Een complete gids voor de snelheidsregeling van gelijkstroommotoren

Een gelijkstroommotor is een machine die elektriciteit omzet in beweging. Het is een heel eenvoudige en veelgebruikte soort motor. Maar hoe verander je de snelheid waarmee hij draait? Dit noemen we de snelheidsregeling van een gelijkstroommotor. Weten hoe je de snelheid van de motor regelt, is heel belangrijk voor elk project. Dit geldt voor kleine dingen zoals robots en grote dingen zoals fabrieksmachines. Dit artikel toont je eenvoudige manieren om de snelheid te regelen. Je leert over de verschillende manieren om dit te doen. We zullen alles behandelen, van eenvoudige spanningsregeling tot meer geavanceerde manieren die snelle pulsen van elektriciteit gebruiken. Deze gids maakt het voor iedereen gemakkelijk om te leren hoe de snelheidsregeling van gelijkstroommotoren werkt.

Wat is een gelijkstroommotor en hoe werkt hij eigenlijk?

Een gelijkstroommotor is een apparaat dat elektrische energie omzet in bewegende kracht. Het gebruikt een type elektriciteit dat gelijkstroom (DC) wordt genoemd. Dit is het soort stroom dat je uit batterijen haalt. Het idee achter de werking van gelijkstroommotoren is vrij eenvoudig. In een gelijkstroommotor vind je een draadspoel en een magneet. Wanneer elektriciteit door de spoel gaat, creëert het een magnetisch veld. Dit nieuwe magnetische veld duwt tegen het veld van de magneet. Dit duwtje zorgt ervoor dat het middelste deel van de gelijkstroommotor gaat draaien.

In een geborstelde gelijkstroommotor zit een onderdeel dat een commutator wordt genoemd. Dit onderdeel helpt de motor om te blijven draaien. De commutator is een speciale schakelaar. Bij elke halve omwenteling wordt de richting van de elektriciteit die naar de spoel gaat omgedraaid. Door deze actie blijven de magnetische krachten in de juiste richting duwen. Hierdoor blijft de gelijkstroommotor draaien. De snelheid van de gelijkstroommotor hangt af van de spanning die je erop zet. Met meer spanning gaat hij sneller. Deze eenvoudige regel is het uitgangspunt voor alle snelheidsregeling van gelijkstroommotoren. Dit is niet zoals bij een wisselstroommotor, die een heel ander soort vermogen gebruikt. Een gelijkstroommotor is een geweldige keuze voor veel verschillende projecten.

Waarom is het regelen van de snelheid van een gelijkstroommotor zo belangrijk?

De snelheid van een gelijkstroommotor kunnen regelen is heel belangrijk. Denk maar aan een speelgoedauto. Je wilt dat het autootje snel kan rijden, maar je wilt ook dat het langzaam gaat. Zonder snelheidsregeling van de motor zou hij maar één snelheid hebben: zo snel mogelijk. Met snelheidsregeling kun je de gelijkstroommotor precies laten doen wat jij wilt. Je hebt dit soort exacte regeling nodig voor dingen zoals robots, ventilatoren, pompen en vele andere apparaten. Een robotarm bijvoorbeeld moet soms langzaam en voorzichtig bewegen. Op andere momenten moet hij heel snel bewegen.

Een goede motorregeling helpt je ook om energie te besparen. Als je een gelijkstroommotor de hele tijd op zijn topsnelheid laat draaien, verbruikt hij een grote hoeveelheid energie. Als je de snelheid aanpast aan de klus, verbruik je minder stroom. Dit is vooral belangrijk voor gadgets die op batterijen werken. Door de juiste regelaar en besturingsmethode te gebruiken, kan je project beter werken zonder energie te verspillen. De juiste snelheidsaanpassingen kunnen er ook voor zorgen dat de DC-motor en zijn onderdelen minder snel slijten. Hierdoor gaan ze langer mee. Leren over de snelheidsregeling van gelijkstroommotoren is een zeer nuttige vaardigheid.

Wat is de eenvoudigste manier om de snelheid van gelijkstroommotoren te regelen?

De eenvoudigste manier om de snelheid van een gelijkstroommotor te regelen is door de weerstand in het elektrische pad te veranderen. Je kunt dit doen door een weerstand in de weg te plaatsen van de elektriciteit die naar de gelijkstroommotor gaat. We noemen deze methode weerstandsregeling. Een eenvoudige manier om dit te doen is door een variabele weerstand te gebruiken. Als je de instelling op de weerstand verandert, verander je hoeveel spanning er naar de gelijkstroommotor kan.

