Управление мотором полевыми транзисторами

В данной статье рассматривается наиболее простой способ подключения мотора постоянного тока к Arduino.

Видео:H-МОСТ на транзисторах.Как это работает и зачем он нужен двигателямСкачать

Введение

Моторы постоянного тока нельзя подключать напрямую к Arduino. Это обусловлено тем, что пины не способны выдавать ток более 40 мА. Мотору же, в зависимости от нагрузки, необходимо несколько сотен миллиампер. Потому возникает потребность увеличения мощности. Делается это, как-правило, с помощью транзисторов.

В статье «Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые» можно ознакомиться с основными типами транзисторов и их принципами работы.

Так же рекомендуется посмотреть: Видеоуроки по Arduino, 5-я серия — Моторы и транзисторы. В данном уроке Джереми Блюм рассказывает о подключении мотора постоянного тока к Arduino через биполярный транзистор.

Видео:Управление полевым транзистором. Ускорение закрытия.Скачать

Необходимые компоненты

Мы рассмотрим вариант взаимодействия с полевым транзистором. Принципы подключения мотора будут разобраны на конкретном железе: DC-мотор, плата Arduino, N-канальный полевой транзистор, резистор на 10 кОм (R₁), резистор на 220 Ом (R₂).

Вы же в своих экспериментах вольны использовать то, что есть в наличии. Важны лишь 3 условия:

Видео:Как подключить полевой транзистор к микроконтроллеру - схемы и нюансы включения полевых транзисторовСкачать

Схема подключения

По-сути, обмотка мотора представляет собой катушку индуктивности. В момент подачи напряжения возникнет обратная электродвижущая сила, которая может вывести из строя транзистор. Flyback диод устанавливается в обратном направлении и предотвращает утечку тока с мотора на транзистор. Поэтому, если в транзисторе нет flyback диода, его необходимо установить дополнительно: анод на исток, катод на сток.

Транзистор IRF530N является мощным и поставляется в корпусе TO-220. Ниже приведена его распиновка.

В данной схеме транзистор будет работать в ключевом режиме: по одной команде (установка уровня HIGH на затворе) от Arduino транзистор будет подключать мотор к источнику питания (отпираться), по другой команде (установка уровня LOW на затворе) — отключать мотор от источника питания.

Резистор R1 подтягивает к земле затвор транзистора. Номинал не принципиален — можно использовать любые резисторы в диапазоне от 1 до 10 кОм. Резистор R2 служит для защиты пина микроконтроллера. Диапазон, примерно, от 10 до 500 Ом.

Чтобы запитать данную схему, можно подключить к Arduino внешний источник питания на 6-9 В, либо подать питание непосредственно на макетную плату ( синяя шина — минус, красная шина — плюс).

Видео:Управление транзистором в верхнем плечеСкачать

Программинг

Для наибольшей простоты воспользуемся, пожалуй, самым известным скетчем из готовых примеров — Blink.

Цифровой пин 13 раз в секунду меняет своё состояние. Когда на выходе устанавливается значение HIGH — загорается светодиод и начинает вращаться мотор. Когда устанавливается LOW — светодиод гаснет, а мотор останавливается.

Результаты

Была получена возможность подключать к выводам Arduino мощные устройства, в частности, моторы постоянного тока.

Видео:Полевой транзистор вместо реле или кнопкиСкачать

Использование ШИМ для регулировки скорости мотора

Если мотором управлять ничуть не сложнее, чем светодиодом, то, наверное можно изменять яркость скорость вращения мотора точно так же, как при работе со светодиодами? Именно так! С точки зрения Arduino абсолютно не важно с чем мы имеем дело.

Как вы уже, наверно, могли догадаться, для изменения скорости вращения мотора нам понадобится скетч Fade.

Видео:Драйвер прямого и обратного хода коллекторного двигателя на транзисторах - СВОИМИ РУКАМИСкачать

Схема подключения

Чтобы использовать возможности функции analogWrite(..) , нам придётся перейти на один из пинов (3/5/6/9/10/11), поддерживающих аппаратный ШИМ. Поскольку, по умолчанию, в скетче Fade задействован 9-й пин, остановим свой выбор на нём.

Результат

Была получена возможность изменять скорость вращения мотора, используя аппаратный ШИМ Arduino.

На чём данная статья подходит к завершению. Теперь вы смело можете использовать моторы постоянного тока в своих проектах!

