ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ
Darmowa biblioteka / Schematy urządzeń radioelektronicznych i elektrycznych

Mikrokontrolerowy regulator prędkości silnika elektrycznego kolektora. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Bezpłatna biblioteka techniczna

Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Silniki elektryczne

Komentarze do artykułu

W wielu napędach, w szczególności domowych urządzeniach elektrycznych, szeroko stosowane są silniki kolektorowe ze wzbudzeniem szeregowym. Istnieje wiele wariantów regulatorów prędkości dla takich silników wykorzystujących sterowane prostowniki tyrystorowe (patrz na przykład książka „Tyrystory. Informacje techniczne” / Przetłumaczone z angielskiego przez V. A. Labuntsova i in. - M .: Energy, 1971).

Zastosowanie mikrokontrolerów (MC) w tych urządzeniach wraz z realizacją głównych funkcji sterowania napędem elektrycznym na poziomie oprogramowania otwiera jakościowo nowe możliwości. W tym przypadku regulator okazuje się dość uniwersalny z możliwością skonfigurowania do sterowania różnymi opcjami napędów elektrycznych lub innych obciążeń poprzez zmianę programu zapisanego w pamięci MK.

W artykule opisano opracowaną przez autorów wersję takiego regulatora opartą na układzie PIC16F84 MK firmy Microchip Technology.

Proponowane urządzenie wykorzystuje impulsową metodę regulacji napięcia w obwodach prądu stałego, która jest szeroko stosowana w szczególności w elektrycznym napędzie pojazdów [1].

Istota metody polega na tym, że napięcie podawane jest na silnik impulsami o dużej częstotliwości powtarzania za pomocą bezkontaktowego elementu kluczowego. Podczas impulsu o czasie trwania t i (rys. 1) na silnik elektryczny podawane jest pełne napięcie źródła zasilania U i prąd w obwodzie silnika wzrasta, a podczas przerwy tn napięcie jest wyłączane, a prąd stopniowo maleje pod działaniem samoindukującego się pola elektromagnetycznego, zamykając obwód diody blokującej. Średnią wartość napięcia Ucp na zaciskach silnika elektrycznego, a co za tym idzie jego prędkość, reguluje się zmieniając współczynnik wypełnienia K3, który jest równy stosunkowi czasu trwania impulsu ti do okresu przełączania T=ti + tn: UCP = K3U; K3 = ti /T. (1)

Regulator prędkości mikrokontrolera silnika kolektora

Aby zmniejszyć amplitudę tętnień prądu i rozszerzyć zakres regulacji, kluczowy element sterowany jest poprzez regulację częstotliwościowo-szerokościową z jednoczesną zmianą czasu trwania okresu przełączania zgodnie z zależnością T = Tmin/4K3(1-K3 ), (2) i prędkość mikrokontrolera; w tym przypadku Tmin przyjmuje się jako równe 2,5 ms.

W celu zademonstrowania możliwości mikrokontrolerowego sterowania napędem elektrycznym w proponowanym urządzeniu zaimplementowano następujący zestaw funkcji:

- regulacja prędkości poprzez zmianę współczynnika wypełnienia K3 w zakresie 0...100% z krokiem 2%. Charakterystyka mechaniczna napędu elektrycznego (zależność prędkości obrotowej od momentu obrotowego na wale) jest miękka: wraz ze wzrostem obciążenia prędkość obrotowa maleje, co chroni silnik elektryczny i źródło zasilania przed przeciążeniami;

- utrzymywanie zadanej prędkości z dokładnością ±5% z wykorzystaniem zasady sterowania w pętli zamkniętej przez odchyłkę: rzeczywista wartość prędkości jest porównywana z wartością zadaną, a w przypadku odchyłki K3 jest programowo zmieniany aż do odchyłki jest wyeliminowany;

- zmiana kierunku obrotu wału (wstecz) silnika elektrycznego;

- generowanie sygnału włączenia elementu hamulcowego po zatrzymaniu napędu;

- automatyczne wyłączenie silnika elektrycznego zgodnie z sygnałami czujników trybu awaryjnego (jeśli są stosowane), a także w przypadku błędów w wykonaniu programu;

- możliwość sterowania dwoma silnikami elektrycznymi z chwilowym przesunięciem impulsów napięcia zasilającego;

- rozliczanie i przechowywanie w pamięci nieulotnej MC informacji o całkowitym czasie pracy napędu;

- wizualne wskazanie wybranego algorytmu sterowania (ze stabilizacją prędkości lub bez) i kierunku obrotów, a także wartości współczynnika wypełnienia, prędkości zadanych i rzeczywistych.

