Von: Jeremy Cook
Die Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren gehört zu den wichtigsten Techniken in der Elektronik. Hier untersuchen wir die Grundlagen dieser Technik: das Senden eines PWM-Signals an einen MOSFET oder einen dedizierten Treiber. Das Signal steuert die Drehzahl des Gleichstrommotors direkt, wobei eine höherer Stromstärke (und häufig auch eine höhere Spannung) verwendet wird, als sie der Controller selbst bereitstellen kann.
Einfache PWM-Steuerung einer LED
Jeremy Cook | Externe LED mit Oszilloskop-Impulsen
Eine PWM (Pulse Width Modulation, Impulsbreitenmodulation) simuliert einen analogen Spannungsausgang durch die Wiederholung von Impulsen über unterschiedlich lange Zeiträume. In einer solchen Einrichtung wird der Zeitraum als die Zeit definiert, die für den Abschluss eines einzelnen Ein/Aus-Zyklus benötigt wird. Der Arbeitszyklus, häufig als Prozentwert ausgedrückt, ist das Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltzeit.
Ein Fünf-Volt-Signal mit einem Arbeitszyklus von 50 % würde ein simuliertes analoges 2,5-Volt-Signal ergeben. In einem Zeitraum von 1 ms würde dieser Ein/Aus-Zustandswechsel 1000 Mal pro Sekunde (1000 Hz) generiert werden. Dies wird als die Frequenz des PWM-Signals definiert. PWM-Steuerungen sind gut für Gleichstrommotoren und andere langsam wechselnde Lasten geeignet. In anderen Situationen sollten jedoch bevorzugt echte analoge Ausgänge verwendet werden, beispielsweise bei der Audioreproduktion.
Wir verwenden den Raspberry Pi Pico mit CircuitPython, um diesen Ansatz für die Generierung von PWM-Signalen näher zu betrachten. Um eine kurze Einführung zu erhalten, laden Sie hier den Code herunter. Basierend auf diesem Code wechselt die integrierte LED von voller Stärke bzw. 65.535 (2^16 – 1), zu 4095 (2^12 -1), weniger als 1 Zehntel des ursprünglichen Werts. Der Wechsel der Lichtstärke ist sichtbar, auch wenn es möglicherweise schwierig ist, die beobachtete Lichtstärke mit dem numerischen Wert zu korrelieren.
MOSFET-Motorsteuerung
Jeremy Cook | MOSFET-Steuerung von Gleichstrommotoren
Das MOSFET-basierte Steuerverfahren (FQP30N06L) ist im Wesentlichen mit dem Steuerverfahren für eine LED identisch. Den Code für das nächste Element finden Sie hier. Verbinden Sie den Steuerausgang über einen kleinen Widerstand (~100 Ω) mit dem Verstärkungs-Pin des MOSFET. Fügen Sie einen 10K-Widerstand zur Masse hinzu, um die Spannung zu senken, wenn kein Eingang erfolgt. Der positive Leiter des Motors wird zum MOSFET-Drain-Ausgang geführt und die MOSFET-Quelle wird mit der Masse verbunden.
Der VBUS-Pin stellt die positive Spannung bereit. Grundsätzlich wäre jedoch eine externe Spannungsquelle besser, die an die gleiche Masse wie das Pico angeschlossen ist. Darüber hinaus wäre die Implementierung einer Flyback-Diode zu empfehlen, um vereinzelte induktive Lasten zu verarbeiten.
