Wie begrenze ich meinen Motorstrom, während ich den Spannungsabfall darüber aufrechterhalte?

Ich versuche, mein Wissen über die Arbeit mit Gleichstrommotoren zu erweitern, indem ich einen IRF510-MOSFET zum Ein- und Ausschalten eines Motors verwende. Bitte beachten Sie das Schema unten, um zu sehen, wie ich alles angeschlossen habe.

S 1 = Jumper, auf den ich die Gate-Spannung umgeschaltet habe 0 oder 5 v
R P = Pulldown-Widerstand ( 9.85 k Ω , gemessen)
R M = Widerstand des Elektromotors ( 1 Ω , gemessen)
ich D S = Drainstrom ( ≈ 750 m EIN , gemessen)
R D S = Drain-Source-Widerstand, wenn MOSFET eingeschaltet ist ( 0,6 Ω , von v D S / ich D S )
v B EIN T T , Ö p e n = Leerlaufspannung der 9V Batterie ( 8.68 v )

Schema

Das erste, was mich in eine Schleife versetzte, war, als die Batteriespannung nach dem Schließen des Schalters abfiel. Ich habe noch ein paar Messungen gemacht, um zu verstehen, was los ist:

v B EIN T T , c l Ö s e d = Batteriespannung wann S 1 ist geschlossen ( 3.11 v , gemessen)
v M = Motorspannung ( 2.57 v , gemessen)
v D S = Drain-Source-Spannung ( 0,54 v , gemessen)

Nach einiger Recherche stellte ich fest, dass der Spannungsabfall auf den Innenwiderstand der Batterie zurückzuführen war. Folgendes konnte ich nach einigen weiteren Berechnungen herausfinden:

v R ich = Spannung über R ich ( 5.11 v , von v B EIN T T , Ö p e n − v B EIN T T , c l Ö s e d )
R ich = Innenwiderstand der Batterie ( 2,87 Ω , vom Spannungsteiler)

Mein Bauchgefühl sagt mir, dass ich einen Spannungsteiler verwenden soll, um die Spannung am Motor aufrechtzuerhalten. Ich möchte dies tun, weil mein Motor für den Betrieb zwischen 5 V und 9 V ausgelegt ist. Ich möchte auch einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe schalten, um zu verhindern, dass der Strom so hoch wird, dass er meinen Stromkreis durchbrennt und meine Batterie entleert. Im Idealfall kann ich das Gewünschte erreichen v M wenn ich einen Widerstand parallel zum Motor hinzufüge ( R P ) so dass der äquivalente Widerstand des Motors und seiner R P ( R E Q ) ist viel größer als R ich + R D S . Allerdings seit R M = 1 Ω , der beste äquivalente Widerstand, den ich erreichen kann, ist a p p r Ö x 1 Ω , womit ich wieder genau dort bin, wo ich angefangen habe. Darüber hinaus übernimmt der Reihenstrombegrenzungswiderstand den Löwenanteil des Spannungsabfalls und raubt damit dem Motor die benötigte Spannung.

Wie kann ich den gewünschten Spannungsabfall erreichen und den Strom begrenzen? Jede Hilfe wäre sehr willkommen. Dies ist das erste Mal, dass ich auf StackExchange gepostet habe, also entschuldige ich mich, falls ich gegen ein Protokoll verstoßen habe.

R P ist die falsche Seite von S1. Sie benötigen es, um die Gate-Ladung zu entladen, wenn S1 öffnet. Sie können keine 3/4 A aus einer 9-V-Batterie im PP3-Stil erhalten. +1 für gute Details und einen Schaltplan in Ihrem ersten Beitrag.
Sehr gut präsentiert, +1. Ich hoffe, Ihre Kollegen wissen es zu schätzen, wie gut Sie Ihre Fakten präsentieren. Wie andere gesagt haben, sieht es so aus, als ob die Stromversorgung eine Batterie mit geringer Kapazität ist. Die Spannung fällt aufgrund des Innenwiderstands und der geringen Kapazität ab und wird sehr schnell flach laufen. Ich würde empfehlen, einen Motor mit viel niedrigerem Strom oder eine Batterie mit viel höherer Kapazität zu kaufen. Alles mit einem Blockierstrom unter 400 mA sollte in Ordnung sein, dann können sie von einem Arduino mit 5 V versorgt werden (solange Sie den Motor nicht zu lange blockieren), z. B. rapidonline.com/Search?query=37-0441
@transistor, danke für die Klarstellung. Die Erklärung für den Pulldown macht absolut Sinn und ich habe den Ball darauf fallen lassen!
@gbulmer, danke für deine Antwort. Ich glaube, ich habe einen AA-Akku mit 4 oder 6 Batterien im Haus herumliegen sehen. Ich werde das stattdessen verwenden.

Antworten (2)

Ihre 9-V-Batterie mit Spannungsabfall ist nur eine schlechte Spannungsquelle. Wenn Sie einige AA-Batterien oder größere in Reihe verwenden, wird Ihr Spannungsabfall viel geringer sein.

In der Motorsteuerung – und in vielen Bereichen – werden Sie die Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden wollen . Stellen Sie sich vor, Sie müssten Ihren Schalter tausende Male pro Sekunde umlegen. Wenn Sie es die Hälfte der Zeit pulsieren lassen, haben Sie eine Einschaltdauer von 50% oder die Hälfte der effektiven Spannung am Motor.

