Управление оборотами двигателя на микроконтроллере

Регулятор оборотов коллекторного микроэлектродвигателя для РУ модели

Желание собрать радиоуправление у меня созрело достаточно давно. Но дальше поиска схем, с последующим пониманием, что прошивку автор не даст, дело не продвинулось. В итоге, затея была похоронена в стадии развития. Но недавно мне на глаза попались модули, именуемые NRF24L01+ (стоит 0.6$ на Ali), и уже позабытое желание собрать радиоуправление загорелось с новой силой.

В конечном счете, была разработана схема радиоуправления, а так же несколько сопутствующих устройств. Об одном из них и пойдет речь в данной статье. К слову, в следующих статьях будет описано само радиоуправление, а так же зарядное устройство для li-ion аккумуляторов.

Регулятор оборотов двигателя — это название слышал любой моделист, а в особенности те, кто собирал авиа- и судомодели. Это устройство незаменимо, так как оно обеспечивает плавное управление скорость двигателя.

Существует множество вариантов исполнения таких регуляторов: на микроконтроллерах, на жесткой логике и даже на дискретных компонентах. После просмотра уже готовых схем, я понял что придется делать что-то свое — на логике собирать не хотелось, на дискретных компонентах выходило уж очень громоздко. Найденные схемы на микроконтроллерах были в общем-то неплохими, да вот только вариант собирать то, принцип действия чего я не смогу объяснить, меня не привлекал (а прошивку авторы выкладывать не спешили).

После всего этого и была разработана и собрана схема.

Итак, краткие характеристики (при номиналах деталей, указанных на схеме):

  • Диапазон питающих напряжений: 7 . 35В
  • Максимальный ток: 3А
  • Длительность управляющего импульса: 1 . 2мс
  • Рекомендованный период импульсов: 20мс

Силовая часть представляет собой Н-мост с дополнительными маломощными управляющими транзисторами. Управление оборотами двигателя производится ШИМ сигналом, генерируемым МК. Скважность ШИМ зависит от длительности импульса, поступающего на вход устройства.

Обработку сигналов и управление транзисторами в этой схеме выполняет микроконтроллер ATtiny2313. Этот выбор ничем не обусловлен, кроме того, что он у меня валялся под рукой на момент проектировки устройства. Изначально, в схеме планировалось использование полевых транзисторов, но позже я от них отказался в пользу более доступных советских биполярников (которых практически у каждого целый ящик). Конечно, это наложило свой отпечаток на параметры: максимальный ток значительно снизился, как и цена девайса.

Как уже упоминалось, напряжение питания устройства может варьироваться от 6 до 30 вольт. Это обусловлено границами напряжения, которое может выдержать интегральный стабилизатор LM7805, а так же двигатель (на него подается напряжение, отличное от питающего примерно на 1 вольт).

Максимальный ток зависит от применяемых транзисторов. В моем варианте — это КТ816/817, максимальный ток коллектора которых равен трем амперам.

В качестве маломощных управляющих транзисторов использованы распространенные КТ315.

Для более точного измерения длительности управляющего (серво) импульса был применен кварцевый резонатор на частоту 8МГц.

Диоды D1 — D4 желательно монтировать. Будет работать и без них, но вопрос в том, как долго.

Печатная плата устройства выполнена на одностороннем фольгированном материале (стеклотекстолит, гетинакс). Дорожки выделенные красным — перемычки с лицевой стороны. В моем варианте транзисторы монтируются вне платы на радиаторе.

Печатная плата устройства (синие проводники — обратная сторона):

Принцип работы

При получении импульса, запускается 16 битный таймер, который останавливается по спаду импульса. Таймер настроен таким образом, что каждый его такт — это 1мкс, что позволяет упростить вычисления. После определения длительности импульса происходит сравнение с заданной величиной. Результат записывается в регистр OCR1A/B в зависимости от положения джампера и длительности импульса.

Читайте также:  Из за чего низкое давление масла в двигателе змз 405

Исходный код приведен ниже. Так же его можно взять в приложении к статье.

В наладке устройство не нуждается, и должно работать сразу после правильной сборки и прошивки микроконтроллера. С последним будьте осторожны — не отключите ненароком бит RSTDISBL. Это может стоить вам нового микроконтроллера (если у вас конечно нет параллельного программатора).

Транзисторы КТ315 можно заменить любыми маломощными кремниевыми транзисторами структуры n-p-n. КТ816/817 — аналогичными по параметрам (или более мощными). К примеру, КТ818/819 и т.д. Резисторы можно заменить на аналогичные по мощности с допуском 20-30% от номинального сопротивления. Линейный стабилизатор LM7805 можно заменить на отечественный аналог КРЕН5А, а так же применить импульсный стабилизатор, но придется переработать печатную плату.

Фото , а так же видео работы устройства можно увидеть ниже.

Извиняюсь за не очень презентабельный вид платы — изначально это был тестовый вариант «на первое время». Но так как устройство с первого раза заработало так как от него требовалось, то «временный вариант» перерос в постоянный.

