Guida completa al controllo della velocità dei motori CC

Un motore a corrente continua è una macchina che trasforma l'elettricità in movimento. È un tipo di motore molto semplice e comune. Ma come si può modificare la velocità di rotazione? Questo è il cosiddetto controllo della velocità del motore CC. Sapere come gestire la velocità del motore è molto importante per qualsiasi progetto. Questo vale sia per le piccole cose, come i robot, sia per le grandi cose, come le macchine di fabbrica. Questo articolo illustra i modi più semplici per controllare la velocità. Imparerete a conoscere i diversi modi per farlo. Si tratterà di tutto, dal semplice controllo della tensione a metodi più avanzati che utilizzano rapidi impulsi di elettricità. Questa guida semplificherà a chiunque il funzionamento del controllo della velocità dei motori CC.

Che cos'è un motore CC e come funziona?

Un motore CC è un dispositivo che trasforma l'energia elettrica in energia di movimento. Utilizza un tipo di elettricità chiamata corrente continua (DC). È il tipo di energia che si ottiene dalle batterie. L'idea principale del funzionamento dei motori a corrente continua è piuttosto semplice. All'interno di un motore a corrente continua si trovano una bobina di filo e un magnete. Quando l'elettricità passa attraverso la bobina, crea un campo magnetico. Questo nuovo campo magnetico spinge contro il campo del magnete. Questa spinta fa girare la parte centrale del motore CC.

In un motore CC a spazzole è presente una parte chiamata commutatore. Questa parte aiuta il motore a continuare a girare. Il commutatore è un interruttore speciale. Ad ogni mezzo giro inverte la direzione dell'elettricità che va alla bobina. Questa azione fa sì che le forze magnetiche spingano nel modo giusto. Di conseguenza, il motore CC continua a girare. La velocità del motore CC dipende dalla tensione che gli viene fornita. Una tensione maggiore lo farà andare più veloce. Questa semplice regola è il punto di partenza per tutti i controlli di velocità dei motori CC. Non è come un motore a corrente alternata, che utilizza un tipo di potenza completamente diverso. Il motore CC è un'ottima scelta per molti progetti diversi.

Perché è così importante controllare la velocità di un motore CC?

La possibilità di controllare la velocità di un motore in c.c. è molto importante. Pensate a una macchinina. Si vuole che l'auto sia in grado di andare veloce, ma anche che vada piano. Se non ci fosse il controllo della velocità del motore, avrebbe una sola velocità: la più veloce possibile. La regolazione della velocità consente di far fare al motore CC esattamente ciò che si desidera. Questo tipo di controllo esatto è necessario per robot, ventilatori, pompe e molti altri dispositivi. Ad esempio, un braccio robotico a volte deve muoversi lentamente e con grande attenzione. Altre volte, invece, deve muoversi molto rapidamente.

Un buon controllo del motore consente anche di risparmiare energia. Se un motore CC funziona sempre alla massima velocità, consuma una grande quantità di energia. Se si regola la velocità in base al lavoro da svolgere, si consuma meno energia. Questo è particolarmente importante per i dispositivi che funzionano a batteria. L'uso del giusto controller e del giusto metodo di controllo può far funzionare meglio il progetto senza sprechi di energia. Una corretta regolazione della velocità può anche far sì che il motore CC e le sue parti non si usurino così rapidamente. Questo li aiuta a durare più a lungo. Imparare a conoscere il controllo della velocità dei motori CC è una competenza molto utile.

Qual è il modo più semplice per controllare la velocità dei motori CC?

Il modo più semplice per controllare la velocità di un motore CC è modificare la resistenza nel percorso elettrico. A tale scopo, si può inserire un resistore nel percorso dell'elettricità che va al motore CC. Questo metodo si chiama controllo della resistenza. Un modo semplice per farlo è utilizzare un resistore variabile. Cambiando l'impostazione del resistore, si modifica la quantità di tensione che può arrivare al motore CC.

Questo modo di controllare la velocità è molto semplice, ma presenta alcuni grossi problemi. Il resistore si scalda molto. Questo perché trasforma gran parte dell'energia elettrica in calore. Questo calore è solo energia sprecata. Inoltre, quando il lavoro del motore CC diventa più difficile o più facile, anche la sua velocità cambia. Se il motore CC deve lavorare di più, la coppia di carico aumenta e il motore inizia a rallentare. Questo metodo va bene per un lavoro di velocità molto semplice. Tuttavia, per la maggior parte dei progetti, si desidera un modo migliore per controllare il motore CC.

In che modo la variazione della tensione modifica la velocità del motore?

La velocità di un motore CC è direttamente correlata alla quantità di tensione che riceve. Ciò significa che se si aumenta la tensione di alimentazione, anche la velocità del motore aumenterà. Se si abbassa la tensione, la velocità del motore diminuisce. Questa è la regola più semplice e importante del controllo della velocità dei motori CC. Questo metodo ha un nome: controllo della tensione o controllo della tensione di azionamento. È possibile controllare un motore CC collegandolo a un alimentatore che consente di modificare la tensione erogata.

