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Abbiamo visto in precedenza il controllo Velocità -  Direzione.  Ora vediamo un altro sistema, più performante dal punto di vista delle prestazioni meccaniche, ma più esigente dal punto di vista energetico. In questo sistema, la bobina del motore è sempre alimentata, la corrente fluisce da un verso o dall'altro e la velocità viene modulata attraverso il controllo del duty cycle. (per una trattazione del duty cycle rimandiamo all'articolo precedente).

Se la nostra esisgenza è un controllo della coppia su tutta la gamma di velocità del motore e non abbiamo particolari problemi di energia, il locked antiphase è la soluzione.

Esaminiamo il ponte H. Cosa accade applichiamo un segnale PWM ad entrambi i canali A e B ?

Abbiamo visto in precedenza che se i due canali sono entrambi nello stesso stato (0 -0 oppure 1-1) il ponte ad H è spento. La corrente non può scorrere in alcun ramo e quindi il motore non sarà attraversato da corrente.  In questa condizione il motore avrà una coppia nulla perché è come se fosse scollegato dalla corrente.

Immaginiamo ora di applicare un segnale che sia del tipo A=0 B=1, A=1 B=0;

Cioé applichiamo sempre il segnale opposto a ciascuno dei due piedini.  Se lo applicassimo lentamente vedremmo il nostro motore avanzare di alcuni gradi, e poi retrocedere degli stessi gradi se il segnale ha un duty cycle del 50%.

Se immaginiamo di fare questa operazione di "cambio" molto velocemente ( cioé ad alta frequenza ), l'effetto sarà quello di avere un motore fermo.

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Ora proviamo a cambiare la durata relativa dei segnali, cioé cambiamo il duty cycle, mantenendo uguale  la frequenza dei due segnali. In questa figura vediamo che il ciclo alto del canale B dura di più del ciclo alto del canale A. Questo vuol dire che il motore girerà per un tempo maggiore in un verso rispetto che all'altro. L'effetto ad alta frequenza sarà un avazamento a velocità controllata minore del massimo.

Se esaminiamo il caso estremo, vediamo che, ponendo B=1 per sempre otteniamo A=0 e quindi rispettiamo le condizioni del locked antiphase anche nel caso di rotazione a velocità massima.

I due metodi di regolazione coincidono nei casi estremi. Nel caso del locked antiphase, però, il consumo sarà maggiore perché l'avvolgimento è sempre atraversato da corrente in ogni istante.  Nel caso precedente, invece, il consumo era minore a velocità minore.  Questo giustifica anche il calo di coppia con il metodo precedente.

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Il locked antiphase è un metodo molto comodo in applicazioni di regolazione industriale perché in questo caso le prestazioni del motore rimangono pressoché costanti a qualunque velocità.   E' una modalità di controllo molto performante anche in applicazioni dove il cambio di velocità deve essere molto repentino e la risposta del motore immediata. ( per esempio nei line follower).

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Il controllo più intuitivo e forse semplice da realizzare è quello in cui si regola velocità e verso di rotazione. Questo metodo di controllo funziona bene in tutti i casi in cui non sia richiesto di sfruttare tutta la coppia del motore sull'intera gamma delle velocità.

Riguardando lo schema del ponte ad H,  se noi fissiamo un segnale su B e mandiamo un segnale alternato 0-1 su A, otteniamo che la corrente scorrerà sempre in un verso del motore "accendendo e spegnendo" l'avvolgimento del motore DC e dando come effetto la regolazione di velocità.

La regolazione di velocità avviene cambiando il duty sycle del segnale 0-1.

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Onda Quadra Duty Cycle

Un onda quadra, cioé un segnale che alterna solamente i valori 0-1, è caratterizzato dai seguenti parametri:

Frequenza:  il numero di volte in cui il segnale ripete la sequenza 101 in un secondo.

Duty Cycle: è il rapporto tra la durata dello stato 1 e la durata totale di un periodo.

Facciamo un esempio per chiarire la sistuazione:

In figura sono riportate 2 onde quadre  con la stessa frequenza. Come si vede, infatti, il periodo T, cioé la durata di una transizione 1-0-1 è uguale per l'onda sopra e quella sotto in figura.

Con le percentuali  50% e 20% indichiamo invece il duty cycle, cioé il rapporto tra la durata dello stato alto (1) e la durata totale (T).

Facciamo un esempio numerico:

Supponiamo che T sia uguale ad 1 secondo, quindi la frequenza sarà pari ad 1hz.  Nel primo caso lo stato alto dureà 0,5 secondi, cioé il 50% di 1 seocndo, che è il periodo totale.  Nel secondo caso, lo stato alto durerà 0,2 secondi, cioé il 20% del periodo totale.

Controllo di un motore DC agendo sul Duty Cycle

Per controllare un motore dovremo scegliere una frequenza adeguata, che permetta di avere una risposta fluida e non a scatti. La determinazione di questa frequenza dipende dalle caratteristiche del motore, ma è molto facile, dal punto di vista pratico, provare varie frequenze per trovare quella ottimale in cui il movimento sia unforme nel tempo.

Una volta scelta la frequenza, è sufficiente impostare il duty cycle.  Il ponte ad H, come abbiamo visto prima, ha due canali di ingresso che chiameremo A e B. Un canale andrà lasciato a 0 e l'altro dovrà essere controllato tramite un segnale PWM, (cioé l'onda quadra che abbiamo visto in precedenza). Vedremo più avanti che cosa comporta scegliere un canale oppure un altro.

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Il duty cycle può essere regolato da 0% ( motore fermo) a 100% motore a velocità massima. Un duty cycle del 100% equivale a collegare direttamente il motore ad una batteria.

Se non dovete modulare la velocità del motore, esitono altri metodi di controllo più semplici.

Il controllo di un motore DC con Ponte H in modalità Velocità - direzione, può essere facilmente implementato su un Arduino o Rapsberry  ( o qualunque scheda di controllo  a microcontrollore ).

Fino ad ora non abbiamo mai parlato della differenza fra la scelta del canale A o del canale B come ingresso per il segnale PWM.

Nella figura qui a lato, abbiamo messo a 0 l'ingresso B e andiamo ad esaminare cosa accade se mettiamo ad 1 l'ingresso A.  Vediamo che la corrente scorre in un verso lungo il motore (che si trova al centro della H). Se andiamo ad invertire la situazione, la corrente scorrera nel verso opposto. Cambiare il verso della corrente comporta un cambiamento del senso di rotazione (orario oppure antiorario). La scelta del piedino di controllo da lasciare a 0, quindi, dipenderà esclusivamente dal senso di rotazione che dobbiamo dare al motore nella nostra applicazione. Quando tutti e due i piedini sono a 0, non c'è flusso di corrente perché i due rami sono spenti.  Si capisce, così, quale è l'effetto dell'onda quadra vista in precedenza. Quando l'onda assume il valore 1, il motore sarà acceso, quando questa assume il valore 0 sarà spento. Accendendo e spegnendo velocemente il motore, si otterrà un effetto medio di regolazione della velocità. Se la frequenza è molto alta, non ci accorgeremo dell'accensione e dello spenimento "a scatti", ma vedremo un effetto medio, cioé un rallentamento rispetto alla velocità massima.

Il difetto di un controllo di questo tipo può essere una perdita di coppia quando ci si allontana dalla velocità massima e un cambio di velocità non particolarmente efficiente se abbiamo bisogno di gestire variazioni rapide.

Un sistema più prestante, è il locked antiphase [leggi..],

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