Как сделать простой ШИМ контроллер для электродвигателя 12в своими руками

Один мой знакомый подал мне идею сделать электровелосипед своими руками. Поначалу задумка мне показалась странной, но потом я вник и даже загорелся. На финальном этапе сборки у меня уже почти всё было готово, оставался лишь ШИМ регулятор. Почему-то его я тоже захотел сделать сам. Результатом вполне доволен, поэтому дальше расскажу вам то, как своими руками сделать ШИМ контроллер для электродвигателя.

Про ШИМ регулятор

ШИМ (PWM) регулятор широкого применения – устройство, разработанное для плавного включения, выключения и регулировки мощности, оборотов, яркости и другого.

Ранее для регулировки оборотов электродвигателей изменяли питающее напряжение. Однако в современной электротехнике от этого отказались. Теперь регулировка происходит путём подачи на электромотор импульсов тока, которые имеют разную длительность. Что и делают ШИМ (широтно-импульсно модулируемые) регуляторы, которые в последнее время становятся всё более и более популярными.

Схемы ШИМ контроллеров универсальны – подойдут и для регулировки яркости ламп, и для регулировки скорости оборотов мотора да хоть для регулирования силы тока в зарядном устройстве.

Сфера применения ШИМ регуляторов очень велика.

Обзор на плату

Собранная плата самодельного ШИМ регулятора:

Управление платы ручное и осуществляется переменным резистором или внешним напряжением в диапазонах:

0,45 В – устройство выключено, коэффициент заполнения – 0%

0,5/3,5 В – плавное регулирование, коэффициент заполнения от 0,1% до 99,9%

3,6 В – устройство включено, коэффициент заполнения – 100%

Устройство работает при постоянном напряжении от 10 до 28 Вольт.

Максимальное напряжение ограничено максимально допустимым напряжением силовых ключей, а также обратным напряжением мощного диода в нагрузке, при отдельном от дополнительного источника питания управления на 15 В.

Советую при напряжение не доходящим до 15 Вольт не устанавливать стабилизатор.

Вместо него лучше подойдёт какой-нибудь диод или обычная перемычка.

Если же напряжение от 15 до 28 Вольт, то стоит установить линейный (например, 7815) или импульсный стабилизатор в виде готового модуля на MP2307, при этом необходимо выставить на нём напряжение 15 Вольт.

Заказать их можно на всё том же Алиэкспрессе.

При необходимости вы можете регулировать частоту плавно переменным резистором.

Для этого нужно подключить его на плату вместо перемычки.

Преобразователь с триггером Шмитта

В тех импульсных стабилизационных приборах, которые используют триггер Шмитта, уже нет такого большого количества компонентов, как в предыдущем типе устройства. Здесь главным элементом является триггер Шмитта, в состав которого входит компаратор. Задачей компаратора является сравнение уровня напряжения на выходе и максимально допустимого ее уровня.

Когда напряжение на выходе превысило свой максимальный уровень, триггер переключается в нулевую позицию и приводит к размыканию ключа. В это время дроссель или конденсатор разряжаются. Конечно, за характеристиками электрического тока постоянно следит вышеупомянутый компаратор.

И тогда, когда напряжение падает ниже требуемого уровня, фаза «0» меняется на фазу «1». Далее ключ замыкается, и электрический ток поступает в интегратор.

Преимуществом такого импульсного стабилизатора напряжения является то, что его схема и конструкция являются достаточно простыми. Однако он не может применяться во всех случаях.

Стоит отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Здесь имеется в виду, что они могут быть как сугубо понижающими, так и сугубо повышающими. Также выделяют еще два типа таких приборов, а именно инвертирующий и устройство, которые могут произвольно изменять напряжение.

Схема самодельного контроллера

Данная схема содержит минимальное количество компонентов в обвязках микросхем:

Основной контроллер ШИМ от 0% до 100%, что будет управлять всей мощностью в нагрузке, собран на микросхеме TL494.

При этом варианте включения компенсируется внутреннее смещение для формирования мертвого времени.

При коммутации больших токов возникают сильные помехи.

Изолированный источник питания +15 Вольт -12 Вольт с дополнительной защитой от перегрузок собран на микросхеме NE555.

Основной задаче является регулирование вторичных напряжений путём изменения частоты.

В зависимости от нагрузки он работает на частоте в диапазоне 120-480 кГц.

В случае перегрузки ширина импульса, а также частота, уменьшается.

Если же нагрузка отсутствует, на трансформаторе плюсовое плечо стремится к 25 вольтам, а минусовое напряжение уменьшается, пока не достигнет нуля.

Если на трансформаторе отсутствует нагрузка, то либо драйвер не подключён, либо холостой ход.

Для снижения помех и нагрузки на провода, отсекая реактивную энергию, следует установить обратный диод нагрузки в непосредственной близости к самой нагрузке.

В этом случае вы можете использовать проводники, чьё сечение меньше, чем у тех, что использовались при установке диода на удалении от нагрузки.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4. Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Тестирование контроллера

Одним способом применения данного контроллера является плавное регулирование оборотов электродвигателя.

При этом можно не удалять штатную дискретную схему регулировки оборотов – она остаётся, не нарушается и продолжает работать.

Схема подключается лишь тремя проводами: плюс на 12 Вольт, масса и провод самого электродвигателя.

Также плату можно использовать для замены переключателя и гасящего резистора в родной схеме.

Первым делом при тестировании убедитесь, что все детали на своём месте и надёжно закреплены.

