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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Microcontrolador controlador de velocidad del motor eléctrico del colector. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Los motores eléctricos En muchos accionamientos, en particular en electrodomésticos, se utilizan ampliamente motores eléctricos de conmutador con excitación secuencial. Se conocen numerosas variantes de controladores de velocidad para tales motores que utilizan rectificadores controlados basados en tiristores (ver, por ejemplo, el libro "Thyristors. Technical Reference Book" / Traducido del inglés por V. A. Labuntsov et al. - M.: Energia, 1971). El uso de microcontroladores (MC) en estos dispositivos con la implementación de las funciones básicas del control de accionamientos eléctricos a nivel de software abre oportunidades cualitativamente nuevas. En este caso, el controlador resulta bastante universal y se puede configurar para controlar varios tipos de accionamientos eléctricos u otras cargas cambiando el programa grabado en la memoria del MK. El artículo describe una versión de dicho regulador desarrollado por los autores basándose en el PIC16F84 MK de Microchip Technology. El dispositivo propuesto utiliza un método de impulsos para regular la tensión en circuitos de CC, que se ha generalizado, en particular, en la propulsión eléctrica de vehículos [1]. La esencia del método es que se suministra voltaje al motor en pulsos con una alta tasa de repetición a través de un elemento clave sin contacto. Durante un pulso de duración t (Fig.1), se aplica el voltaje total de la fuente de energía U al motor eléctrico y la corriente en el circuito del motor aumenta, y durante la pausa tn el voltaje se apaga y la corriente baja la influencia de la fem de autoinducción disminuye gradualmente y se cierra a través del circuito del diodo de bloqueo. La tensión media Ucp en los terminales del motor eléctrico y, por tanto, su velocidad de rotación, se regula cambiando el ciclo de trabajo K3, igual a la relación entre la duración del impulso ti y el período de conmutación T = ti + tn: UCP = K3U; K3 = ti/T. (1)
Para reducir la amplitud de las ondulaciones de corriente y ampliar el rango de control, se utiliza el control de ancho-frecuencia del elemento clave con un cambio simultáneo en la duración del período de conmutación de acuerdo con la relación T = Tmin/4K3(1-K3), ( 2) donde Tmin es el tiempo de conmutación mínimo permitido, determinado por las características del elemento clave y la velocidad del microcontrolador; en este caso, se considera que Tmin es de 2,5 ms. Para demostrar las capacidades del control por microcontrolador de un accionamiento eléctrico, el dispositivo propuesto implementa el siguiente conjunto de funciones: - regulación de la velocidad de rotación cambiando el factor de llenado K3 en el rango 0...100% en pasos de 2%. Las características mecánicas del accionamiento eléctrico (la dependencia de la velocidad de rotación del par en el eje) son suaves: a medida que aumenta la carga, la velocidad de rotación disminuye, lo que protege el motor eléctrico y la fuente de energía de sobrecargas; - mantener una velocidad de rotación determinada con una precisión de ±5% utilizando el principio de control de circuito cerrado basado en la desviación: el valor real de la velocidad de rotación se compara con el valor especificado y, si hay una desviación, K3 se cambia mediante programación hasta que se elimine la desviación; - cambiar el sentido de giro del eje (inverso) del motor eléctrico; - generar una señal para activar el elemento de freno cuando se detiene el accionamiento; - apagado automático del motor eléctrico en función de las señales de los sensores del modo de emergencia (si se utilizan), así como en caso de fallas en la ejecución del programa; - la capacidad de controlar dos motores eléctricos con un cambio en el tiempo de los pulsos de tensión de alimentación; - contabilidad y almacenamiento en la memoria no volátil del microcontrolador de información sobre el tiempo total de funcionamiento del variador; - indicación visual del algoritmo de control seleccionado (con o sin estabilización de la velocidad de rotación) y el sentido de rotación, así como los valores del ciclo de trabajo, velocidades de rotación establecidas y reales. En aplicaciones específicas, es posible que no se utilicen algunas de estas funciones. El diagrama esquemático del dispositivo de control del motor eléctrico se muestra en la Fig. 2. Su base es el microcontrolador DD1, que funciona a una frecuencia de reloj de 10 MHz. Los controles son los botones SB1 ("Adelante"), SB2 ("Stop") y SB3 ("Atrás"), conectados a los bits RB0 - RB2 del puerto B del MK. En paralelo con el botón SB2, si es necesario, puede conectar la salida de un sensor de corriente de carga que, si se excede el umbral de corriente establecido, desconectará el variador de la fuente de alimentación.