Видео:Самое Колхозное Управление мотором с помощью одного транзистораСкачать

Управление автомобильным электромотором с помощью MOSFET NXP

Видео:Уроки Ардуино #9 - управление нагрузкой MOSFET транзисторСкачать

Вступление

Электродвигатель (электромотор) — электрическое устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую.

MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) — полевой МОП (метал-оксид-полупроводник) транзистор, более экономичный, по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник).

Существует много разновидностей электромоторов:

Постоянного тока — электромоторы, питание которых осуществляется постоянным током.

• коллекторные электромоторы постоянного тока — электрический мотор, в котором датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и тоже устройство — щеточно-коллекторный узел. Разновидностями коллекторного электромотора являются: с возбуждением постоянными магнитами, с параллельным включением обмоток возбуждения якоря, с последовательным соединением обмоток возбуждения и якоря, со смешанным соединением обмоток возбуждения и якоря;
• бесколлекторные двигатели постоянного тока (вентильные моторы) — электромоторы, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР), системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора);

Читайте также: Лодочные моторы замер скорости

Переменного тока — электрический мотор, питание которого осуществляется переменным током. Разновидностями электромотора переменного тока являются: синхронный электромотор — ротор вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения, асинхронный электромотор — частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением, однофазные, двухфазные, трехфазные, многофазные;

• шаговые электромоторы — электромоторы, которые имеют конечное число положений ротора. В таких электромоторах положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки, и переход в другое положение осуществляется путем снятия питания с одних обмоток и передачи его на другие;
• универсальные коллекторные моторы — коллекторные электромоторы, которые могут работать и на постоянном токе и на переменном.

Тенденция развития автомобильной промышленности предъявляет особые требования к комфортабельности, управляемости и безопасности современных автомобилей. Для обеспечения наилучшей управляемости автомобиля требуется большое количество электромоторов, в современных автомобилях бизнес класса и супер карах может использоваться до 30 электромоторов. В перспективе ожидается, что в следующем поколении автомобилей такие особенности будут стандартом для автомобилей среднего класса.

Все эти электромоторы нуждаются в управлении, обычно блоком управления является панель управления автомобиля, такая система требует большого количества медных проводов в электросети автомобиля, которые могут достигать в длину до 4 км, и весить до 20 кг. Такие электросети могут содержать более 1000 проводов, несколько тысяч разъемов и занимать большое количество времени на прокладку. Мало того что, такая система является достаточно дорогой, увеличивает вес автомобиля, что ведет к увеличению расхода топлива, но и создает трудности при прокладке проводов, и даже является не допустимым физически при прокладке до 70-80 проводов, например в дверные петли автомобиля. В настоящее время для включения электромотора, управления направлением вращения или его скоростью используются полупроводниковые ключи, что позволяет использовать более тонкие провода и обеспечить их прокладку в малодоступные места. Наибольшее снижение веса и уменьшения проводов может быть достигнуто мультиплексным включением проводов контролируемых последовательной шиной и использованием протоколов CAN и LIN.

Таблица применения электромоторов в автомобиле

Видео:Драйвер двигателей на транзисторахСкачать

Типы электромоторов используемые в автомобилях

Электромоторы, разработанные для автомобильной промышленности представляют собой попытку достижения оптимального компромисса между противоречивыми требованиями. Они должны удовлетворяться требованиям характеристик момента/скорости вращения, при условии ограниченного количества используемого материала, места и цены.

Существуют четыре основных семейства электромоторов постоянного тока (DC motors), которые потенциально могут использоваться в автомобильной промышленности.

Двухобмоточный коллекторный электродвигатель постоянного тока

Широко используются электромоторы выполненные традиционным способом с намоткой на статоре, питание ротора осуществляется через щетки и мультисегментный коммутатор (рис. 1).

Рисунок 1. Двухобмоточный коллекторный индуктивный электромотор постоянного тока

Однако недавно они были в значительной степени заменены электродвигателями с постоянным магнитом. Примечательно то, что они имеют квадратурные характеристики. Они могут быть с сериесной обмоткой (с высокими характеристиками момента/скорости вращения при запуске, но при этом иметь тенденцию «убегать» в режиме без нагрузки), с шунтовой обмоткой (с относительно пологими характеристиками момента/скорости вращения) или реже со смешанным возбуждением.