Источник

Транзисторное управление двигателями в схемах на микроконтроллере

Электрический двигатель — это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Первые электродвигатели появились в середине 19 века. Успехи в их разработке связывают с именами таких выдающихся физиков и инженеров, как Н.Тесла, Б.Якоби, Г.Феррарис, В.Сименс.

Различают электро двигатели постоянного и переменного тока. Преимущество первых заключается в возможности экономичного и плавного регулирования частоты вращения вала. Преимущество вторых — большая удельная мощность на единицу веса. В микроконтроллерной практике часто применяют низковольтные двигатели постоянного тока, используемые в бытовых и компьютерных вентиляторах (Табл. 2.13). Встречаются также конструкции с сетевыми двигателями.

Таблица 2.13. Параметры вентиляторов фирмы Sunon

Обмотку двигателя следует рассматривать как катушку с большой индуктивностью, поэтому её можно коммутировать обычными транзисторными ключами (Рис. 2.78, а…т). Главное — это не забыть про защиту от ЭДС самоиндукции.

В двигателях постоянного тока имеется возможность изменять направление вращения ротора в зависимости от полярности рабочего напряжения. В таких случаях широко используют мостовые схемы «Н-bridge» (Рис. 2.79, а…и).

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (начало):

а) регулирование скорости потока воздуха вентилятора M1. Конденсатор С/ уменьшает ВЧ- помехи. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от выбросов напряжения. Резистор R1 определяет степень насыщения транзистора Г77, а резистор R2 закрывает его при рестарте MK. Частота импульсов ШИМ на выходе МК должна быть не менее 30 кГц, т.е. за пределами звукового диапазона, чтобы исключить неприятный «свист». Элементы С/ и R2 могут отсутствовать;

б) плавное регулирование частоты вращения вала двигателя M1 через канал ШИМ. Конденсатор С/ является первичным, а конденсатор С2— вторичным фильтром сигналов ШИМ; О

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи

в) транзисторы VT1, VT2 соединяются параллельно для увеличения суммарного коллекторного тока. Резисторы R1, R2 обеспечивают равномерную нагрузку по мощности на оба транзистора, что связано с разбросом у них коэффициентов И2]Э и ВАХ переходов «база — эмиттер»;

г) двигатель M1 (фирма Airtronics) имеет «цифровой» вход управления, что позволяет подключать к нему MK напрямую. Транзисторные ключи (драйверы) находятся внутри двигателя;

д) два отдельных источника питания позволяют значительно снизить влияние на MK электрических помех, которые генерирует двигатель M1. Система будет работать устойчивее. GB1 — это маломощная литиевая батарея, GB2, GB3 — это пальчиковые гальванические элементы с общим напряжением 3.2 В и мощностью, достаточной для запуска и работы двигателя M1\

Читайте также:  Лада калина 2 датчик температуры двигателя есть

е) параллельные резисторы R2, R3 служат ограничителями тока, протекающего через двигатель M1. Кроме того, они стабилизируютток в нагрузке, если транзистор VT1 находится в активном режиме или на грани входа в режим насыщения;

ж) MK включает/выключает двигатель M1. Резистором R3 подстраивается частота оборотов его вала. Стабилизатором служит «магнитофонная» микросхема DA1 фирмы Panasonic. С её помощью на зажимах двигателя M1 поддерживаются постоянные параметры, которые практически не зависят от колебаний температуры и напряжения питания;

з) дроссели L7, L2 и конденсаторы C7, С2фильтруют излучаемые двигателем радиопомехи. С той же целью двигатель помещается в заземлённый экранированный корпус;

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи

и) вибромотор M1 является источником мощных электромагнитных и радиочастотных помех. Элементы L/, L2, C1 служат фильтрами. Резистор R2 ограничивает пусковой ток через два приоткрытом транзисторе VT1 Диоды VD1, УА2срезаютвершиныимпульсныхпомех;

л) применение ключа на полевом транзисторе VT1 повышает КПД по сравнению с ключом на биполярном транзисторе, ввиду более низкого сопротивления «сток — исток». Резистор R1 ограничивает амплитуду наводок, которые могут «просачиваться» от работающего двигателя M1 во внутренние цепи MK через ёмкость «затвор — сток» транзистора VT1;

м) транзистор VT2 является мощным силовым ключом, который подаёт питание на двигатель ML а транзистор VT1 — демпфером, который быстро тормозит вращение вала после выключения. Резистор R1 снижает нагрузку на выход MK при заряде ёмкостей затворов полевых транзисторов VT1, VT2. Резистор Я2отключаетдвигатель M1 при рестарте MK;

н) ключ на транзисторах VT1, VT2 собран по схеме Дарлингтона и имеет большое усиление. Для регулирования скорости вращения вала двигателя M1 может применяться метод ШИМ или фазо-импульсное управление. Система не имеет обратной связи, поэтому при снижении скорости вращения из-за внешнего торможения будет уменьшаться рабочая мощность на валу;

