ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Схеми радіоелектронних та електротехнічних пристроїв

Мікроконтролерний регулятор частоти обертання колекторного електродвигуна. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Електродвигуни

Коментарі до статті

Багато приводах, зокрема побутових електроприладів, широко застосовуються колекторні електродвигуни з послідовним збудженням. Відомі численні варіанти регуляторів частоти обертання таких двигунів з використанням керованих випрямлячів на тиристорах (див., наприклад, книгу "Тиристори. Технічний довідник"/Пер. з англ. В. А. Лабунцова та ін. - М.: Енергія, 1971).

Застосування у зазначених пристроях мікроконтролерів (МК) з реалізацією основних функцій керування електроприводом на програмному рівні відкриває якісно нові можливості. Регулятор при цьому виходить досить універсальним з можливістю налаштування управління різними варіантами електроприводів або інших навантажень зміною записаної в пам'яті МК програми.

У статті описується розроблений авторами варіант такого регулятора на базі МК PIC16F84 фірми Microchip Technology.

У пропонованому пристрої використаний імпульсний метод регулювання напруги в ланцюгах постійного струму, який набув широкого поширення, зокрема, в електроприводі транспортних засобів [1].

Суть методу полягає в тому, що напруга на двигун подається імпульсами з великою частотою за допомогою безконтактного ключового елемента. Протягом імпульсу тривалістю tі (рис. 1) до електродвигуна прикладено повну напругу джерела живлення U і струм у ланцюгу двигуна наростає, а протягом паузи tn напруга відключена, а струм під дією ЕРС самоіндукції поступово спадає, замикаючись через ланцюг блокуючого діода. Середнє значення напруги Ucp на затискачах електродвигуна, отже, та її частоту обертання регулюють зміною коефіцієнта заповнення К3, рівного відношенню тривалості імпульсу tі до періоду комутації Т=tі + tn: UCP = K3U; K3 = tі / T. (1)

Мікроконтролерний регулятор частоти обертання колекторного електродвигуна

Для зменшення амплітуди пульсацій струму та розширення діапазону регулювання застосовано широтно-частотне управління ключовим елементом з одночасною зміною тривалості періоду комутації згідно зі співвідношенням Т = Тмин/4К3(1-К3), (2) де Тмін - мінімально допустимий час комутації, що визначається характеристиками та швидкодією мікроконтролера; у разі Кмин прийнято рівним 2,5 мс.

Для демонстрації можливостей мікроконтролерного керування електроприводом у пропонованому пристрої реалізовано наступний набір функцій, що виконуються:

- Регулювання частоти обертання зміною коефіцієнта заповнення К3 в інтервалі 0 ... 100% з кроком 2%. Механічна характеристика електроприводу (залежність частоти обертання від моменту на валу) при цьому м'яка: зі зростанням навантаження частота обертання знижується, що захищає електродвигун та джерело живлення від перевантажень;

- підтримка заданої частоти обертання з точністю ±5 % з використанням принципу замкнутого управління з відхилення: фактичне значення частоти обертання порівнюється із заданим, і за наявності відхилення програмно змінюється К3 до усунення відхилення, що виникло;

- Зміна напрямку обертання валу (реверс) електродвигуна;

- Формування сигналу на включення гальмівного елемента при зупинці приводу;

- Автоматичне відключення електродвигуна за сигналами датчиків аварійного режиму (при використанні таких), а також при збоях у виконанні програми;

- можливість керування двома електродвигунами з тимчасовим зрушенням імпульсів напруги живлення;

- облік та зберігання в енергонезалежній пам'яті МК інформації про сумарний час роботи приводу;

- візуальна індикація обраного алгоритму управління (зі стабілізацією частоти обертання або без неї) та напрямки обертання, а також величин коефіцієнта заповнення, заданої та фактичної частот обертання.

У конкретних застосуваннях деякі з цих функцій можуть не використовуватися.