Дальше изготовленный ШИМ регулятор для двигателя электровелосипеда должен быть одновременно подключён и к аккумулятору, и к мотору велосипеда, что будет приводить его в движение.

Используйте набор ячеек литиевых батарей, номинальное напряжение которые составляет 80 Вольт (такие батареи как раз используются в электровелосипедах).

Поворачивая потенциометр по часовой стрелке, двигатель вашего велосипеда постепенно начнёт вращаться, а его скорость увеличиваться пропорционально вращению ручки.

Если всё в порядке, то ваш самодельный ШИМ контроллер собран правильно.

Рекомендую следующее видео, в котором автор изготавливает ШИМ регулятор своими руками:

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор. Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Советуем к прочтению: Бегущий огонь с управляемой скоростью

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

Как итог…

ШИМ регулятор своими руками готов. Собрать его не составит особого труда для любого, кто хоть немного разбирается в радиотехнике. Я собирал свой контроллер для использования в электродвигателе электровелосипеда, однако он может использоваться не только в двигателях. Это универсальное устройство – подойдёт и для настройки яркости ламп, и скорости оборотов мотора, и силы тока в зарядном устройстве.

Вопрос

Напишите в комментариях, как вы считаете насколько надёжны ШИМ-регуляторы с Алиэкспресс?

Причины и области применения ШИМ

Принцип широтно-импульсной модуляции используется в регуляторах частоты вращения мощных асинхронных двигателей. В этом случае модулирующий сигнал регулируемой частоты (однофазный или трехфазный) формируется маломощным генератором синусоиды и накладывается на несущую аналоговым способом. На выходе получается ШИМ-сигнал, который подается на ключи потребной мощности. Дальше можно пропустить получившуюся последовательность импульсов через фильтр низкой частоты, например через простую RC-цепочку, и выделить исходную синусоиду. Или можно обойтись без нее – фильтрация произойдет естественным образом за счёт инерции двигателя. Очевидно, что чем выше частота несущей, тем больше форма выходного сигнала близка к исходной синусоиде.

Советуем к прочтению: Вопросы по программированию микроконтроллеров

Возникает естественный вопрос – а почему нельзя усилить сигнал генератора сразу, например, применением мощных транзисторов? Потому что регулирующий элемент, работающий в линейном режиме, будет перераспределять мощность между нагрузкой и ключом. При этом на ключевом элементе впустую рассеивается значительная мощность. Если же мощный регулирующий элемент работает в ключевом режиме (тринистор, симистор, RGBT-транзистор), то мощность распределяется во времени. Потери будут намного ниже, а КПД – намного выше.

В цифровой технике особой альтернативы широтно-импульсному регулированию нет. Амплитуда сигнала там постоянна, менять напряжение и ток можно лишь промодулировав несущую по ширине импульса и впоследствии усреднив её. Поэтому ШИМ применяют для регулирования напряжения и тока на тех объектах, которые могут усреднять импульсный сигнал. Усреднение происходит разными способами:

1. За счет инерции нагрузки. Так, тепловая инерция термоэлектронагревателей и ламп накаливания позволяет объектам регулирования заметно не остывать в паузах между импульсами.
2. За счёт инерции восприятия. Светодиод успевает погаснуть от импульса к импульсу, но человеческий глаз этого не замечает и воспринимает как постоянное свечение с различной интенсивностью. На этом принципе построено управление яркостью точек LED-мониторов. Но незаметное мигание с частотой несколько сот герц все же присутствует и служит причиной усталости глаз.
3. За счет механической инерции. Это свойство используется при управлении коллекторными двигателями постоянного тока. При правильно выбранной частоте регулирования двигатель не успевает затормозиться в бестоковых паузах.

Поэтому ШИМ применяют там, где решающую роль играет среднее значение напряжения или тока. Кроме упомянутых распространенных случаев, методом PWM регулируют средний ток в сварочных аппаратах и зарядных устройствах для аккумуляторных батарей и т.д.

Если естественное усреднение невозможно, во многих случаях эту роль на себя может взять уже упомянутый фильтр низкой частоты (ФНЧ) в виде RC-цепочки. Для практических целей этого достаточно, но надо понимать, что без искажений выделить исходный сигнал из ШИМ с помощью ФНЧ невозможно. Ведь спектр PWM содержит бесконечно большое количество гармоник, которые неизбежно попадут в полосу пропускания фильтра. Поэтому не стоит строить иллюзий по поводу формы восстановленной синусоиды.

Очень эффективно и эффектно управление методом ШИМ RGB-светодиодом. Этот прибор имеет три p-n перехода – красный, синий, зеленый. Изменяя раздельно яркость свечения каждого канала, можно получить практически любой цвет свечения LED (за исключением чистого белого). Возможности по созданию световых эффектов с помощью PWM безграничны.

Наиболее употребительная сфера применения цифрового сигнала, промодулированного по длительности импульса – регулирование среднего тока или напряжения, протекающего через нагрузку. Но возможно и нестандартное использование этого вида модуляции. Все зависит от фантазии разработчика.

Как изготовить своими руками?

Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.

Вот схема его работы:

Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.

Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.

Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.

При изменении силы тока, эта частота может изменяться между 3 кГц и 5 кГц. Переменный резистор R2 служит для регулировки тока. При использовании электродвигателя в бытовых условиях, рекомендуется использовать регулятор стандартного типа.

При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.

Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:

На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора. При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.

Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева. При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.

Советуем к прочтению: Люблю мастерить подарки собственными руками

Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.

Собранное устройство выглядит следующим образом:

При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.