PWM ist die Standardmethode zur Steuerung von Spannung und/oder Strom durch Motoren und in DC/DC-Wandlern.

Ich benutze Arduino nicht sehr oft, aber ich glaube, dass es ein PWM an Bord und analoge Funktionen hat, die eigentlich PWM sind. Ich denke, es arbeitet bei ~ 500 Hz. Ich bin mir nicht sicher, ob das schnell genug ist, aber es schadet nichts, zu langsam zu wechseln. Verwenden Sie es, um Ihren MOSFET direkt (Schalter entfernen) mit der analogWrite-Funktion zu steuern. Um dies zu implementieren, verschieben Sie Ihr MOSFET-Gate auf ein analoges oder anderes PWM und verwenden Sie die entsprechende Funktion, um PWM anzuwenden.

Wenn Ihre PWM-Frequenz zu niedrig ist, können Sie hören, wie der Motor darauf reagiert. Wenn es beispielsweise 1 Hz beträgt, schaltet sich der Motor für eine halbe Sekunde ein und dann für eine halbe Sekunde aus. Das werden Sie deutlich hören können. Erhöhen Sie die PWM-Frequenz, bis der Motor ruhig läuft. Es gibt auch andere Gründe, die PWM-Frequenz zu ändern, aber in Ihrer Lernphase sollte dies ausreichen. Viel Spaß, Motoren machen Spaß!

Vielen Dank für Ihre Antwort. Ich habe völlig vergessen, PWM zur Steuerung des Motors zu verwenden. Davon abgesehen, wenn meine effektive Spannung unter der Betriebsspannung liegt, werde ich immer noch auf das Problem stoßen, meinen Motor zu beschädigen. Zum Beispiel ist mein Motor für 5-9 V spezifiziert. Wenn ich 4 AA-Batterien in Reihe verwende, eine Einschaltdauer von 20% an dieser 6-V-Quelle, vorausgesetzt R ich = R D S = 0 , würde zu einer effektiven Spannung von 1,2 V über dem Motor führen. Betreibe ich meinen Motor unterhalb der Betriebsspannung oder ist alles in Ordnung, da die Spitzenspannung der PWM-Impulse 6 V beträgt?
Sie können Ihren Motor mit PWM mit einer so niedrigen Spannung betreiben, wie Sie möchten. Ich betreibe routinemäßig 200-V-Motoren mit 5 % Einschaltdauer, um sie deutlich zu verlangsamen. Das Problem ist, wenn Sie einen Niederspannungsmotor mit hoher Spannung betreiben, und dies ist normalerweise eine thermische Begrenzung.
Gute Antwort. Übrigens beträgt die Standard-PWM-Frequenz des Arduino 490 Hz (976 Hz an den Pins 5/6), sie kann jedoch bei Bedarf erhöht werden: bis zu 31,3 kHz (62,5 kHz an den Pins 5/6). Aber 490 Hz sollten für diese Anwendung in Ordnung sein.

Es gibt einige „Abkürzungen“, mit denen Sie vertraut sein sollten, damit Sie schnell eine „Betriebsanalyse“ durchführen können.
Wenn der Transistor eingeschaltet ist, können Sie ihn sich als Kurzschluss (ein Stück Draht) vorstellen. Wenn Sie also 5 V am Motor haben möchten (was 1 Ohm entspricht), benötigen Sie 5 A. Da der Innenwiderstand der Batterie etwa 2 Ohm beträgt, würde dies um 10 V abfallen, sodass Sie eine 15-V-Batterie benötigen würden, die 5 A liefern kann (75 Watt ... 25 W für den Motor und 50 W in der Batterie).
Wenn Sie einen Akku mit nur 1 Ohm Innenwiderstand bekommen können, benötigen Sie nur 10 V, 5 A (50 Watt ... 25 W für den Motor und 25 W im Akku).

Denken Sie daran, dass, da der Transistor nicht wirklich kurz ist, sein Widerstand auch etwas Strom verbrauchen würde, den die Batterie liefern müsste.

Wenn Sie also jetzt 1 Ohm für den Motor, 1 Ohm für den Transistor und 2 Ohm für den Innenwiderstand verwenden, erhalten Sie einen Gesamtwiderstand von 4 Ohm. Der maximale Strom, den die 9-V-Batterie liefern kann, beträgt (9/4 =) 2,25 A, was bedeutet, dass die maximale Spannung, die der Motor (unter diesen Parametern) erhalten kann, 2,25 V beträgt (2,25 V über dem Transistor und 4,5 V innerhalb der Batterie). ).

Das obige würde als eine "Steady-State"-Analyse betrachtet werden. Um nun den Strom zu begrenzen und dennoch die erforderliche Spannung bereitzustellen, wäre das PWM-Verfahren (das vorgeschlagen wurde) eine Möglichkeit, dies zu tun - auf Kosten eines geringeren vom Motor erzeugten Drehmoments.

Ich würde empfehlen, dass Sie eine 12-V-Autobatterie verwenden und prüfen, ob die Messänderungen näher an Ihren Wünschen liegen.

Wie begrenze ich meinen Motorstrom, während ich den Spannungsabfall darüber aufrechterhalte?
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