펄스 폭 변조

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펄스 폭 변조

DC 모터의 속도를 제어하는 ​​방법에는 여러 가지가 있지만 매우 간단하고 쉬운 방법 중 하나는 펄스 폭 변조를 사용하는 것입니다.

그러나 "펄스 폭 변조"의 자세한 내용을 살펴보기 전에 DC 모터의 작동 방식에 대해 조금 더 이해해야 합니다.

스테퍼 모터 다음으로 영구자석 DC 모터(PMDC)는 쉽게 제어할 수 있는 지속적인 회전 속도를 생성할 수 있는 소형 직류 모터 중 가장 일반적으로 사용되는 유형입니다. 소형 DC 모터는 소형 장난감, 모형, 로봇 및 기타 전자 회로와 같이 속도 제어가 필요한 응용 분야에 사용하기에 이상적입니다.

DC 모터는 기본적으로 "고정자"라고 불리는 모터의 고정 몸체와 "로터"라고 불리는 움직임을 생성하는 회전하는 내부 부분의 두 부분으로 구성됩니다. DC 기계의 경우 로터를 일반적으로 "전기자"라고 합니다.

일반적으로 소형 경량 DC 모터에서 고정자는 모터 내부에 균일하고 고정된 자속을 생성하는 한 쌍의 고정 영구 자석으로 구성되어 이러한 유형의 모터에 "영구 자석 직류"(PMDC) 모터라는 이름을 부여합니다.

 

모터 전기자는 금속 본체 주위에 원형 구성으로 함께 연결된 개별 전기 코일로 구성되어 북극, 남극, 북극 등의 필드 시스템 구성 유형을 생성합니다.

이러한 회전자 코일 내에 흐르는 전류는 필요한 전자기장을 생성합니다. 전기자 권선에 의해 생성된 원형 자기장은 그림과 같이 모터 중심 축을 중심으로 회전 운동을 생성하는 고정자의 영구 자석에 의해 반발되거나 끌어당겨지는 전기자 주위에 북극과 남극을 모두 생성합니다.

2극 영구자석 모터

전기자가 회전함에 따라 전류는 정류자 주위에 위치한 카본 브러시를 통해 모터 단자에서 다음 전기자 권선 세트로 전달되어 또 다른 자기장을 생성하고 전기자가 회전할 때마다 새로운 전기자 권선 세트에 전원이 공급되어 전기자가 더 많이 회전하도록 합니다. 그리고 기타 등등.

따라서 DC 모터의 회전 속도는 두 자기장 사이의 상호 작용에 따라 달라집니다. 하나는 고정자의 고정 영구 자석에 의해 설정되고 다른 하나는 전기자 회전 전자석에 의해 설정되며 이러한 상호 작용을 제어하여 회전 속도를 제어할 수 있습니다.

고정자의 영구 자석에 의해 생성된 자기장은 고정되어 있으므로 변경할 수 없습니다. 그러나 권선을 통해 흐르는 전류를 제어하여 전기자의 전자기장의 강도를 변경하면 자속이 다소 강해지거나 약해집니다. 상호 작용에 따라 속도가 빨라지거나 느려집니다.

그런 다음 DC 모터의 회전 속도( N )는 모터의 역기전력( V b )을 자속(영구 자석의 경우 상수임)과 전기자의 특성에 따라 전자기계 상수를 곱한 값으로 나눈 값에 비례합니다. 권선( K e )은 N ∝ V/K e Φ 방정식을 제공합니다 .

그렇다면 모터를 통한 전류 흐름을 어떻게 제어합니까? 많은 사람들이 그림과 같이 모터와 직렬로 연결된 대형 가변 저항기(Rheostat)를 사용하여 DC 모터의 속도를 제어하려고 시도합니다.

Scalextric 슬롯카 경주와 마찬가지로 이것이 효과가 있을 수도 있지만 저항에서 많은 열과 전력 낭비가 발생합니다. 모터 속도를 제어하는 ​​간단하고 쉬운 방법 중 하나는 모터 단자의 전압 양을 조절하는 것이며 이는 " 펄스 폭 변조 " 또는 PWM을 사용하여 달성할 수 있습니다.

이름에서 알 수 있듯이 펄스 폭 변조 속도 제어는 일련의 "ON-OFF" 펄스로 모터를 구동하고 출력 전압이 "OFF일 때와 비교하여 "ON"인 시간의 비율인 듀티 사이클을 변경함으로써 작동합니다. ”, 주파수를 일정하게 유지하면서 펄스를 발생시킵니다.