W określonych aplikacjach niektóre z tych funkcji mogą nie być używane.

Schemat ideowy urządzenia sterującego silnikiem pokazano na ryc. 2. Jego podstawą jest MK DD1, pracujący z częstotliwością zegara 10 MHz. Sterowanie to przyciski SB1 („Do przodu”), SB2 („Stop”) i SB3 („Wstecz”), podłączone do bitów RB0 - RB2 portu B MK. Równolegle z przyciskiem SB2 można w razie potrzeby podłączyć wyjście czujnika prądu obciążenia, który w przypadku przekroczenia ustawionego progu prądu odłączy napęd od źródła zasilania.

(kliknij, aby powiększyć)

Jako kluczowy element zastosowano mocny tranzystor kompozytowy KT834V (VT2). Ze względu na duży współczynnik przenoszenia prądu bazy jest sterowany bezpośrednio napięciem z wyjścia RB4 portu B przez rezystor ograniczający prąd R5.

Program sterujący przewiduje możliwość jednoczesnego sterowania drugim silnikiem elektrycznym poprzez podłączenie wejścia podobnego elementu kluczowego do wyjścia RB5. Jednocześnie w celu zmniejszenia tętnień prądu w obwodzie źródłowym formowane są impulsy napięciowe dla drugiego silnika z przesunięciem czasowym równym czasowi trwania impulsu ti, jak pokazano na rys. 1, aib.

Potężne polowe lub hybrydowe tranzystory mocy mogą być użyte jako klucze w urządzeniu z obwodami sterującymi podłączonymi bezpośrednio do zacisków MC [2], co pozwala na zastosowanie regulatora w napędach mocy o mocy do setek kilowatów, np. na przykład w pojazdach elektrycznych.

Odwrócenie silnika elektrycznego odbywa się poprzez zmianę kierunku prądu w uzwojeniu wzbudzenia silnika elektrycznego LM1 za pomocą styków przełączających przekaźnika K1. Jego uzwojenie jest zawarte w obwodzie kolektora tranzystora VT1, sterowanym napięciem z wyjścia RB3 MK.

W regulatorze zastosowano przekaźnik REN18 (paszport PX4.564.505) z czterema stykami przełączającymi (po dwa styki są połączone równolegle w każdej z grup K1.1 i K1.2 dla zwiększenia niezawodności). Przełączanie styków następuje przy wyłączonym silniku elektrycznym (K3 = 0), co znacznie zmniejsza wymagania dotyczące ich zdolności łączeniowej.

W zależności od prądu znamionowego silnika, do przełączania uzwojenia wzbudzenia może być wymagane mocniejsze urządzenie przełączające. Przy sterowaniu napędem elektrycznym nieodwracalnym w ogóle nie ma potrzeby stosowania tych elementów.

Program przewiduje formowanie sygnału na wyjściu RB6 MK, który zawiera element hamujący w celu szybkiego zatrzymania napędu po jego wyłączeniu lub ograniczenia prędkości w trybie stabilizacji przy ujemnych obciążeniach na wale silnika. Jeśli nie ma takiego elementu, określony sygnał po prostu nie jest używany.

Wyjście RB7 odbiera impulsy z fotoelektrycznego czujnika prędkości. Składa się z diody elektroluminescencyjnej IR VD5, fotodiody VD6, wzmacniacza opartego na tranzystorze VT3 [3] oraz dysku zamontowanego na wale silnika z dwoma średnicowo rozmieszczonymi otworami o średnicy około 10 mm. Gdy wał się obraca, promienie IR oświetlają fotodiodę dwukrotnie podczas jednego obrotu przez krótki czas, aw obwodzie kolektora tranzystora VT3 powstają impulsy napięcia. Wchodząc na wejście RB7 powodują przerwy MC z portu B. Na podstawie tych przerw MC mierzy czas każdego obrotu wału silnika i przetwarza zmierzony interwał na prędkość obrotową znormalizowaną względem nominalnej wartości procentowej. W tym przypadku za 100% przyjmuje się prędkość obrotową 3000 min-1.

Jeżeli współczynnik wypełnienia osiągnął zero (zasilanie wyłączone), a silnik nadal obraca się z częstotliwością kątową przekraczającą określoną, MC wydaje polecenie hamowania do siłownika poprzez bit RB6 portu B.

