Инструменты пользователя


H-мост

В мобильной робототехнике регулярно возникает необходимость в использовании различных двигателей. Двигатели используются в составе ходовых частей роботов, для вращения различных устройств (например захватов или манипуляторов) и в других целях. Рассмотрим наиболее простые, с точки зрения подключения, двигатели постоянного тока (ДПТ) и познакомимся с хемой подключения двигателей, называемой Н-мост.

ДПТ

Двигатель постоянного тока представляет из себя устройство, которое предназначено для преобразования электрической энергии в механическую. ДПТ состоит из ротора (вращающейся части двигателя) и статора (неподвижной части двигателя). В простейшем случае, электрическая энергия проходя через обмотки ротора электродвигателя создает магнитное поле. Данное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем статора. Широко известно, что магниты имеют полюса. Если направить магниты друг к другу одинаковыми полюсами они будут стремится оттолкнуться, а если разными - притянутся. Именно на этом принципе построены двигатели постоянного тока. Электрическая энергия создает магнитные поля, которые приводят ротор в движение.

Видеоролик, демонстрирующий принцип действия ДПТ.

Подключение ДПТ

Попробуем запитать ДПТ от источника питания по следующей схеме. После запуска симуляции ротор двигателя начинает вращаться, а рядом с двигателем появляется его кол-во оборотов в минуту (RPM - Round per minute) В сущности ДПТ не имеют жесткой привязки к полярности подключения. Если неправильное подключение выведет светодиод из строя, то электродвигатель при изменении направления движения тока через него начнет вращаться в противоположную сторону. Переподключим электродвигатель так, как это показано на схеме ниже. Обратите внимание, теперь число оборотов в минуту имеет знак «-», т.е. двигатель вращается в противоположную сторону.

Н-мост

Основная статья: Википедия. Н-мост

Именно на этом принципе построена работа т.н. Н-мостов. Своё название этот способ подключения подключения получили за то, что на электрической схеме расположение элементов очень напоминает букву Н.

Ниже представлена схема простейшего H-моста:

  • Vin - источник питания (например, батарейка);
  • S1,S2,S3,S4 - выключатели;
  • М - Двигатель постоянного тока.

В зависимости от того, в каком положении будут находится выключатели, двигатель будет вращаться или в одну или в другую сторону, т.к. электрический ток будет протекать через электродвигатель или в одном или в другом направлении (направление обозначено стрелкой). Соберем H-мост в симуляторе. Что же будет происходить при изменении положения выключателей? Рассмотрим ответ на этот вопрос в виде таблицы, где цифрой 0 будем обозначать выключатель в выключенном состоянии, а цифрой 1 выключатель в включенном состоянии.

Таблица положения выключателей
1-й выключатель 2-й выключатель 3-й выключатель 4-й выключатель Результат
0 0 0 0 Двигатель не вращается
1 0 0 1 Двигатель вращается против часовой стрелки
0 1 1 0 Двигатель вращается по часовой стрелке
1 0 1 0 Торможение двигателя
0 1 0 1 Торможение двигателя
1 1 0 0 Короткое замыкание источника питания!
0 0 1 1 Короткое замыкание источника питания!
1 1 1 1 Короткое замыкание источника питания!
:!: Внимание! Короткое замыкание источника питания приводит к его нагреву с последующим разрушением. Это опасно как для самих электроприборов так и для жизни и здоровья радиолюбителя! Ни в коем случае нельзя вызывать КЗ.

L239D

Данная микросхема представляет из себя два H-моста, собранных в одном корпусе. Схема позволяет управлять не только направлением вращения подключенных к ней электродвигателей, но и скоростью их вращения. Схемы, управляющие различными устройствами, назвают драйверами. Таким образом L239D Это драйвер электродвигателей. Достаточно емкое описание данной схемы можно найти здесь Но давайте все же кратко рассмотрим назначение контактов данной микросхемы:

  • Enable 1,2 - отвечает за питание левого канала. Если на данном выходе 0 - двигатель, подключенный к левому каналу, не будет двигаться. При появлении напряжения двигатель начнет двигаться, причем величина напряжения будет влиять на скорость двигателя. Максимум 5В.
  • Input 1 и Input 2 - отвечают за направления вращения двигателя, подключенного к левому каналу. Если на Input 1 подать высокий уровень (5В) а на Input 2 подать низкий уровень (0В), то мотор будет крутиться в одну сторону. Если поменять значения на противоположные - мотор будет крутить в другую.
  • Output 1 и Output 2- контакты для подключения мотора к левому каналу.
  • Enable 3,4 - то же самое, что Enable 1,2 ,но для правого канала
  • Input 3 и Input 4 то же самое, что Input 1 и Input 2 ,но для правого канала
  • Output 1 и Output 2- контакты для подключения мотора к правому каналу.
  • Vcc1 (иногда обозначают как Vss) - к этому контакту необходимо подключать питание для логической части схемы, напряжение 4.5-5В
  • Vcc2 (иногда обозначают как Vs)- к этому контакту необходимо подключать питание силовой части схемы (т.е. питание, которое впоследствии попадет на подключенные моторы). напряжение от 4.5. до 36В, однако важно учитывать, что в продолжительном режиме работы схема отдает до 600 мА и только в пиковые моменты ток может «подскочить» до 1.2 А.
  • GND - к этим контактам подключается «минус» источника питания.

Подключим драйвер электродвигателей по следующей схеме. В качестве нагрузки будем использовать моторы с редуктором, которые часто используются в ходовых частях различных роботов. В качестве питания для моторов будем использовать батарейку на 9 Вольт. Составим управляющую программу следующего вида: Контакты 3 и 5, отвечающие за напряжение подаваемое в качестве питания электродвигателя будут управляться аналоговым сигналом. Подавая на них значения в диапазоне от 0 до 255 можно изменять скорость вращения моторов.

Контакты 2,4 и 7,8, отвечающие за направление вращения мотора, будут управляться цифровыми сигналами.

:!: Не забывайте о явлении КЗ и не подавайте высокий уровень сигнала на оба порта управляющих направлением вращения мотора одновременно! В симуляторе это не приведет ни к чему, а в реальности может привести к выходу устройства из строя и последствиям для жизни и здоровья!

Заключение

Таким образом, использование H мостов позволяет достаточно просто изменять направление вращения моторов, а использование специальных драйверов дополнительно позволяет регулировать скорость этого вращения, а также подключать более мощные источники питания для более стабильной и производительной работы моторов.