Меню

Схемы контроллеров регулятора двигателей

Схема регулятора скорости бесколлекторного двигателя (ESC)

Схема условно разделена на две части: левая — микроконтроллер с логикой, правая — силовая часть. Силовую часть можно модифицировать для работы с двигателями другой мощности или с другим питающим напряжением.

Контроллер — ATMEGA168. Гурманы могут сказать, что хватило бы и ATMEGA88, а AT90PWM3 — это было бы «вааще по феншую». Первый регулятор я как раз делал «по феншую». Если у Вас есть возможность применять AT90PWM3 — это будет наиболее подходящий выбор. Но для моих задумок решительно не хватало 8 килобайт памяти. Поэтому я применил микроконтроллер ATMEGA168.

Эта схема задумывалась как испытательный стенд. На котором предполагалось создать универсальный настраиваемый регулятор для работы с различными «калибрами» бесколлекторных двигателей: как с датчиками, так и без датчиков положения. В этой статье я опишу схему и принцип работы прошивки регулятора для управления бесколлекторными двигателями с датчиками Холла и без датчиков.

Схема регулятора

Brushless ESC

Питание

ШИМ и сигналы для ключей

Обратная связь (контроль напряжения фаз двигателя)

Датчики Холла

Измерения аналоговых сигналов

На вход ADC3(PC3) поступает аналоговый сигнал от датчика тока. Датчик тока ACS756SA. Это датчик тока на основе эффекта Холла. Преимущество этого датчика в том, что он не использует шунт, а значит, имеет внутреннее сопротивление близкое к нулю, поэтому на нем не происходит тепловыделения. Кроме того, выход датчика аналоговый в пределах 5В, поэтому без каких-либо преобразований подается на вход АЦП микроконтроллера, что упрощает схему. Если потребуется датчик с большим диапазоном измерения тока, Вы просто заменяете существующий датчик новым, абсолютно не изменяя схему.

Если Вам хочется использовать шунт с последующей схемой усиления, согласования — пожалуйста.

Задающие сигналы

Кроме того, есть вход RC сигнала, который повсеместно используется в дистанционно управляемых моделях. Выбор управляющего входа и его калибровка выполняется в программных настройках регулятора.

UART интерфейс

Прочее

Светодиод, сигнализирующий о состоянии регулятора, подключен к выводу PD4.

Силовая часть

Ключи нужно выбирать в зависимости от максимального тока и напряжения питания двигателя (выбору ключей и драйверов будет посвящена отдельная статья). На схеме обозначены IR540, в реальности использовались K3069. K3069 рассчитаны на напряжение 60В и ток 75А. Это явный перебор, но мне они достались даром в большом количестве (желаю и Вам такого счастья).

Конденсатор С19 включается параллельно питающей батареи. Чем больше его емкость — тем лучше. Этот конденсатор защищает батарею от бросков тока и ключи от значительной просадки напряжения. При отсутствии этого конденсатора Вам обеспечены как минимум проблемы с ключами. Если подключать батарею сразу к VD — может проскакивать искра. Искрогасящий резистор R32 используется в момент подключения к питающей батарее. Сразу подключаем «» батареи, затем подаем «+» на контакт Antispark. Ток течет через резистор и плавно заряжает конденсатор С19. Через несколько секунд, подключаем контакт батареи к VD. При питании 12В можно Antispark не делать.

Возможности прошивки

  • возможность управлять двигателями с датчиками и без;
  • для бездатчикового двигателя три вида старта: без определения первоначального положения; с определением первоначального положения; комбинированный;
  • настройка угла опережения фазы для бездатчикового двигателя с шагом 1 градус;
  • возможность использовать один из двух задающих входов: 1-аналоговый, 2-RC;
  • калибровка входных сигналов;
  • реверс двигателя;
  • настройка регулятора по порту UART и получение данных от регулятора во время работы (обороты, ток, напряжение батареи);
  • частота ШИМ 16, 32 КГц.
  • настройка уровня ШИМ сигнала для старта двигателя;
  • контроль напряжения батарей. Два порога: ограничение и отсечка. При снижении напряжения батареи до порога ограничения обороты двигателя понижаются. При снижении ниже порога отсечки происходит полная остановка;
  • контроль тока двигателя. Два порога: ограничение и отсечка;
  • настраиваемый демпфер задающего сигнала;
  • настройка Dead time для ключей

Работа регулятора

Включение

После включения двигатель издает 1 короткий сигнал (если звук не отключен), включается и постоянно светится светодиод. Регулятор готов к работе.

