Проектирование надежной ШИМ-схемы для точного управления скоростью двигателя постоянного тока

Существует несколько разных способов управления скоростью двигателей постоянного тока. Однако один из самых предпочтительных и простых способов — использование схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ШИМ (Pulse Width Modulation) — это техника, используемая для управления инерционными нагрузками уже давно. Использование широтно-импульсной модуляции в управлении драйверами двигателей имеет несколько преимуществ.

Но, пожалуй, самое значительное преимущество в том, что поскольку транзистор либо полностью «ВЫКЛ», либо «ВКЛ», потери мощности в ключевом проводнике остаются малыми. Эта статья обсуждает, как проектировать ШИМ-схему. Здесь будет обсуждение важных вопросов, таких как эффективное разделение электрических сигналов на дискретные части как средство снижения мощности передачи электронных сигналов.

Профессиональное введение в ШИМ-схемы

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — термин, используемый в описании типа цифрового сигнала. Широтно-импульсная модуляция находит применение во множестве приложений, таких как сложные схемы управления. Стандартный метод, при котором ШИМ широко используется — управление затемнением светодиодов и управление направлением сервоприводов.

ШИМ-схема работает, снижая среднюю мощность во время передачи электрических сигналов. Она делает это, разделяя сигналы на дискретные части или сэмплы. Как упоминалось ранее, есть множество преимуществ и применений в телекоммуникациях, регулировке напряжения, управлении сервоприводами, цифровых схемах и управлении скоростью двигателей, среди других.

ШИМ-схемы — лучший выбор для многих пользователей, основанный на факте, что они не делают много шума во время работы. В отличие от аналоговых сигналов, которые излучают некоторый звук в процессе, ШИМ-схемы устойчивы к шуму и высокоэффективны. Лучше того, ШИМ-схемы экономны и не требуют много места. ШИМ-схемы не хитры или трудоемки для построения. Компоненты, необходимые для производства этих схем, легко собираются.

Кроме того, шаги для следования в производстве или изготовлении ШИМ-схем супер комфортны, в отличие от дизайна других схем. ШИМ-схемы легко конвертируются обратно в аналоговые схемы с использованием минимального оборудования.

Коэффициент заполнения, частота и ширина импульса в ШИМ-схеме

Коэффициент заполнения (Duty Cycle)

Как упоминалось ранее, сигнал ШИМ остается включенным на определенное время, затем выключается на остальное время. Он работает на основе «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Аспект, который делает сигнал ШИМ более полезным и уникальным — факт, что он может быть установлен оставаться включенным на определенное время путем управления коэффициентом заполнения. Процент или отношение времени, когда сигнал ШИМ остается включенным (HIGH), известно как коэффициент заполнения.

В случае, если сигнал остается ВКЛ, то он в 100% коэффициенте заполнения. Но в случае, если он всегда выключен, то это 0% коэффициент заполнения. Формула для расчета коэффициента заполнения ниже:

Коэффициент заполнения = Время ВКЛ / (Время ВКЛ + Время ВЫКЛ)

Частота ШИМ

Частота схемы широтно-импульсной модуляции определяет скорость или то, как быстро ШИМ тратит на завершение одного периода. Один период — это полный или завершенный период ВКЛ и ВЫКЛ сигнала широтно-импульсной модуляции. Обычно сигналы широтно-импульсной модуляции, которые генерируют многие микроконтроллеры, находятся вокруг 500 Гц. Такие частоты находят широкое применение в компонентах высокоскоростного переключения, таких как преобразователи и инверторы.

Однако не все приложения нуждаются в высокой частоте. Например, для управления сервоприводом вам понадобится генерировать ШИМ-сигналы с частотой около 50 Гц. Простыми терминами, как быстро сигнал широтно-импульсной модуляции включается и выключается, решается частотой ШИМ-сигнала.

Ширина импульса в ШИМ-схеме

ШИМ-схема состоит из Ширины Импульса (PW). Ширина импульса, по определению, — это прошедшее время или время, затраченное между восходящим/высоким и нисходящим/низким краями одного импульса. Ширина импульса — это длительность другого сигнала, обычно несущего сигнала, используемого в передаче. Для точных и повторяемых измерений 50% уровня мощности используется как референсные точки.

Как построить ШИМ-схему

Построение ШИМ-схемы — не такая уж трудная задача. Ниже приведены некоторые материалы, необходимые для изготовления ШИМ-схемы:

• Глянцевая бумага
• Медянная фольга на подложке
• Ацетон
• Хлорное железо
• ЛАЗЕРный принтер
• Ножницы
• Маркер
• Пластиковый контейнер
• Наждачная бумага
• Перчатки безопасности
• Пила
• Латексные перчатки

Шаг 1: Проектирование схемы

Начните с проектирования принципиальной схемы в программном обеспечении для проектирования ПП. Вы можете использовать дизайн-софт вроде KiCad, Express PCB, Dip Trace, NI Multisim или Altium Designer. EAGLE PCB Design Software — лучший вариант.

