کنترل جهت چرخش موتور DC با میکروکنترلر AVR و سیگنال‌های PWM

کنترل جهت چرخش موتور DC با میکروکنترلر AVR و سیگنال‌های PWM کنترل موتورهای DC یکی از بخش‌های مهم در پروژه‌های الکترونیکی و رباتیک است، و روش‌های مختلفی برای مدیریت سرعت و جهت چرخش این موتورها وجود دارد. یکی از رایج‌ترین و کارآمدترین روش‌ها استفاده از سیگنال‌های PWM (Pulse Width Modulation) است. در این مقاله، نحوه استفاده از PWM در میکروکنترلرهای AVR برای کنترل موتورهای DC را به‌صورت گام‌به‌گام بررسی می‌کنیم.

مقدمه‌ای بر PWM و کنترل موتورهای DC

PWM یک تکنیک برای تولید سیگنال‌های الکتریکی متناوب است که برای کنترل توان الکتریکی به‌کار می‌رود. این تکنیک به‌ویژه در کنترل سرعت موتورهای DC مؤثر است، زیرا به جای کاهش مستقیم ولتاژ موتور، با تغییر پهنای پالس‌های سیگنال، میزان توان منتقل شده به موتور را کنترل می‌کند.

مزیت اصلی استفاده از PWM برای کنترل موتور این است که با کاهش اتلاف توان، امکان کنترل دقیق‌تر و با کیفیت‌تر سرعت موتور فراهم می‌شود. میکروکنترلرهای AVR دارای واحدهای داخلی برای تولید سیگنال‌های PWM هستند که می‌توانند به سادگی برای کنترل موتورهای DC به‌کار برده شوند.

سخت‌افزار مورد نیاز

برای اجرای پروژه کنترل موتورهای DC با استفاده از PWM در میکروکنترلر AVR، به تجهیزات زیر نیاز داریم:

1. میکروکنترلر AVR (مانند ATmega16 یا ATmega32)
2. موتور DC: برای این پروژه، موتورهای DC کوچک با ولتاژ ۵ تا ۱۲ ولت مناسب هستند.
3. درایور موتور (مانند ماژول L298N): برای کنترل توان مورد نیاز موتور و جهت چرخش آن.
4. منبع تغذیه: ولتاژ متناسب با موتور و درایور.
5. سیم‌ها و اتصالات: برای اتصال قطعات به یکدیگر.

مرحله اول: پیکربندی PWM در AVR

میکروکنترلرهای AVR دارای تایمرهایی هستند که می‌توان از آن‌ها برای تولید سیگنال PWM استفاده کرد. در اینجا به پیکربندی تایمر برای ایجاد سیگنال PWM می‌پردازیم:

1. انتخاب تایمر: تایمر 0 یا تایمر 1 را برای تولید PWM انتخاب کنید. تایمر 1 به دلیل دقت بالاتر، گزینه‌ی بهتری است.
2. انتخاب مد کاری: تایمر را در مد Fast PWM یا Phase Correct PWM تنظیم کنید. مد Fast PWM برای کنترل دقیق‌تر سرعت موتور ترجیح داده می‌شود.
3. تنظیم فرکانس PWM: فرکانس PWM باید در حدود 1 کیلوهرتز باشد تا موتور به درستی پاسخ دهد و لرزش یا صدای اضافی نداشته باشد.
4. تنظیم Duty Cycle: با تغییر Duty Cycle (پهنای پالس)، سرعت موتور کنترل می‌شود. برای مثال، یک Duty Cycle 50% باعث می‌شود موتور با نصف توان خود بچرخد.

کد نمونه برای تولید PWM در AVR

در اینجا یک کد ساده برای تولید PWM با استفاده از تایمر 1 در ATmega16 آورده شده است:

#include <avr/io.h>

void PWM_init() {
    // تنظیم پایه‌ها به عنوان خروجی
    DDRD |= (1 << PD5);
    
    // تنظیم تایمر 1 در مد Fast PWM با پیش‌تقسیم‌کننده 64
    TCCR1A = (1 << COM1A1) | (1 << WGM11);
    TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << WGM13) | (1 << CS11) | (1 << CS10);
    
    // تنظیم فرکانس PWM
    ICR1 = 2499; // فرکانس ~1kHz
    
    // تنظیم Duty Cycle
    OCR1A = 1249; // 50% Duty Cycle
}

int main(void) {
    PWM_init();
    while(1) {
        // اجرای بی‌نهایت برای کنترل PWM
    }
}

این کد، پایه‌ی PD5 را برای خروجی PWM تنظیم کرده و سیگنال PWM با فرکانس 1 کیلوهرتز و Duty Cycle 50% تولید می‌کند. با تغییر مقدار OCR1A می‌توانید پهنای پالس را تغییر داده و سرعت موتور را تنظیم کنید.