Pięciobitowy port A skonfigurowany jako wyjście służy do dynamicznego sterowania siedmioma bitami wskaźnika cyfrowego HG1. Poprzez bit RA3 wejście C1 licznika binarnego DD3 otrzymuje informację (w postaci odpowiedniej liczby impulsów) o wyświetlanej cyfrze dziesiętnej, a poprzez bit RA4 licznik jest zerowany. Dekoder DD4 przetwarza kod binarny na wyjściu licznika na siedmioelementowy kod wskaźnika.

Od wyjść RAO-RA2 MK do wejść adresowych dekodera DD2 podawany jest w kodzie binarnym numer bitu wskaźnika HG1, w którym powinna być wyświetlana zawartość licznika DD4. Napięcia na wyjściach 0 - 6 dekodera kolejno załączają odpowiednie bity wskaźnika, zapewniając wyświetlenie siedmiu cyfr, a w przerwach kształtowania się napięcia na nieużywanym wyjściu dekodera wskazanie jest wyłączane, a wyświetlana cyfra ładuje się do licznika.

Po włączeniu urządzenia MK jest automatycznie resetowany i rozpoczyna się wykonywanie programu zapisanego w jego pamięci. Wykonywana jest wstępna inicjalizacja MC i programu sterującego: konfiguruje się preskaler timera / licznika oraz linie portów A i B dla wejścia / wyjścia, wprowadza się niezbędne stałe początkowe do używanych zmiennych, przerwania z timera / licznika oraz od zmian poziomu napięcia wejściowego w bicie RB7 portu B. Po wykonaniu tych czynności program cyklicznie wyświetla informacje na wskaźniku cyfrowym HG1 oraz odpytuje stan przycisków SB1-SB3.

Napęd elektryczny może być sterowany według dwóch wybranych przez użytkownika algorytmów.

Tryb stabilizacji jest włączony. Użytkownik ustawia wymaganą prędkość obrotową wału silnika, a MC kilka razy na sekundę mierzy rzeczywistą prędkość i w zależności od wyniku koryguje współczynnik wypełnienia K3 w taki sposób, aby utrzymać ustawioną częstotliwość niezależnie od wahań napięcia zasilania oraz zmiany momentu oporu na wale silnika.

Aby włączyć tryb stabilizacji, należy jednocześnie nacisnąć przyciski SB2 („Stop”) i SB1 („Do przodu”), gdy napęd jest zatrzymany, aby wyłączyć - SB2 („Stop”) i SB3 („Wstecz”) ). Wskaźnik w tym trybie wyświetla informacje w formacie 5_XXX_YYV, gdzie 5 to znak, że MC pracuje w trybie stabilizacji, XXX to aktualny cykl pracy w procentach od 0 do 100% w krokach co 2%, utworzony przez MC w celu utrzymania ustawiona prędkość, a YYY - ustaw prędkość napędu jako procent wartości nominalnej w zakresie od 0 do 100% w krokach co 5%.

Tryb stabilizacji wyłączony. Użytkownik ustawia wymagany współczynnik wypełnienia K3. Sygnał sprzężenia zwrotnego prędkości nie jest używany. Wskaźnik wyświetla informacje w formacie XXX_YYY, gdzie XXX to zmierzona aktualna prędkość obrotowa wału silnika (mierzona kilka razy na sekundę), a YYY to zadany współczynnik wypełnienia K3 od 0 do 100% w krokach co 2%.

Za pomocą timera/licznika wbudowanego w MK program zlicza czas przepracowany przez silnik w minutach, okresowo zapisując jego wartość w nieulotnej pamięci danych. Odpowiednia informacja jest wyświetlana na wskaźniku po naciśnięciu przycisku SB2, gdy napęd jest zatrzymany. Kiedy licznik minut osiągnie wartość 8192 (około 136,5 godziny), jest resetowany do zera.

Impulsy sterujące dwoma wyłącznikami mocy są formowane przez MK na wyjściach RB4, RB5 przerwaniami z timera/licznika w kolejności pokazanej na rys. 1. W efekcie przy K3 ≤ 0,5 w danym momencie do zasilania podłączony jest tylko jeden z dwóch silników, a przy K3 > 0,5 prądy pobierane przez silnik elektryczny częściowo się nakładają, co poprawia tryb pracy źródła .

