Wie beschränke ich meinen Motorstrom, während ich den Spannungsabfall über ihn aufrechterhalte?

Ich versuche mein Wissen über die Arbeit mit Gleichstrommotoren zu erweitern, indem ich einen IRF510-MOSFET verwende, um einen Motor ein- und auszuschalten. Bitte sehen Sie sich das Schema unten an, um zu sehen, wie ich alles angeschlossen habe.

$S_1$ = Jumper, mit dem ich die Gate-Spannung umgeschaltet habe $0$ oder $5V$
$R_P$ = Pulldown-Widerstand ($9.85k\Omega$gemessen)
$R_M$ = Widerstand des Elektromotors ($1\Omega$gemessen)
$i_{DS}$ = Drainstrom ($\approx750mA$gemessen)
$R_{DS}$ = Drain-Source-Widerstand bei eingeschaltetem MOSFET ($0.6\Omega$, von $V_{DS}/i_{DS}$)
$V_{BATT, open}$ = Leerlaufspannung der 9V Batterie ($8.68V$)

Das erste, was mich in eine Schleife brachte, war, als die Batteriespannung nach dem Schließen des Schalters abfiel. Ich nahm noch einige Messungen vor, um zu verstehen, was los war:

$V_{BATT, closed}$ = Batteriespannung wenn $S_1$ ist geschlossen ($3.11V$gemessen)
$V_{M}$ = Motorspannung ($2.57V$gemessen)
$V_{DS}$ = Drain-Source-Spannung ($0.54V$gemessen)

Nach einigen Recherchen stellte ich fest, dass der Spannungsabfall auf den Innenwiderstand der Batterie zurückzuführen ist. Dies konnte ich nach einigen weiteren Berechnungen herausfinden:

$V_{R_i}$ = Spannung über $R_i$ ($5.11V$, von $V_{BATT, open}-V_{BATT, closed}$)
$R_i$ = Innenwiderstand der Batterie ($2.87\Omega$vom Spannungsteiler)

Meine Darmreaktion sagt mir, dass ich einen Spannungsteiler verwenden soll, um die Spannung am Motor aufrechtzuerhalten. Ich möchte dies tun, weil mein Motor für einen 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 entlädt. Im Idealfall kann ich das Gewünschte erreichen$V_M$ wenn ich parallel zum Motor einen Widerstand hinzufüge ($R_P$) so, dass der äquivalente Widerstand des Motors und seiner $R_P$ ($R_{EQ}$) ist viel größer als $R_i + R_{DS}$. Da jedoch$R_M=1\Omega$Der beste äquivalente Widerstand, den ich erreichen kann, ist $approx1\Omega$, was genau dahin zurückkehrt, wo ich angefangen habe. Darüber hinaus nimmt der Serienstrombegrenzungswiderstand den Löwenanteil des Spannungsabfalls auf und beraubt so den Motor der benötigten Spannung.

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

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

In der Motorsteuerung - und in vielen Bereichen - möchten Sie die Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden . Stellen Sie sich vor, Sie schalten Ihren Schalter tausende Male pro Sekunde um. Wenn Sie es die halbe Zeit gepulst hätten, hätten Sie ein Tastverhältnis 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 eine PWM an Bord und analoge Funktionen hat, die eigentlich PWM sind. Ich denke, es arbeitet mit ~ 500Hz. Ich bin mir nicht sicher, ob dies schnell genug ist, aber es tut nichts weh, zu langsam zu wechseln. Verwenden Sie diese Option, um Ihren MOSFET mithilfe der analogWrite-Funktion direkt zu steuern (den Schalter entfernen). Um dies zu implementieren, verschieben Sie Ihr MOSFET-Gatter auf eine analoge oder andere 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 ist, schaltet sich der Motor eine halbe Sekunde lang ein und dann eine halbe Sekunde lang aus. Sie werden das deutlich hören können. Erhöhen Sie die PWM-Frequenz, bis der Motor reibungslos läuft. Es gibt auch andere Gründe, die PWM-Frequenz zu ändern, aber in Ihrer Lernphase sollte dies ausreichen. Viel Spaß, Motoren machen Spaß!

Es gibt einige "Abkürzungen", mit denen Sie vertraut sein sollten, damit Sie eine schnelle "Betriebsanalyse" durchführen können.
Wenn der Transistor eingeschaltet ist, können Sie ihn als Kurzschluss (ein Stück Draht) betrachten. Wenn Sie also 5 V über den Motor (1 Ohm) benötigen, benötigen Sie 5 A. Da der Innenwiderstand der Batterie etwa 2 Ohm beträgt, würde dies um 10 V sinken, sodass Sie eine 15-V-Batterie benötigen, die 5 A liefern kann (75 Watt ... 25 W für den Motor und 50 W im Inneren der Batterie).
Wenn Sie eine Batterie mit nur 1 Ohm Innenwiderstand erhalten können, benötigen Sie nur 10 V, 5 A (50 Watt ... 25 W für den Motor und 25 W im Inneren der Batterie).

Denken Sie daran, dass der Transistor, da er nicht wirklich kurz ist, auch einen gewissen Strom verbraucht, den die Batterie liefern müsste.

Die Verwendung von 1 Ohm für den Motor 1 Ohm für den Transistor und 2 Ohm für den Innenwiderstand ergibt 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 (2,25 V über dem Transistor und 4,5 V in der Batterie) beträgt ).

Das Obige würde als "stationäre" Analyse angesehen. 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.