Читайте также: Схема подключения мотора отопителя ваз 2123

Коллекторный электромотор постоянного тока с постоянным магнитом

В настоящее время это самый востребованный электромотор в современных автомобилях. В таком электродвигателе постоянный магнит формирует статор, ротор состоит из прорезанных листов стали с намоткой медных проводов (рис.2). Такие моторы имеют более легкий ротор и меньшие габариты, чем двухобмоточные коллекторные электромоторы. Типичные отношения веса между коммутаторным электромотором и коллекторным составляет: медного кабеля 1:10, магнита 1:7, ротора 1:2,5, корпус 1:1. Но преимуществом коммутаторных электромоторов является наличие линейных характеристик момента/скорости вращения (рис.3) для типичных кривых, связывающих момент вращения, скорость, поток и эффективность. Коллекторные электромоторы, как правило, используются на скорость вращения ниже 5000 оборотов в минуту, типовая индуктивность составляет 100-500 микроГенри, что намного ниже, чем у коллекторных электродвигателей. При этом коммутаторные электродвигатели изготавливаются из новых материалов (например, неодимовый ферробор), усиливающих эффективность электродвигателя при меньших размерах.

Рисунок 2. Коллекторный электромотор постоянного тока с постоянным магнитом

Рисунок 3. Характеристик момента/скорости вращения двухобмоточного коллекторного и коллекторного электромотора с постоянным магнитом

Бесколлекторный электромотор постоянного тока

Несмотря на то, что в системах гидроуправления с приводом от электромотора бесколлекторные электродвигатели постоянного тока еще широко не используются в автомобилях, они рассматриваются для использования в специализированных приложениях, например, топливный насос, где их свойство отсутствия искры, делает их очень привлекательными. Они состоят из обмотки статора и ротора на постоянном магните (рис. 4).

Рисунок 4. Бесколлекторный электромотор постоянного тока

Таким образом, их наименование подразумевает отсутствие механического коммутатора и щеток, что подразумевает отсутствие шума, изнашивание щеток и связанное с этим обслуживание. Но вместо этого они зависят от электроники, поскольку требуют постоянный контроль положения ротора, который может включать в себя магниторезистивные датчики, датчики Холла или не возбуждающие сигналы в обмотке. Благодаря их малому весу, малоинерционному ротору они обеспечивают высокую производительность, высокую плотность мощности, высокую скорость и ускорение, они могу использоваться в качестве сервосистем.

Коммутируемый синхронный электромотор

Эти электромоторы являются бифилярным эквивалентом бесколлектрного электромотора с постоянным магнитом (рис. 5), с подобными преимуществами и ограничениями. Напомним, что такие электродвигатели еще не нашли широкое применение, они являются концептуальным решением для замены некоторых электродвигателей имеющих большие габариты и массу, в таких автомобильных приложениях, как радиатор и кондиционер, где их соотношение большой мощности и веса является весьма привлекательным. Коммутируемые синхронные двигатели могут так же использоваться, как шаговые двигатели в таких приложениях, как антиблокировочная система (ABS) и управление дроссельной заслонкой.

Рисунок 5. Коммутируемый синхронный электромотор

Конфигурация привода электромотора

Тип двигателя имеет значительное влияние на конфигурацию схемы управления электромотором. Два семейства электромоторов постоянного тока, коммутируемые и коллекторные, нуждаются в различных схемах управления. Не смотря на это можно подобрать MOSFET транзисторы, которые способны работать одинаково эффективно с обоими семействами моторов.

Оба типа с постоянным магнитом или двухобмоточный электромотор могут управляться посредством коммутации с последовательной подачей напряжения питания (рис. 6)

Рисунок 6. Ключевая схема коллекторного электромотора

Раньше традиционно в схемах управления электромоторами использовались реле, но в связи с их не достаточной долговечностью, габаритами и надежностью (особенно в условиях вибрации) и цены, основную массу в схемах управления получили полупроводниковые элементы способные обеспечивать основные показатели, такие как: низкое падение напряжения, малое управляющее напряжение, устойчивость к вибрациям. Силовые MOSFET транзисторы так же обладают: низким сопротивлением открытого канала несколько мОм, малой мощностью рассеяния несколько мВт, и необходимого напряжения, в несколько вольт (практически при нулевом токе), затвора.

