موتور DC

موتور DC

· توان مکانیکی آنها عموماً کمتر از موتورهای AC است.

· موتورهای DC ساختار ساده‌ای دارند.

·  بسیاری از اسباب بازیهای برقی با موتور DC کار می‌کنند.

·  آرمیچر بارزترین نوع موتور DC است.

·  اغلب برای استفاده از موتورDC  به مدار راه‌انداز نیاز داریم.

· برای چرخش یکنواخت موتور DC فقط کافیست تغذیه موتور با یک ولتاژ DC صاف (رگوله( مثل باطری تأمین شود.

·  ایراد موتور DC عدم امکان کنترل دقیق سرعت و چرخش موتور است. برای امتحان این موضوع کافیست تغذیه یک آرمیچر در حال چرخش را قطع کنید و مشاهده کنید که مدتی طول می کشد تا آرمیچر بطور کامل از حرکت باز ایستد.

·  قیمت پایین، تنوع قدرت و سرعت، از جمله مزایای استفاده از موتورهای DC می‌باشد.

 

امروزه موتورهای DC،

 به دلایل مختلف کاربرد فراوانی را در صنعت پیدا کرده‌اند. از جمله این دلایل می‌توان به راندمان بالای این موتورها (که حتی به بیش از 95 درصد نیز می‌رسد) و گشتاور راه‌اندازی بالا و سادگی کنترل آنها اشاره کرد. این موتورها غالبا در مصارف ویژه چ.ن راه‌اندازی قطارهای برقی، ماشینهای برقی و بطور کلی در راه‌اندازی بارهای سنگین مورد استفاده فراوانی دارد. در این پروژه نحوه کنترل دور موتورهای DC، تشریح معادلات حاکم بر این موتورها، چگونگی تغییر سرعت توسط تغییر ولتاژ آرمیچر، نحوه ایجاد ولتاژهای DC متغیر توسط یکسوسازهای مختلف (یکسوسازهای تریستوری و یکسوسازهای با کلید اشباع‌پذیر)، نحوه استفاده از کنترل‌کننده‌های مختلف برای کنترل دور موتور DC و نحوه بهینه‌سازی کنترل مورد بررسی قرار می‌گیرد. کلیه مراحل گفته شده در بالا شبیه‌سازی کامپیوتری و در نهایت با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می‌شود.

 

 

مقدمه :

هدف اصلی از انجام این پروژه آشنایی با شیوه های کنترل انواع موتورهای dc و اعمال انواع فرمان های کنترلی به انها توسط میکروکنترلرهایAVR  می باشد .

 

این پروژه در7 فصل شرح داده شده است .

در فصول 1 تا 5 سعی شده است که با توضیح یک سری اصول کلی در مورد تئوری کنترل موتور های dc و همچنین آشنایی با قطعات مورد استفاده در پروژه یک دید کلی در مورد پروژه حاصل شود . در فصل 6 به شرح مدار عملی پروژه پرداخته ایم . در فصل 7 هم به نتیجه گیری نهایی پرداخته ایم .در انتها هم 2 پیوست آورده شد است که در پیوست1 متن برنامه آورده شده و در پیوست2 دیتا شیت های مورد نیاز پروژه آورده شده است . در انتها هم منابع مورد استفاده در پروژه ذکر شده است .

 

 

فصل ۱ :

فرستنده گیرنده مادون قرمز :

یکی از روش های مستقیم اندازه گیری سرعت موتور استفاده از فرستنده گیرنده مادون قرمز است . از مزایای این روش این است که سنسور بر روی عملکرد عادی دستگاه تاثیر نمی گذارد . ( اندازه گیری غیر مخرب )

 

است که سنسور بر روی عملکرد عادی دستگاه تاثیر نمی گذارد . ( اندازه گیری غیر مخرب )

در صفحه بعد چند نمونه از این سنسور ها را مشاهده می کنید :

 

 

 

همانطور که مشاهده می شود شکل اکثر این سنسور ها مشهبه است و هر کدام دارای 4 پین می باشند . این سنسور ها از یک فرستنده و یک گیرنده مطابق شکل زیر تشکیل شده اند :

 

مدار داخلی این سنسورها تقریبا یکسان و به شکل زیر است :

 

 

همانطور که مشاهده می شود این سنسور شامل  دو قسمت فرستنده و گیرنده است . در صورتی که مانعی بین فرستنده و گیرنده موجود نباشد سیگنال فرستاده شده توسط گیرنده دریافت می شود و فتوترانسیستور که در قسمت گیرنده قرار دارد شروع به هدایت می کند .حال اگر این سنسور را بصورت زیر بایاس کنیم می توانیم به راحتی وجود مانعی بین فرستنده و گیرنده را همانطور که در پایین توضیح داده خواهد شد تشخیص داد .