Для запуска двигателя следует увеличивать величину задающего сигнала. В случае использования задающего потенциометра, запуск двигателя начнется при достижении задающего напряжения уровня примерно 0.14 В. При необходимости можно выполнить калибровку входного сигнала, что позволяет использовать раные диапазоны управляющих напряжений. По умолчанию настроен демпфер задающего сигнала. При резком скачке задающего сигнала обороты двигателя будут расти плавно. Демпфер имеет несимметричную характеристику. Сброс оборотов происходит без задержки. При необходимости демпфер можно настроить или вовсе отключить.

Запуск

При опрокидывании двигателя или механическом заклинивании ротора срабатывает защита, и регулятор пытается перезапустить двигатель.

Запуск двигателя с датчиками Холла также выполняется с применением настроек для старта двигателя. Т.е. если для запуска двигателя с датчиками дать полный газ, то регулятор подаст напряжение, которое указано в настройках для старта. И только после того, как двигатель начнет вращаться, будет подано полное напряжение. Это несколько нестандартно для двигателя с датчиками, поскольку такие двигатели в основном применяются как тяговые, а в данном случае достичь максимального крутящего момента на старте, возможно, будет сложно. Тем не менее, в данном регуляторе присутствует такая особенность, которая защищает двигатель и регулятор от выхода со строя при механическом заклинивании двигателя.

Читайте также:  Реферат регуляторы социального поведения

Во время работы регулятор выдает данные об оборотах двигателя, токе, напряжении батарей через порт UART в формате:

Данные выдаются с периодичностью примерно 1 секунда. Скорость передачи по порту 9600.

Настройка регулятора

Переход регулятора в режим настройки происходит при включении регулятора, когда задающий сигнал потенциометра больше нуля. Т.е. Для перевода регулятора в режим настройки следует повернуть ручку задающего потенциометра, после чего включить регулятор. В терминале появится приглашение в виде символа «>«. После чего можно вводить команды.

Регулятор воспринимает следующие команды (в разных версиях прошивки набор настроек и команд может отличаться):

h — вывод списка команд; ? — вывод настроек; c — калибровка задающего сигнала; d — сброс настроек к заводским настройкам.

команда «?» выводит в терминал список всех доступных настроек и их значение. Например: Изменить нужную настройку можно командой следующего формата:

pwm.start=15

Если команда была дана корректно, настройка будет применена и сохранена. Проверить текущие настройки после их изменения можно командой «?«.

Измерения аналоговых сигналов (напряжение, ток) выполняются с помощью АЦП микроконтроллера. АЦП работает в 8-ми битном режиме. Точность измерения занижена намеренно для обеспечения приемлемой скорости преобразования аналогового сигнала. Соответственно, все аналоговые величины регулятор выдает в виде 8-ми битного числа, т.е. от 0 до 255.

Список настроек, их описание:

Параметр Описание Значение
motor.type Тип мотора 0-Sensorless; 1-Sensored
motor.magnets Кол.во магнитов в роторе двигателя. Изпользуется только для расчета оборотов двигателя. 0..255, шт.
motor.angle Угол опережения фазы. Используется только для Sensorless двигателей. 0..30, градусов
motor.start.type Тип старта. Используется только для Sensorless двигателей. 0-без определения положения ротора; 1-с определением положения ротора; 2-комбинированный;
motor.start.time Время старта. 0..255, мс
pwm Частота PWM 16, 32, КГц
pwm.start Значение PWM (%) для старта двигателя. 0..50 %
pwm.min Значение минимального значения PWM (%), при котором двигатель вращается. 0..30 %
voltage.limit Напряжение батареи, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC. 0..255*
voltage.cutoff Напряжение батареи, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC. 0..255*
current.limit Ток, при котором следует ограничивать мощность, подаваемую на двигатель. Указывается в показаниях ADC. 0..255**
current.cutoff Ток, при котором следует выключать двигатель. Указывается в показаниях ADC. 0..255**
system.sound Включить/выключить звуковой сигнал, издаваемый двигателем 0-выключен; 1-включен;
system.input Задающий сигнал 0-потенциометр; 1-RC сигнал;
system.damper Демпфирование входного сигнала 0..255, условные единицы
system.deadtime Значение Dead Time для ключей в микросекундах 0..2, мкс

* — числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя. Рассчитывается по формуле: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5 Где: U — напряжение в Вольтах; R5, R6 — сопротивление резисторов делителя в Омах.

** — числовое значение 8-ми битного аналого цифрового преобразователя. Рассчитывается по формуле: ADC = U*255/5 Где: U — напряжение датчика тока в Вольтах, соответствующее требуемому току.

