Что такое подключение мост для двигателя постоянного тока

Драйверы

Драйвер двигателя выполняет крайне важную роль в проектах, в которых используются двигатели постоянного тока или шаговые двигатели. C помощью такого модуля можно создавать мобильных роботов, автономные автомобили и иные электронные устройства с механическими модулями. Сейчас мы рассмотрим подключение драйверов двигателей к Arduino.

Использование драйверов двигателей в проектах

Как известно, контроллер Arduino имеет существенные ограничения по силе тока присоединенной к ней нагрузки. Для платы это 800 mA, а для каждого отдельного вывода — и того меньше, 40mA. Мы не можем подключить напрямую к контроллеру даже самый маленький двигатель постоянного тока. Любой из этих двигателей в момент запуска или остановки создаст пиковые броски тока, превышающие этот предел.
Как же тогда подключить двигатель к Arduino, да так, чтобы можно было управлять направлением и скоростью вращения двигателя?
В этом нам поможет специальная схема подключения, называемая H-мостом, с помощью которой мы можем изменять направление и скорость вращения двигателя. Но собирать ее не нужно, так как уже существуют модули с использованием Н-моста, которые могут управлять сразу двумя двигателями постоянного тока.

Принцип действия H-моста

H-мост является электронной схемой, которая состоит из четырех ключей с нагрузкой. Он служит для управления скоростью и направлением вращения двигателей. Название моста появилось из напоминающей букву H конфигурации схемы.

В зависимости от текущего состояния переключателей возможно разное состояние мотора.

Какие бывают драйверы двигателя?

На данный момент распространены три разновидности драйверов:

1. На микросхемах 9110S.
Двухканальный драйвер, к которому можно подключить 2 двигателя или четырехпроводной двухфазный шаговый двигатель. Устройство часто используется из-за своей невысокой стоимости. Драйвер используется только для изменения направления вращения, менять скорость он не может. Питание для двигателей от 2,5В до 12В.

2. На микросхеме L293D.
Этот модуль на микросхеме L293D является самым популярным драйвером для работы с двигателями. L293D более мощный, чем его предшественник, и может не только изменять направление вращения, но скорость. Рабочее напряжение двигателей от 5В до 36 В, рабочий ток достигает 600 мА. На двигатель L293D может подавать максимальный ток в 1,2А.

3. На микросхеме L298D.
Это самый мощный модуль для управления направления и скорости вращения двигателей. При помощи одной платы L298N можно управлять сразу двумя двигателями. Наибольшая нагрузка, которую обеспечивает микросхема, достигает 2А на каждый двигатель. Если подключить двигатели параллельно, это значение можно увеличить до 4А. Рабочее напряжение двигателей от 5В до 36В.

Н-мост и схема работы для управления двигателями

В различных электронных схемах часто возникает необходимость менять полярность напряжения, прикладываемого к нагрузке, в процессе работы. Схемотехника таких устройств реализуется с помощью ключевых элементов. Ключи могут быть выполнены на переключателях, электромагнитных реле или полупроводниковых приборах. Н-мост на транзисторах позволяет с помощью управляющих сигналов переключать полярность напряжения поступающего на исполнительное устройство.

Что такое Н-мост

В различных электронных игрушках, некоторых бытовых приборах и робототехнике используются коллекторные электродвигатели постоянного тока, а также двухполярные шаговые двигатели. Часто для выполнения какого-либо алгоритма нужно с помощью электрического сигнала быстро поменять полярность питающего напряжения с тем, чтобы двигатель технического устройства стал вращаться в противоположную сторону. Так робот-пылесос, наткнувшись на стену, мгновенно включает реверс и задним ходом отъезжает от препятствия. Такой режим реализуется с помощью Н-моста. Схема Н-моста позволяет так же изменять скорость вращения электродвигателя. Для этого на один из двух ключей подаются импульсы от широтно-импульсного модулятора (ШИМ).

