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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Mikrocontroller-Geschwindigkeitsregler des Kollektor-Elektromotors. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Die Elektromotoren In vielen Antrieben, insbesondere in elektrischen Haushaltsgeräten, werden häufig Kommutator-Elektromotoren mit sequentieller Erregung eingesetzt. Es sind zahlreiche Varianten von Drehzahlreglern für solche Motoren bekannt, die gesteuerte Gleichrichter auf Thyristorbasis verwenden (siehe beispielsweise das Buch „Thyristors. Technical Reference Book“ / Aus dem Englischen übersetzt von V. A. Labuntsov et al. - M.: Energia, 1971). Der Einsatz von Mikrocontrollern (MC) in diesen Geräten mit der Umsetzung der Grundfunktionen der elektrischen Antriebssteuerung auf Softwareebene eröffnet qualitativ neue Möglichkeiten. In diesem Fall erweist sich die Steuerung als recht universell einsetzbar und kann durch Änderung des im Speicher des MK aufgezeichneten Programms für die Steuerung verschiedener Arten von Elektroantrieben oder anderen Lasten konfiguriert werden. Der Artikel beschreibt eine von den Autoren entwickelte Version eines solchen Reglers auf Basis des PIC16F84 MK von Microchip Technology. Das vorgeschlagene Gerät nutzt ein Impulsverfahren zur Spannungsregelung in Gleichstromkreisen, das insbesondere im Elektroantrieb von Fahrzeugen weit verbreitet ist [1]. Der Kern der Methode besteht darin, dass dem Motor über ein berührungsloses Schlüsselelement in Impulsen mit hoher Wiederholrate Spannung zugeführt wird. Während eines Impulses der Dauer t (Abb. 1) liegt die volle Spannung der Stromquelle U am Elektromotor an und der Strom im Motorkreis steigt an, während der Pause tn wird die Spannung abgeschaltet und der Strom unterschritten Der Einfluss der Selbstinduktions-EMK nimmt allmählich ab und schließt den Stromkreis der Sperrdiode. Die mittlere Spannung Ucp an den Klemmen des Elektromotors und damit seine Drehzahl wird durch Änderung des Tastverhältnisses K3 geregelt, gleich dem Verhältnis der Impulsdauer ti zur Schaltperiode T = ti + tn: UCP = K3U; K3 = ti/T. (1)
Um die Amplitude der Stromwelligkeit zu reduzieren und den Regelbereich zu erweitern, wird die Breiten-Frequenz-Steuerung des Schlüsselelements bei gleichzeitiger Änderung der Dauer der Schaltperiode gemäß der Beziehung T = Tmin/4K3(1-K3), ( 2) wobei Tmin die minimal zulässige Schaltzeit ist, die durch die Eigenschaften des Schlüsselelements und die Geschwindigkeit des Mikrocontrollers bestimmt wird; In diesem Fall wird Tmin mit 2,5 ms angenommen. Um die Fähigkeiten der Mikrocontroller-Steuerung eines Elektroantriebs zu demonstrieren, implementiert das vorgeschlagene Gerät die folgenden Funktionen: - Regulierung der Drehzahl durch Änderung des Füllfaktors K3 im Bereich 0...100 % in Schritten von 2 %. Die mechanischen Eigenschaften des Elektroantriebs (die Abhängigkeit der Drehzahl vom Drehmoment an der Welle) sind weich: Mit zunehmender Belastung nimmt die Drehzahl ab, was den Elektromotor und die Stromquelle vor Überlastungen schützt; - Einhaltung einer vorgegebenen Drehzahl mit einer Genauigkeit von ±5 % nach dem Prinzip der Regelung auf Basis der Abweichung: Der Istwert der Drehzahl wird mit dem Sollwert verglichen und bei Abweichung wird K3 programmgesteuert geändert bis die Abweichung beseitigt ist; - Ändern der Drehrichtung der Welle (rückwärts) des Elektromotors; - Erzeugen eines Signals zum Einschalten des Bremselements, wenn der Antrieb stoppt; - automatische Abschaltung des Elektromotors basierend auf Signalen von Notbetriebssensoren (sofern vorhanden) sowie bei Fehlern bei der Programmausführung; - die Möglichkeit, zwei Elektromotoren mit einer zeitlichen Verschiebung der Versorgungsspannungsimpulse zu steuern; - Abrechnung und Speicherung von Informationen über die Gesamtbetriebszeit des Laufwerks im nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers; - visuelle Anzeige des ausgewählten Regelalgorithmus (mit oder ohne Stabilisierung der Drehzahl) und der Drehrichtung sowie der Werte des Arbeitszyklus, der eingestellten und tatsächlichen Drehzahlen. In bestimmten Anwendungen werden einige dieser Funktionen möglicherweise nicht verwendet. Das schematische Diagramm des Elektromotorsteuergeräts ist in Abb. dargestellt. 2. Seine Basis ist der DD1-Mikrocontroller, der mit einer Taktfrequenz von 10 MHz arbeitet. Die Bedienelemente sind die Tasten SB1 („Vorwärts“), SB2 („Stopp“) und SB3 („Zurück“), die mit den RB0-RB2-Bits von Port B des MK verbunden sind. Parallel zur SB2-Taste können Sie bei Bedarf den Ausgang eines Laststromsensors anschließen, der bei Überschreiten der eingestellten Stromschwelle den Antrieb von der Stromquelle trennt.
