Controllo velocità motore in DC

Il controllo di velocità di un motore in corrente continua (CC o DC - Direct Current) può essere fatto con diverse tecniche e con, o senza, retroazione per la regolazione di velocità.

Uno dei metodi più semplici è l'uso della modulazione a larghezza di impulsi (PWM), un facile progetto PWM  a cura di IW2FND è presente su questo sito. Non implementa retroazione per il controllo effettivo del carico.

Nel caso di utenze resistive, come una lampadina o un LED, funziona egregiamente regolando il valore medio della tensione applicata al carico, ma nel caso di motori a corrente continua non sempre risulta adatto allo scopo.

Il PWM non fornisce una tensione in CC ma, nei migliori dei casi, una onda quadra con duty cycle variabile. Il PWM commuta l'alimentazione al carico spegnendola e accendendola con un rapporto accensione/spegnimento che varia in funzione della tensione media che si vuole applicare al carico.
Duty Cycle

La tensione media sul carico è in relazione al duty cycle definito come il rapporto fra il tempo di ON e il periodo T. Normalmente varia Ton, mentre T è fisso e definisce la frequenza di funzionamento del PWM pari a f= 1/T. Con questa notazione la tensione media sul carico è Vm=Vcc*TON/T. Nell'esempio di figura se Vcc=12V con un duty cycle del 75% si avrà Vm=12*0,75=9V

Il motore in DC è un carico che si presenta induttivo, resistivo e si comporta anche come generatore.
Con una alimentazione in corrente continua la componente induttiva da luogo a un transitorio all'atto della alimentazione del circuito poi, la corrente si stabilizza ad un valore che è in relazione al tipo di motore e del carico meccanico al quale è sottoposto. La corrente è strettamente legata alla copia meccanica fornita dal motore.

In un carico induttivo, come quello di un motore, la corrente non può cambiare rapidamente e, se i tempi di commutazione del PWM non sono sufficientemente 'larghi', la corrente non raggiunge il valore massimo e neppure la coppia erogata dal motore. Non resta che ridurre la frequenza del segnale modulato in PWM per aumentare il tempo di ON a parità di duty cycle, anche se non sempre può bastare. C'è da notare che ridurre eccessivamente la frequenza porta a generazione di rumore del motore e a diversi altri inconvenienti.

Driver via MosfetApplicando un maggiore dettaglio, il motore può essere rappresentato da una induttanza, con in serie una resistenza e un generatore.
L'induttanza è dovuta agli avvolgimenti del motore stesso, e si può considerare una costante del motore, così pure la resistenza, dovuta alla resistenza elettrica del filo degli avvolgimenti. Il generatore è il motore stesso che origina una forza controelettromotrice VBfem il cui valore dipende, dalla velocità di rotazione del motore; nulla di strano se si ricorda che un motore in CC è un macchina reversibile che si comporta da dinamo se fatto ruotare.

 

 

Forme d'ondaPer capire meglio il concetto si può analizzare in dettaglio le forme d'onda di un PWM. Il controllo di potenza è delegato ad in transistore o ad un mosfet che operano come un interruttore che, al momento, si può pensare ideale.

Durante la fase di OFF (interruttore aperto) non circola corrente sul carico, il motore continua a ruotare per inerzia, si comporta come dinamo, e presenta ai suoi capi una tensione che è la forza controelettromotrice citata. Alla fase di ON (interruttore chiuso) la tensione del motore raggiunge una tensione pari a quella della alimentazione. La corrente non sale immediatamente, ma in rispetto alla costante di tempo costituita dalla induttanza e dalla resistenza del motore. Se il tempo di permanenza nello stato di ON non è sufficientemente lungo, la corrente non raggiunge il suo massimo come neppure la coppia erogata e la velocità del motore  certamente ne risente.

Nella successiva commutazione il circuito torna aperto (OFF), l'energia immagazzinata sulla induttanza si dissipa portando in conduzione il diodo in parallelo. Questo da luogo ad in un impulso, che nella figura è indicato con Vd, la cui durata aumenta all'aumentare dell'energia immagazzinata nell'induttore.

La corrente massima NON è data dal rapporto Vcc/R, ma dal rapporto (Vcc-Vbfem)/R. Se si pensa ad un caso ideale, con motore senza perdite e senza carico meccanico, la corrente assorbita è nulla, come pure la potenza. In questo caso ideale la VBfem eguaglia la tensione di alimentazione.

La figura riporta le tensioni misurate su un motore reale di circa 50W (tipo motori per tergicristallo, spesso usati in ambito hobbistico), presenta una induttanza di 3,7 mH e 4 Ω.
Vg è il segnale che pilota il gate del mosfet, Vrs è la corrente misurata su una resistenza da 0,22 Ω.

La costante di tempo τ=L/R=0.925 mS ~1 mS.
Per avere il massimo di corrente sul motore serviranno almeno 5-6 mS, che è il tempo di ON minimo per garantire una coppia ragionevole. Se si vuole regolare il duty cycle dal 10% al 100% la frequenza del PWM (PWM a frequenza fissa) sarà di f=1/50 = 20 Hz, veramente molto bassa (troppo).

Motori più piccoli presentano induttanze anche più elevate, ma con resistenze molto più elevate, la costante di tempo scende sensibilmente, consentendo frequenze di PWM più alte e regolazioni più ampie e frequenze PWM più alte.

L'induttanza è la resistenza possono essere misurate con strumenti classici, tipo LCR meter assumendo una media di diverse letture dopo aver fatto ruotere il rotore. La resistenza può anche essere calcolata dal rapporto tensione/corrente a motore bloccato (VBfem=0): è bene alimentare il motore ad una tensione bassa, rispetto quella nominale, per evitare guai. I valori a volte sono forniti dal costruttore specie se il motore è destinato ad applicazioni con controlli di velocità.

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