Схемой управления режимами двигателя является h-мост. Это несложная электронная схема, которая может быть выполнена на следующих элементах:

• Биполярные транзисторы
• Полевые транзисторы
• Интегральные микросхемы

Основным элементом схемы является электронный ключ. Принципиальная схема моста напоминает латинскую букву «Н», отсюда название устройства. В схему входят 4 ключа расположенных попарно, слева и справа, а между ними включена нагрузка.

H-мост

На схеме видно, что переключатели должны включаться попарно и по диагонали. Когда включен 1 и 4 ключ, электродвигатель вращается по часовой стрелке. 2 и 3 ключи обеспечивают работу двигателя в противоположном направлении. При включении двух ключей по вертикали слева или справа произойдёт короткое замыкание. Каждая пара по горизонтали закорачивает обмотки двигателя и вращения не произойдёт. На следующем рисунке проиллюстрировано, что происходит, когда мы меняем положение переключателей:

Схема работы H-моста

Если мы заменем в схеме переключатели на транзисторы, то получим такой вот (крайне упрощенный) вариант:

H-мост

Для того чтобы исключить возможное короткое замыкание h-мост на транзисторах дополняется входной логикой, которая исключает появление короткого замыкания. В современных электронных устройствах мостовые схемы изменения полярности дополняются устройствами, обеспечивающими плавное и медленное торможение перед включением реверсного режима.

Н-мост на биполярных транзисторах

Транзисторы в ключевых схемах работают по принципу вентилей в режиме «открыт-закрыт», поэтому большая мощность на коллекторах не рассеивается, и тип применяемых транзисторов определяется, в основном, питающим напряжением. Несложный h-мост на биполярных транзисторах можно собрать самостоятельно на кремниевых полупроводниковых приборах разной проводимости.

H-мост на биполярных транзисторах

Такое устройство позволяет управлять электродвигателем постоянного тока небольшой мощности. Если использовать транзисторы КТ816 и КТ817 с индексом А, то напряжение питания не должно превышать 25 В. Аналогичные транзисторы с индексами Б или Г допускают работу с напряжением до 45 В и током не превышающим 3 А. Для корректной работы схемы транзисторы должны быть установлены на радиаторы. Диоды обеспечивают защиту мощных транзисторов от обратного тока. В качестве защитных диодов можно использовать КД105 или любые другие, рассчитанные на соответствующий ток.

Недостатком такой схемы является то, что нельзя подавать на оба входа высокий потенциал, так как открытие обоих ключей одновременно вызовет короткое замыкание источника питания. Для исключения этого в интегральных мостовых схемах предусматривается входная логика, полностью исключающая некорректную комбинацию входных сигналов.

Схему моста можно изменить, поставив в неё более мощные транзисторы.

Н-мост на полевых транзисторах

Кроме использования биполярных транзисторов в мостовых схемах управления питанием, можно использовать полевые (MOSFET) транзисторы. При выборе полупроводниковых элементов обычно учитывается напряжение, ток нагрузки и частота переключения ключей, при использовании широтно-импульсной модуляции. Когда полевой транзистор работает в ключевом режиме, у него присутствуют только два состояния – открыт и закрыт. Когда ключ открыт, то сопротивление канала ничтожно мало и соответствует резистору очень маленького номинала. При подборе полевых транзисторов для ключевых схем следует обращать внимание на этот параметр. Чем больше это значение, тем больше энергии теряется на транзисторе. При минимальном сопротивлении канала выше КПД моста и лучше его температурные характеристики.

Дополнительным негативным фактором является зависимость сопротивления канала от температуры. С увеличением температуры этот параметр заметно растёт, поэтому при использовании мощных полевых транзисторов следует предусмотреть соответствующие радиаторы или активные схемы охлаждения. Поскольку подбор полевых транзисторов для моста связан с определёнными сложностями, гораздо лучше использовать интегральные сборки. В каждой находится комплементарная пара из двух мощных MOSFET транзисторов, один из которых с P каналом, а другой с N каналом. Внутри корпуса также установлены демпферные диоды, предназначенные для защиты транзисторов.