Como elemento clave se utiliza un potente transistor compuesto KT834V (VT2). Debido al gran coeficiente de transferencia de la corriente base, está controlada directamente por el voltaje de la salida RB4 del puerto B a través de la resistencia limitadora de corriente R5. El programa de control brinda la capacidad de controlar simultáneamente un segundo motor eléctrico conectando la entrada de un elemento clave similar al pin RB5. En este caso, para reducir las ondulaciones de corriente en el circuito fuente, se forman pulsos de voltaje para el segundo motor con un desplazamiento de tiempo igual a la duración del pulso ti, como se muestra en la Fig. 1, a y b. Se pueden utilizar potentes transistores de potencia híbridos o de efecto de campo como interruptores en el dispositivo con circuitos de control conectados directamente a los terminales MK [2], lo que permite utilizar el controlador en accionamientos eléctricos con una potencia de hasta cientos de kilovatios. por ejemplo, en vehículos electrificados. La inversión del motor eléctrico se lleva a cabo cambiando la dirección de la corriente en el devanado de campo del motor eléctrico LM1 utilizando los contactos de conmutación del relé K1. Su devanado está incluido en el circuito colector del transistor VT1, controlado por el voltaje de la salida RB3 del MK. El regulador utiliza un relé REN18 (hoja de datos РХ4.564.505) con cuatro contactos de conmutación (para aumentar la confiabilidad, se conectan dos contactos en paralelo en cada uno de los grupos K1.1 y K1.2). La conmutación de contactos se produce cuando el motor eléctrico está desenergizado (K3 = 0), lo que reduce significativamente los requisitos para su capacidad de conmutación. Dependiendo de la corriente nominal del motor, cambiar el devanado de campo puede requerir el uso de un dispositivo de conmutación más potente. Al controlar un accionamiento eléctrico irreversible, no es necesario utilizar estos elementos en absoluto. El programa prevé la formación en la salida RB6 del MK de una señal que incluye un elemento de frenado para detener rápidamente el accionamiento al apagar o limitar la velocidad de rotación en modo de estabilización con cargas negativas en el eje del motor eléctrico. Si no existe tal elemento, la señal especificada simplemente no se utiliza. El pin RB7 recibe pulsos del sensor fotoeléctrico de velocidad. Consiste en un diodo emisor de infrarrojos VD5, un fotodiodo VD6, un amplificador basado en un transistor VT3 [3] y un disco montado en el eje de un motor eléctrico con dos orificios ubicados diametralmente con un diámetro de aproximadamente 10 mm. Cuando el eje gira, los rayos IR iluminan brevemente el fotodiodo dos veces en una revolución y se forman pulsos de voltaje en el circuito colector del transistor VT3. Al llegar a la entrada RB7, provocan interrupciones del MK desde el puerto B. Utilizando estas interrupciones, el MK mide el tiempo de cada revolución del eje del motor y convierte el intervalo medido en una velocidad de rotación normalizada con respecto a la nominal en porcentaje. En este caso, la velocidad de rotación de 100 min-3000 se toma como 1%. Si el ciclo de trabajo ha llegado a cero (apagado) y el motor continúa girando a una frecuencia angular que excede la especificada, el MK emite un comando de frenado al actuador a través del bit RB6 del puerto B. El puerto A de cinco dígitos configurado en salida se utiliza para controlar dinámicamente siete bits del indicador digital HG1. A través del bit RA3, la información (en forma del número correspondiente de pulsos) sobre el dígito decimal mostrado se suministra a la entrada C1 del contador binario DD3, y a través del bit RA4 el contador se pone a cero. El decodificador DD4 convierte el código binario en la salida del contador en el código de un indicador de siete elementos. Desde los pines RAO-RA2 del microcontrolador, las entradas de dirección del decodificador DD2 reciben en código binario el número del dígito del indicador HG1, en el que se debe mostrar el contenido del contador DD4. Los voltajes en las salidas 0 - 6 del decodificador activan secuencialmente los dígitos correspondientes del indicador, asegurando la visualización de siete dígitos, y en los intervalos de generación de voltaje en la salida no utilizada del decodificador, la indicación se apaga y el dígito mostrado se carga en el mostrador. Cuando enciende el dispositivo, el MK se reinicia automáticamente y el programa almacenado en su memoria comienza a ejecutarse. Se realiza la inicialización inicial del MC y del programa de control: se configuran el preescalador del temporizador/contador y las líneas de entrada/salida de los puertos A y B, se ingresan las constantes iniciales necesarias en las variables utilizadas, se interrumpen desde el temporizador/contador y de los cambios en el nivel de voltaje de entrada en el bit RB7 del puerto B. Después de estas acciones, el programa muestra cíclicamente información en el indicador digital HG1 y sondea los estados de los botones SB1-SB3. El accionamiento eléctrico se puede controlar según dos algoritmos seleccionados por el usuario. El modo de estabilización está habilitado. El usuario establece la velocidad de rotación requerida del eje del motor y el MK mide la