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи

м) встраивание MK в уже существующий тракт регулирования скорости вращения вала двигателя Ml. В этот тракт входят все элементы схемы, кроме резистора R2. Резистором R4 выставляется «грубая» частота вращения. Точная подстройка осуществляется импульсами с выхода MK. Возможна организация обратной связи, когда МК следит за каким-либо параметром и динамично подстраивает скорость вращения в зависимости от напряжения питания или температуры;

о) скорость вращения вала двигателя M1 определяется скважностью импульсов в канале ШИМ, генерируемых с нижнего выхода MK. Основным коммутирующим ключом служит транзистор VT2.2, остальные транзисторные ключи участвуют в быстрой остановке двигателя M1 по сигналу ВЫСОКОГО уровня с верхнего выхода MK;

п) плавное регулирование частоты оборотов вала двигателя M1 производится резистором R8. ОУ ТШ служит стабилизатором напряжения с двойной обратной связью через элементы R1, R8, C2 и R9, R10, C1. Комбинацией уровней с трёх выходов MK (ЦАП) можно ступенчато изменять скорость вращения вала двигателя M1 (точный подбор резисторами R2…R4). Линии MK могут переводиться в режим входа без « pull-up» резистора для увеличения числа «ступенек» ЦАП;

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (окончание):

p) фазо-импульсное управление двигателем переменного тока M1. Чем большее время за период сетевого напряжения открыт транзистор VT1, тем быстрее вращается вал двигателя;

Читайте также:  Схемы обмоток возбуждения синхронных двигателей

с) включение мощного двигателя переменного тока Ml производится через оптотиристор KS7, который обеспечивает гальваническую развязку от цепей MK;

т) аналогично Рис. 2.78, п, но с одним кольцом обратной связи через элементы C7, R6, R8. Резистор R4 регулирует частоту вращения вала двигателя Ml плавно, а MK — дискретно.

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (начало):

а) направление вращения вала двигателя Ml изменяется мостовой «механической» схемой на двух группах контактов реле KL1, K1.2. Частота переключения контактов реле должна быть низкой, чтобы быстро не выработался ресурс. Дроссели L7, L2 снижают коммутационные токи при переключении реле и, соответственно, уровень излучаемых электромагнитных помех;

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (продолжение):

б) при ВЫСОКОМ уровне на верхнем и НИЗКОМ уровне на нижнем выходе МК транзисторы К77…к ТЗ открываются, а транзисторы КГ4…КГ6закрываются,инаоборот. Когда полярность питания двигателя Ml изменяется на противоположную, то его ротор вращается в обратную сторону. Сигналы с двух выходов МК должны быть противофазными, но с небольшой паузой НИЗКОГО уровня между импульсами, чтобы закрыть оба плеча (устранение сквозных токов). Диоды VD1..VD4уменьшают выбросы напряжения, тем самым защищая транзисторы от пробоя;

в) аналогично Рис. 2.79, б, но с другими номиналами элементов, а также с аппаратной защитой от одновременного открывания транзисторов одного плеча при помощи диодов VD3, VD4. Диоды VD1, КД2повышают помехоустойчивость при большом расстоянии до MK. Конденсатор С/ снижает «искровые» импульсные радиопомехи, генерируемые двигателем Ml;

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (продолжение):

г) аналогично Рис. 2.79, б, но с отсутствием «запирающих» резисторов в базовых цепях транзисторов VT2, VT4. Расчётнато,чтообмоткадвигателяЛ//достаточнонизкоомная,следователо, при рестарте МК внешние помехи на «висящих в воздухе» базах транзисторов VT1 VT2, VT4, VT6 не смогут открыть их коллекторные переходы;

д) аналогично Рис. 2.79, б, но с максимальным упрощением схемы. Рекомендуется для устройств, выполняющих второстепенные функции. Напряжение питания +Еи должно соответствовать рабочему напряжению двигателя M1\

е) в отличие от предыдущих схем, транзисторы VT1…VT4 включаются по схеме с общим эмиттером и управляются ВЫСОКИМ/НИЗКИМ уровнем непосредственно с выходов MK. Двигатель M1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение 3…3.5 В. Диоды VD1… VD4 уменьшают выбросы напряжения. Фильтр LL C1 снижает импульсные помехи по питанию от двигателя M1, которые могут приводить к сбоям в работе MK. Встречающиеся замены деталей: VT1 VT3- KT972; VT2, VT4- KT973; VD1…VD4- КД522Б, Rx = 3.3 кОм; R2 = 3.3 кОм;

ж) мостовая схема на четырёх управляющих транзисторах VT1 VT2, VT4, VT5 структуры р—п—р. Подстроечным резистором R4 регулируется напряжение на двигателе Ml, а значит, и частота оборотов сразу для двух направлений вращения ротора;

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (окончание):

з) мостовая схема для управления мощным двигателем Ml (24 В, 30 А). Смена полярности напряжения на двигателе производится противофазными уровнями на средних выходах MK, а скорость вращения — методом ШИМ на верхнем и нижнем выходах MK;

и) транзисторы VT2, VT5 подают питание на мостовую схему управления двигателем Ml. Их запараллеливание позволяет подключить к диоду VD1 ещё одну такую же схему.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Источник

Adblock
detector