Принципова схема пристрою керування електродвигуном зображена на рис. 2. Його основа – МК DD1, що працює на тактовій частоті 10 МГц. Органами управління є кнопки SB1 ("Вперед"), SB2 ("Стоп") та SB3 ("Назад"), приєднані до розрядів RB0 - RB2 порту В МК. Паралельно кнопці SB2 за необхідності можна підключити вихід датчика струму навантаження, який при перевищенні встановленого струмового порогу відключатиме привід від джерела живлення.

(Натисніть для збільшення)

Як ключовий елемент застосований потужний складовий транзистор КТ834В (VT2). Завдяки великому коефіцієнту передачі струму бази управління ним здійснюється безпосередньо напругою з виходу RB4 порту через струмообмежувальний резистор R5.

Програмою управління передбачена можливість одночасного керування другим електродвигуном з підключенням входу аналогічного ключового елемента висновку RB5. При цьому з метою зменшення пульсацій струму в ланцюзі джерела імпульси напруги другого двигуна формуються з тимчасовим зрушенням, рівним тривалості імпульсу tі, як показано на рис. 1, а і б.

Як ключі у пристрої можна застосувати потужні польові або гібридні силові транзистори з підключенням ланцюгів управління безпосередньо до висновків МК [2], що дозволяє використовувати регулятор у силових електроприводах потужністю до сотень кіловат, наприклад, в електрифікованих транспортних засобах.

Реверс електродвигуна здійснюється зміною напряму струму в обмотці збудження електродвигуна LM1 за допомогою перемикаючих контактів реле К1. Його обмотка включена до колекторного ланцюга транзистора VT1, керованого напругою з виходу RB3 МК.

У регуляторі застосовано реле РЕН18 (паспорт РХ4.564.505) з чотирма контактами, що перемикають (для підвищення надійності в кожній з груп К1.1 і К1.2 паралельно з'єднані по два контакти). Перемикання контактів відбувається при знеструмленому електродвигуні (К3 = 0), що суттєво знижує вимоги до їхньої комутаційної здатності.

Залежно від номінального струму електродвигуна для перемикання обмотки збудження може знадобитися застосування потужнішого комутаційного пристрою. При керуванні нереверсивним електроприводом необхідність використання зазначених елементів взагалі відпадає.

Програмою передбачено формування на виході RB6 МК сигналу, що включає гальмівний елемент швидкої зупинки приводу при виключенні або для обмеження частоти обертання в режимі стабілізації при негативних навантаженнях на валу електродвигуна. Якщо такого елемента немає, цей сигнал просто не використовують.

Висновок RB7 надходять імпульси від фотоелектричного датчика частоти обертання. Він складається з випромінюючого діода ІЧ діапазону VD5, фотодіода VD6, підсилювача на транзисторі VT3 [3] та закріпленого на валу електродвигуна диска з двома діаметрально розташованими отворами діаметром близько 10 мм. При обертанні валу ІЧ промені двічі за один оборот на короткий час висвітлюють фотодіод, і ланцюги колектора транзистора VT3 формуються імпульси напруги. Надходячи на вхід RB7, вони викликають переривання МК від порту В. За цими перериваннями МК вимірює час кожного обороту валу двигуна і переводить виміряний інтервал частоту обертання, нормовану відносно номінальною у відсотках. У разі за 100 % прийнята частота обертання 3000 хв-1.

Якщо коефіцієнт заповнення досягнув нуля (відключення живлення), а двигун продовжує обертатися з кутовою частотою, що перевищує задану, МК видає виконавчому пристрою команду на гальмування через розряд RB6 порту.

Настроєний на виведення п'ятирозрядний порт А використовується для керування у динамічному режимі сімома розрядами цифрового індикатора HG1. Через розряд RA3 на вхід С1 двійкового лічильника DD3 надходить інформація (у вигляді відповідного числа імпульсів) про десяткову цифру, що відображається, а через розряд RA4 здійснюється обнулення лічильника. Дешифратор DD4 перетворює двійковий код на виході лічильника на код семиелементного індикатора.

З висновків RAO-RA2 МК адресні входи дешифратора DD2 надходить у двійковому коді номер розряду індикатора HG1, у якому має відображатися вміст лічильника DD4. Напруги на виходах 0 - 6 дешифратора послідовно активізують відповідні розряди індикатора, забезпечуючи відображення семи цифр, а в інтервалах формування напруги на виході дешифратора, що не використовується, індикація відключена і проводиться завантаження відображуваної цифри в лічильник.