Deze manier om de snelheid te regelen is erg eenvoudig, maar heeft een aantal grote problemen. De weerstand wordt erg heet. Dit komt omdat hij een groot deel van de elektrische energie omzet in warmte. Deze warmte is verspilde energie. Als het werk van de gelijkstroommotor moeilijker of gemakkelijker wordt, verandert ook zijn snelheid. Als de gelijkstroommotor harder moet werken, gaat het koppel van de belasting omhoog en zal de motor langzamer worden. Deze methode is goed voor een zeer eenvoudige snelheidsklus. Voor de meeste projecten zul je echter een betere manier willen om je gelijkstroommotor te regelen.

Hoe verandert de snelheid van de motor door de spanning te wijzigen?

De snelheid van een gelijkstroommotor is direct gekoppeld aan de hoeveelheid spanning die hij krijgt. Dit betekent dat als je de voedingsspanning verhoogt, de motorsnelheid ook toeneemt. Als je de spanning verlaagt, gaat de motorsnelheid omlaag. Dit is de eenvoudigste en belangrijkste regel voor de snelheidsregeling van gelijkstroommotoren. Deze methode heeft een naam: spanningsregeling of aandrijfspanningsregeling. Je kunt een gelijkstroommotor regelen door hem aan te sluiten op een voeding waarmee je de afgegeven spanning kunt wijzigen.

Laten we ons een eenvoudige schakeling voor een gelijkstroommotor voorstellen. Als de spanning hoog wordt gezet, gaat er veel stroom door de spoel. Dit creëert een krachtig magnetisch veld, waardoor de gelijkstroommotor heel snel draait. Als je de spanning verlaagt, kan er minder stroom lopen. Hierdoor wordt het magnetische veld zwakker en draait de gelijkstroommotor langzamer. Je kunt rekenen op dit verband tussen spanning en motorsnelheid. Het lastige is om een goede manier te vinden om de spanning te veranderen zonder energie te verspillen. Met alleen een weerstand verspil je veel energie. Daarom hebben slimme mensen betere schakelingen gemaakt om de spanning voor een gelijkstroommotor te regelen.

Wat is Pulsbreedtemodulatie (PWM) en waarom is het een betere manier om de snelheid te regelen?

Pulsbreedtemodulatie, vaak PWM genoemd, is een veel betere manier om de snelheid van een gelijkstroommotor te regelen. In plaats van alleen de spanning te verlagen, zet een PWM-regelaar de stroom naar de gelijkstroommotor aan en uit in een heel snel tempo. Hij stuurt een heleboel snelle stroomstoten. De "pulsbreedte" vertelt ons hoe lang elke stroomstoot duurt. We noemen dit aan-uitpatroon de duty cycle. Als de "aan"-tijd lang is, krijgt de gelijkstroommotor meer stroom en zal hij sneller draaien. Als de "aan"-tijd kort is, krijgt hij minder vermogen en draait hij langzamer.

Deze methode werkt heel goed en verspilt niet veel stroom. De schakelaar in het aandrijfcircuit staat helemaal aan of helemaal uit. Hierdoor gaat er weinig stroom verloren in de vorm van warmte. Het PWM-signaal laat de gelijkstroommotor doen alsof hij een constante, lagere spanning krijgt. Als de spanning bijvoorbeeld de helft van de tijd aan is (wat een 50% duty cycle is), gedraagt de DC-motor zich alsof hij de helft van de volledige spanning krijgt. Met PWM kun je de motorsnelheid heel nauwkeurig regelen. Veel nieuwe systemen voor het aansturen van motoren gebruiken PWM om een gelijkstroommotor aan te sturen. Dit is een zeer gebruikelijke keuze onder alle regeltechnieken.

Zijn er verschillende soorten gelijkstroommotoren die je kunt besturen?

Ja, er zijn een paar hoofdsoorten gelijkstroommotoren. De meest voorkomende zijn geborstelde gelijkstroommotoren en borstelloze gelijkstroommotoren. Een geborstelde gelijkstroommotor is een eenvoudige en goedkope keuze. Hij maakt gebruik van kleine koolstofblokjes, die borstels worden genoemd, en een commutator om stroom te sturen naar het deel dat draait. Deze motoren zijn niet moeilijk te besturen. Ze hebben ook een hoog startkoppel. Dit betekent dat ze meteen bij het opstarten heel sterk zijn. Deze kwaliteit maakt ze een goede keuze voor veel eenvoudige klussen.