Фьюзы микроконтроллера должны быть выставлены на работу с внешним кварцем. Строка для программирования фьюзов с помощью AVRDUDE:

-U lfuse:w:0xFF:m -U hfuse:w:0xDC:m

Источник



ШИМ регулятор оборотов: схема модуля управления мотором

ШИМ регулятор оборотов-1

ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока проще всего организовать с помощью ШИМ регулятора. ШИМ — это широтно-импульсная модуляция, в английском языке это называется PWM — Pulse Width Modulation. Теорию я подробно объяснять не буду, информации полно в интернете.

ШИМ регулятор оборотов электродвигателя постоянного тока рассчитанного на напряжение 12 В

Своими словами — если у нас есть двигатель постоянного тока на 12 вольт — то мы можем регулировать обороты двигателя изменяя напряжение питания. Изменяя напряжение питания от нуля до 12 вольт будут изменятся обороты двигателя от нуля до максимальных. В случае с ШИМ регулятором мы будем изменять скважность импульсов от 0 до 100% и это будет эквивалентно изменению напряжения питания двигателя и соответственно будут изменятся обороты двигателя.

Рассмотрим первый ШИМ регулятор на 5 ампер. Есть такая самая любимая микросхема всех радиолюбителей — это таймер NE555 ( или советский аналог КР1006ВИ). Вот на этой микросхеме и собран ШИМ регулятор. Кроме таймера здесь я использую стабилизатор на 9 вольт LM7809, мощный полевой транзистор с N-каналом IRF540, сдвоенный диод Шоттки, а также другие мелкие детали. Схема по которой собран этот регулятор всем известна и очень популярна.

Читайте также:  Схема электронный регулятор паяльника

ШИМ регулятор оборотов-3

ШИМ регулятор оборотов-4

Печатку этой платы можно скачать — ШИМ 5A

В более мощном исполнении я применяю просто параллельное включение нескольких полевых транзисторов IRF540 и более мощный сдвоенный диод Шоттки. В остальном всё аналогично.

ШИМ регулятор оборотов-5

ШИМ регулятор оборотов-6

Блок управления мотором-7

Печатку этой платы можно скачать — ШИМ 10A

Подключение ШИМ регулятора очень простое. Вы видите 4 клеммы — две клеммы для подачи питания (+) и (-), и две клеммы для подключения мотора (M+) и (M-).

Сделал еще ШИМ регулятор с защитой по току. Для этих целей использовал распространенный операционный усилитель LM358 и два оптрона PC817. При превышении тока, который мы задаем подстроечником R12, срабатывает триггер-защелка на операционнике DA3.1, оптронах DA4 и DA5 и блокируется генерация импульсов по 5 ноге таймера NE555. Чтобы снова запустить генерацию нужно кратковременно снять питание со схемы с помощью кнопки S1.

Блок управления мотором-8

Блок управления мотором-9

Печатку этой платы можно скачать — ШИМ 10А с защитой

ШИМ регуляторы все работоспособны, проверил их работу с помощью двигателя от шуруповерта.

ШИМ регулятор оборотов

Источник

ШИМ-контроллер скорости мотора / регулятор яркости

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) – это устройство, которое может использоваться в качестве эффективного регулятора света или скорости двигателя постоянного тока. Описанная здесь схема предназначена для управления приборами постоянного тока с потреблением до нескольких ампер. Схема может работать как в 12-, так и в 24-вольтовых системах, лишь с небольшими изменениями в подключении. Это устройство было использовано для управления яркостью задних габаритных огней автомобиля и в качестве регулятора частоты вращения двигателя небольшого вентилятора, установленного в блоке питания компьютера.

Надписи на схеме
Oscillator Генератор
12V or 24V DC Pulse Width Modulator Широтно-импульсный модулятор
с напряжением питания 12 или 24 В DC
Pulse Width Ширина импульса
Less Меньше
More Больше
VDC Input Вход напряжения постоянного тока
Load Нагрузка
Pinout Цоколевка
Comparator Компаратор
For 12V operation, short J1, omit U2, C4, C5 При напряжении питания 12 В
замкнуть перемычку J1,
U2, C4, C5 не устанавливать
For 24V operation, short J2, omit C2 При напряжении питания 24 В
замкнуть перемычку J2,
C2 не устанавливать

Схема ШИМ работает, генерируя прямоугольные импульсы с переменной скважностью, которая в среднем может изменяться от 0 до 100 процентов. Таким образом, в нагрузку передается определенное количество мощности. Основным преимуществом схемы ШИМ над резистивными регуляторами питания является КПД. При установке регулятора на уровне 50% мощности в нагрузке, ШИМ будет использовать около 50% от всей мощности, почти вся из которой передастся в нагрузку; резистивный регулятор при 50% мощности нагрузки будет потреблять около 71% от полной мощности, 50% мощности идет в нагрузку, остальные 21% тратятся на нагрев последовательного резистора. КПД почти всегда решающий фактор в солнечных и других альтернативных источниках энергии.

