Sterowanie silnikiem prądu stałego (DC) w kierunku prawo-lewo, czyli zmiana jego kierunku obrotów, jest fundamentalną umiejętnością w robotyce i automatyce. Zrozumienie zasad działania i metod sterowania pozwala na efektywne wykorzystanie tych silników w różnorodnych aplikacjach. Jest to stosunkowo proste do zaimplementowania, co czyni je popularnym wyborem w wielu projektach.
Podstawy działania silnika prądu stałego
Silnik prądu stałego działa na zasadzie oddziaływania pola magnetycznego. Przez uzwojenia wirnika przepływa prąd. To z kolei generuje pole magnetyczne, które oddziałuje z polem magnetycznym wytwarzanym przez magnesy trwałe lub elektromagnesy stojana. Siła Lorentza, wynikająca z tego oddziaływania, powoduje obrót wirnika.
Kierunek obrotów silnika zależy od kierunku przepływu prądu przez uzwojenia wirnika. Zmiana kierunku prądu spowoduje zmianę polaryzacji pola magnetycznego wirnika. W konsekwencji zmieni się kierunek siły Lorentza i wirnik zacznie obracać się w przeciwną stronę. Taka jest podstawowa zasada sterowania prawo-lewo w silniku DC.
Metody sterowania kierunkiem obrotów
Najprostszą metodą zmiany kierunku obrotów silnika DC jest zmiana polaryzacji napięcia zasilającego. Oznacza to zamianę bieguna dodatniego z ujemnym. W praktyce, bezpośrednia zmiana przewodów zasilających jest rzadko stosowana. Zazwyczaj używa się układów elektronicznych, które realizują tę funkcję.
Mostek H
Mostek H jest najpopularniejszym i najbardziej efektywnym układem do sterowania kierunkiem obrotów silnika DC. Składa się z czterech tranzystorów (BJT lub MOSFET). Są one połączone w taki sposób, że tworzą cztery przełączniki, które kontrolują przepływ prądu przez silnik. Odpowiednie sterowanie tymi przełącznikami umożliwia zmianę polaryzacji napięcia na silniku.
Wyobraźmy sobie tranzystory oznaczone jako T1, T2, T3 i T4. Aby silnik obracał się w prawo, włączamy tranzystory T1 i T4. Prąd płynie wtedy od źródła zasilania przez T1, silnik, T4 i do masy. Aby zmienić kierunek obrotów (w lewo), wyłączamy T1 i T4, a włączamy T2 i T3. Teraz prąd płynie od źródła zasilania przez T2, silnik (w przeciwnym kierunku), T3 i do masy.
Ważne jest, aby nigdy nie włączać jednocześnie tranzystorów T1 i T3, ani T2 i T4. Spowoduje to zwarcie i potencjalne uszkodzenie układu. Sterowanie tranzystorami w mostku H realizowane jest za pomocą mikrokontrolera lub dedykowanego sterownika mostka H, który dba o odpowiednią sekwencję przełączania i zabezpieczenia.
Wykorzystanie przekaźników
Alternatywną metodą, choć mniej wydajną i wolniejszą, jest użycie przekaźników. Dwa przekaźniki mogą być skonfigurowane w taki sposób, aby zmieniać polaryzację napięcia na silniku. Przekaźniki są elementami elektromechanicznymi, które za pomocą elektromagnesu przełączają styki. W zależności od stanu przekaźników, prąd płynie przez silnik w jednym lub drugim kierunku.
Zaletą przekaźników jest prostota implementacji i możliwość sterowania silnikami o większych prądach i napięciach. Jednak przekaźniki są wolniejsze od tranzystorów i mają ograniczoną żywotność mechaniczną (ograniczona liczba przełączeń). Generują także zakłócenia elektromagnetyczne podczas przełączania.
Praktyczne zastosowania
Sterowanie silnikiem DC prawo-lewo znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach. Robotyka wykorzystuje je do napędu kół robotów mobilnych, manipulatorów i innych mechanizmów. W automatyce przemysłowej sterowanie prawo-lewo stosuje się w przenośnikach taśmowych, bramach automatycznych i pozycjonowaniu elementów.
Zabawki i modele zdalnie sterowane również często wykorzystują sterowanie silnikiem DC prawo-lewo. Samochody zdalnie sterowane, pociągi elektryczne i inne zabawki napędzane silnikami DC korzystają z tej technologii. Proste układy sterowania silnikiem DC prawo-lewo można znaleźć w wielu urządzeniach codziennego użytku, takich jak elektryczne szczoteczki do zębów.
Dzięki swojej prostocie i efektywności, sterowanie silnikiem DC prawo-lewo pozostaje podstawową techniką w wielu aplikacjach. Zrozumienie zasad działania mostka H i innych metod sterowania pozwala na efektywne wykorzystanie tych silników w różnorodnych projektach. Dalsza nauka w tej dziedzinie prowadzi do bardziej zaawansowanych technik sterowania, takich jak sterowanie PWM (modulacja szerokości impulsu), która pozwala na precyzyjną kontrolę prędkości obrotowej silnika.