Stałe niezbędne do utworzenia przedziałów czasowych zgodnie z zależnościami (1), (2) i rys. 1 są ładowane do timera z tablicy znajdującej się w pamięci programu MK. Adres w tabeli jest określony przez wymagany współczynnik wypełnienia K3.

Kody „firmware” ROM MK są pokazane w tabeli.

(kliknij, aby powiększyć)

W przypadku nieoczekiwanego zachowania programu sterującego, spowodowanego jakimikolwiek przyczynami, polecenie zegara watchdog resetuje MC i zatrzymuje napęd w trybie awaryjnym.

Kod źródłowy programu

Podczas programowania MK w bajcie konfiguracyjnym muszą być podane następujące informacje: typ generatora - HS, timer Watchdog i timer Power-up - są włączone. Program przeznaczony jest dla maksymalnej dopuszczalnej prędkości 3000 min -1 Aby zmienić tę wartość, należy ustawić inne stałe w procedurze jej pomiaru (patrz komentarze w tekście oryginalnego programu).

Dodatkowo wartość prędkości maksymalnej można zmieniać skokowo, zmieniając liczbę otworów w tarczy obrotomierza. Przykładowo, aby uzyskać maksymalną częstotliwość 1500 min -1, należy wywiercić cztery otwory.

Do zasilania niskonapięciowej części regulatora można użyć dowolnego źródła małej mocy, które zapewnia napięcie 5 V przy prądzie do 150 mA. MK PIC16F84 bez zmian w programie sterującym można zastąpić tańszym PIC16C84, również przystosowanym do pracy z częstotliwością taktowania 10 MHz. Jako wskaźnik cyfrowy HG1 możesz użyć dowolnego innego z podobnym sterowaniem. Diody mostka prostowniczego VD3, tranzystor VT2 i styki przekaźnika K1 określają maksymalną moc napędu, którą może kontrolować regulator.

Regulator został przetestowany podczas pracy z uniwersalnym silnikiem kolektorowym o mocy 400 W. W tym przypadku tranzystor VT2 został zainstalowany na radiatorze o łącznej powierzchni chłodzenia około 100 cm2.

Regulator prawidłowo zmontowany ze sprawnych podzespołów z dokładnie zaprogramowanym MK nie wymaga regulacji.

Opisywane urządzenie może służyć nie tylko do sterowania prędkością napędów elektrycznych, ale także do utrzymywania zadanych wartości innych parametrów fizycznych, takich jak temperatura w pomieszczeniu, inkubatorze, basenie, akwarium czy innych obiektach. W takim przypadku zamiast czujnika prędkości do wejścia RB7 MK podłączony jest przetwornik temperatury i częstotliwości. Niewykorzystane bity portu B można zaprogramować do sterowania innymi urządzeniami zewnętrznymi, takimi jak włączanie wentylacji w pomieszczeniu w przypadku przegrzania powietrza, oświetlenie i sprężarka w akwarium w określonych odstępach czasu itp. Wszystko to wymaga wprowadzenia minimalnych zmian w program sterujący.

literatura

Birznieks NN Impulsowe przetwornice prądu stałego. - M.: Energia, 1974.
Elektronika energetyczna. Poradnik: na. z niemieckiego / wyd. V. A. Labuntsova. - M.: Energoatomizdat, 1987.
Bayanov K. Licznik zużycia taśmy magnetycznej. - Radio, 1994, nr 5, s. 5-7.

Autor: S.Koryakov, Yu.Stashinov, Shakhty, obwód rostowski

Zobacz inne artykuły Sekcja Silniki elektryczne.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Pułapka powietrzna na owady 01.05.2024

Rolnictwo jest jednym z kluczowych sektorów gospodarki, a zwalczanie szkodników stanowi integralną część tego procesu. Zespół naukowców z Indyjskiej Rady Badań Rolniczych i Centralnego Instytutu Badań nad Ziemniakami (ICAR-CPRI) w Shimla wymyślił innowacyjne rozwiązanie tego problemu – napędzaną wiatrem pułapkę powietrzną na owady. Urządzenie to eliminuje niedociągnięcia tradycyjnych metod zwalczania szkodników, dostarczając dane dotyczące populacji owadów w czasie rzeczywistym. Pułapka zasilana jest w całości energią wiatru, co czyni ją rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska i niewymagającym zasilania. Jego unikalna konstrukcja umożliwia monitorowanie zarówno szkodliwych, jak i pożytecznych owadów, zapewniając pełny przegląd populacji na każdym obszarze rolniczym. „Oceniając docelowe szkodniki we właściwym czasie, możemy podjąć niezbędne środki w celu zwalczania zarówno szkodników, jak i chorób” – mówi Kapil ... >>

