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Controlador de velocidade do microcontrolador do motor elétrico do coletor. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Em muitos acionamentos, em particular em eletrodomésticos, motores elétricos comutadores com excitação sequencial são amplamente utilizados. São conhecidas inúmeras variantes de controladores de velocidade para tais motores usando retificadores controlados baseados em tiristores (ver, por exemplo, o livro “Tiristores. Livro de referência técnica” / Traduzido do inglês por V. A. Labuntsov et al. - M.: Energia, 1971).

A utilização de microcontroladores (MC) nestes dispositivos com a implementação das funções básicas de controle do acionamento elétrico em nível de software abre oportunidades qualitativamente novas. Neste caso, o controlador acaba sendo bastante universal podendo ser configurado para controlar diversos tipos de acionamentos elétricos ou outras cargas alterando o programa gravado na memória do MK.

O artigo descreve uma versão desse regulador desenvolvida pelos autores com base no PIC16F84 MK da Microchip Technology.

O dispositivo proposto utiliza um método de pulso para regulação de tensão em circuitos DC, que se tornou difundido, em particular, na propulsão elétrica de veículos [1].

A essência do método é que a tensão é fornecida ao motor em pulsos com alta taxa de repetição por meio de um elemento chave sem contato. Durante um pulso de duração t (Fig. 1), a tensão total da fonte de energia U é aplicada ao motor elétrico e a corrente no circuito do motor aumenta, e durante a pausa tn a tensão é desligada e a corrente sob a influência da fem de autoindução diminui gradualmente, fechando através do circuito do diodo de bloqueio. A tensão média Ucp nos terminais do motor elétrico e, portanto, sua velocidade de rotação, é regulada alterando o ciclo de trabalho K3, igual à razão entre a duração do pulso ti e o período de comutação T = ti + tn: UCP = K3U; K3 = ti/T. (1)

Controlador de velocidade do microcontrolador do motor do coletor

Para reduzir a amplitude das ondulações de corrente e expandir a faixa de controle, o controle de largura de frequência do elemento chave é usado com uma mudança simultânea na duração do período de comutação de acordo com a relação T = Tmin/4K3(1-K3), ( 2) onde Tmin é o tempo mínimo de comutação permitido, determinado pelas características do elemento chave e pela velocidade do microcontrolador; neste caso, Tmin é considerado 2,5 ms.

Para demonstrar as capacidades de controle microcontrolador de um acionamento elétrico, o dispositivo proposto implementa o seguinte conjunto de funções:

- regulação da velocidade de rotação alterando o fator de enchimento K3 na faixa 0...100% em passos de 2%. As características mecânicas do acionamento elétrico (dependência da velocidade de rotação do torque no eixo) são suaves: à medida que a carga aumenta, a velocidade de rotação diminui, o que protege o motor elétrico e a fonte de energia de sobrecargas;

- manter uma determinada velocidade de rotação com uma precisão de ±5% usando o princípio de controle de circuito fechado baseado no desvio: o valor real da velocidade de rotação é comparado com o valor especificado e, se houver um desvio, K3 é alterado programaticamente até que o desvio seja eliminado;

- alterar o sentido de rotação do eixo (reverso) do motor elétrico;

- gerar um sinal para ligar o elemento de freio quando o acionamento parar;

- desligamento automático do motor elétrico a partir de sinais de sensores de modo de emergência (se utilizados), bem como em caso de falhas na execução do programa;

- a capacidade de controlar dois motores elétricos com mudança de tempo de pulsos de tensão de alimentação;

- contabilização e armazenamento na memória não volátil do microcontrolador de informações sobre o tempo total de operação do drive;

- indicação visual do algoritmo de controle selecionado (com ou sem estabilização da velocidade de rotação) e sentido de rotação, bem como os valores do ciclo de trabalho, velocidades de rotação ajustadas e reais.

Em aplicações específicas, algumas destas funções podem não ser utilizadas.

O diagrama esquemático do dispositivo de controle do motor elétrico é mostrado na Fig. 2. Sua base é o microcontrolador DD1, operando a uma frequência de clock de 10 MHz. Os controles são os botões SB1 (“Forward”), SB2 (“Stop”) e SB3 (“Back”), conectados aos bits RB0 - RB2 da porta B do MK. Paralelamente ao botão SB2, se necessário, você pode conectar a saída de um sensor de corrente de carga, que, se o limite de corrente definido for excedido, desconectará o inversor da fonte de alimentação.

(clique para ampliar)

Um poderoso transistor composto KT834V (VT2) é usado como elemento chave. Devido ao grande coeficiente de transferência da corrente de base, ela é controlada diretamente pela tensão da saída RB4 da porta B através do resistor limitador de corrente R5.