Als Schlüsselelement kommt ein leistungsstarker Verbundtransistor KT834V (VT2) zum Einsatz. Aufgrund des großen Übertragungskoeffizienten des Basisstroms wird dieser direkt von der Spannung vom Ausgang RB4 von Port B über den strombegrenzenden Widerstand R5 gesteuert. Das Steuerprogramm bietet die Möglichkeit, gleichzeitig einen zweiten Elektromotor zu steuern, indem der Eingang eines ähnlichen Schlüsselelements mit Pin RB5 verbunden wird. In diesem Fall werden zur Reduzierung der Stromwelligkeit im Quellenkreis Spannungsimpulse für den zweiten Motor mit einer Zeitverschiebung gleich der Impulsdauer ti gebildet, wie in Abb. 1, a und b. Als Schalter im Gerät können leistungsstarke Feldeffekt- oder Hybrid-Leistungstransistoren eingesetzt werden, deren Steuerkreise direkt an die MK-Klemmen [2] angeschlossen sind, was den Einsatz des Reglers in leistungselektrischen Antrieben mit einer Leistung von bis zu mehreren hundert Kilowatt ermöglicht. zum Beispiel in elektrifizierten Fahrzeugen. Die Umkehrung des Elektromotors erfolgt durch Änderung der Stromrichtung in der Feldwicklung des Elektromotors LM1 über die Schaltkontakte des Relais K1. Seine Wicklung ist im Kollektorkreis des Transistors VT1 enthalten und wird durch die Spannung vom Ausgang RB3 des MK gesteuert. Der Regler verwendet ein REN18-Relais (Datenblatt РХ4.564.505) mit vier Schaltkontakten (zur Erhöhung der Zuverlässigkeit sind in den Gruppen K1.1 und K1.2 jeweils zwei Kontakte parallel geschaltet). Das Schalten der Kontakte erfolgt im stromlosen Zustand des Elektromotors (K3 = 0), was die Anforderungen an deren Schaltleistung deutlich reduziert. Abhängig vom Nennstrom des Motors kann zum Schalten der Feldwicklung der Einsatz eines leistungsstärkeren Schaltgeräts erforderlich sein. Bei der Steuerung eines irreversiblen Elektroantriebs ist der Einsatz dieser Elemente überhaupt nicht erforderlich. Das Programm sieht die Bildung eines Signals am RB6-Ausgang des MK vor, das ein Bremselement enthält, um den Antrieb beim Ausschalten schnell zu stoppen oder die Drehzahl im Stabilisierungsmodus bei negativen Belastungen der Elektromotorwelle zu begrenzen. Wenn kein solches Element vorhanden ist, wird das angegebene Signal einfach nicht verwendet. Pin RB7 empfängt Impulse vom fotoelektrischen Geschwindigkeitssensor. Es besteht aus einer IR-emittierenden Diode VD5, einer Fotodiode VD6, einem Verstärker auf Basis eines Transistors VT3 [3] und einer auf der Welle eines Elektromotors montierten Scheibe mit zwei diametral angeordneten Löchern mit einem Durchmesser von etwa 10 mm. Wenn sich die Welle dreht, beleuchten IR-Strahlen die Fotodiode zweimal pro Umdrehung kurzzeitig und im Kollektorkreis des Transistors VT3 entstehen Spannungsimpulse. Wenn sie am Eingang RB7 ankommen, verursachen sie MK-Interrupts von Port B. Mithilfe dieser Interrupts misst der MK die Zeit jeder Umdrehung der Motorwelle und wandelt das gemessene Intervall in eine relativ zur Nenndrehzahl normierte Drehzahl in Prozent um. In diesem Fall wird die Drehzahl von 100 min-3000 als 1 % angenommen. Wenn der Arbeitszyklus Null erreicht hat (Strom aus) und der Motor weiterhin mit einer Winkelfrequenz dreht, die über der angegebenen liegt, gibt der MK über das RB6-Bit von Port B einen Bremsbefehl an den Aktuator aus. Der ausgangskonfigurierte fünfstellige Port A wird zur dynamischen Steuerung von sieben Bits des HG1-Digitalindikators