Er zijn ook andere soorten geborstelde gelijkstroommotoren, zoals serie-, shunt- en compoundmotoren. Een shunt gelijkstroommotor is een soort waarvan de draden op een speciale manier, 'parallel' genaamd, zijn aangesloten. Een andere soort is de gelijkstroommotor met permanente magneet. Deze gebruikt een permanente magneet om het magnetische veld te maken. Elk van de typen gelijkstroommotoren heeft zijn eigen manier om met snelheid en draaikracht om te gaan. Het kiezen van de juiste gelijkstroommotor is gebaseerd op wat je project moet doen. De belangrijkste ideeën voor het regelen van de snelheid van gelijkstroommotoren, zoals het veranderen van de spanning, werken voor de meeste.

Hoe maken borstelloze gelijkstroommotoren dingen beter?

Borstelloze gelijkstroommotoren, ook wel BLDC-motoren genoemd, zijn een nieuwere en betere soort elektromotoren. Ze verschillen van borstelloze gelijkstroommotoren omdat ze geen borstels of commutator hebben. In plaats van deze onderdelen gebruiken ze een elektronische snelheidsregelaar (of ESC) om te veranderen in welke richting de elektriciteit in de spoelen stroomt. Een speciaal aandrijfcircuit doet dit werk. Een sensor, vaak een Hall-effectsensor, vertelt de regelaar waar het draaiende onderdeel zich bevindt. Zo weet de regelaar naar welke spoel hij vervolgens stroom moet sturen.

De belangrijkste voordelen van borstelloze gelijkstroommotoren zijn dat ze goed werken zonder verspilling en lang meegaan. Omdat er geen borstels zijn die verslijten, hoef je ze niet vaak te repareren. Ze maken ook minder lawaai en kunnen op hogere snelheden draaien. De snelheid van een borstelloze gelijkstroommotor wordt geregeld door de elektronische regelaar. Deze controller maakt vaak gebruik van PWM. De controller kan de timing en de duty cycle veranderen van de stroomstoten die naar de spoelen van de motor gaan. Hoewel borstelloze gelijkstroommotoren en hun regelaars iets moeilijker te gebruiken zijn, zijn ze de beste keuze voor toepassingen die de allerbeste prestaties vereisen, zoals drones, elektrische auto's en ventilatoren in computers.

Wat is een H-Bridge schakeling voor het regelen van snelheid en richting?

Een H-Bridge is een speciaal type elektronische schakeling. Hiermee kun je een gelijkstroommotor voor- en achteruit laten lopen. Het wordt ook gebruikt om de snelheid van de motor te regelen. De schakeling heeft deze naam gekregen omdat de schakelaars eruit zien als de letter "H". De gelijkstroommotor is aangesloten in het middelste deel van de "H". De schakeling heeft vier verschillende schakelaars, meestal transistors. Door twee schakelaars tegelijk in te schakelen, kun je de richting waarin de elektriciteit door de gelijkstroommotor stroomt veranderen.

• Om de motor in één richting te laten draaien, zet je één paar schakelaars aan.
• Om hem de andere kant op te laten draaien, zet je het andere paar aan. Dit heet het omkeren van de polariteit.

Een H-brugschakeling werkt ook prima voor het gebruik van PWM om de snelheid te regelen. Je kunt een PWM-signaal naar de schakelaars sturen. Hiermee kun je de motorsnelheid in beide richtingen regelen. Dit geeft je volledige controle over zowel de snelheid als de richting van een gelijkstroommotor. Veel motorcontrollerchips en gelijkstroomaandrijvingen hebben al een H-brugschakeling ingebouwd. Het H-brugcircuit is een zeer belangrijk onderdeel bij het laten werken van robots en wordt ook in veel andere besturingssystemen gebruikt. Je kunt een H-brugschakeling ook gebruiken voor borstelloze gelijkstroommotoren, maar het aandrijfcircuit daarvoor is ingewikkelder.

Wat voor regelaar heb je nodig voor een gelijkstroommotor?

