Există multe modalități diferite de a controla viteza motoarelor de curent continuu, dar o modalitate foarte simplă și ușoară este de a utiliza modulația lățimii de impuls (PWM).

Pe lângă motoarele pas cu pas, motorul DC cu magnet permanent (PMDC) este cel mai frecvent utilizat tip de motor de curent continuu mic, disponibil pentru a produce o viteză de rotație continuă care poate fi ușor controlată. Motoarele de curent continuu mici, ideale pentru utilizarea în aplicații care necesită controlul vitezei, cum ar fi în jucării mici, modele, roboți și alte circuite electronice.

Un motor DC constă în principal din două părți, corpul staționar al motorului numit "Stator" și partea interioară care se rotește producând mișcarea, numită "Rotor". Pentru mașinile DC, rotorul este numit în mod obișnuit "Armătură".

În general, în motoarele DC mici, de sarcină ușoară, statorul constă dintr-o pereche de magneți permanenți fixați care produc un flux magnetic uniform și staționar în interiorul motorului, dând acestor tipuri de motoare numele lor de "DC cu magnet permanent" (PMDC).

Armătura motoarelor este formată din bobine electrice individuale conectate împreună într-o configurație circulară în jurul corpului său metalic producând un pol nord, apoi un pol sud, apoi un pol nord etc., tip de configurație a sistemului câmp.

Curentul care curge prin aceste bobine de rotor produce câmpul electromagnetic necesar. Câmpul magnetic circular produs de înfășurările armăturilor produce polii nord și sud în jurul armăturii, care sunt respinși sau atrași de magneții permanenți ai statorului, producând o mișcare de rotație în jurul axei centrale a motorului, așa cum se arată mai jos.

Motor cu magnet permanent cu 2 poli

La rotirea armăturii, curentul electric trece de la bornele motoarelor la următorul set de înfășurări ale armăturii prin perii de cărbune situate în jurul comutatorului producând un alt câmp magnetic și de fiecare dată când se rotește armătura, un nou set de înfășurări ale armăturii sunt alimentate, forțând armătura să se rotească mai mult și mai mult și așa mai departe.

Viteza de rotație a unui motor DC depinde de interacțiunea dintre două câmpuri magnetice, unul fixat de magneții permanenți staționari ai statorului și celălalt de electromagneții rotativi ai armăturii, și prin controlul acestei interacțiuni putem controla viteza de rotație.

Câmpul magnetic produs de magneții permanenți ai statorului este fix și, prin urmare, nu poate fi schimbat, dar dacă schimbăm intensitatea câmpului electromagnetic al armăturilor, prin controlul curentului care curge prin înfășurări, se va produce flux magnetic mai mult sau mai puțin, rezultând o interacțiune mai puternică sau mai slabă și, prin urmare, o viteză mai mare sau mai mică.

Deci, viteza de rotație a unui motor DC (N) este proporțională cu tensiunea electromotoare inversă emf (Vb) a motorului împărțită la fluxul magnetic (care, pentru un magnet permanent este o constantă) ori (x) o constantă electromecanică în funcție de natura înfășurărilor armăturilor (Ke) dându-ne următoarea ecuație: N ~ Vb/KeΦ.

Foarte mulți oameni încearcă să controleze viteza unui motor DC folosind un rezistor variabil mare (Reostat) în serie cu motorul, așa cum se arată.

În timp ce acest lucru poate funcționa, așa cum se întâmplă în cazul cursei de mașini cu sloturi Scalextric, aceasta generează multă căldură și pierdere de putere în rezistență. O cale simplă și ușoară de a controla viteza unui motor este de a regla valoarea tensiunii pe bornele sale și acest lucru poate fi realizat folosind "Pulse Width Modulation" sau PWM.

După cum sugerează și numele său, controlul vitezei prin modularea lățimii impulsului funcționează prin acționarea motorului cu o serie de impulsuri "ON-OFF" și variația ciclului de funcționare, fracțiunea de timp în care tensiunea de ieșire este "ON" în comparație cu atunci când este "OFF", menținând constantă frecvența.

Puterea aplicată motorului poate fi controlată prin modificarea lățimii acestor impulsuri aplicate și, prin urmare, variația tensiunii medii DC aplicate la terminalele motoarelor. Prin modificarea sau modularea temporizării acestor impulsuri, viteza motorului poate fi controlată, adică cu cât este mai lung pulsul "ON", cu atât motorul se rotește mai repede și cu cât este mai scurt impulsul, atunci motorul mai lent se va roti.