velocidad de rotación real varias veces por segundo y, según el resultado, ajusta el ciclo de trabajo de K3 de tal manera que se mantenga la frecuencia especificada independientemente de los cambios. en la tensión de alimentación y cambios en el momento de resistencia en el eje del motor. Para activar el modo de estabilización, cuando la unidad está parada, presione simultáneamente los botones SB2 ("Stop") y SB1 ("Adelante"), para apagarlo: SB2 ("Stop") y SB3 ("Back"). En este modo, el indicador muestra información en el formato 5_XXX_YYV, donde 5 es una señal de que el MK está funcionando en modo de estabilización, XXX es el ciclo de trabajo actual en porcentaje de 0 a 100% en incrementos del 2%, generado por el MK para Para mantener la velocidad de rotación dada, YYY es la velocidad de accionamiento especificada como porcentaje de la velocidad nominal en el rango de 0 a 100 % en incrementos de 5 %. El modo de estabilización está desactivado. El usuario establece el ciclo de trabajo requerido K3. La señal de retroalimentación de velocidad no se utiliza. El indicador muestra información en el formato XXX_YYY, donde XXX es la velocidad de rotación actual medida del eje del motor eléctrico (medida varias veces por segundo) y YYY es el ciclo de trabajo especificado K3 de 0 a 100% en pasos de 2%. Utilizando el cronómetro/contador integrado en el MK, el programa calcula el tiempo trabajado por el motor en minutos, almacenando periódicamente su valor en una memoria de datos no volátil. La información correspondiente se muestra en el indicador después de presionar el botón SB2 cuando la unidad está parada. Cuando el contador de minutos llega a 8192 (aproximadamente 136,5 horas), se pone a cero. Los pulsos de control para dos interruptores de alimentación son generados por el microcontrolador en las salidas RB4, RB5 mediante interrupciones del temporizador/contador en la secuencia que se muestra en la Fig. 1. En consecuencia, cuando K3 ≤ 0,5 en cada momento sólo uno de los dos motores está conectado a la fuente de alimentación, y cuando K3 > 0,5 se produce una superposición parcial de las corrientes de consumo del motor eléctrico, lo que mejora el modo de funcionamiento de la fuente de alimentación. . Constantes necesarias para la formación de intervalos de tiempo según las relaciones (1), (2) y Fig. 1, se cargan en el temporizador desde una tabla ubicada en la memoria de programa del MK. La dirección en la tabla está determinada por el valor del ciclo de trabajo requerido K3. Los códigos "firmware" ROM MK se muestran en la tabla.
En caso de un comportamiento inesperado del programa de control, causado por cualquier motivo, al comando del temporizador de vigilancia, el MC se reinicia y se realiza una parada de emergencia del variador. Al programar el MK, en el byte de configuración se debe indicar la siguiente información: tipo de generador - HS, temporizador de vigilancia y temporizador de encendido - habilitados. El programa está diseñado para una velocidad de rotación máxima permitida de 3000 min -1. Para cambiar este valor, es necesario establecer otras constantes en el procedimiento de medición (ver comentarios en el texto del programa original). Además, el valor de la velocidad de rotación máxima se puede cambiar paso a paso variando el número de orificios en el disco del tacómetro. Por ejemplo, para obtener una frecuencia máxima de 1500 rpm, se deben perforar cuatro agujeros. Para alimentar la parte de bajo voltaje del regulador, se puede utilizar cualquier fuente de bajo voltaje que proporcione un voltaje de 5 V con una corriente de hasta 150 mA. El PIC16F84 MK puede ser reemplazado sin cambios en el programa de control por el PIC16C84 más económico, también diseñado para funcionar a una frecuencia de reloj de 10 MHz. Cualquier otro con controles similares se puede utilizar como indicador digital HG1. Los diodos del puente rectificador VD3, el transistor VT2 y los contactos del relé K1 determinan la potencia máxima del variador que puede controlar el regulador. El regulador fue probado en funcionamiento con un motor conmutador universal de 400 W. En este caso, el transistor VT2 se instaló en un disipador de calor con una superficie de enfriamiento total de aproximadamente 100 cm2. Un regulador ensamblado correctamente a partir de componentes reparables con un MK programado sin errores no requiere ajuste. El dispositivo descrito se puede utilizar no solo para controlar la velocidad de rotación de accionamientos eléctricos, sino también para mantener valores establecidos de otros parámetros físicos, por ejemplo, la temperatura en una habitación, una incubadora, una piscina, un acuario u otros objetos. En tal caso, en lugar de un sensor de velocidad de rotación, se conecta un convertidor de temperatura-frecuencia a la entrada RB7 del MK. Los bits no utilizados del puerto B se pueden programar para controlar otros dispositivos externos, por ejemplo, encender la ventilación de una habitación cuando el aire se sobrecalienta, la iluminación y un compresor en un acuario a ciertos intervalos, etc. Todo esto requiere cambios mínimos en el programa de control. Literatura
Autor: S.Koryakov, Yu.Stashinov, Shakhty, región de Rostov
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