Zagrożenie śmieciami kosmicznymi dla ziemskiego pola magnetycznego 01.05.2024

Coraz częściej słyszymy o wzroście ilości śmieci kosmicznych otaczających naszą planetę. Jednak do tego problemu przyczyniają się nie tylko aktywne satelity i statki kosmiczne, ale także pozostałości po starych misjach. Rosnąca liczba satelitów wystrzeliwanych przez firmy takie jak SpaceX stwarza nie tylko szanse dla rozwoju Internetu, ale także poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa kosmicznego. Eksperci zwracają obecnie uwagę na potencjalne konsekwencje dla ziemskiego pola magnetycznego. Dr Jonathan McDowell z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics podkreśla, że firmy szybko wdrażają konstelacje satelitów, a liczba satelitów może wzrosnąć do 100 000 w następnej dekadzie. Szybki rozwój tych kosmicznych armad satelitów może prowadzić do skażenia środowiska plazmowego Ziemi niebezpiecznymi śmieciami i zagrożenia dla stabilności magnetosfery. Metalowe odłamki ze zużytych rakiet mogą zakłócać jonosferę i magnetosferę. Oba te systemy odgrywają kluczową rolę w ochronie i utrzymaniu atmosfery ... >>

Zestalanie substancji sypkich 30.04.2024

W świecie nauki istnieje wiele tajemnic, a jedną z nich jest dziwne zachowanie materiałów sypkich. Mogą zachowywać się jak ciało stałe, ale nagle zamieniają się w płynącą ciecz. Zjawisko to przyciągnęło uwagę wielu badaczy i być może w końcu jesteśmy coraz bliżej rozwiązania tej zagadki. Wyobraź sobie piasek w klepsydrze. Zwykle przepływa swobodnie, ale w niektórych przypadkach jego cząsteczki zaczynają się zatykać, zamieniając się z cieczy w ciało stałe. To przejście ma ważne implikacje dla wielu dziedzin, od produkcji leków po budownictwo. Naukowcy z USA podjęli próbę opisania tego zjawiska i zbliżenia się do jego zrozumienia. W badaniu naukowcy przeprowadzili symulacje w laboratorium, wykorzystując dane z worków z kulkami polistyrenowymi. Odkryli, że wibracje w tych zbiorach mają określone częstotliwości, co oznacza, że tylko określone rodzaje wibracji mogą przemieszczać się przez materiał. Otrzymane ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum

Zatwierdzona jedna standardowa ładowarka do wszystkich gadżetów 02.12.2022

Unijni ministrowie środowiska ostatecznie zatwierdzili wprowadzenie do 2024 roku wspólnego standardu ładowarek do małych gadżetów elektronicznych.

USB typu C stanie się obowiązkowe dla wielu urządzeń, takich jak telefony komórkowe, tablety i czytniki e-booków, aparaty cyfrowe i konsole do gier, słuchawki i głośniki, bezprzewodowe myszy i klawiatury oraz przenośne systemy nawigacyjne.

Przepisy zaczną obowiązywać 24 miesiące po wejściu w życie, prawdopodobnie jesienią 2024 r.

W przypadku laptopów obowiązuje dłuższy okres przejściowy wynoszący 40 miesięcy, co oznacza, że wspólne pojedyncze urządzenie do laptopów pojawi się na początku 2026 roku.

„Posiadanie ładowarki, która pasuje do wielu urządzeń, pozwoli zaoszczędzić pieniądze i czas oraz pomoże nam zmniejszyć ilość odpadów elektronicznych” – powiedział czeski minister przemysłu Józef Sikella.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Fizycy potrzebują starożytnego rzymskiego ołowiu

▪ Elektryczność zamienia się w alkohol

▪ Wideo na polu bitwy

▪ Niemowlęta płaczą w swoim ojczystym języku

▪ Cukierki przywracające szkliwo zębów

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja witryny Eksperymenty chemiczne. Wybór artykułu

▪ artykuł Johna Raya. Słynne aforyzmy

▪ Artykuł Czy wszechświat się kończy? Szczegółowa odpowiedź

▪ Dwuletni artykuł Oenotera. Legendy, uprawa, metody aplikacji