В конструкции использованы следующие элементы:

• VT 1,2 – IRF7307
• DD 1 – CD4093
• R 1=R 2= 100 ком

Интегральные микросхемы с Н-мостом

В ключах Н-моста желательно использовать комплементарные пары транзисторов разной проводимости, но с одинаковыми характеристиками. Этому условию в полной мере отвечают интегральные микросхемы, включающие в себя один, два или более h-мостов. Такие устройства широко применяются в электронных игрушках и робототехнике. Одной из самых простых и доступных микросхем является L293D. Она содержит два h-моста, которые позволяют управлять двумя электродвигателями и допускают управление от ШИМ контроллера. Микросхема имеет следующие характеристики:

• Питание – + 5 В
• Напряжение питания электромотора – + 4,5-36 В
• Выходной номинальный ток – 500 мА
• Ток в импульсе – 1,2 А

Микросхема L298 так же имеет в своём составе два h-моста, но гораздо большей мощности. Максимальное напряжение питания, подаваемое на двигатель, может достигать + 46 В, а максимальный ток соответствует 4,0 А. Н-мост TB6612FNG допускает подключение двух коллекторных двигателей или одного шагового. Ключи выполнены на MOSFET транзисторах и имеют защиту по превышению температуры, перенапряжению и короткому замыканию. Номинальный рабочий ток равен 1,2 А, а максимальный пиковый – 3,2 А. Максимальная частота широтно-импульсной модуляции не должна превышать 100 кГц.

Мостовые устройства управления электродвигателями часто называют драйверами. Драйверами так же называют микросхемы, только обеспечивающие управление мощными ключевыми каскадами. Так в схеме управления мощным электродвигателем используется драйвер HIP4082. Он обеспечивает управление ключами, собранными на дискретных элементах. В них используются MOSFET транзисторы IRF1405 с N-каналами. Компания Texas Instruments выпускает большое количество интегральных драйверов предназначенных для управления электродвигателями разных конструкций. К ним относятся:

• Драйверы для шаговых двигателей – DRV8832, DRV8812, DRV8711
• Драйверы для коллекторных двигателей – DRV8816, DRV8848, DRV8412/32
• Драйверы для бесколлекторных двигателей – DRV10963, DRV11873, DRV8332

На рынке имеется большой выбор интегральных мостовых схем для управления любыми электродвигателями. Сделать конструкцию можно и самостоятельно, применив качественные дискретные элементы.

Общие сведения о драйвере MX1508.

Основной чип модуля — это микросхема MX1508, состоящая из двух H-мостов (H-Bridge), один для выхода A, второй для выхода B, каждый канал рассчитан на 0,8 А с пиком 2,5 А. H-мост широко используется в электронике и служит для изменения вращения двигателя, схема H-моста содержит четыре транзистора (ключа) с двигателем в центре, образуя H-подобную компоновку. Принцип работы прост, при одновременном закрытии двух отдельных транзисторов, изменяется полярность напряжения, приложенного к двигателю. Это позволяет изменять направление вращения двигателя. На рисунке ниже, показана работа H-мостовой схемы.

Управлять двигателем можно низковольтным напряжением, ниже, чем напряжение на плате Arduino. Для управления скоростью используется широтно-импульсная модуляция (PWM).

Модуль MX1508 содержит разъем для подключения питания, два выхода A и B, и разъем управления, с назначением каждого можно ознакомиться ниже:

• Вывод «+» и «-» — питание модуля и двигателей, от 2 до 9,6 В;
• Выводы A1 и A2 — используются для управления направлением вращения двигателя A;
• Выводы B1 и B2 — используются для управления направлением вращения двигателя B;
• Выходы MOTOR A — разъем для двигателя A;
• Выходы MOTOR B — разъем для двигателя B;

Подключение MX1508 к Arduino (коллекторный двигатель).

Необходимые детали:

• Arduino UNO.
• Драйвер мотора на MX1508.
• Коллекторный двигатель.

Схема подключения MX1508 к Arduino, и коллекторного двигателя к MX1508.