O programa de controle oferece a capacidade de controlar simultaneamente um segundo motor elétrico conectando a entrada de um elemento chave semelhante ao pino RB5. Neste caso, para reduzir as ondulações de corrente no circuito fonte, são formados pulsos de tensão para o segundo motor com um deslocamento de tempo igual à duração do pulso ti, conforme mostrado na Fig. 1, a e b.

Potentes transistores de efeito de campo ou de potência híbridos podem ser usados como chaves no dispositivo com circuitos de controle conectados diretamente aos terminais MK [2], o que permite que o controlador seja usado em acionamentos elétricos de potência com potência de até centenas de quilowatts, por exemplo, em veículos eletrificados.

A reversão do motor elétrico é realizada alterando o sentido da corrente no enrolamento de campo do motor elétrico LM1 por meio dos contatos de comutação do relé K1. Seu enrolamento está inserido no circuito coletor do transistor VT1, controlado pela tensão da saída RB3 do MK.

O regulador utiliza um relé REN18 (folha técnica РХ4.564.505) com quatro contatos de comutação (para aumentar a confiabilidade, dois contatos são conectados em paralelo em cada um dos grupos K1.1 e K1.2). A comutação dos contatos ocorre quando o motor elétrico está desenergizado (K3 = 0), o que reduz significativamente os requisitos para sua capacidade de comutação.

Dependendo da corrente nominal do motor, a comutação do enrolamento de campo pode exigir o uso de um dispositivo de comutação mais potente. Ao controlar um acionamento elétrico irreversível, não há necessidade de utilizar esses elementos.

O programa prevê a formação na saída RB6 do MK de um sinal que inclui um elemento de frenagem para parar rapidamente o acionamento ao desligar ou para limitar a velocidade de rotação em modo de estabilização com cargas negativas no eixo do motor elétrico. Se não houver tal elemento, o sinal especificado simplesmente não será usado.

O pino RB7 recebe pulsos do sensor fotoelétrico de velocidade. É composto por um diodo emissor de IR VD5, um fotodiodo VD6, um amplificador baseado em um transistor VT3 [3] e um disco montado no eixo de um motor elétrico com dois furos diametralmente localizados com diâmetro de cerca de 10 mm. Quando o eixo gira, os raios IR iluminam brevemente o fotodiodo duas vezes em uma revolução e pulsos de tensão são formados no circuito coletor do transistor VT3. Chegando na entrada RB7, provocam interrupções MK da porta B. Utilizando essas interrupções, o MK mede o tempo de cada rotação do eixo do motor e converte o intervalo medido em uma velocidade de rotação normalizada em relação à nominal em porcentagem. Neste caso, a velocidade de rotação de 100 min-3000 é considerada 1%.

Se o ciclo de trabalho atingiu zero (desligado) e o motor continua girando em uma frequência angular superior à especificada, o MK emite um comando de frenagem ao atuador através do bit RB6 da porta B.

A porta A de cinco dígitos configurada com saída é usada para controlar dinamicamente sete bits do indicador digital HG1. Através do bit RA3, a informação (na forma do número correspondente de pulsos) sobre o dígito decimal exibido é fornecida à entrada C1 do contador binário DD3, e através do bit RA4 o contador é zerado. O decodificador DD4 converte o código binário na saída do contador no código de um indicador de sete elementos.

Dos pinos RAO-RA2 do MK, as entradas de endereço do decodificador DD2 recebem em código binário o número do dígito do indicador HG1, no qual deverá ser exibido o conteúdo do contador DD4. As tensões nas saídas 0 - 6 do decodificador ativam sequencialmente os dígitos correspondentes do indicador, garantindo a exibição de sete dígitos, e nos intervalos de geração de tensão na saída não utilizada do decodificador, a indicação é desligada e o dígito exibido é carregado no contador.

Ao ligar o aparelho, o MK é reiniciado automaticamente e o programa armazenado em sua memória inicia a execução. A inicialização inicial do MC e do programa de controle é realizada: o pré-escalador do temporizador/contador e as linhas de entrada/saída das portas A e B são configurados, as constantes iniciais necessárias são inseridas nas variáveis utilizadas, interrupções do temporizador/contador e a partir de alterações no nível de tensão de entrada no bit RB7 da porta B. Após essas ações, o programa exibe ciclicamente informações no indicador digital HG1 e pesquisa os estados dos botões SB1-SB3.

O acionamento elétrico pode ser controlado de acordo com dois algoritmos selecionados pelo usuário.

O modo de estabilização está ativado. O usuário define a velocidade de rotação necessária do eixo do motor, e o MK mede a velocidade de rotação real várias vezes por segundo e, dependendo do resultado, ajusta o ciclo de trabalho do K3 de forma a manter a frequência especificada independentemente das alterações na tensão de alimentação e alterações no momento de resistência no eixo do motor.

