موتورهای DC با اینکه یکی از قدیمی ترین انواع موتورهای الکتریکی محسوب می شوند، اما همچنان در صنعت مدرن مورد توجه هستند. به نظر می رسد که کنترل خوب آنها دلیل اصلی ماندن آنها در بازار امروز است. یک موتور DC جریان مستقیم را به چرخش مکانیکی تبدیل می کند، که می توان با تغییر ولتاژ ورودی یا معکوس کردن جهت ها، آن را کنترل کرد. طراحی ساده و عملکرد مناسبی که موتورهای DC دارند منجر به تولید انواع کنترلر موتور DC شده تا بتوان آنها را به راحتی کنترل کرد.
کنترلر موتور DC چیست؟
به عبارت ساده، یک کنترلر موتور DC دستگاهی است که می تواند موقعیت، سرعت یا گشتاور یک موتور DC را تغییر دهد. انواع کنترلر برای موتورهای DC براش و موتورهای DC براشلس وجود دارد که اُپراتورها می توانند با استفاده از آنها رفتار موتور را به دلخواه و با توجه به مدار تنظیم کنند.
همانطور که می دانید، منحنی سرعت/گشتاور موتورهای DC بطور معکوس خطی است، به این معنا که گشتاور آنها با افزایش RPM های موتور کاهش می یابد. این امر امکان کنترل آسان را فراهم می آورد، زیرا پایین آمدن سرعت باعث افزایش گشتاور و بالعکس می شود. همچنین برخلاف برخی از موتورهای AC ، موتورهای DC به راحتی با سوئیچ کردن سر سیم (leads) معکوس می شوند و در نتیجه جریان DC در جهت مخالف وارد می شود. کنترلر موتور DC بر اساس همین ویژگی ها عمل می کند.
انواع کنترلر موتور DC
در این مقاله در مورد کنترلرهای موتور DC پرکاربرد صحبت می کنیم. هر چند روشهای زیادی مانند کنترلر سروو موتور وجود دارد.
کنترلر جهت : H Bridge
مدار H Bridge یکی از ساده ترین روش ها برای کنترل موتور DC است. تصویر زیر دیاگرام مدار H Bridge را نشان می دهد:
همانطور که در تصویر می بینید، چهار سوئیچ وجود دارد که به صورت جفت (1 و 4 ، 2 و 3) کنترل می شوند و هنگامیکه هر یک از این جفت ها بسته باشد، مدار را کامل می کنند و موتور تغذیه می شود. در اصل، این مدار در حال سوئیچ کردن سر سیم موتور DC است و جهت چرخش آن را معکوس می کند. کنترلرهای H Bridge به صورت یک تراشه یا چیپ در دسترس هستند و بیشتر در کنترلرهای مبتنی بر ریزپردازنده وجود دارند، زیرا می توان آن را با ترانزیستورها طراحی کرد و به اندازه های بسیار کوچک کاهش داد.
مدارهای H Bridge نه تنها می توانند جهت موتور را معكوس كنند، بلكه می توانند برای كنترل سرعت نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر تنها کنترل جهت جریان مورد نظر باشد، از این کنترلر موتور DC به عنوان یک درایو DC به اصطلاح غیر احیا کننده استفاده می شود. با این حال، می توان پیچیدگی بیشتری برای ایجاد درایوهای DC احیا کننده اضافه کرد. شکل 2 گرافی را نشان می دهد که چگونگی عملکرد درایوهای احیا کننده را بیان می کند:
سرعت بیشتر موتورهای DC با قطع قدرت به موتور کاهش می یابد. درایوهای احیا کننده دارای قابلیت توقف و ترمز هستند، در حالیکه سوئیچ و تغییر قطب ها در هنگام کار موتور موجب کاهش سرعت می شود. بخش های 1 و 3 در نمودار بالا، “بخشهای موتوری” نامیده می شوند زیرا که در این قسمتها موتور در هر جهتی شتاب می گیرد و جاییست که درایو غیر احیا کننده کنترل می کند. ربع های 2 و 4 موتور “بخش ترمز” محسوب می شوند که سرعت موتور در حال کاهش است و جاییکه درایو احیا کننده بهره می برد.