verwendet. Über das RA3-Bit werden Informationen (in Form der entsprechenden Anzahl von Impulsen) über die angezeigte Dezimalstelle an den C1-Eingang des DD3-Binärzählers geliefert und über das RA4-Bit wird der Zähler auf Null zurückgesetzt. Der DD4-Decoder wandelt den Binärcode am Zählerausgang in den Code eines Sieben-Elemente-Indikators um. Von den RAO-RA2-Pins des Mikrocontrollers erhalten die Adresseingänge des Decoders DD2 im Binärcode die Nummer der Ziffer des HG1-Indikators, in der der Inhalt des Zählers DD4 angezeigt werden soll. Die Spannungen an den Ausgängen 0 - 6 des Decoders aktivieren nacheinander die entsprechenden Ziffern der Anzeige und sorgen so für die Anzeige von sieben Ziffern. In den Intervallen der Spannungserzeugung am nicht verwendeten Ausgang des Decoders wird die Anzeige ausgeschaltet und die angezeigte Ziffer angezeigt wird in die Theke geladen. Wenn Sie das Gerät einschalten, wird der MK automatisch zurückgesetzt und das in seinem Speicher gespeicherte Programm beginnt mit der Ausführung. Die Erstinitialisierung des MC und des Steuerprogramms wird durchgeführt: Der Timer/Zähler-Vorteiler und die Ein-/Ausgabeleitungen der Ports A und B werden konfiguriert, die notwendigen Anfangskonstanten werden in die verwendeten Variablen eingetragen, Interrupts vom Timer/Zähler und von Änderungen des Eingangsspannungspegels im RB7-Bit von Port B werden aktiviert. Nach diesen Aktionen zeigt das Programm zyklisch Informationen auf der Digitalanzeige HG1 an und fragt die Zustände der SB1-SB3-Tasten ab. Der Elektroantrieb kann nach zwei vom Benutzer wählbaren Algorithmen gesteuert werden. Der Stabilisierungsmodus ist aktiviert. Der Benutzer stellt die erforderliche Drehzahl der Motorwelle ein, und der MK misst mehrmals pro Sekunde die tatsächliche Drehzahl und passt je nach Ergebnis das Tastverhältnis von K3 so an, dass die vorgegebene Frequenz unabhängig von Änderungen beibehalten wird in der Versorgungsspannung und Änderungen im Widerstandsmoment an der Motorwelle. Um den Stabilisierungsmodus einzuschalten, drücken Sie bei gestopptem Antrieb gleichzeitig die Tasten SB2 („Stop“) und SB1 („Vorwärts“), zum Ausschalten SB2 („Stop“) und SB3 („Zurück“). In diesem Modus zeigt der Indikator Informationen im Format 5_XXX_YYV an, wobei 5 ein Zeichen dafür ist, dass der MK im Stabilisierungsmodus arbeitet, XXX der aktuelle Arbeitszyklus in Prozent von 0 bis 100 % in Schritten von 2 %, der vom MK generiert wird Um die vorgegebene Drehzahl einzuhalten, ist ein YYY die vorgegebene Antriebsdrehzahl als Prozentsatz der Nenndrehzahl im Bereich von 0 bis 100 % in 5 %-Schritten. Der Stabilisierungsmodus ist deaktiviert. Der Benutzer stellt das erforderliche Tastverhältnis K3 ein. Das Geschwindigkeitsrückmeldungssignal wird nicht verwendet. Der Indikator zeigt Informationen im Format XXX_YYY an, wobei XXX die gemessene aktuelle Drehzahl der Welle des Elektromotors ist (mehrmals pro Sekunde gemessen) und YYY der angegebene Arbeitszyklus K3 von 0 bis 100 % in Schritten von 2 % ist. Mithilfe des im MK integrierten Timers/Zählers berechnet das Programm die vom Motor geleistete Zeit in Minuten und speichert den Wert regelmäßig im nichtflüchtigen Datenspeicher. Die entsprechenden Informationen werden nach Drücken der SB2-Taste bei gestopptem Antrieb auf der Anzeige angezeigt. Wenn der Minutenzähler 8192 (ca. 136,5 Stunden) erreicht, wird er auf Null zurückgesetzt. Steuerimpulse für zwei Leistungsschalter werden vom Mikrocontroller an den Ausgängen RB4, RB5 durch Interrupts vom Timer/Zähler in der in Abb. gezeigten Reihenfolge erzeugt. 