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集電電動機のマイクロコントローラースピードコントローラー。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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多くのドライブ、特に家庭用電化製品では、直列励磁のコレクタモーターが広く使用されています。制御されたサイリスタ整流器を使用するこのようなモータ用の速度コントローラには、数多くのバリエーションがあります (たとえば、書籍「Thyristors. Technical Reference」/ V. A. Labuntsova et al. による英語からの翻訳 - M .: Energy、1971 を参照)。

これらのデバイスでマイクロコントローラー (MC) を使用し、電気駆動装置をソフトウェアレベルで制御する主な機能を実装すると、質的に新しい機会が開かれます。この場合、レギュレータは、MK メモリに記録されているプログラムを変更することで電気ドライブやその他の負荷のさまざまなオプションを制御するように構成できる、非常に汎用的なものであることがわかります。

この記事では、Microchip Technology の PIC16F84 MK に基づいて著者が開発したこのようなレギュレータのバージョンについて説明します。

提案されたデバイスは、特に車両の電気駆動で広く使用されている DC 回路の電圧調整のパルス方式を使用します [1]。

この方法の本質は、非接触のキー要素を使用して、高い繰り返し率のパルスによってモーターに電圧が印加されるという事実にあります。持続時間 t および (図 1) のパルスの間、電源 U の全電圧が電気モーターに印加され、モーター回路内の電流が増加します。一時停止 tn の間、電圧はオフになり、電流は自己誘導EMFの作用により徐々に減少し、ブロッキングダイオード回路を通って閉じます。電気モーターの端子の電圧 Ucp の平均値、したがってその速度は、デューティサイクル K3 を変更することによって調整されます。デューティサイクル K3 は、パルス幅 ti とスイッチング周期 T=ti + tn の比に等しくなります。 UCP = K3U; K1 = ti /T。 (XNUMX)

コレクターモーターのマイクロコントローラースピードコントローラー

電流リップルの振幅を低減し、レギュレーション範囲を拡大するために、重要な要素は、関係 T = Tmin/4K3(1-K3) に従ってスイッチング周期の持続時間を同時に変更する周波数幅制御によって制御されます。 )、(2)、およびマイクロコントローラーの速度。この場合、Tmin は 2,5 ミリ秒とされます。

電気ドライブのマイクロコントローラー制御の機能を実証するために、提案されたデバイスには次の一連の機能が実装されています。

- 充填率 K3 を 0 ～ 100% の範囲で 2% ステップで変更することによる速度制御。電気駆動装置の機械的特性 (シャフトのトルクに対する回転速度の依存性) は緩やかです。負荷が増加すると回転速度が低下し、電気モーターと電源を過負荷から保護します。

- 偏差による閉ループ制御の原理を使用して、設定速度を±5%の精度で維持します。速度の実際の値が設定値と比較され、偏差がある場合、偏差がなくなるまでK3がプログラム的に変更されます。排除される。

- 電気モーターのシャフトの回転方向（逆）を変更する。

- ドライブが停止したときにブレーキ要素をオンにする信号を生成します。

- 緊急モードセンサー（使用されている場合）の信号に応じた電気モーターの自動シャットダウン、およびプログラムの実行に障害が発生した場合。

- 供給電圧パルスを一時的にシフトして XNUMX つの電気モーターを制御する機能。

- ドライブの総動作時間に関する情報を記録し、MC の不揮発性メモリに保存します。

- 選択した制御アルゴリズム (速度安定化の有無) と回転方向、およびデューティサイクルの値、設定速度、実際の速度を視覚的に表示します。

特定のアプリケーションでは、これらの機能の一部が使用されない場合があります。

モータ制御装置の概略図を図に示します。 2. その基礎は MK DD1 であり、10 MHz のクロック周波数で動作します。コントロールはボタン SB1 (「進む」)、SB2 (「停止」)、および SB3 (「戻る」) であり、ポート B MK のビット RB0 ～ RB2 に接続されています。必要に応じて、SB2 ボタンと並行して、負荷電流センサーの出力を接続できます。設定された電流しきい値を超えると、ドライブが電源から切断されます。

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強力な複合トランジスタ KT834V (VT2) が主要な要素として使用されました。ベースの電流伝達係数が大きいため、電流制限抵抗 R4 を介したポート B の出力 RB5 からの電圧によって直接制御されます。

制御プログラムは、同様の主要要素の入力を RB5 出力に接続することにより、1 番目の電気モーターを同時に制御する可能性を提供します。同時に、電源回路の電流リップルを減らすために、図に示すように、XNUMX番目のモーターの電圧パルスはパルス幅tiに等しい時間シフトで形成されます。 XNUMX、a、b。