Immaginiamo un semplice circuito per un motore a corrente continua. Quando la tensione è elevata, la bobina è attraversata da una forte corrente. Questo crea un potente campo magnetico che fa girare il motore a corrente continua molto velocemente. Quando si abbassa la tensione, il flusso di corrente diminuisce. Il campo magnetico si indebolisce e il motore CC gira più lentamente. Si può contare su questo legame tra tensione e velocità del motore. La parte difficile è trovare un buon modo per modificare la tensione senza sprecare energia. Il semplice utilizzo di un resistore spreca molta energia. Per questo motivo, persone intelligenti hanno realizzato circuiti migliori per controllare la tensione di qualsiasi motore CC.

Che cos'è la modulazione di larghezza di impulso (PWM) e perché è un modo migliore per controllare la velocità?

La modulazione di larghezza di impulso, spesso chiamata PWM, è un modo migliore per controllare la velocità di un motore CC. Invece di abbassare semplicemente il livello di tensione, un controller PWM accende e spegne l'alimentazione del motore CC a un ritmo molto veloce. Invia una serie di rapidi impulsi di elettricità. La "larghezza dell'impulso" indica la durata di ciascuna scarica di energia. Questo schema di accensione e spegnimento viene chiamato ciclo di lavoro. Se il tempo di "accensione" è lungo, il motore CC riceve più energia e gira più velocemente. Se il tempo di "accensione" è breve, il motore riceve meno energia e gira più lentamente.

Questo metodo funziona molto bene e non spreca molta energia. L'interruttore del circuito di azionamento è completamente acceso o completamente spento. In questo modo, la potenza dispersa sotto forma di calore è minima. Il segnale PWM fa sì che il motore CC si comporti come se ricevesse una tensione costante e bassa. Ad esempio, se l'alimentazione è attiva per metà del tempo (che corrisponde a un ciclo di lavoro del 50%), il motore CC si comporterà come se ricevesse metà della tensione completa. Il PWM consente un controllo molto preciso della velocità del motore. Molti nuovi sistemi di controllo dei motori utilizzano il PWM per gestire un motore CC. Si tratta di una scelta molto comune tra tutte le tecniche di controllo.

Esistono diversi tipi di motori CC che si possono controllare?

Sì, esistono alcuni tipi principali di motori CC. Quelli che si vedono più spesso sono i motori CC a spazzole e i motori CC senza spazzole. Un motore CC a spazzole è una scelta semplice e a basso costo. Utilizza piccoli blocchi di carbonio, chiamati spazzole, e un commutatore per inviare energia alla parte che gira. Questi motori non sono difficili da controllare. Hanno anche un'elevata coppia di spunto. Ciò significa che sono molto forti all'avvio. Questa qualità li rende un'ottima scelta per molti lavori semplici.

Esistono anche altri tipi di motori a spazzole in c.c., come i motori serie, shunt e composti. Un motore CC shunt è un tipo di motore in cui i fili sono collegati in un modo speciale chiamato "in parallelo". Un altro tipo è il motore CC a magnete permanente. Questo tipo utilizza un magnete permanente per creare il suo campo magnetico. Ogni tipo di motore CC ha un proprio modo di gestire la velocità e la forza di rotazione. La scelta del motore CC giusto si basa sulle esigenze del progetto. Le idee principali per il controllo della velocità dei motori CC, come la modifica della tensione, funzionano per la maggior parte di essi.

In che modo i motori CC senza spazzole migliorano le cose?

I motori CC senza spazzole, noti anche come motori BLDC, sono un tipo di motore elettrico più recente e migliore. Si distinguono dai motori CC a spazzole perché non hanno spazzole né commutatore. Al posto di queste parti, utilizzano un regolatore elettronico di velocità (o ESC) per cambiare la direzione del flusso elettrico nelle bobine. Questo compito è affidato a uno speciale circuito di azionamento. Un sensore, spesso a effetto Hall, indica al regolatore dove si trova la parte in rotazione. In questo modo, il regolatore sa a quale bobina inviare l'alimentazione successiva.

I principali vantaggi dei motori CC senza spazzole sono che funzionano bene senza sprechi e durano a lungo. Poiché non ci sono spazzole che si usurano, non è necessario ripararle molto spesso. Inoltre, fanno meno rumore e possono girare a velocità più elevate. La velocità di un motore CC senza spazzole è gestita dal controllore elettronico. Questo controller utilizza spesso la tecnologia PWM. Il controller può modificare la tempistica e il ciclo di lavoro degli impulsi di potenza che vengono inviati alle bobine del motore. Anche se i motori CC senza spazzole e i loro controllori sono un po' più difficili da usare, sono la scelta migliore per i lavori che richiedono le migliori prestazioni, come i droni, le auto elettriche e le ventole all'interno dei computer.

Che cos'è un circuito a ponte H per il controllo della velocità e della direzione?

Un ponte H è un tipo speciale di circuito elettronico. Consente di controllare un motore CC per farlo andare avanti e indietro. Viene utilizzato anche per controllare la velocità del motore. Il circuito ha preso questo nome perché la disposizione degli interruttori assomiglia alla lettera "H". Il motore CC è collegato nella parte centrale della "H". Il circuito ha quattro interruttori diversi, che di solito sono transistor. Attivando due interruttori contemporaneamente, è possibile cambiare la direzione del flusso elettrico attraverso il motore CC.

