一個(gè)奇特的電機(jī)恒速控制電路

01 恒速電路

一、前言

在網(wǎng)絡(luò)上看到有人分享了一個(gè)直流電機(jī)控制電路。這個(gè)電路可以對(duì)電機(jī)負(fù)載增加有一定的速度補(bǔ)償能力。

視頻中給出了電路的原理圖。說(shuō)實(shí)在的，第一次看到這個(gè)電路，對(duì)于它的負(fù)載補(bǔ)償機(jī)制還不是很理解，下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試一下。

▲ 圖1 調(diào)速電機(jī)電路

二、電路設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的資料，使用兩個(gè) LM311 替代原來(lái)的雙比較器。使用 7809 ?將工作電壓12V 穩(wěn)壓到9V。這樣可以確保振蕩信號(hào)穩(wěn)定。不會(huì)受到功率電路的影響?？刂齐姍C(jī)使用 N 溝道MOS 管。

▲ 圖1.1.1 電路原理圖

??電路中的MOS管的型號(hào)為 RFS4010，這是英飛凌公司的MOS管，耐壓 100V，導(dǎo)通電阻4.7毫歐，這是之前實(shí)驗(yàn)中拆機(jī)所剩下來(lái)的功率MOS管。

AUIRFS4010 Datasheet[2]

為了便于使用一分鐘制版方法，鋪設(shè)了單面電路板。其中包括有兩個(gè)飛線。

經(jīng)過(guò)一分鐘制版，得到了一塊實(shí)驗(yàn)電路板。對(duì)電路板進(jìn)行檢查，非常完美。下面對(duì)其進(jìn)行焊接測(cè)試。

焊接電路板。經(jīng)過(guò)清洗，檢查、補(bǔ)焊，下面進(jìn)行上電調(diào)試。

三、調(diào)試電路板

為了方便后面的實(shí)驗(yàn)，給電機(jī)和電路板焊接外部引線。通過(guò)外部的面包板，提供電路工作電源，連接外部的電機(jī)和電位器。萬(wàn)事俱備只欠東風(fēng)，接下來(lái)對(duì)其進(jìn)行上電測(cè)試。

給電路板施加12V工作電壓，靜態(tài)電流大約37mA，7809 輸出電壓大約為 8.89V。測(cè)量第一個(gè)比較器，也就是振蕩器的輸出電壓，兩個(gè)輸入端的電壓波形。黃色波形為負(fù)輸入端信號(hào)，紫色為正輸入端信號(hào)，藍(lán)色為輸出電壓信號(hào)。信號(hào)的頻率大約為 1kHz。

▲ 圖1.2.1 振蕩器的典型波形

四、測(cè)試結(jié)果

實(shí)際上，第一個(gè)比較器只是負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)三角波，提供給第二個(gè)比較器產(chǎn)生 PWM 波形，控制功率管的導(dǎo)通和截止。對(duì)應(yīng)的占空比是由 C2 上的充放電決定的。通過(guò)外部的可調(diào)電位器和R6 對(duì)C2進(jìn)行放電。電源通過(guò) R8給 C2充電，由于這個(gè)充電過(guò)程經(jīng)過(guò)比較器和功率管形成負(fù)反饋，因此最終達(dá)到一個(gè)平衡。至于為什么電機(jī)能夠轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，下面先看一下具體的測(cè)量結(jié)果。

使用示波器查看實(shí)際電路中的信號(hào)波形，采用一個(gè)霍爾電流傳感器，測(cè)量電機(jī)中的電流。這是所測(cè)量到的信號(hào)波形。最上面是第二個(gè)比較器負(fù)輸入端三角電壓波形。下面是電機(jī)線圈電流。接下來(lái)兩個(gè)分別是MOS管的漏極和柵極電壓波形。他們呈現(xiàn)反相特點(diǎn)。請(qǐng)大家注意，在MOS管截止時(shí)，電機(jī)中的電流通過(guò)二極管續(xù)流，這是續(xù)流所產(chǎn)生的電壓。這在后面應(yīng)該是起到電流負(fù)反饋的作用。

▲ 圖1.2.2 電路中信號(hào)波形

??測(cè)試調(diào)節(jié)放電電位器的功能，可以看到 PWM 占空比隨著電阻的改變會(huì)發(fā)生變化，近而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這驗(yàn)證了電路中電阻的控制功能。通過(guò)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸施加阻力，可以看到電機(jī)電流以及PWM 占空比都會(huì)發(fā)生變化。這一點(diǎn)驗(yàn)證了該電路的確有轉(zhuǎn)速補(bǔ)償功能。也就是當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)增加驅(qū)動(dòng)占空比來(lái)提高電機(jī)電壓。猜測(cè)，這是由于電機(jī)電流增加，使得續(xù)流時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而提高了MOS管漏極電壓，從而使得PWM的占空比增加。

最后，測(cè)試一下改變電源工作電壓對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。可以看到，隨著工作電壓的增加，PWM的占空比跟隨上升。電源電壓的升高，使得驅(qū)動(dòng)MOS的PWM波形占空比提升，這使得電機(jī)轉(zhuǎn)速上升更快。這說(shuō)明這個(gè)這個(gè)電路對(duì)于工作電壓的波動(dòng)不僅沒(méi)有負(fù)反饋進(jìn)行補(bǔ)償，反而會(huì)使得電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)更大。通過(guò)初步測(cè)試，可以看到這個(gè)電路能夠?qū)τ谪?fù)載的增加進(jìn)行補(bǔ)償，但是對(duì)于電壓波動(dòng)反而使得情況更糟。

▲ 圖1.3.2 電壓變化對(duì)于波形的影響

※ 總??結(jié) ※

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了一款電機(jī)恒速控制電路，該電路通過(guò)可調(diào)電阻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠自動(dòng)補(bǔ)償電機(jī)負(fù)載增加所帶來(lái)的速度下降。但是對(duì)于工作電源波動(dòng)的影響，反而更糟。之后再進(jìn)行理論分析。

參考資料

[1]恒速電機(jī)調(diào)速電路: https://www.toutiao.com/video/7285380205495976463/?log_from=528098324330b_1697379159139

[2]AUIRFS4010 Datasheet: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AUIRFS4010-DS-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355b6a9e114c3