強力な電界効果またはハイブリッドパワートランジスタは、MC 端子に直接接続された制御回路を備えたデバイスのキーとして使用できます [2]。これにより、レギュレータを最大数百キロワットの電力でパワードライブに使用できます。たとえば、電動車両の場合。

電気モーターの逆転は、リレー K1 のスイッチング接点を使用して電気モーター LM1 の励磁巻線の電流の方向を変えることによって実行されます。その巻線はトランジスタ VT1 のコレクタ回路に含まれており、RB3 MK の出力からの電圧によって制御されます。

レギュレータは、18 つのスイッチング接点を備えた REN4.564.505 リレー (パスポート РХ1.1) を使用します (信頼性を高めるために、K1.2 および K3 グループのそれぞれで 0 つの接点が並列に接続されています)。電気モーターへの通電が停止されると (KXNUMX = XNUMX)、接点の切り替えが行われるため、スイッチング容量の要件が大幅に軽減されます。

モーターの定格電流によっては、界磁巻線を切り替えるために、より強力なスイッチングデバイスが必要になる場合があります。非可逆電気駆動装置を制御する場合、これらの要素を使用する必要はまったくありません。

このプログラムは、RB6 MK の出力での信号の形成を提供します。この信号には、ドライブがオフになったときにドライブを迅速に停止したり、モーターシャフトに負の負荷がかかる安定化モードで速度を制限したりするためのブレーキ要素が含まれています。そのような要素がない場合、指定された信号は単に使用されません。

出力 RB7 は光電速度センサーからのパルスを受け取ります。これは、IR 発光ダイオード VD5、VD6 フォトダイオード、VT3 トランジスタ [3] をベースとした増幅器、および直径約 10 mm の 3 つの直径方向に間隔をあけた穴を持つモーターシャフトに取り付けられたディスクで構成されます。シャフトが回転すると、赤外線が短時間 7 回転で 100 回フォトダイオードを照射し、トランジスタ VT3000 のコレクタ回路に電圧パルスが形成されます。 RB1 の入力を入力すると、ポート B から MC の中断が発生します。これらの中断に基づいて、MC はモーターシャフトの各回転時間を測定し、測定された間隔を公称パーセンテージに対して正規化された回転速度に変換します。この場合、回転数XNUMXmin-XNUMXをXNUMX%とします。

デューティ比が 6 (電源オフ) になり、モータが指定された角周波数を超える角周波数で回転し続けると、MC はポート B のビット RBXNUMX を通じてアクチュエータにブレーキ指令を発行します。

出力用に構成された 1 ビットのポート A は、HG3 デジタルインジケータの 1 ビットを動的に制御するために使用されます。ビット RA3 を通じて、バイナリカウンタ DD4 の入力 C4 は、表示された XNUMX 進数に関する情報 (対応するパルス数の形式で) を受け取り、ビット RAXNUMX を通じてカウンタがリセットされます。 DDXNUMX デコーダは、カウンタの出力のバイナリコードを XNUMX 要素のインジケータコードに変換します。

RAO-RA2 MK の出力からデコーダ DD2 のアドレス入力まで、HG1 インジケータのビット番号がバイナリコードで供給され、カウンタ DD4 の内容が表示されます。デコーダの出力 0 ～ 6 の電圧は、インジケータの対応するビットを順番にアクティブにして XNUMX 桁の表示を提供します。デコーダの未使用出力での電圧形成の間隔では、表示がオフになり、表示される桁が表示されます。カウンターに積み込まれます。

デバイスの電源がオンになると、MK は自動的にリセットされ、メモリに記録されているプログラムの実行が開始されます。 MC および制御プログラムの初期初期化が実行されます。タイマ / カウンタプリスケーラおよび入出力用のポート A、B のラインが設定され、必要な初期定数が使用される変数に入力され、タイマ / カウンタからの割り込みが行われます。これらのアクションの後、プログラムはデジタルインジケータ HG7 に情報を周期的に表示し、ボタン SB1 ～ SB1 のステータスをポーリングします。

電気駆動装置は、ユーザーが選択した XNUMX つのアルゴリズムに従って制御できます。

安定化モードがオンになっています。ユーザーはモーターシャフトの必要な速度を設定し、MC は実際の速度を 3 秒間に数回測定し、その結果に応じて、電源電圧の変動に関係なく設定周波数を維持するように曲線因子 KXNUMX を補正します。モーターシャフトの抵抗モーメントの変化。