Para ligar o modo de estabilização, com o drive parado, pressione simultaneamente os botões SB2 (“Stop”) e SB1 (“Forward”), para desligá-lo - SB2 (“Stop”) e SB3 (“Back”). Neste modo, o indicador exibe informações no formato 5_XXX_YYV, onde 5 é sinal de que o MK está operando em modo de estabilização, XXX é o ciclo de trabalho atual em porcentagem de 0 a 100% em incrementos de 2%, gerado pelo MK para Para manter a velocidade de rotação fornecida, YYY é a velocidade do inversor especificada como uma porcentagem da velocidade nominal na faixa de 0 a 100% em incrementos de 5%.

O modo de estabilização está desativado. O usuário define o ciclo de trabalho K3 necessário. O sinal de feedback de velocidade não é usado. O indicador exibe informações no formato XXX_YYY, onde XXX é a velocidade de rotação atual medida do eixo do motor elétrico (medida várias vezes por segundo) e YYY é o ciclo de trabalho K3 especificado de 0 a 100% em passos de 2%.

Utilizando o temporizador/contador embutido no MK, o programa calcula o tempo trabalhado pelo motor em minutos, armazenando periodicamente seu valor em memória de dados não volátil. As informações correspondentes são exibidas no indicador após pressionar o botão SB2 quando o inversor está parado. Quando o contador de minutos atinge 8192 (cerca de 136,5 horas), ele é zerado.

Pulsos de controle para duas chaves de potência são gerados pelo microcontrolador nas saídas RB4, RB5 por interrupções do temporizador/contador na sequência mostrada na Fig. 1. Como consequência, quando K3 ≤ 0,5 em cada momento apenas um dos dois motores está conectado à fonte de energia, e quando K3 > 0,5 ocorre superposição parcial das correntes de consumo do motor elétrico, o que melhora o modo de operação da fonte de energia .

Constantes necessárias para a formação de intervalos de tempo conforme relações (1), (2) e Fig. 1, são carregados no temporizador a partir de uma tabela localizada na memória de programa do MK. O endereço na tabela é determinado pelo valor de ciclo de trabalho necessário K3.

Os códigos "firmware" ROM MK são mostrados na tabela.

(clique para ampliar)

Em caso de comportamento inesperado do programa de controle, por qualquer motivo, ao comando do temporizador watchdog, o MC é zerado e é realizada uma parada de emergência do inversor.

Código fonte do programa

Ao programar o MK, devem ser indicadas no byte de configuração as seguintes informações: tipo de gerador - HS, temporizador Watchdog e temporizador Power-up - habilitado. O programa está projetado para uma velocidade de rotação máxima permitida de 3000 min -1. Para alterar este valor, é necessário definir outras constantes no procedimento de medição (ver comentários no texto do programa original).

Além disso, o valor da velocidade máxima de rotação pode ser alterado passo a passo, variando o número de furos no disco do tacômetro. Por exemplo, para obter uma frequência máxima de 1500 rpm, devem ser feitos quatro furos.

Para alimentar a parte de baixa tensão do regulador, você pode usar qualquer fonte de baixa potência que forneça uma tensão de 5 V a uma corrente de até 150 mA. O PIC16F84 MK pode ser substituído sem alterações no programa de controle pelo mais barato PIC16C84, também projetado para operar na freqüência de clock de 10 MHz. Qualquer outro com controles semelhantes pode ser usado como indicador digital HG1. Os diodos da ponte retificadora VD3, o transistor VT2 e os contatos do relé K1 determinam a potência máxima do inversor que pode ser controlada pelo regulador.

O regulador foi testado em operação com motor comutador universal de 400 W. Neste caso, o transistor VT2 foi instalado em um dissipador de calor com área total de superfície de resfriamento de cerca de 100 cm2.

Um regulador montado corretamente a partir de componentes reparáveis com um MK programado sem erros não requer ajuste.

O dispositivo descrito pode ser utilizado não apenas para controlar a velocidade de acionamentos elétricos, mas também para manter valores definidos de outros parâmetros físicos, por exemplo, a temperatura de uma sala, incubadora, piscina, aquário ou outros objetos. Neste caso, em vez de um sensor de velocidade de rotação, um conversor de temperatura-frequência é conectado à entrada RB7 do MK. Os bits não utilizados da porta B podem ser programados para controlar outros dispositivos externos, por exemplo, ligar a ventilação em uma sala quando o ar está superaquecido, iluminar e um compressor em um aquário em determinados intervalos, etc. programa de controle.

Literatura

Birznieks L.V. Conversores DC de pulso. - M.: Energia, 1974.
Eletrônica de energia. Guia de referência: Por. do alemão/Ed. V. A. Labuntsova. - M.: Energoatomizdat, 1987.
Bayanov K. Contador de consumo de fita magnética. - Rádio, 1994, nº 5, p. 5-7.

Autor: S.Koryakov, Yu.Stashinov, Shakhty, região de Rostov

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