Первым делом, необходимо подключить источник питания от 2 до 9,6 B к модулю (в примере используется 5 В. от Arduino). Далее, подключаем управляющие провода A1, A2, B1, B2 (встречается маркировка, как на L298: IN1, IN2, IN3, IN1) к цифровым выводам Arduino 10, 11, 5 и 6. Теперь, подключаем двигатели, один к клеммам MOTOR A , а другой к клеммам MOTOR B. Схема подключения приведена ниже.

Теперь подключаем Arduino к компьютеру и загружаем скетч ниже.

Описание скетча:

Скетч простой, не требует дополнительных библиотек. Первым делом, указываем, к каким выводам подключен модуль.

Управление скоростью осуществляется с помощью ШИМ, для удобства используем переменную speed, в которой указываем скорость двигателя. Значение «0» — значит остановка, а «255» равносильно напряжению питания, и двигатели крутятся на максимальной скорости.

Далее, мы указываем, что данные выводы используем как выход.

Направление вращения двигателя осуществляется с помощью выводов A1 и A2 — для первого двигателя, B1 и B2 — для второго двигателя, то есть, если подать на вывод A1 — 0B (LOW), а на A2 — 5B (HIGH), двигатель A будет вращаться вперед (так же и для двигателя B). Для вращения назад, необходимо подать на A1 — 5B (HIGH), а на A2 — 0B (LOW), двигатель A будет вращаться назад (так же и для двигателя B). На основании этого напишем небольшие функции, которые позволят вращать оба двигателя вперед, назад, в противоположном направлении, и останавливать вращение обоих двигателей.

Реализуем вывод в монитор порта информацию о направлении вращения двигателя в данный момент.

Это поможет определить, правильно ли мы всё подключили, или нет. Если двигатели будут вращаться не в том направлении, как выводится в мониторе порта, то необходимо поменять местами провода подключения двигателей, и повторить проверку. Эта информация позволит настроить минимальный код для создания радиоуправляемой машины. Вот такие машинки я делал на Arduino и ESP8266 с использованием драйвера L298:

• Собираем Arduino машинку на Motor Shield L293D и ИК пульте.
• Машинка на радиоуправлении. Arduino + nrf24l01 + пульт.
• Самодельная Wifi машинка на NodeMCU. Машина делает дрифт.

Используя драйвер MX1508, собрать данные проекты не составит труда, так как код из проектов выше совместим с драйвером MX1508.

Появились вопросы или предложения, не стесняйся, пиши в комментарии!

Не забывайте подписываться на канал Youtube и вступайте в группы в Вконтакте и Facebook.

Всем Пока-Пока.

И до встречи в следующем уроке.

Понравилась статья? Поделитесь ею с друзьями:

Эксплуатация полного H-моста

Добавив идентичную схему для второй ветви H-моста, мы получим полный мост, к которому уже можно подключить двигатель.

Обратите внимание, что вход разрешения (ENA) подключен к обеим ветвям моста, в то время как другие два входа (In1 и In2) независимы. Для наглядности схемы мы не указали защитные сопротивления на базах транзисторов.

Когда на ENA 0В, то на всех выходах логических элементов также 0В, и поэтому транзисторы закрыты, и двигатель не вращается. Если на вход ENA подать положительный сигнал, а на входах IN1 и IN2 будет 0В, то элементы «B» и «D» будут активированы. В этом состоянии оба входа двигателя будут заземлены, и двигатель также не будет вращаться.

Если мы подадим на IN1 положительный сигнал, при этом на IN2 будет 0В, то логический элемент «А» активируется вместе с элементом «D», а «B» и «C» будут отключены. В результате этого двигатель получит плюс питания от транзистора, подключенного к элементу «А» и минус от транзистора, подключенного к элементу «D». Двигатель начнет вращается в одном направлении.

Если же мы сигналы на входах IN1 и IN2 инвертируем (перевернем), то в этом случае логические элементы «C» и «B» активируются, а «A» и «D» будут отключены. Результат этого — двигатель получит плюс питания от транзистора, подключенного к «C» и минус от транзистора, подключенного к «B». Двигатель начнет вращаться в противоположном направлении.