安定化モードをオンにするには、ドライブが停止しているときにボタン SB2 (「停止」) と SB1 (「進む」) を同時に押す必要があります。オフにするには、SB2 (「停止」) と SB3 (「戻る」) ）。このモードのインジケータは、5_XXX_YYV の形式で情報を表示します。5 は MC が安定化モードで動作していることを示します。XXX は、維持するために MC によって形成された 0 ～ 100% の現在のデューティサイクル (2% 増分) です。設定速度、YYY - ドライブ速度を公称値のパーセンテージとして 0 ～ 100% の範囲で 5% 刻みで設定します。

安定化モードが無効になっています。ユーザーは必要な曲線因子 K3 を設定します。速度フィードバック信号は使用しません。インジケータには、XXX_YYY の形式で情報が表示されます。ここで、XXX はモーターシャフトの測定された現在の速度 (3 秒間に数回測定)、YYY は 0% 増分で 100 ～ 2% の範囲で指定されたデューティ係数 KXNUMX です。

MK に組み込まれたタイマー/カウンターを使用して、プログラムはエンジンによる作業時間を分単位でカウントし、その値を不揮発性データメモリに定期的に保存します。ドライブ停止時にSB2ボタンを押すと、対応する情報がインジケーターに表示されます。分カウンターが値 8192 (約 136,5 時間) に達すると、ゼロにリセットされます。

4 つの電源スイッチの制御パルスは、図に示すシーケンスでタイマー/カウンターからの割り込みによって出力 RB5、RB1 の MK によって形成されます。 3. その結果、K0,5 ≤ 3 では、常に 0,5 台のモーターのうち XNUMX 台のみが電源に接続され、KXNUMX > XNUMX では、電動モーターの消費電流が部分的に重畳され、電源の動作モードが向上します。。

関係 (1)、(2)、および図に従って時間間隔を形成するために必要な定数は、次のようになります。 1 は、MK プログラムメモリにあるテーブルからタイマーにロードされます。テーブル内のアドレスは、必要なフィルファクター K3 によって決まります。

コード「ファームウェア」ROM MK を表に示します。

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何らかの理由で制御プログラムに予期せぬ動作が発生した場合、ウォッチドッグタイマコマンドによりMCをリセットし、ドライブを緊急停止させます。

プログラムのソースコード

MK をプログラミングするときは、次の情報をコンフィギュレーションバイトに指定する必要があります: ジェネレータタイプ - HS、ウォッチドッグタイマー、およびパワーアップタイマー - が有効になっています。プログラムは、最大許容速度 3000 min -1 を想定して設計されています。この値を変更するには、測定手順で他の定数を設定する必要があります (元のプログラムの本文のコメントを参照)。

また、タコメーターディスクの穴の数を変えることにより、最高速度の値を段階的に変更することができます。たとえば、最大周波数 1500 min -1 を得るには、XNUMX つの穴を開ける必要があります。

レギュレータの低電圧部分に電力を供給するには、最大 5 mA の電流で 150 V の電圧を供給する任意の低電力電源を使用できます。 MK PIC16F84 は、制御プログラムを変更することなく、同じく 16 MHz のクロック周波数で動作するように設計された安価な PIC84C10 に置き換えることができます。デジタルインジケータ HG1 として、同様の制御を備えた他のものを使用できます。整流器ブリッジダイオード VD3、トランジスタ VT2、およびリレー接点 K1 によって、レギュレータによって制御できる最大駆動電力が決まります。

このレギュレータは、400 W ユニバーサルコレクタモータでの動作がテストされています。この場合、VT2 トランジスタは総冷却表面積が約 100 cm2 のヒートシンク上に設置されました。

正確にプログラムされた MK を備えた保守可能なコンポーネントから正しく組み立てられたレギュレーターは、調整する必要がありません。

説明したデバイスは、電気駆動装置の速度を制御するためだけでなく、部屋、保育器、プール、水族館、その他の物体の温度など、他の物理パラメータの設定値を維持するためにも使用できます。このような場合、速度センサーの代わりに温度-周波数コンバーターが RB7 MK 入力に接続されます。ポート B の未使用ビットは、他の外部デバイスを制御するようにプログラムできます。たとえば、空気が過熱したときに部屋の換気をオンにしたり、一定の間隔で水槽の照明とコンプレッサーをオンにしたりできます。これにはすべて、最小限の変更を加えるだけで済みます。制御プログラム。

文学

Birznieks LV Impulse 直流コンバータ。 - M.: エネルギー、1974 年。
エネルギーエレクトロニクス。参考ガイド：あたり。ドイツ語/エドから。 V. A.ラブントソワ。 - M.: Energoatomizdat、1987 年。
Bayanov K. 磁気テープ消費カウンター。 - ラジオ、1994 年、第 5 号、p. 5-7.

著者: S.Koryakov、Yu.Stashinov、Shakhty、ロストフ地方

他の記事も見る セクション電気モーター.

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