 

 

 

اگر مدار را بصورت زیر بایاس کنیم :

 

                          

با توجه به اطلاعات موجود در datasheet این سنسور مقدار جریان حداکثر در قسمت فرستنده 20mA است بنابراین برای محدود شدن جریان در قسمت فرستنده یک مقاومت سری قرار داده ایم .حال اگر ولتاژ خروجی را پایه Emitter در نظر بگیریم در صورتی که مانعی بین قسمت فرستنده-گیرنده سنسور قرار گیرد در این صورت فتوترانسیستور هدایت نخواهد کرد بنابراین جریانی در قسمت فرستنده برقرار نخواهد شد و همان ولتاژ 0 زمین به پایه خروجی منتقل خواهد شد .ولی در صورتی که هیچ مانعی بین قسمت فرستنده-گیرنده سنسور قرار نداشته باشد فتوترانسیستور هدایت کرده و جریان برقرار شده و باعث می شود ولتاژی بر روی مقاومتی که بین Emitter و زمین قرار دارد بیفتد و بنابراین خروجی ولتاژی در حدود 2 تا 3 ولت را بسته به اندازه مقاومت حس خواهد کرد .به این ترتیب اگر ما به شفت یک موتور DC یک پره وصل کنیم و سپس موتور را برق دار کنیم و موتور را طوری قرار دهیم تا پره موتور از درون سنسور عبور کند در این صورت به ازای هر بار رد شدن پره از درون این سنسور یک پالس ایجاد می شود به این طریق که در ابتدا که پره از مقابل دید سنسور عبور نکرده است خروجی ولتاژی به عنوان مثال به اندازه 2 ولت دارد و هنگامی که پره در داخل سنسور قرار می گیرد این ولتاژ به 0 کاهش می یابد و دوباره در هنگام خارج شدن پره ولتاژ به 2 ولت افزایش می یابد بنابراین یک پالس منفی تولید می شود که می توان با شمردن تعداد این پالس ها در زمان معین سرعت موتور را اندازه گیری کرد .

                                   

 

فصل 2 :

پل H (H_Bridge) :

موتورهای DC معمولا توسط ترانسیستورها  با مداری مشهور به H_Bridge کنترل می شوند . این روش حداقل شامل 4 سویچ مکانیکی یا الکترونیکی ( ساخته شده از نیمه هادی ها ) می باشند .

 

 

 

در مدار فوق که نمونه ای از مدار H_Bridge است با بستن کلید های S2 وS3 ولتاژ Vin به طور معکوس بر روی موتور قرار می گیرد که موجب گردش موتور در خلاف جهت اولیه ( زمانی که کلید های S1 و S4 وصل بودند ) می شود . این مدار توسط نیمه هادی ها با استفاده از دو عنصر با پلاریته معکوس ساخته می شوند . برای مثال با تزانسیستورهای BJT,PNP  یا MOSFET,P کانال متصل به سطح ولتاژ بالا و ترانسیستورهای BJT,NPN یا MOSFET,N کانال .مدار پل H یکی از پر کاربرد ترین مدارات کنترل موتور DC است .در شکل زیر شمای بسیار ساده یک پل H نمایش داده شده است ( رله ای ) :

 

              

با توجه به شکل فوق با فعال شدن رله ها حالات مختلفی به وجود می اید که در جدول زیر نمایش داده شده است :

 

                                           

توجه :  بقیه حالات ممکن است باعث اتصال کوتاه شدن دو سر منبع تغذیه شود .

مشاهده می شود که به کمک این پل می توان به راحتی جهت چرخش موتور را تغییر داد .

 در شکل زیر یک مدار پل H به وسیله ترانسیستور  نمایش داده شده است :

                           

پس ما به راحتی توانستیم جهت چرخش را کنترل کنیم .اما هدف ما کنترل سرعت یا موقعیت موتور DC است .با توجه به معادلات موتور DC داریم ( میدان ثابت فرض شده است )  :

                                              

که در ان به ترتیب داریم :

 

           

پس سرعت موتور DC را می توان با تغییر ولتاژ دو سر ان و گشتاور ان را می توان توسط جریان موتور کنترل کرد .یکی از روش های کنترل سرعت موتور استفاده از (Pulse Width Modulation ) یا همان PWM می باشد . البته روش های دیگری هم وجود دارد که مزیت این روش در کاهش تلفات حرارتی است .PWM صورت های مختلفی دارد که ما در اینجا به نوع فرکانس ثابت ان می پردازیم . در این روش یک موج مربعی با فرکانس ثابت داریم که در ان نسبت یک و صفر بودن قابل تنظیم است .