Cu alte cuvinte, cu cât lățimea impulsului este mai mare, cu atât tensiunea medie aplicată la bornele motorului este mai mare, cu atât fluxul magnetic este mai puternic în interiorul înfășurărilor armăturii și motorul se va roti mai repede, iar acest lucru este prezentat mai jos.

Formă de undă cu modulația lățimii de impuls

Utilizarea modulației lățimii pulsului pentru a controla un motor mic are avantajul că pierderea de putere în tranzistorul de comutare este mică, deoarece tranzistorul este fie complet ON, fie complet OFF. Ca urmare, tranzistorul de comutare are o disipare a puterii redusă, dând un tip de control liniar, care conduce la o stabilitate mai mare a vitezei.

De asemenea, amplitudinea tensiunii motorului rămâne constantă, astfel încât motorul este întotdeauna la putere maximă. Rezultatul este că motorul poate fi rotit mult mai încet fără să se blocheze. Deci, cum putem produce un semnal de modulație a impulsului pentru a controla motorul. Ușor, utilizați un circuit oscilator Astabil 555 așa cum se arată mai jos.

Acest circuit simplu, bazat pe cipul timer familiar NE555 sau 7555, este utilizat pentru a produce semnalul de modulație a lățimii impulsului dorit la o ieșire de frecvență fixă. Condensatorul de timing C este încărcat și descărcat prin curentul care trece prin rețelele de timing RA și RB, așa cum am arătat în tutorialul 555 Timer.

Semnalul de ieșire la pinul 3 al lui 555 este egal cu tensiunea de alimentare, comutând "ON" complet tranzistoarele. Timpul necesar pentru C de încărcare sau descărcare depinde de valorile RA, RB.

Condensatorul se încarcă prin rețeaua RA, dar este redirecționat în jurul rețelei rezistive RB și prin dioda D1. De îndată ce condensatorul este încărcat, acesta este descărcat imediat prin dioda D2 și rețeaua RB în pinul 7. În timpul procesului de descărcare, ieșirea la pinul 3 este la 0 V și tranzistorul este comutat "OFF".

Atunci, timpul necesar pentru condensatorul C pentru a trece printr-un ciclu complet încărcare-descărcare depinde de valorile RA, RB și C, cu timpul T pentru un ciclu complet fiind dat de:

Timpul TH, pentru care ieșirea este "ON" este: TH = 0,693 (RA).C

Timpul TL, pentru care ieșirea este "OFF" este: TL = 0,693 (RB).C

Timp ciclu total "ON" - "OFF" dat ca: T = TH + TL cu frecvența de ieșire fiind ƒ = 1/T.

Cu valorile componentelor prezentate, ciclul de funcționare al formei de undă poate fi reglat de la aproximativ 8,3% (0,5V) la aproximativ 91,7% (5,5V) folosind o sursă de alimentare de 6,0 V. Frecvența Astabilului este constantă la aproximativ 256 Hz iar motorul este comutat "ON" și "OFF" la această rată.

Rezistorul R1 plus partea „superioară“ a potențiometrului VR1 reprezintă rețeaua rezistivă RA. În timp ce partea „inferioară“ a potențiometrului plus R2 reprezintă rețeaua rezistivă RB de mai sus.

Aceste valori pot fi modificate pentru a se adapta la diferite aplicații și motoare de curent continuu, dar cu condiția ca circuitul 555 astabil să ruleze suficient de rapid, la câteva sute de Hertz minim, nu trebuie să existe jerkiness în rotația motorului.

Dioda D3 este dioda supresoare, utilizată pentru a proteja circuitul electronic de sarcina inductivă a motorului. De asemenea, dacă sarcina motorului este ridicată, puneți un radiator pe tranzistorul de comutare sau pe MOSFET.

Modularea lățimii impulsurilor este o metodă excelentă de a controla cantitatea de energie livrată unei sarcini fără a disipa orice putere pierdută. Circuitul de mai sus poate fi de asemenea utilizat pentru a controla viteza ventilatorului sau pentru a diminua luminozitatea lămpilor DC sau LED-urilor. Dacă trebuie să o controlați, utilizați Pulse Width Modulation (PWM) pentru a face acest lucru.