Het type regelaar dat je nodig hebt is gebaseerd op je gelijkstroommotor en op wat je wilt dat de motor doet. Voor een heel eenvoudig project heb je misschien alleen een schakelaar en een variabele weerstand nodig. Maar om het beter te laten werken, heb je een elektronische snelheidsregelaar nodig. Een regelaar die speciaal voor motoren is gemaakt, kan PWM gebruiken om de snelheid te regelen zonder stroom te verspillen. Sommige regelaars zijn eenvoudige analoge circuits. Andere gebruiken een kleine computer, zoals een microcomputer of een microcontroller zoals een Arduino, om de PWM-signalen te maken. Met een microcomputer heb je geavanceerdere manieren om de motor te besturen.

Voor borstelloze gelijkstroommotoren moet je een speciale elektronische snelheidsregelaar (ESC) gebruiken. Dit soort regelaar kan het ingewikkelde schakelwerk doen dat nodig is om de motor te laten draaien. Servomotoren zijn een ander soort gelijkstroommotor. Ze hebben hun eigen besturingscircuit ingebouwd. Hierdoor kan de positie heel precies worden geregeld. Wanneer je een regelaar kiest, moet je er zeker van zijn dat deze kan werken met de hoeveelheid spanning en stroom die je gelijkstroommotor nodig heeft. Een goede regelaar geeft je een zeer nauwkeurige controle over de snelheid en het koppel van je gelijkstroommotor. De regelaar is als het ware het brein van je motor.

Hoe verhouden snelheid, spanning en koppel zich tot elkaar in een gelijkstroommotor?

Begrijpen hoe snelheid, spanning en koppel samenwerken is heel belangrijk om te weten hoe een gelijkstroommotor werkt. Zoals we al hebben besproken, is de snelheid van een gelijkstroommotor meestal verbonden met de spanning. Maar het koppel is meestal verbonden met de stroom. Koppel is de draaikracht van de motor - je kunt het zien als zijn "kracht". Wanneer de gelijkstroommotor zwaar werk doet (wat betekent dat het belastingskoppel hoog is), heeft hij meer stroom nodig. Deze extra stroom helpt de motor om meer koppel te creëren voor die taak.

Wanneer je een bepaalde hoeveelheid spanning aan je gelijkstroommotor geeft, zal deze op één snelheid willen draaien (dit is de onbelaste snelheid). Wanneer je de motor laat werken, vertraagt hij een klein beetje. Hij trekt ook meer elektriciteit aan om het koppel te leveren dat hij nodig heeft om het werk te doen. Als het werk te zwaar is, kan de motor stoppen met draaien. Als dit gebeurt, kan hij een zeer grote hoeveelheid stroom opnemen, waardoor hij kapot kan gaan. Een goed snelheidsregelsysteem, vooral een systeem dat een snelheidssensor gebruikt om de snelheid te controleren, kan de spanning of de PWM-belastingscyclus wijzigen. Dit helpt om de snelheid gelijk te houden, zelfs als de hoeveelheid koppel verandert. Weten hoe snelheid en koppel elkaar beïnvloeden is erg belangrijk voor elk project waarbij een gelijkstroommotor wordt gebruikt.

Belangrijke dingen om te onthouden

• Snelheid volgt spanning: De eenvoudigste regel voor de snelheidsregeling van gelijkstroommotoren is dat de snelheid van de motor rechtstreeks gekoppeld is aan de spanning die je eraan geeft.
• PWM werkt goed: Pulsbreedtemodulatie (PWM) is een geweldige manier om de motorsnelheid te regelen. Het werkt door de stroom heel snel in en uit te schakelen. Dit helpt om veel stroom te besparen.
• Geborsteld of Borstelloos: Borstelloze gelijkstroommotoren zijn eenvoudig en kosten niet veel. Borstelloze gelijkstroommotoren werken beter, gaan langer mee en zijn niet zo luidruchtig, maar ze hebben een ingewikkeldere elektronische regelaar nodig.
• H-Bridge voor volledige controle: Een H-brugschakeling is iets wat je moet hebben als je zowel de snelheid als de richting van een gelijkstroommotor wilt regelen.
• Draaikracht en stroom zijn gekoppeld: Het koppel, of de draaikracht, van een gelijkstroommotor is gekoppeld aan de hoeveelheid stroom die hij opneemt. Voor een zwaardere klus is meer stroom nodig.
• Kies de juiste controller: Het soort regelaar dat je kiest, bepaalt hoe goed je je gelijkstroommotor kunt aansturen. Je kunt alles kiezen, van een eenvoudige weerstand tot een systeem dat een kleine computer gebruikt.