زمانیکه سرعت موتور مخالف گشتاور است، موتور به مولدی تبدیل می شود که جریان را به سمت منبع تغذیه سوق دهد (که ترمز احیا کننده نامیده می شود). این ویژگی باعث کاهش هدر رفتن انرژی می شود و می تواند منبع تغذیه را شارژ کند و به طور موثر راندمان موتور را افزایش دهد. شکل 3 نمودار مدار ساده برای هر ربع را نشان می دهد و اینکه چگونه ربع های 2 و 4 جریان را برای تولید انرژی دوباره به منبع تغذیه باز می گردانند:
هنگامیکه سرعت موتور کم می شود، Ea (ولتاژ تولید شده یا استفاده شده توسط موتور) از ولتاژ منبع تغذیه (Va) بیشتر است و جریان دوباره به منبع تغذیه باز می گردد. در حال حاضر ترمز احیا کننده در وسایل نقلیه برقی و کاربردهای دیگری که کارایی در آنها باید حداکثر باشد، وجود دارد. این روش نه تنها یک کنترلر موتور DC ایجاد می کند بلکه روشی هوشمندانه برای کاهش مصرف انرژی نیز می باشد.
کنترلر سرعت : مدولاسیون عرض پالس (PWM)
PWM که یک کنترلر موتور DC می باشد را می توان در انواع موتورها استفاده کرد. در اصل، مدارهای PWM با کاهش یا افزایش ولتاژ منبع تغذیه، سرعت موتور را تغییر می دهند. کنترلر درایو سرعت قابل تنظیم، پالس های دوره ای را به موتور ارسال می کند که در صورت ترکیب شدن با اثر smoothing ناشی از اندوکتانس سلف ، موجب می شود که موتور در صورتیکه با یک ولتاژ بالاتر یا پایین تر، شارژ شده باشد، عمل کند. به عنوان مثال، اگر به موتور 12 ولت، برای دو سوم هر دوره، سیگنال PWM که زیاد باشد (12 ولت) و برای باقی مانده دوره، ولتاژ پایین (0 ولت) داده شود، موتور در دو سوم دوره به خوبی عمل می کند.
بنابراین درصد کاهش ولتاژ یا PWM سرعت موتور را تغییر می دهد. PWM ارزان است و تقریباً امکان کنترل پیوسته سرعت موتور را فراهم می آورد. با استفاده همزمان PWM و H bridge می توان سرعت، جهت و کنترل ترمز را با هم کنترل کرد.
کنترلر آرمیچر : مقاومت متغیر
روش دیگر برای کنترل سرعت موتور DC ، تغییر جریان تغذیه شده از طریق سیم پیچ میدان یا آرمیچر است. هنگامیکه جریان از طریق سیم پیچ تغییر می کند، سرعت شافت خروجی تغییر خواهد کرد، زیرا سرعت آن متناسب با استحکام میدان مغناطیسی آرمیچر است. مقاومت های متغیر سریال به همراه این سیم پیچ ها می توانند برای تغییر جریان و در نتیجه سرعت استفاده شوند. کاربران می توانند با افزایش مقاومت آرمیچر ، سرعت را کاهش دهند یا با افزایش مقاومت استاتور (stator) سرعت را افزایش دهند. توجه داشته باشید که این روش باعث عدم کارآیی موتور می شود، زیرا افزایش مقاومت به معنای از دست دادن انرژی بیشتر در برابر گرما است و به همین دلیل است که اغلب از PWM به عنوان کنترلر موتور DC استفاده می شود.
معیارهای انتخاب کنترلر موتور DC
برای انتخاب نوع کنترلر موتور DC در پروژه مورد نظرتان، ابتدا باید به سوالات کلیدی زیر پاسخ دهید:
- دامنه ولتاژ نامی برای موتور مورد استفاده چقدر است و از چه بخش هایی از آن دامنه استفاده می کند؟
- کدام نوع کنترل مورد نظر (سرعت، گشتاور، جهت یا هر سه مورد) است؟
- می خواهید چه نوع موتوری کنترل شود؟
- کنترلر چه میزان جریان دائمی را می تواند تأمین کند و آیا با جریان دائمی موتور تحت بار مطابقت دارد؟
- آیا سیستم دارای محافظ حرارتی داخلی (زمانیکه جریان بیش از حد وارد موتور شود) است؟
- هنگام استفاده از درایوهای ریزپردازنده، روش کنترل (PWM ، R/C ، ولتاژ آنالوگ و غیره) چگونه خواهد بود؟ آیا نرم افزار لازم است؟
- آیا به یک کنترلر دو کاناله (یک کنترلر برای دو کاناله مستقل) نیاز دارید؟
با توجه به تعداد زیاد موتورهای DC ، کنترلرهای DC زیادی نیز با توجه به کاربرد آنها وجود دارد. بسته به نوع موتور مورد استفاده در برنامه های مختلف همچون رباتیک، کاربردهای نظامی، اتومبیل ها و غیره، کنترلر موتور DC مناسب آن با هزینه قابل قبول و دقت بالا در دسترس است.
