В идеале (в той волшебной стране, где теория и практика – одно и то же) скорость S двигателя постоянного тока с постоянными магнитами точно пропорциональна входному напряжению: S = KSV, где константа KS специфична для рассматриваемого двигателя. Но поскольку в практическом мире рядом с нами существуют реальные двигатели, их поведение отличается от этого теоретического идеала, в основном потому, что настоящие моторы имеют сопротивление – механическое, обусловленное трением, и электрическое сопротивление обмотки RW. Чтобы создать крутящий момент, необходимый для преодоления первого сопротивления, двигатели должны потреблять ток (I), и когда это происходит, ток, проходящий через RW, уменьшает эффективное управляющее напряжение (–IRW). Следовательно, когда двигатель нагружается внутренним и/или внешним трением, потребление тока увеличивается, а эффективное напряжение уменьшается, что выражается следующей формулой:
S = KS(V – I•RW).
Одним из способов уменьшить (или устранить) этот эффект и сделать скорость двигателя постоянной, независимо от изменения нагрузки, создаваемой силами трения, является активная компенсация RW путем измерения тока I и добавления пропорционального компенсирующего члена к V, в результате чего:
S = KS(V – I•RW + I•RW) = KSV.
На Рисунке 1 представлена простая универсальная схема, которая делает именно это, плюс предоставляет удобство подключения к земле одного из выводов двигателя. Вот как это работает.
 |
|
| Рисунок 1. | Компенсация сопротивления обмотки двигателя. |
Rail-to-rail операционный усилитель A1 сравнивает заданное потенциометром R5 напряжение уставки скорости, изменяющееся от (0.99)VDD до VDD, с управляющим напряжением двигателя VS, которое выводится транзистором Q1 через делитель 100:1 напряжения обратной связи (R4/R3) и, соответственно, управляет током базы Q1. Таким образом, напряжение VS можно установить от минимального нулевого значения (потенциометр R5 полностью вывернут против часовой стрелки) до максимального значения VDD минус сумма напряжений насыщения A1 и Q1 (потенциометр вывернут по часовой стрелке). Реально используемый диапазон напряжений VDD составляет от 3 В до 16 В, что соответствует допустимым значениям, указанным в техническом описании усилителя TLV271. VDD и Q1 следует выбирать из соображений совместимости с требованиями, предъявляемыми к двигателю (напряжение VS и ток).
А как же компенсация RW?
Ток двигателя I, отраженный в токе коллектора транзистора Q1, измеряется резистором R1. Учитывая, что компенсация, в конечном счете, точно настраивается с помощью потенциометра R2, достаточно точная оценка для значения R1 может быть основана на простом измерении мультиметром сопротивления RW при неподвижном вале двигателя. Типичные сопротивления R1 (R1 = RW/50) будут находиться в диапазоне миллиом, что делает возможной реализацию R1 с помощью простого меандра, нарисованного дорожкой на печатной плате. Это хорошо, потому что дорожка, будучи медной, будет иметь температурный коэффициент, аналогичный (также медному) проводу двигателя: ~3930 ppm/°C, что улучшит температурную стабильность компенсации RW, при условии, что двигатель и резистор R1 находятся в аналогичных тепловых условиях. Обратите внимание, что падение напряжения на резисторе R1 из-за его соединения с коллектором Q1 не вычитается из максимального напряжения управления двигателем, а вместо этого компенсируется (или же теряется) разностью между напряжением базы Q1 и напряжением насыщения коллектора. Заметьте также, что номинальная мощность, которую должен рассеивать резистор R1, равна VDD2/RW/50, а величина, кратная падению напряжения I•R1, (в соответствии с положением R2) добавляется к VS через петлю обратной связи R4/R3 глубиной +40 дБ.
Таким образом, правильная регулировка R2 для компенсации RW и установки постоянной скорости, независимой от трения, приведет к нужному результату (волшебному?):
KS(V – I•RW + I•RW) = KSV.
Регулировку R2 можно выполнять различными способами. Например, скорость двигателя можно измерять количественно (скажем, с помощью недорогого оптического тахометра), где R2 настраивается на постоянную скорость, независящую от изменений нагрузки, создаваемой трением. Или для получения столь же точного результата это можно делать субъективно (на слух, прислушиваясь к высоте звука вращающегося мотора); но для этого вы должны уметь читать ноты.
Итак, схема на Рисунке 1 может вырабатывать заданное напряжение управления двигателем и компенсировать сопротивление его обмотки, тем самым, развивая и поддерживая точную и стабильную заданную скорость. Но эта скорость устанавливается вручную положением движка потенциометра. А что, если нам понадобится более автоматизированный способ управления двигателем?
Рисунок 2 отвечает на этот вопрос вариантом Рисунка 1, в котором потенциометр R5 заменен на недорогой ШИМ ЦАП с подавлением пульсаций.
 |
|
| Рисунок 2. | Управление компенсацией сопротивления обмотки двигателя с помощью ШИМ ЦАП. |
Элемент U1a строенного коммутатора U1 регенеративно преобразует логические уровни входного сигнала ШИМ на резисторе R7 в прямоугольные импульсы для элементов U1b и U1c. Напряжение VDD в диапазоне от 3 до 5 В проходит непосредственно на вывод 8 микросхемы U1 (VSS) через резистор R9, в то время как напряжение VDD, превышающее 5 В, вызывает включение шунтового стабилизатора U2, ограничивая напряжение VDD – VSS U1 до уровней 5-вольтовой логики.
Коммутатор U1b формирует неинвертированный сигнал ШИМ для усреднения низкочастотным фильтром R5, C3 и R10 и получения напряжения VS, в то время как U1c выдает связанную по переменному току инвертированную версию, подходящую для подавления пульсаций путем аналогового вычитания посредством R6C4 по схеме, описанной в [1].