• Per far girare il motore in una direzione, si attiva una coppia di interruttori.
• Per farlo girare nell'altra direzione, bisogna attivare l'altra coppia. Questa operazione si chiama inversione di polarità.

Un circuito a ponte H è ottimo anche per utilizzare il PWM per controllare la velocità. È possibile inviare un segnale PWM agli interruttori. In questo modo è possibile controllare la velocità del motore in entrambe le direzioni. In questo modo è possibile controllare completamente sia la velocità che la direzione di un motore CC. Molti chip per controller di motori e azionamenti CC hanno già un circuito a ponte H incorporato. Il circuito a ponte H è un elemento molto importante per il funzionamento dei robot e viene utilizzato anche in molti altri sistemi di controllo. È possibile utilizzare un circuito a ponte H anche con i motori CC senza spazzole, ma il circuito di azionamento per questi ultimi è più complicato.

Che tipo di controllore è necessario per un motore CC?

Il tipo di controllore di cui avrete bisogno dipende dal vostro motore CC e da ciò che volete che faccia il motore. Per un progetto molto semplice, potrebbero bastare un interruttore e una resistenza variabile. Ma per farlo funzionare meglio, è necessario un regolatore di velocità elettronico. Un regolatore fatto apposta per i motori può utilizzare il PWM per controllare la velocità senza sprechi di energia. Alcuni regolatori sono semplici circuiti analogici. Altri utilizzano un piccolo computer, come un microcomputer o un microcontrollore come Arduino, per creare i segnali PWM. L'uso di un microcomputer offre modi più avanzati per controllare il motore.

Per i motori DC brushless è necessario utilizzare uno speciale regolatore elettronico di velocità (ESC). Questo tipo di regolatore è in grado di svolgere il complicato lavoro di commutazione necessario per far girare il motore. I servomotori sono un altro tipo di motore CC. Hanno un proprio circuito di controllo incorporato al loro interno. Ciò consente un controllo molto preciso della posizione del motore. Quando si sceglie un controller, è necessario assicurarsi che sia in grado di funzionare con la quantità di tensione e corrente richiesta dal motore CC. Un buon controllore consente di controllare con precisione la velocità e la coppia del motore CC. Il controllore è come il cervello del motore.

Qual è il rapporto tra velocità, tensione e coppia in un motore CC?

Capire come velocità, tensione e coppia lavorino insieme è molto importante per conoscere il funzionamento di un motore CC. Come abbiamo già detto, la velocità di un motore a corrente continua è principalmente legata alla tensione. La coppia, invece, è collegata soprattutto alla corrente. La coppia è la potenza di rotazione del motore - si può pensare che sia la sua "forza". Quando il motore CC svolge un lavoro impegnativo (cioè la coppia di carico è elevata), ha bisogno di più corrente. Questa corrente supplementare lo aiuta a creare una coppia maggiore per gestire il lavoro.

Quando si fornisce una certa quantità di tensione al motore CC, questo vuole girare a una velocità (questa è la sua velocità a vuoto). Quando si fa lavorare il motore, questo rallenta un po'. Inoltre, assorbe più elettricità per ottenere la coppia necessaria a svolgere il lavoro. Se il lavoro è troppo impegnativo, il motore potrebbe smettere di girare. In questo caso, il motore può assorbire una quantità di corrente molto elevata, con il rischio di rompersi. Un buon sistema di controllo della velocità, soprattutto se utilizza un sensore di velocità per controllare la velocità, può modificare la tensione o il ciclo di lavoro PWM. Questo aiuta a mantenere la velocità invariata, anche quando cambia la quantità di coppia. Sapere come la velocità e la coppia si influenzano a vicenda è molto importante per qualsiasi progetto che utilizzi un motore CC.

Cose importanti da ricordare

• La velocità segue la tensione: La regola più semplice per il controllo della velocità dei motori CC è che la velocità del motore è direttamente legata alla tensione che gli viene fornita.
• La PWM funziona bene: La modulazione di larghezza di impulso (PWM) è un ottimo metodo per controllare la velocità del motore. Funziona accendendo e spegnendo l'alimentazione molto velocemente. Ciò consente di risparmiare molta energia.
• Brushed o Brushless: I motori CC a spazzole sono semplici e non costano molto. I motori CC senza spazzole funzionano meglio, durano più a lungo e sono meno rumorosi, ma necessitano di un controller elettronico più complicato.
• Ponte ad H per un controllo completo: Un circuito a ponte H è indispensabile per controllare sia la velocità che la direzione di un motore CC.
• La potenza di rotazione e la corrente sono collegate: La coppia, o potenza di rotazione, di un motore CC è legata alla quantità di elettricità assorbita. Un lavoro più impegnativo richiederà una maggiore quantità di corrente.
• Scegliere il controller giusto: Il tipo di regolatore scelto deciderà la gestione del motore CC. Si può scegliere qualsiasi cosa, da una semplice resistenza a un sistema che utilizza un piccolo computer.