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在现代工业领域中，精密直流电机的速度控制是至关重要的。为了实现精确的调节和控制，电位器和数字模拟转换器（DAC）等技术被广泛应用。本文将深入探讨通过电位器或DAC进行精密直流电机速度控制的原理、方法和应用。 理想情况下，永磁直流电机的速度与输入电压完全成正比：Speed=KsV，其中常量Ks特定于所讨论的电机。然而，在现实世界中，由于受到包括机械阻力(摩擦)和电气阻力(绕组电阻=Rw)在内的各种阻力的影响，实际电机的行为与这个理想情况不同。 为了产生克服前者所需的转矩，电机就必须汲取电流(I)，这时，通过Rw的电流就会使有效驱动电压降低(-IRw)。因此，当电机受到内部或外部摩擦负载作用时，电流消耗就会增加，有效电压就会降低。于是，正如所预测的那样，它也就会变慢：Speed=Ks(V–IRw)减少(或消除)这种影响而使电机速度保持恒定(尽管摩擦负载不同)的一种方法是，通过检测电流I，向输入电压V添加一个比例补偿项来抵消Rw的影响，从而使：Speed=Ks(V–IRw+IRw)=KsV图1给出了一种简单的多功能电路，它完全可以做到这一点，而且还可以方便地将其中一个电机连接接地。以下是它的工作原理。 图1：抵消Rw的电机驱动。 轨到轨运算放大器A1用于对来自电位器R5 的速度设定值——从(0.99)Vdd到Vdd变化——与电机驱动电压Vs，即Q1通过100:1 R4/R3分压器反馈回路的输出进行比较，并相应地对Q1基极电流提供伺服驱动。因此，Vs可设置为从最小值零(R5完全逆时针)到最大值Vdd减去A1和Q1的饱和电压之和(完全顺时针)。Vdd的可用限值为3V至16V，与A1的TLV2371数据手册额定值相对应。Vdd和Q1的选择应与电机驱动(Vs和电流)要求相兼容。但是Rw抵消呢？反映在Q1集电极电流中的电机电流I由R1进行检测。考虑到抵消最终是通过R2实现微调的，对R1做出足够准确的估计，可以基于在电机轴保持静止时对Rw进行简单的万用表测量。典型的R1电阻(R1=Rw/50)将在毫欧姆范围内，这使得R1可以采用简单的曲折电路板走线来实现。这有个好处是，因为电路板走线是铜的，所以其温度系数类似于(同样是铜的)电机接线：约3930ppm/℃，这将能提高Rw抵消相对于温度的稳定性，前提是电机和R1处于相似的热环境中。请注意，这里并未将由于连接到Q1集电极而引起的R1 的电压降从最大电机驱动电压中减去，而是凑合着用了 Q1 的基极和集电极饱和电压之差 (否则就浪费了)。此外，R1所需的额定功率=Vdd2/Rw/50，由此所得IR1电压的倍数(由R2设置)则通过+40dB R4/R3反馈回路添加到Vs。对R2适当调整即可抵消Rw，最终得到独立于摩擦的恒定速度：Ks(V–IRw+IRw)=KsVR2调整可以通过多种方式完成。例如，可以定量测量电机速度(例如使用廉价的光学转速计)，其中在摩擦负载发生变化的同时，对R2调整以获得恒定速度。或者可以主观地通过耳朵(聆听旋转电机发出的呜呜声)来获得同样准确的结果——如果你能够识谱。因此，图1电路可以生成拨入式电机驱动电压并补偿绕组电阻，从而实现并保持精确稳定的设定速度。但该速度是由电位器动触点位置手动设置的。如果我们需要更自动化的电机控制源怎么办？图2这个由图1衍生的变体回答了这个问题，它用一个廉价的纹波消除PWM-DAC代替了电位计R5。 图2：Rw抵消电机驱动的PWM DAC控制。 三开关U1中的U1a用于将R7的逻辑电平PWM输入再生转换为U1b和U1c的方波输出。介于3V和5V之间的Vdd电压将通过R9直接传递到U1的引脚8(Vss)，而Vdd＞5V的情况则会导致并联稳压器U2启动，而将U1的Vdd-Vss限制在逻辑兼容的5V电压。U1b将生成一个同相PWM波形，用于通过R5、C3和R10网络实现低通平均而得到Vs的输出，而U1c则会根据设计实例“Cancel PWM DAC ripple with analog subtraction”中所描述的方案，通过R6C4生成一个适用于模拟减法纹波消除的交流耦合反相版本。 通过电位器或DAC进行精密直流电机速度控制的技术在工业自动化领域具有广泛的应用前景。随着科技的进步和创新的不断涌现，我们可以期待更多高效、可靠、精确的控制方案的出现，为各行各业提供更好的解决方案。无论是在制造业、交通运输领域还是家用电器等领域，精密直流电机速度控制将继续发挥重要作用，并为我们的生活和工作带来更多便利和效益。
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发表于 2023-12-1 10:01:27
