В некоторых случаях датчик вращения устанавливается непосредственно на вал двигателя. Этот метод часто позволяет получить очень точное измерение скорости, поскольку за один оборот вала датчик может выдавать несколько импульсов. Для этой цели существует бесчисленное множество оптических и магнитных датчиков. По возможности я предпочитаю обходиться без внешних датчиков и для измерения скорости вращения использовать сигналы, создаваемые самим двигателем, Двигатели с трехфазным щеточным коллектором (три щеточных кольца) обычно выдают очень чистый сигнал противо-ЭДС.
Это напряжение, которое вырабатывал бы двигатель, если бы он вращался с определенной скоростью без какого-либо внешнего управления. Зная зависимость противо-ЭДС от скорости вращения вала, можно разработать схему для поддержания любой постоянной скорости двигателя путем контроля напряжения противо-ЭДС. Но лишь в немногих двигателях используется трехфазный щеточно-коллекторный узел. Большинство коллекторных двигателей постоянного тока, с которыми вы столкнетесь, будут однофазными. Часто эти двигатели генерируют чистые импульсы тока каждый раз, когда щеточный коммутатор изменяет полярность постоянного тока, подаваемого на обмотки двигателя. Используя небольшое сопротивление, включенное последовательно со схемой управления двигателем, можно извлекать эти импульсы для измерения скорости вращения.
Для многих недорогих двигателей, часто используемых в игрушках и некоторых бытовых приборах, ни метод обратной ЭДС, ни метод измерения импульсного тока щеток не подойдут. Сигналы слишком зашумлены, чтобы их можно было использовать на практике. С такими двигателями будет работать только внешний датчик положения вала. Чтобы определить наилучший метод контроля скорости, вам придется провести несколько экспериментов с конкретным двигателем, которым вы хотите управлять.
Схема на Рисунке 1 управляет скоростью однофазного щеточного двигателя средней мощности, работающего от источника постоянного тока 12 В. Для контроля частоты вращения в ней используется метод измерения импульсного тока щеток. Схема содержит ограничитель среднего тока двигателя. Я также предусмотрел средства включения и выключения двигателя простым логическим сигналом TTL.
 | |
| Рисунок 1. | Принципиальная схема регулятора скорости 12-вольтового щеточного двигателя. |
В схеме используются довольно старые микросхемы операционных усилителей, которые у меня валялись без дела. Можно также использовать другие операционные усилители и компараторы напряжения. Для управления частотой вращения двигателя и максимальным средним током в схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Контроль тока удобен, когда нужно ограничить крутящий момент двигателя, поскольку ток и крутящий момент связаны напрямую.
Для определения скорости вращения в схеме используются импульсы тока от щеток двигателя. В выбранном мной двигателе на один оборот вала приходилось ровно 12 импульсов. Типичный средний ток двигателя составлял порядка 1.2 А при частоте вращения около 1000 об/мин. При 1000 оборотах в минуту частота импульсов составляет 200 Гц.
Синхронизация контроллера ШИМ обеспечивается генератором пилообразного напряжения, работающим на частоте 10 кГц. Операционный усилитель сравнивает пилообразное напряжение с управляющим напряжением либо от схемы ограничения тока, либо от схемы регулирования скорости. В режиме ограничения тока часть схемы, отвечающая за стабилизацию скорости, отключается. Многополюсный фильтр нижних частот удаляет импульсы тока от щеток двигателя, возникающие на токоизмерительном резисторе сопротивлением 0.1 Ом. Микросхема A4 усиливают импульсы в 10 раз. Затем этот сигнал подается на схему ждущего мультивибратора, собранную на одной половине сдвоенной микросхемы D-триггера. После этого выходные импульсы ждущего мультивибратора фильтруются для получения напряжения, пропорционального частоте импульсов. Далее операционный усилитель сравнивает сигнал скорости с регулируемым опорным напряжением. Выходной сигнал усилителя ошибки скорости затем подключается к схеме ШИМ для поддержания постоянной частоты вращения двигателя.
Вторая схема контролирует средний постоянный ток, используя постоянное напряжение на токоизмерительном резисторе 0.1 Ом. В ней также имеется регулируемое опорное напряжение, позволяющее контролировать предельный ток (крутящий момент). Диод изолирует две управляющие схемы от схемы ШИМ. Второй диод подает +5 В на вход контроллера ШИМ при низком уровне входного логического сигнала управления включением/ выключением Это устанавливает низкий уровень на выходе ШИМ, поддерживая двигатель в выключенном состоянии. Для обеспечения стабильным опорным напряжением +5 В цепей управления скоростью и крутящим моментом используется стабилизатор напряжения 5 В.