Por: Jeremy Cook
Una de las operaciones más fundamentales en la electrónica es el control de la velocidad del motor de CC. Aquí, observaremos lo que significa desde los aspectos básicos: enviar una señal PWM a un MOSFET o a un controlador dedicado. Esta señal controla de manera directa la velocidad del motor de CC, mediante el uso de corrientes (y muchas veces tensiones) más altas de las que el controlador puede producir por sí mismo.
Control PWM de LED simple
Jeremy Cook | LED externo con impulsos indicados por osciloscopio
El PWM (es decir, modulación por ancho de impulsos) simula una salida de tensión analógica al repetir los impulsos durante varios períodos de tiempo. En esta configuración, el período se define como el tiempo que se demora en completar un ciclo de encendido y apagado. El ciclo de trabajo, que normalmente se expresa como un porcentaje, es la relación entre el tiempo de encendido y el tiempo de apagado.
Una señal de cinco voltios con un ciclo de trabajo de 50 % daría como resultado una señal analógica simulada de 2,5 V. Un período de 1 ms produciría este cambio de estado entre encendido y apagado 1000 veces por segundo (o 1000 Hz), lo que se define como la frecuencia de la señal de PWM. El control de PWM funciona bien con los motores de CC y con otras cargas que cambian lentamente. Una verdadera salida analógica es preferible en diferentes situaciones, como para la reproducción de audio.
Usaremos Raspberry Pi Pico que ejecuta CircuitPython para explorar este principio para generar señales de PWM. Durante una introducción muy breve, cargue el código que se encuentra aquí. Este código alternará el LED integrado desde plena capacidad, o 65 535 (2^16 – 1), hasta 4095 (2^12 -1), menos de 1/10° del valor original. Uno puede observar el cambio de luz, aunque puede ser difícil correlacionar la salida de luz que se observa con el valor numérico.
Circuito de control del motor MOSFET
Jeremy Cook | Circuito de control del motor de CC MOSFET
La metodología de control de usar un MOSFET (FQP30N06L) es esencialmente la misma que para un LED. El código para nuestro próximo experimento se encuentra aquí. Conecte la salida de control en el pin de ganancia del MOSFET a través de un pequeño resistor (~100Ω). Agregue un resistor de 10 k a la conexión a tierra para bajarlo cuando no haya una entrada presente. El conductor positivo del motor se extiende hasta el drenaje del MOSFET, mientras que la fuente del MOSFET se conecta a tierra.
El pin VBUS inicialmente suministraba la tensión positiva; sin embargo, el uso de una fuente de tensión externa conectada a una conexión a tierra común con el Pico generalmente sería mejor. También se aconsejaría la implementación de un diodo de retorno para manejar cargas inductivas parásitas.
Controlador de motor L293D: una manera más sencilla de construir un circuito de control para un motor de CC
Jeremy Cook | Leyenda: Controlador de motor L293D
LosMOSFET son dispositivos de uso general muy buenos, pero si desea controlar la velocidad y la dirección (o si tiene más de un motor que debe manejar) las cosas se complican bastante rápido. Afortunadamente, se encuentran disponibles circuitos integrados para controladores de motor listos para usar para enfrentar este desafío, lo que incluye el venerado controlador L293D que se usa aquí. Los requisitos de cableado se pueden determinar a partir de la hoja de datos. El método que usé para conectar mi Raspberry Pi Pico está diagramado a continuación:
Jeremy Cook | Pins U4 GND conectados internamente
El código de rotación (encendido y apagado) digital para esta configuración se encuentra aquí, lo que hace que el motor vaya hacia delante y hacia atrás a plena capacidad, con pausas entremedio. Este código PWM inicializa el motor en un ciclo de trabajo específico, lo acelera de manera incremental y luego lo detiene. Luego lo acelera en la otra dirección y lo detiene de nuevo antes de repetir la secuencia.
Una palabra de precaución sobre el controlador L293D
Si bien usé ese último trozo de código (con una entrada de 12 V VCC2 y ningún capacitor), terminé desactivando una placa Raspberry Pi Pico. Una buena práctica habría sido usar capacitores para nivelar las entradas de potencia y lógicas. El L293D sí proporciona capacidades de sujeción interna para controlar cargas inductivas, por lo que no se debiera haber necesitado ningún diodo de retorno externo. Hay varios potenciales culpables de este hecho, pero debiera servir como recordatorio para garantizar que el hardware se especifique e implemente para satisfacer requisitos reales, luego que salga del banco.
¿Plug-and-play o personalización completa?
Sus diseños de circuito de control para motores de CC probablemente no residirán en una placa de pruebas por siempre. Desde aquí, hay dos caminos divergentes:
Para crear prototipos más avanzados o diseños únicos, se encuentran disponibles blindajes de motor y placas de desarrollo que agregan controladores como el L293D como solución plug-and-play para motores de CC, motores de pasos, servos, y mucho más. El Arduino Motor Shield es quizás el más conocido y es compatible con el factor de forma Arduino Uno. Si desea quedarse con la plataforma RP2040, el Maker Pi RP2040 podría ser una excelente solución plug-and-play para controlar motores y otros dispositivos.
En el otro extremo del espectro, es posible integrar los diseños de controlador de motores de manera directa con su propio diseño de placa de circuito impreso. Esta integración le otorga libertad de diseño casi infinita, lo que le permite, por ejemplo, implementar algunas de las características del Maker Pi RP2040 mientras deja lo que no necesita. También puede disponer su placa en el factor de forma físico perfecto para su uso.
Control de motores PWM y carga
Jeremy Cook | MOSFET para motores eléctricos y otro control de carga. Ya que el solenoide actúa como inductor, un diodo de retorno aún habría sido buena idea.
Los principios generales de control PWM que se presentan aquí son sólidos y se pueden usar para una variedad de cargas; sin embargo, el hardware que se presenta se ensambló rápidamente como demostración para este artículo. Para los diseños finales, debiera considerar cuidadosamente cada situación en particular, junto con las especificaciones y la información de la hoja de datos disponibles en Arrow. Su dispositivo puede tener años de funcionamiento sin problemas con la configuración de controlador para motores de CC PWM.
Independiente de la manera en que se desarrolle su diseño, Arrow está aquí para suministrar energía a microcontroladores, MOSFET, controladores de motores y otros dispositivos que se necesitan para hacer del controlador de velocidad del motor de CC PWM una realidad.
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