После того как электромотор выключается, он может продолжать вращаться, и в этот момент электромотор является источником напряжения и механическая энергия вращения, должна быть рассеяна или трением или должна быть преобразована в электроэнергию и возвращена в источник через встроенный в MOSFET встречный диод. Если электромотор не вращается после отключения, то в таком случае он будет являться индуктивной нагрузкой и кратковременное переходное напряжение ключа нижнего плеча может вызвать лавинный пробой MOSFET транзистора. В зависимости от магнитуды энергии накопленной в магнитном поле и способности MOSFET транзистора антилавинный диод, включенный параллельно с электромотором может требоваться, может не требоваться.

Читайте также: Крышка для мотор колеса

Так в первом приближении получаем, если:

При выборе MOSFET транзистора важно учитывать допустимую устойчивость к таким воздействиям, или выбирать элемент исходя из того что бы напряжения истока VDS было рассчитано на скачки до 50/60 В. Для защиты от перенапряженный выше заданных параметров необходимо обеспечивать защиту внешними элементами.

Температура окружающей среды салона автомобиля лежит в пределах -40 — +85° С, и -40 — +125° С под капотом автомобиля. Все MOSFET транзисторы NXP рассчитаны на рабочую температуру до T_jmax = 175° С.

Напряжение питания в автомобиле которое вырабатывает аккумуляторная батарея около 12 В (номинальное), которое может варьироваться в пределах от 10,5 В до 16 В в обычном режиме работы. Это важно учитывать при выборе MOSFET транзистора, для удовлетворения необходимых параметров его полного переключения, при этом не забывать, что для ключа верхнего плеча необходимое напряжение можно получить от цепи подкачки или цепи обратной связи.

Для включения MOSFET транзистора обычно достаточно подать напряжение на затвор 6 В, но для достижения минимального сопротивления транзистора необходимо напряжение 10 В. Таким образом, разброс напряжения затвора V_GS между доступным и необходимым может быть весьма ограниченным в автомобильной электронике.

Одним из способов решения проблемы состоит в использовании MOSFET транзисторов с логическим уровнем (L2FET), например, такой как PHT11N06LT, который достигает минимальное сопротивление 40 мОм при напряжении V_GS 5 В.

Видео:Как Проверить Полевой MOSFET ТранзисторСкачать

NXP Semiconductors на рынке MOSFET транзисторов

В настоящее время MOSFET транзисторы, являются одними из самых востребованных элементов в современной автомобильной электронике. В условиях жесткой конкуренции и существующих требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление и себестоимость конечной продукции.

Компания NXP, являясь одним из лидеров по производству MOSFET транзисторв для автомобильной промышленности, предлагает широкий выбор транзисторов, в котором насчитывается около 250 наименований элементов. Благодаря высокому качеству и широкому портфолио MOSFET транзисторов, компания NXP предоставляет возможность разработчикам электроники подобрать максимально удовлетворяющий их задачам элемент. Краткий перечень и характеристики MOSFET транзисторов NXP для применения в автомобильной электронике приведен в таблице.

Видео:Как работает ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР.Обычное и необычное подключение MOSFETСкачать

Вывод

Несмотря на жесткие требования предъявляемые к MOSFET транзисторам для применения в схемах управления электромоторами автомобиля: низкая стоимость и высокая надежность, и большое разнообразие типов и конфигураций моторов, компания NXP предлагает оптимальные решения для применения в схемах управления электромоторами. Комбинация высоких технических характеристик и низкая стоимость, MOSFET транзисторов NXP делают их универсальным продуктом для применения в автомобильной электронике.

• Свежие записи
  • Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
  • Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
  • Какие моторы бывают у стиральных машин
  • Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
  • Как снять стопорную шайбу с вала

  
  

  источники:

  https://evakuatorinfo.ru/upravlenie-motorom-polevymi-tranzistorami

  📹 Видео

  Драйвер для затвора полевого транзистора на двух биполярных транзисторах.Как это работаетСкачать

  

  Драйвер ТС4420 для управления затвором полевого транзистора ШИМа печки.Скачать

  

  Реверс мощного электродвигателя постоянного токаСкачать

  

  Транзистор в качестве реле. Ключ на полевом транзисторе.Скачать

  

  Управление полевым транзистором. Сопротивление на затворе.Скачать

  

  ДРАЙВЕР затвора. Простая МОЩНАЯ схема.Скачать

  

  Схема Управления МОЩНОЙ Нагрузкой ( Используем 1 Транзистор - MOSFET )Скачать

  

  Управление полевым транзисторомСкачать

  

  #32. Транзисторы полевые. Управление затвором.Скачать