مرحله دوم: کنترل جهت چرخش موتور با PWM و H-Bridge

برای تغییر جهت چرخش موتور DC به یک مدار H-Bridge نیاز داریم. یکی از رایج‌ترین ماژول‌های درایور موتور، L298N است که دارای دو کانال H-Bridge بوده و امکان کنترل دو موتور را فراهم می‌کند.

برای تغییر جهت چرخش موتور از دو پایه ورودی IN1 و IN2 در ماژول L298N استفاده می‌کنیم. ترکیب‌های زیر جهت چرخش را مشخص می‌کنند:

• IN1 = HIGH و IN2 = LOW: موتور در جهت ساعتگرد می‌چرخد.
• IN1 = LOW و IN2 = HIGH: موتور در جهت پادساعتگرد می‌چرخد.
• IN1 = LOW و IN2 = LOW: موتور متوقف می‌شود.

کد نمونه برای کنترل جهت و سرعت موتور

کد زیر نمونه‌ای از کنترل سرعت و جهت چرخش موتور را با استفاده از PWM و H-Bridge نشان می‌دهد:

#include <avr/io.h>

void PWM_init() {
    // تنظیم پایه‌ها به عنوان خروجی
    DDRD |= (1 << PD5); // PWM خروجی برای کنترل سرعت
    DDRC |= (1 << PC0) | (1 << PC1); // پایه‌های جهت چرخش موتور
    
    // تنظیم تایمر 1 در مد Fast PWM با پیش‌تقسیم‌کننده 64
    TCCR1A = (1 << COM1A1) | (1 << WGM11);
    TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << WGM13) | (1 << CS11) | (1 << CS10);
    
    // تنظیم فرکانس PWM
    ICR1 = 2499; // فرکانس ~1kHz
}

void setMotorSpeed(uint16_t speed) {
    OCR1A = speed; // تنظیم Duty Cycle برای کنترل سرعت
}

void setMotorDirection(uint8_t direction) {
    if (direction == 1) {
        PORTC |= (1 << PC0); // جهت ساعتگرد
        PORTC &= ~(1 << PC1);
    } else if (direction == 0) {
        PORTC |= (1 << PC1); // جهت پادساعتگرد
        PORTC &= ~(1 << PC0);
    }
}

int main(void) {
    PWM_init();
    setMotorDirection(1); // تنظیم جهت اولیه موتور
    setMotorSpeed(1249); // تنظیم سرعت اولیه موتور
    
    while(1) {
        // در اینجا می‌توانید کدهای بیشتری برای کنترل دینامیکی سرعت و جهت قرار دهید
    }
}

در این کد:

• تابع setMotorSpeed برای تنظیم سرعت موتور از طریق تغییر Duty Cycle به‌کار می‌رود.
• تابع setMotorDirection برای تنظیم جهت چرخش موتور با استفاده از پایه‌های PC0 و PC1 در ماژول L298N استفاده می‌شود.

نکات بهینه‌سازی و تست

1. فرکانس PWM: اگر موتور دچار لرزش یا صدای زیاد شد، فرکانس PWM را کمی تغییر دهید.
2. تنظیمات Duty Cycle: با تغییر مقدار Duty Cycle، می‌توانید سرعت موتور را در بازه‌های مختلف تنظیم کنید.
3. خنک‌کننده: اگر از موتورهای بزرگ استفاده می‌کنید، حتماً از هیت‌سینک یا فن برای خنک‌سازی استفاده کنید.

نتیجه‌گیری

کنترل موتورهای DC با استفاده از سیگنال‌های PWM در میکروکنترلرهای AVR، به‌ویژه برای پروژه‌های رباتیک و اتوماسیون، روشی کارآمد و بهینه است. با استفاده از تکنیک‌های ذکر شده، می‌توانید سرعت و جهت چرخش موتورهای DC را به دقت کنترل کرده و در پروژه‌های خود به کار گیرید.

کنترل جهت چرخش موتور DC با میکروکنترلر AVR و سیگنال‌های PWM

مطلب پیشنهادی

آموزش ساخت سیستم کنترل روشنایی اتوماتیک با میکروکنترلر AVR و سنسور نور

آموزش مقدماتی برنامه‌نویسی میکروکنترلرهای AVR شروعی برای مبتدیان