При увімкненні пристрою відбувається автоматичне скидання МК і починається виконання записаної в пам'яті програми. Виробляється початкова ініціалізація МК та керуючої програми: налаштовуються предделитель таймера/лічильника і лінії портів А і В на введення/виведення, заносяться необхідні початкові константи у використовувані змінні, дозволяються переривання від таймера/лічильника і зміни рівня вхідної напруги в розряді RB7 порту В. Після цих дій програма циклічно виводить інформацію на цифровий індикатор HG1 та опитує стан кнопок SB1-SB3.

Управління електроприводом може відбуватися за двома алгоритмами, що вибираються користувачем.

Увімкнено режим стабілізації. Користувач задає необхідну частоту обертання валу двигуна, а МК кілька разів на секунду вимірює реальну частоту обертання і в залежності від результату коригує коефіцієнт заповнення К3 таким чином, щоб підтримувати задану частоту незалежно від перепадів напруги живлення і зміни моменту опору на валу електродвигуна.

Для включення режиму стабілізації необхідно при зупиненому приводі одночасно натиснути кнопки SB2 ("Стоп") і SB1 ("Вперед"), для вимикання - SB2 ("Стоп") і SB3 ("Назад"). На індикатор у цьому режимі виводиться інформація у форматі 5_XXX_YYV, де 5 - ознака того, що МК працює в режимі стабілізації, XXX - поточний коефіцієнт заповнення у відсотках від 0 до 100% з кроком 2%, сформований МК для підтримки заданої частоти обертання, a YYY - задана частота обертання приводу у відсотках від номінальної в інтервалі від 0 до 100% з кроком 5%.

Режим стабілізації вимкнено. Користувач задає необхідний коефіцієнт заповнення К3. Сигнал зворотного зв'язку частотою обертання не використовується. На індикатор виводиться інформація у форматі XXX_YYY, де XXX - виміряна поточна частота обертання валу електродвигуна (вимірюється кілька разів на секунду) a YYY - заданий коефіцієнт заповнення К3 від 0 до 100 % з кроком 2 %.

За допомогою вбудованого в МК таймера/лічильника програма підраховує відпрацьований двигун час у хвилинах, періодично зберігаючи його значення в незалежній пам'яті даних. Відповідна інформація виводиться на індикатор після натискання кнопки SB2 при зупиненому приводі. Після досягнення лічильником хвилин значення 8192 (близько 136,5 год) відбувається його обнулення.

Імпульси керування двома силовими ключами формуються МК на виходах RB4, RB5 за перериваннями від таймера/лічильника у послідовності, наведеній на рис. 1. Як наслідок, при К3 ≤ 0,5 у кожний момент до джерела живлення підключено лише один із двох двигунів, а при К3 > 0,5 відбувається часткове накладання струмів споживання електродвигунів, що покращує режим роботи джерела живлення.

Константи, необхідні формування часових інтервалів відповідно до співвідношенням (1), (2) і рис. 1 завантажуються в таймер з таблиці, розміщеної в пам'яті програм МК. Адреса таблиці визначається за необхідною величиною коефіцієнта заповнення К3.

Коди "прошивки" ПЗУ МК наведено у таблиці.

(Натисніть для збільшення)

У разі непередбаченої поведінки керуючої програми, викликаної будь-якими причинами, за командою сторожового таймера здійснюються скидання МК та екстрена зупинка приводу.

Вихідний текст програми

При програмуванні МК в байті конфігурації має бути зазначена наступна інформація: тип генератора - HS, Watchdog timer та Power-up timer - включені. Програма розрахована на максимально допустиму частоту обертання 3000 хв -1 Для зміни цього значення потрібно встановити інші константи в процедурі її вимірювання (див. коментарі в тексті вихідної програми).

Крім того, значення максимальної частоти обертання можна поступово змінювати, варіюючи кількість отворів у диску таходатчика. Наприклад, для отримання максимальної частоти 1500 хв -1 необхідно просвердлити чотири отвори.

