一个奇特的电机恒速控制电路

01 恒速电路

一、前言

在网络上看到有人分享了一个直流电机控制电路。这个电路可以对电机负载增加有一定的速度补偿能力。

视频中给出了电路的原理图。说实在的，第一次看到这个电路，对于它的负载补偿机制还不是很理解，下面通过实验测试一下。

▲ 图1 调速电机电路

二、电路设计

根据网络上的资料，使用两个 LM311 替代原来的双比较器。使用 7809  将工作电压12V 稳压到9V。这样可以确保振荡信号稳定。不会受到功率电路的影响。控制电机使用 N 沟道MOS 管。

▲ 图1.1.1 电路原理图

  电路中的MOS管的型号为 RFS4010，这是英飞凌公司的MOS管，耐压 100V，导通电阻4.7毫欧，这是之前实验中拆机所剩下来的功率MOS管。

AUIRFS4010 Datasheet[2]

为了便于使用一分钟制版方法，铺设了单面电路板。其中包括有两个飞线。

经过一分钟制版，得到了一块实验电路板。对电路板进行检查，非常完美。下面对其进行焊接测试。

焊接电路板。经过清洗，检查、补焊，下面进行上电调试。

三、调试电路板

为了方便后面的实验，给电机和电路板焊接外部引线。通过外部的面包板，提供电路工作电源，连接外部的电机和电位器。万事俱备只欠东风，接下来对其进行上电测试。

给电路板施加12V工作电压，静态电流大约37mA，7809 输出电压大约为 8.89V。测量第一个比较器，也就是振荡器的输出电压，两个输入端的电压波形。黄色波形为负输入端信号，紫色为正输入端信号，蓝色为输出电压信号。信号的频率大约为 1kHz。

▲ 图1.2.1 振荡器的典型波形

四、测试结果

实际上，第一个比较器只是负责产生一个三角波，提供给第二个比较器产生 PWM 波形，控制功率管的导通和截止。对应的占空比是由 C2 上的充放电决定的。通过外部的可调电位器和R6 对C2进行放电。电源通过 R8给 C2充电，由于这个充电过程经过比较器和功率管形成负反馈，因此最终达到一个平衡。至于为什么电机能够转速稳定，下面先看一下具体的测量结果。

使用示波器查看实际电路中的信号波形，采用一个霍尔电流传感器，测量电机中的电流。这是所测量到的信号波形。最上面是第二个比较器负输入端三角电压波形。下面是电机线圈电流。接下来两个分别是MOS管的漏极和栅极电压波形。他们呈现反相特点。请大家注意，在MOS管截止时，电机中的电流通过二极管续流，这是续流所产生的电压。这在后面应该是起到电流负反馈的作用。

▲ 图1.2.2 电路中信号波形

  测试调节放电电位器的功能，可以看到 PWM 占空比随着电阻的改变会发生变化，近而改变电机的转速。这验证了电路中电阻的控制功能。通过对电机输出转轴施加阻力，可以看到电机电流以及PWM 占空比都会发生变化。这一点验证了该电路的确有转速补偿功能。也就是当电机负载增加时，电路会自动增加驱动占空比来提高电机电压。猜测，这是由于电机电流增加，使得续流时间延长，进而提高了MOS管漏极电压，从而使得PWM的占空比增加。

最后，测试一下改变电源工作电压对于电机转速的影响。可以看到，随着工作电压的增加，PWM的占空比跟随上升。电源电压的升高，使得驱动MOS的PWM波形占空比提升，这使得电机转速上升更快。这说明这个这个电路对于工作电压的波动不仅没有负反馈进行补偿，反而会使得电机转速波动更大。通过初步测试，可以看到这个电路能够对于负载的增加进行补偿，但是对于电压波动反而使得情况更糟。

▲ 图1.3.2 电压变化对于波形的影响

※ 总  结 ※

本文通过实验，测试了一款电机恒速控制电路，该电路通过可调电阻控制电机转速，能够自动补偿电机负载增加所带来的速度下降。但是对于工作电源波动的影响，反而更糟。之后再进行理论分析。

参考资料

[1]恒速电机调速电路: https://www.toutiao.com/video/7285380205495976463/?log_from=528098324330b_1697379159139

[2]AUIRFS4010 Datasheet: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AUIRFS4010-DS-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355b6a9e114c3