1. Dies hat zur Folge, dass bei K3 ≤ 0,5 zu jedem Zeitpunkt nur einer der beiden Motoren an die Stromquelle angeschlossen ist und bei K3 > 0,5 eine teilweise Überlagerung der Stromverbrauchsströme des Elektromotors auftritt, was die Funktionsweise der Stromquelle verbessert . Konstanten, die zur Bildung von Zeitintervallen gemäß den Beziehungen (1), (2) und Abb. erforderlich sind. 1 werden aus einer Tabelle im Programmspeicher des MK in den Timer geladen. Die Adresse in der Tabelle wird durch den erforderlichen Tastverhältniswert K3 bestimmt. Codes "Firmware" ROM MK sind in der Tabelle aufgeführt.
Im Falle eines unerwarteten Verhaltens des Steuerprogramms aus irgendeinem Grund wird auf Befehl des Watchdog-Timers der MC zurückgesetzt und ein Notstopp des Antriebs durchgeführt. Bei der Programmierung des MK müssen im Konfigurationsbyte folgende Informationen angegeben werden: Generatortyp - HS, Watchdog-Timer und Power-Up-Timer - aktiviert. Das Programm ist für eine maximal zulässige Drehzahl von 3000 min -1 ausgelegt. Um diesen Wert zu ändern, müssen Sie im Messverfahren weitere Konstanten festlegen (siehe Anmerkungen im Text des Originalprogramms). Darüber hinaus kann der Wert der maximalen Drehzahl durch Variation der Anzahl der Löcher in der Tachoscheibe stufenweise verändert werden. Um beispielsweise eine maximale Frequenz von 1500 U/min zu erreichen, müssen vier Löcher gebohrt werden. Um den Niederspannungsteil des Reglers mit Strom zu versorgen, können Sie jede Niederspannungsquelle verwenden, die eine Spannung von 5 V bei einem Strom von bis zu 150 mA liefert. Der PIC16F84 MK kann ohne Änderungen im Steuerungsprogramm durch den günstigeren PIC16C84 ersetzt werden, der ebenfalls für den Betrieb mit einer Taktfrequenz von 10 MHz ausgelegt ist. Als Digitalanzeiger HG1 kann jeder andere mit ähnlicher Steuerung verwendet werden. Die Gleichrichterbrückendioden VD3, der Transistor VT2 und die Relaiskontakte K1 bestimmen die maximale Leistung des Antriebs, die vom Regler gesteuert werden kann. Der Regler wurde im Betrieb mit einem 400 W Universalkollektormotor getestet. In diesem Fall wurde der Transistor VT2 auf einem Kühlkörper mit einer Gesamtkühlfläche von ca. 100 cm2 verbaut. Ein korrekt aus wartungsfähigen Komponenten zusammengebauter Regler mit fehlerfrei programmiertem MK erfordert keine Einstellung. Das beschriebene Gerät kann nicht nur zur Steuerung der Drehzahl elektrischer Antriebe, sondern auch zur Aufrechterhaltung eingestellter Werte anderer physikalischer Parameter, beispielsweise der Temperatur in einem Raum, Inkubator, Schwimmbad, Aquarium oder anderen Objekten, verwendet werden. In einem solchen Fall wird anstelle eines Drehzahlsensors ein Temperatur-Frequenz-Wandler an den Eingang RB7 des MK angeschlossen. Die nicht verwendeten Bits von Port B können so programmiert werden, dass sie andere externe Geräte steuern, z. B. das Einschalten der Belüftung in einem Raum, wenn die Luft überhitzt ist, die Beleuchtung und einen Kompressor in einem Aquarium in bestimmten Abständen usw. All dies erfordert nur minimale Änderungen an der Steuerprogramm. Literatur
Autor: S.Koryakov, Yu.Stashinov, Schachty, Gebiet Rostow
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