Если на входах IN1 и IN2 будет положительный сигнал, то активными элементами с соответствующими транзисторами будут «A» и «C», при этом оба вывода мотора будут подключены к плюсу питания.

МПК / Метки

Асинхронный электродвигатель с переменной скоростью вращения

Номер патента: 1116497

. сопротивлениями в цепи фазной обмотки, снабжен независимым дви гателем-вентиляторой, выполненным ввиде жесткого, укрепленного на валу свнешней стороны электродвигателя сердечника с многофазной двухполюснойобмоткой, включенной в цепь упомянутой фазной обмотки, и внешнего массивного ротора, жестко связанного с установленной на подшипниках на валу сту 497 2 пицей, на которой закреплены лопаткивентилятора для обдува электродвигателя и индукционных сопротивлений.На чертеже показан асинхронный электродвигатель с переменной скоростью вращения, продольный разрез. На валу 1 регулируемого электродвигателя установлен жестко соединенный с ним сердечник двигателя-вентилятора 2. Ротор 3 двигателя-вентилятора выполнен в виде массивной.

Масляный сервопривод регулятора скорости вращения гидравлических турбин малой и средней мощности

Номер патента: 109208

. грузом, что приводит к утечкам мысля из полости акнухгу ляторгх.Описываемыг сервопривод свободен от этого недостатка, так как г: нем груз после Зарядки ггкнувтуля тора может быть с помогиьго загнелки 3 гнрк 1 гск 1 рв:ит в верхнем или стрсцнект положениях. в резуцгьтнтс него рабочая полость агиочгуцгяторг: во время работы гидротурбииьх нахоцгится в разгруженггогхтг состоянии.На срнг. 1 показана схема серво привода; на срнг. 2 13 и 4 варианты испогигсггггя зангелки (узел 41 на фиг. 1). причем на фнг. йзгггггецгннГнлравличеснли шнумулятор сервонрнводгг состоит нд: напорного ни ННХЦЗЕ 1 С ПСрСЧСПЬЕ 1 ОП 1 НПСЯ В ПСИ пориигем 2, груза 3 и 3;ине:г 1 и 4 уирнзляеъгог элентринесшим: еоленои лом 5. При переводе турбины на.

Частотно-фазовый регулятор скорости вращения электродвигателя постоянного тока

Номер патента: 425287

. последовательно включенные генераторы пилообразного напряжения 10, 11 и пороговые реле 12, 13. Входы 14, 15 пороговых реле 12, 13 подключены к датчику скоро стп вращения 5, например, через выпрями 1 ельные устройства 16, 17.Частотно-фазовое сравнивающее устройство1 выполнено таким образом, что с его выхода 7 снимаются импульсы, относительная длц тельность 5 т котоРых пРопоРциональна величине фазового сдвига между частотой /5 датчика скорости вращения 5 и опорной частотой / генератора 4. С выходов 8 и 9 устройства 1 снимаются импульсы /8 и /9 (см. фиг. 2) в мо ент скачкообразного изменения скважности5 импульсов из одного крайнего значения в другое, Причем с выхода 8 снимаются импульсы при частоте /; ( 6, а с выхода 9 при частоте /5 ) /о.

Устройство для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока

Номер патента: 598584

. токовое изображение электродвижущей силы двигателя как меры его скорости вращения в тахометрическом сигнале Х обратной связи.Измерительный блок 7 (фиг. 2) содержит последовательный измерительный двухполюсник, состоящий из измерительного резистора 12 и измерительной катушки 13, замыкающий цепь якоря со стороны нулевого потенциала системы, а также резистор 14, включенный между зажимом якоря, соединенным с измерительным двухполюсником,; и инвертирующим фазу входом операционного усилителя 8,Значения активного сойротивления резистора 12 и индуктивности катушки 13 выгодно выбирать на порядок ниже значения активного сопротивления и индуктивности обмотки якоря, а постоянная времени двухполюсника меньше, но близка к электрическому значению.