Для живлення низьковольтної частини регулятора можна використовувати будь-яке малопотужне джерело, що забезпечує напругу 5 при струмі до 150 мА. МК PIC16F84 без змін у керуючій програмі може бути замінений дешевшим PIC16C84, також розрахованим на роботу з тактовою частотою 10 МГц. Як цифровий індикатор HG1 можна використовувати будь-який інший з аналогічним керуванням. Діоди випрямного мосту VD3, транзистор VT2 та контакти реле К1 визначають максимальну потужність приводу, який може керуватися регулятором.

Регулятор був випробуваний у роботі з універсальним колекторним електродвигуном потужністю 400 Вт. При цьому транзистор VT2 був встановлений на тепловідводі із загальною площею поверхні, що охолоджує, близько 100 см2.

Правильно зібраний із справних компонентів регулятор при безпомилково запрограмованому МК не потребує налагодження.

Описаний пристрій можна використовувати не тільки для керування частотою обертання електроприводів, але й для підтримки заданих значень інших фізичних параметрів, наприклад температури в кімнаті, інкубаторі, басейні, акваріумі або інших об'єктах. У цьому випадку замість датчика частоти обертання до входу RB7 МК підключають перетворювач температура-частота. Розряди порту В, що не використовуються, можна запрограмувати на керування іншими зовнішніми пристроями, наприклад, що включають вентиляцію в приміщенні при перегріві повітря, освітлення і компресор в акваріумі через певні інтервали часу і т. п. Все це вимагає внесення мінімальних змін до програми управління.

література

Бірзнієкс Л. В. Імпульсні перетворювачі постійного струму. - М: Енергія, 1974.
Енергетична електроніка. Довідковий посібник: Пров. з ньому. / Под ред. В. А. Лабунцова. - М: Енергоатоміздат, 1987.
Баянов К. Лічильник витрати магнітної стрічки. – Радіо, 1994, № 5, с. 5-7.

Автор: С.Коряков, Ю.Сташинов, м.Шахти Ростовської обл.

Дивіться інші статті розділу Електродвигуни.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Відмінності між чоловічим та жіночим інфарктом 29.01.2016

Причини, симптоми та наслідки жіночих інфарктів нерідко відрізняються від чоловічих.

Незважаючи на помітне падіння смертності від серцево-судинних захворювань у США у XXI столітті, жінки помирають від них набагато частіше, ніж чоловіки. Причина в тому, що хвороби серця все ще погано лікують та діагностують у жінок, наголошують вчені.

Причиною інфаркту міокарда вважається закупорка основних артерій, які ведуть серцю (тромбоз). У жінок (порівняно з чоловіками) закупорка має менш серйозний характер, їм рідше потрібно стентування. Однак у них частіше ушкоджуються коронарні артерії, що призводить до скорочення припливу крові до серцевого м'яза. Результат цього процесу – той самий інфаркт.

Біль у ділянці грудної клітки є головним симптомом інфаркту для обох статей. Однак у жінок частіше трапляються атипові симптоми (задуха, блювання, біль у спині).

Щодо лікування, то жінки стикаються з більш важкими ускладненнями після відновлення кровотоку. Справа в тому, що їх кровоносні судини зазвичай менші, а (принаймні в США) вони старші і більше страждають від таких факторів ризику, як діабет та високий тиск. Крім того, їм рідше прописують кардіореабілітацію і вони рідше доводять відновлювальну програму до кінця.

Інші цікаві новини:

▪ Компактні джерела живлення Mean Well MPM-45/65/90 для медичних пристроїв

▪ Портативне сонячне заряджання електромобілів від Volvo

▪ Популярність РК-телевізорів зростає

▪ Серія наноспоживаючих пристроїв Maxim MAX17222

▪ Найяскравіший OLED-дисплей для смартфонів

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Цифрова техніка. Добірка статей

▪ стаття З червоного рядка. Крилатий вислів

▪ стаття Що таке баладу? Детальна відповідь

▪ стаття Організація роботи уповноважених (довірених) осіб з охорони праці