Шаг 2: Проектирование топологии ПП

После завершения проектирования принципиальной схемы, сейчас время разработать топологию ПП, предпочтительно с использованием инструмента Eagle EDA. После завершения, распечатайте макет производства ПП, есть высокие шансы неудач топологии, которые могут далеко пойти в негативное влияние на функциональность конечного продукта. Есть несколько топологий ПП на глянцевой бумаге. Здесь используйте только ЛАЗЕРный принтер. Компоненты, необходимые здесь, включают следующее:

• Разъем (2.54 мм)
• ПП: FR4 Стекловолокно
• Клеммный блок с винтами
• Конденсатор – 0.1 мкФ (104)
• Резисторы
• 1N5403 – Диод (3 Ампер)
• TLP250 – Драйвер затвора
• IRFP460 – Мощный MOSFET

Шаг 3: Процесс пайки

Для управления мощным MOSFET, используйте ИС драйвера затвора. Но снова, TLP250 ИС подходит для схемы драйвера затвора IGBT и мощного MOSFET. Вы можете использовать ШИМ-контроллер для управления уровнями яркости светодиода или даже использовать его как драйвер светодиода. ШИМ-контроллер также выполняет те же роли, что и ШИМ-диммер.

Шаг 4: Расчет рассеивания мощности MOSFET

Четвертый шаг включает расчет рассеивания мощности. Следующая формула расчета рассеивания мощности:

P = R × I²

P = R_ds(ON) × I²

Здесь,

P = Мощность

I = Ток

R_ds(ON) = Сопротивление сток-исток в открытом состоянии

Шаг 5: Максимальное рассеивание мощности без радиатора

Рассеивание мощности — это максимальная мощность, рассеиваемая MOSFET под заданными тепловыми условиями. Пятый шаг к построению вашей ШИМ-схемы включает расчет максимального рассеивания мощности без радиатора. Расчет рассеивания мощности прост. Рассеивание мощности рассчитывается путем взятия температуры перехода и вычитания окружающей температуры, затем деления на максимальное тепловое сопротивление переход-коколужу.

Pd = Tj (max) – TA

R_θJA

Шаг 6: Интерфейсирование ШИМ-драйвера

Это финальный шаг к получению вашей ШИМ-схемы. Для интерфейсирования или завершения вашего ШИМ-драйвера вам понадобятся перемычки, ШИМ-драйвер, плата Arduino UNO, двигатель постоянного тока, ИБП и 10к потенциометр.

Что нужно отметить

Проектирование ШИМ-схемы может оказаться пугающей задачей, особенно если вы не следуете инструкциям внимательно. Вы можете заметить, что в реальности вещи будут немного отличаться от того, что вы находите в книгах или интернете. Чтобы быть на безопасной стороне, вам нужно учесть несколько вопросов. Например, вы должны убедиться, что у вас есть все материалы, которые вам нужны.

Также вы должны убедиться, что следуете всем шагам от начала до конца, как указано. Вы также должны учитывать вопросы безопасности. Обеспечьте работу в чистой и безопасной среде. Также вы должны быть знакомы с расчетами, так как вам может понадобиться рассчитать важные аспекты, такие как рассеивание мощности, мощность резистора и использование микроконтроллеров, среди других.

Область применения

ШИМ-схемы находят применение в широкой Vielzahl приложений. Подходящие примеры, где ШИМ-контроллеры находят применение, включают следующее:

• Используются для управления скоростью двигателей постоянного тока
• Находят применение в управлении яркостью LED-светодиодных лент и светодиодов
• Используются для генерации тона
• Также находят применение в нагревателях постоянного тока
• Используются в компонентах постоянного тока

Хотите настроить ШИМ-контроллер? Вы можете связаться с нами

Настройка ШИМ-контроллера может оказаться трудной задачей. Большинство людей находят это сложным, когда речь идет о настройке ШИМ-контроллеров. Находите ли вы это трудным для настройки ШИМ-контроллера? Не волнуйтесь. Мы в WellPCB здесь, чтобы помочь вам. Не страдайте в тишине, когда мы можем помочь. Мы понимаем каждый аспект, касающийся ШИМ-контроллеров двигателей. Давайте настроим всё для вас, пока вы сидите и расслабляетесь. В зависимости от вашего использования, мы установим нагрузку для вас, соединим всю проводку, чтобы избежать коротких замыканий, и рассчитаем максимальное рассеивание мощности для вашего ШИМ-контроллера.

Заключение

Как отмечалось ранее, управление скоростью двигателей постоянного тока достижимо многими способами. Однако использование широтно-импульсной модуляции — лучший и самый надежный метод. Есть множество преимуществ, связанных с использованием широтно-импульсной модуляции в управлении скоростью двигателей постоянного тока. Некоторые из них включают малые потери мощности и постоянное напряжение двигателя. Построение ШИМ-двигателя может быть раздражающим упражнением, особенно если вы не придерживаетесь всех инструкций. Если вы находите это трудным для разработки и настройки ШИМ-контроллера, вы можете связаться с нами для помощи. Мы лучшие профессиональные проектировщики ШИМ с десятилетиями опыта и профессионализма.