Система автоматического управления скоростью вращения электродвигателя механизма подачи электронной проволоки

Номер патента: 1603349

. установленный на выходе проволоки 14 из механизма подачи, и ро-лик 21,установленный иа выходе прово» локи 14 из. направляющей 15, вращаются с определенной одинаковой скоростью, которая определяется диаметром роликов и линейной скоростью движения электродной проволоки 14, С валом ролика 17 связан тахогенератор 18, на выходе которого формируются импульсы, частота которых пропорциональна оборотам роли 1.а 17 и числу отверстий в диске фотодатчика. Импульсы тока поступают на вход формирователя 19 импульсов. Сформированные импульсы подаются на вход частотного дискриминатора 20, на выходе которого формируется сигнал постоянного тока.Этот сигнал поступает на второй вход сумматора 2 и второй вход блока 25 вычитания. Аналогичным образом.

Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока

При необходимости регулирования скорости вращения вала выше номинальной частоты, а также при высоких требованиях к отсутствию паразитных гармоник, применяются частотные преобразователи на базе инвертора тока или инвертора напряжения.

Такие ПЧ дважды преобразуют напряжение: переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается и преобразуется обратно в переменное другой частоты.

Различают 2 схемы двойного преобразования: инвестор тока или напряжения.

В цепь первых включен дроссель с большой индуктивностью. На выходе преобразователя частоты поддерживается постоянная амплитуда тока, независимая от нагрузки.

Преобразователи частоты такого типа могут рекуперировать электроэнергию обратно в сеть в режиме электродинамического торможения, сфера их применения – оборудование и механизмы, работающие с частыми отключениями, реверсами и стартами.

В цепь преобразователя частоты, построенного по схеме инвертора напряжения, включен индуктивно-емкостной фильтр. Величина выходного напряжения таких устройств не зависит от тока, потребляемого электродвигателем.

Главное достоинство частотников – форма напряжения «чистый синус». Такое электрооборудование обеспечивают устойчивую работу привода во всем диапазоне регулирования скоростей.

Таким образом, ПЧ двойного преобразования:

• Позволяют регулировать выходное напряжение в широком диапазоне частот: для устройств, построенных по схеме источника напряжения от 0 до 1500 Гц, для частотных преобразователей «инвертора тока» – 0-125 Гц. Частота ограничивается только быстродействием полупроводниковых элементов.
• Не ухудшают работу двигателей. Выходное напряжение преобразователей частоты имеет форму, близкую к синусоиде.
• Имеют небольшое количество тиристорных ключей по сравнению с преобразователями с непосредственной связью. Инверторные схемы не требуют синхронизации с сетью и сложной схемы управление открытием и закрытием элементов.
• Нечувствительны к коротким замыканиям на выходе. Инверторы тока обеспечивают безаварийный режим при коротких замыканиях выходной цепи, а также возможность рекуперации электроэнергии в сеть.

К недостаткам частотников на базе схемы двойного преобразования относятся: невозможность работы инвертора тока на групповую нагрузку, зависимость искусственной коммутации от cosϕ и уровня нагрузки электродвигателя, значительная стоимость конденсатора или дросселя, снижение к.п.д. при двукратном преобразовании. Инверторы напряжения без дополнительных цепей также не обеспечивают возврат электроэнергии в сеть.

Заключение

Итак, модуль драйвера L298N оказался не таким сложным, как могло показаться. Все драйверы имеют практически схожие контакты управления: EN,IN1,IN2. Бывает, что отдельный вход EN отсутствует, и тогда ШИМ сигнал подается на IN1,IN2. Разобравшись с одним драйвером, мы можем с легкостью применять в своих проектах и другие модели.

Как уже было написано, L298N является достаточно мощным чтобы потянуть большинство моторов, применяемых в DIY проектах. Это и популярные пластиковые желтые моторы с редуктором и более мощные металлические JGA25 и JGA37.

Отдельно следует отметить и ещё одно распространенное применение L298N. С помощью этого драйвера можно управлять биполярными шаговыми двигателями, хотя и не настолько эффективно, как это делают специализированные драйвера типа A4988.