             

 با تغییر نسبت یک به صفر در سیگنال PWM توان متوسطی که به موتور می رسد تغییر می کند . در نتیجه سرعت چرخش موتور نیز تغییر خواهد کرد .

حال اگر سیگنال PWM را به پل H ( ترمینال های A,B,C,D ) اعمال کنیم علاوه بر کنترل جهت حرکت می توانیم سرعت موتور را نیز به کمک این پل کنترل کنیم . ای سی های کوچکی مانند L293d,L298 همین پل H هستند . البته نمونه های جدید تری هم موجود است که می توان بر حسب نوع موتور و یا جریان مورد نیاز از انها استفاده کرد ولی اساس کار همه یکی است .

بلوک دیاگرام ای سی L298 در شکل زیر نمایش داده شده است :

 

همانطور که می بینید این ای سی شامل 2 پل H است که دارای 4 پین خروجی ,4 پین ورودی , 2 پین Enable , 2 پین Sense , پین های تغذیه و زمین است .

پین های خروجی مربوط به ترمینال های موتور می باشند,  به کمک پین های ورودی می توان جهت چرخش را مشخص کرد و در عین حال سیگنال های PWM را برای کنترل توان به انها اعمال کرد .توسط پین های Enable می توان ورودی ها را فعال یا غیر فعال کرد ( توجه کنید که می توان سیگنال PWM را به این پین اعمال کرد ) پین های Sense هم برای محدود کردن جریان بار مورد استفاده قرار می گیرد .بنابراین به راحتی می توان به کمک یکی از این چیپ ها یک یا دو موتور DC را کنترل کرد . برای این کار کافیست که ابتدا توسط پین های ورودی یکی از پل ها جهت را مشخص کرد و سپس سیگنال PWM را به پین Enable همان پل اعمال کرد . 

 

فصل 3 :

PWM :

     این کلمه مخفف Pulse Width Modulation به معنای مدولاسیون پهنای پالس می باشد . یا به عبارتی دیگر یعنی با تغییراتی در پهنای پالس توان و یا مقدار متوسط سیگنال را تغییر می دهیم .

یکی از کاربرد های موج PWM کنترل دور موتورهای DC می باشد . از موارد دیگر می توان به کاربرد ان در مخابرات و تنظیم ولتاژ و پخش توان اشاره کرد .

قدرت انتقالی به یک موتور DC وابسته به ولتاژ DC یا همان ولتاژ متوسطی است که به ان اعمال می کنیم . بنابراین هرچه ولتاژمتوسط اعمالی به موتور DC  را افزایش دهیم سرعت موتور به ازای بار ثابت بیشتر خواهد شد و بالعکس .

در نتیجه اگر بتوانیم به طریقی مقذار متوسط ولتاژ اعمالی به موتور DC را تغییر دهیم و در کنترل خود داشته باشیم می توانیم سرعت موتور را کنترل کنیم .

اصل و مبنای PWM مدوله کردن پهنای پالس و در نتیجه تغییر مقدار متوسط ولتاژ موج است .

در صورتی که موج مربعی را بصورت زیر در نظر بگیریم :

 

می دانیم :

                                                            

در موج فوق :

                

در روابط بالا  y  مقدار متوسط سیگنال می باشد . و پارامتر D مثبت و کوچکتر از یک می باشد .

برای تولید PWMروش های گوناگونی وجود دارد .یکی از ساده ترین این روش ها استفاده از میکروکنترلرهای مختلف نظیر PIC,AVR و... می باشد . در اکثر میکروکنترلرهای امروزی امکان تولید سیگنال PWM در مود های مختلف وجود دارد . معمولا این میکروکنترلرها دارای شمارنده ای می باشند که پس از زمان معینی سطح ولتاژ خروجی را تغییر می دهند . در زیر به اختصار چگونگی تولید سیگنال PWM را توسط ای سی AVR (atmega16) توضیح می دهیم .

        پس ازاجرای برنامه CodeVision و ایجاد یک پروژه جدید به قسمت تنظیمات تایمر برنامه می رویم .