L293D-Motortreiber: eine einfachere Möglichkeit für den Bau einer Gleichstrommotor-Steuerung
Jeremy Cook | L293D-Motortreiber
MOSFETs sind hervorragend für allgemeine Zwecke geeignet. Wenn Sie jedoch Drehzahl und Richtung steuern möchten (oder wenn es mehr als einen Motor gibt), werden die Dinge sehr schnell kompliziert. Glücklicherweise sind für diese Zwecke fertig entwickelte integrierte Motorsteuerungsschaltungen erhältlich, darunter der hier verwendete und bewährte L293D-Treiber. Die Verdrahtungsanweisungen können Sie dem Datenblatt entnehmen. Das von mir für die Verbindung mit meinem Raspberry Pi Pico verwendete Verfahren finden Sie im folgenden Diagramm:
Jeremy Cook | Intern angeschlossene U4-Masse-Pins
Den digitalen Rotationscode (ein/aus) für diese Einrichtung finden Sie hier. Basierend auf diesem Code, bewegt sich der Motor mit voller Stärke nach vorne und hinten, wobei es zwischen den Bewegungen Pausen gibt. Dieser PWM-Code initialisiert den Motor mit einem bestimmten Arbeitszyklus, steigert den Zyklus inkrementell und stoppt den Motor dann. Anschließend wird der Arbeitszyklus in die andere Richtung gesteigert und dann gestoppt, bevor die Sequenz wiederholt wird.
Ein Wort zur Vorsicht in Bezug auf den L293D-Treiber
Bei Verwendung des letzten Codeabschnitts (mit einem 12-Volt-VCC2-Eingang ohne Kondensator) wurde eine Raspberry Pi Pico-Platine deaktiviert. Die Verwendung von Kondensatoren hätte ein bewährtes Verfahren dargestellt, um Strom- und Logikeingänge auszugleichen. Der L293D stellt interne Klemmeigenschaften zur Behandlung induktiver Lasten bereit. Daher sollten externe Flyback-Dioden nicht notwendig sein. Es sind verschiedene Gründe denkbar, warum dies passiert ist. Es sollte jedoch als Erinnerung daran dienen, die Hardware so zu spezifizieren und zu implementieren, dass sie für die Bedingungen in der realen Welt geeignet ist.
Plug-and-Play – oder vollständige Anpassung?
Ihre Steuerungsdesigns für Gleichstrommotoren werden die Entwicklungsplatine wahrscheinlich irgendwann verlassen. Ab diesem Zeitpunkt können Sie aus zwei verschiedenen Pfaden wählen:
Für komplexere Prototypen oder einmalige Designs sind Motorschilde und Entwicklungsplatinen verfügbar, die zusätzlich Treiber wie den L293D als Plug-and-Play-Lösungen für Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Servomotoren und mehr bereitstellen. Der Arduino-Motorschild ist vielleicht der bekannteste Motorschild und mit dem Arduino Uno-Formfaktor kompatibel. Wenn Sie bei der RP2040-Plattform bleiben möchten, wäre der Maker Pi RP2040 eine hervorragende Plug-and-Play-Lösung für die Steuerung von Motoren und anderen Geräten.
Am anderen Ende des Spektrums bietet sich die Möglichkeit, Motorsteuerungsdesigns direkt in Ihr eigenes Leiterplattendesign zu integrieren. Mit einer solchen Integration erhalten Sie eine beinahe unbegrenzte Flexibilität beim Design. Sie könnten beispielsweise einige der Maker Pi RP2040-Funktionen implementieren und nicht benötigte Funktionen auslassen. Sie könnten den physischen Formfaktor Ihrer Platine exakt auf Ihre Anwendung ausrichten.
PWM-Motor- und -Laststeuerung
Jeremy Cook | MOSFET-für die Steuerung von Elektromotoren und anderen Lasten. Da der Magnet als Induktor dient, wäre eine Flyback-Diode auch hier eine gute Idee.
Die hier vorgestellten allgemeinen Grundsätze für PWM-Steuerung sind solide und können für verschiedene Lasten verwendet werden. Die entsprechende Hardware wurde jedoch vergleichsweise schnell zu Demozwecken für diesen Artikel zusammengestellt. Sie sollten bei den endgültigen Designs die jeweiligen Verwendungssituationen sorgfältig analysieren und die von Arrow bereitgestellten Spezifikationen und Datenblätter heranziehen. Wenn Sie die PWM-basierte Gleichstrommotor-Steuerung korrekt einrichten, kann Ihr Gerät jahrelang problemlos funktionieren.
Wie auch immer Sie Ihr Design entwickeln – bei Arrow finden Sie Mikrocontroller, MOSFETs, Motortreiber und weitere Geräte, die Sie für die erfolgreiche Umsetzung Ihres Konzepts für eine PWM-basierte Gleichstrommotor-Steuerung benötigen!
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