모터에 인가되는 전력은 인가되는 펄스의 폭을 변화시켜 모터 단자에 인가되는 평균 DC 전압을 변화시킴으로써 제어될 수 있습니다. 이러한 펄스의 타이밍을 변경하거나 변조함으로써 모터의 속도를 제어할 수 있습니다. 즉, 펄스가 "ON" 상태로 길어질수록 모터는 더 빠르게 회전하고, 마찬가지로 펄스가 "ON" 상태로 짧아질수록 모터는 느려집니다. 회전하게 됩니다.

즉, 펄스 폭이 넓을수록 모터 단자에 인가되는 평균 전압이 커질수록 전기자 권선 내부의 자속이 강해지고 모터가 더 빠르게 회전하게 되며 이는 아래 그림과 같습니다.

 

펄스 폭 변조 파형

소형 모터를 제어하기 위해 펄스 폭 변조를 사용하면 트랜지스터가 완전히 "ON"이거나 완전히 "OFF" 상태이므로 스위칭 트랜지스터의 전력 손실이 작다는 장점이 있습니다. 결과적으로 스위칭 트랜지스터는 전력 소모가 훨씬 줄어들어 선형 유형의 제어가 가능해 속도 안정성이 향상됩니다.

또한 모터 전압의 진폭은 일정하게 유지되므로 모터는 항상 최대 강도를 유지합니다. 그 결과 모터는 정지하지 않고 훨씬 더 천천히 회전할 수 있습니다. 그렇다면 모터를 제어하기 위해 펄스 폭 변조 신호를 어떻게 생성할 수 있습니까 ? 아래와 같이 Astable 555 발진기 회로를 사용하십시오 .

익숙한 NE555 또는 7555 타이머 칩을 기반으로 하는 이 간단한 회로는 고정 주파수 출력에서 ​​필요한 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 데 사용됩니다. 타이밍 커패시터 C 는 555 타이머 튜토리얼에서 살펴본 것처럼 타이밍 네트워크 R A 및 R B를 통해 흐르는 전류에 의해 충전 및 방전됩니다.

555의 핀 3의 출력 신호는 트랜지스터를 완전히 "ON"으로 전환하는 공급 전압과 동일합니다. C가 충전 또는 방전되는 데 걸리는 시간은 R A , R B 값에 따라 달라집니다 .

커패시터는 네트워크 R A 를 통해 충전되지만 저항성 네트워크 R B 주변 과 다이오드 D 1 을 통해 전환됩니다 . 커패시터가 충전되자마자 다이오드 D 2 및 네트워크 RB 를 통해 핀 7로 즉시 방전됩니다. 방전 프로세스 동안 핀 3의 출력은 0V이고 트랜지스터는 "OFF"로 전환됩니다.

그러면 커패시터 C 가 하나의 완전한 충전-방전 사이클을 거치는 데 걸리는 시간은 R A , R B 및 C 값에 따라 달라지며, 하나의 완전한 사이클에 대한 시간 T는 다음과 같이 제공됩니다.

출력이 "ON"되는 시간 T H 는 다음과 같습니다. T H  = 0.693(RA ) .C

출력이 "OFF"되는 시간 T L 은 다음과 같습니다. T L = 0.693(R B ).C

총 "ON"-"OFF" 사이클 시간은 다음과 같습니다:   T = T H + T L   , 출력 주파수 f = 1/T

표시된 구성 요소 값을 통해 파형의 듀티 사이클은 6.0V 전원 공급 장치를 사용하여 약 8.3%(0.5V)에서 약 91.7%(5.5V)까지 조정할 수 있습니다. 불안정한 주파수는 약 256Hz로 일정하며 모터는 이 속도에서 "ON" 및 "OFF"로 전환됩니다.

저항기 R 1 과 전위차계의 "상단" 부분인 VR 1 은 R A 의 저항 네트워크를 나타냅니다 . 전위차계의 "하단" 부분에 R 2를 더한 부분은 위 R B 의 저항성 네트워크를 나타냅니다 .

이 값은 다양한 응용 분야 및 DC 모터에 맞게 변경할 수 있지만 555 Astable 회로가 최소 수백 헤르츠에서 충분히 빠르게 실행된다면 모터 회전에 갑작스러운 현상이 없어야 합니다.

다이오드 D 3은 모터의 유도 부하로부터 전자 회로를 보호하는 데 사용되는 플라이휠 다이오드로서 우리가 가장 좋아하는 것입니다. 또한 모터 부하가 높으면 스위칭 트랜지스터나 MOSFET에 방열판을 설치하십시오.

펄스 폭 변조는 낭비되는 전력을 낭비하지 않고 부하에 전달되는 전력량을 제어하는 ​​훌륭한 방법입니다. 위의 회로는 팬 속도를 제어하거나 DC 램프 또는 LED의 밝기를 낮추는 데에도 사용할 수 있습니다. 이를 제어해야 하는 경우 펄스 폭 변조를 사용하여 제어하십시오.