Еще одно преимущество широтно-импульсной модуляции в том, что импульсы достигают полного напряжения питания и будут обеспечивать больший крутящий момент для двигателей, будучи в состоянии легче преодолевать их внутреннее сопротивление. Наконец, в схеме ШИМ для регулирования всевозможных нагрузок могут использоваться маломощные потенциометры, в то время как в резистивных регуляторах необходимы мощные и дорогие переменные резисторы.

Основными недостатками схемы ШИМ являются повышенная сложности и возможность генерации радиочастотных помех (RFI). Помехи могут быть сведены к минимуму за счет размещения регулятора вблизи нагрузки, и использования коротких проводов по питанию, и в некоторых случаях, с использованием дополнительных мер фильтрации питания. Эта схема создает определенные помехи, но их воздействие на АМ радиоприемник, расположенный на расстоянии 30 см, минимально. Если дополнительная фильтрация необходима, можно включить дроссель после силового разъема, но убедитесь, что максимальный ток потребления не превышает номинального тока дросселя. Большинство помех будет генерироваться сильноточными цепями, идущими от источника питания, нагрузки, и при переключении транзистора Q1.

Спецификация

3 А для полевого транзистора IRF521,
>10 A для полевого транзистора IRFZ34N с теплоотводом

Ток потребления схемы ШИМ

1.5 мА при 12 В без тока нагрузки и без светодиода

12 В или 24 В, в зависимости от конфигурации

Теория

Схема ШИМ требует постоянно работающего генератора. Генератор на U1a формирует прямоугольный сигнал частотой около 400 Гц, который усилителем U1d преобразуется в треугольный.
На U1c сделан источник опорного напряжения 6 В. Опорное напряжение используется в качестве виртуальной земли для генератора, это необходимо, чтобы генератор питался от однополярного источника, а не от двухполярного.

U1b включен как компаратор, и именно эта часть схемы создает импульсы переменной ширины. На контакт 6 U1b поступает изменяемое напряжение с делителя R6, VR1, R7. Это напряжение сравнивается с треугольным сигналом на выводе 14 U1b. Когда уровень этого сигнала выше напряжения на выводе 6, на выходе U1b высокий уровень. И наоборот, когда уровень сигнала ниже напряжения на выводе 6, на выходе низкий уровень. Изменяя напряжение на выводе 6, переключающие точки уровня этого напряжения перемещаются вверх и вниз относительно треугольного сигнала, создавая импульсы переменной длительности. Резисторы R6 и R7 используются для установки граничных напряжений управления VR1. Приведенные значения резисторов позволяют регулировать мощность от нуля до максимума при полном обороте движка потенциометра. Возможно, значения резисторов R6 и R7 нужно будет подобрать, чтобы обеспечить полное изменение длительности импульсов при изменении напряжения потенциометром.

Читайте также:  Регулятор цикла сварки рцс 503

Силовой ключ на транзисторе Q1, управляемый по выводу затвора G импульсами переменной ширины, включает и выключает ток нагрузки, текущий от истока к стоку. Когда Q1 открыт, через него проходит ток нагрузки на «землю», когда Q1 закрыт, нагрузка отключается от «земли». Следует проявлять осторожность, чтобы контакты подключения нагрузки не соединялись с «землей» или не замыкались накоротко.

Нагрузка постоянно подключена к положительному полюсу источника питания. Светодиод LED1 индицирует своей яркостью величину скважности импульсов. Конденсатор С3 сглаживает импульсный сигнал и отчасти устраняет помехи. D1– шунтирующий диод, он устраняет выбросы обратного напряжения от индуктивной нагрузки, например, двигателя.

В режиме 24 В стабилизатор U2 преобразует 24 В в 12 В для питания схемы ШИМ, транзистор Q1 коммутирует напряжение питания 24 В через нагрузку на «землю» так же, как и при питании 12 В. Инструкции по переключению схемы на питание от 12 или 24 В вы найдете на схеме.

При подключении нагрузки, потребляющей ток не более 1 А, устанавливать транзистор Q1 на радиатор не требуется, если же вы планируете подключать нагрузку на больший ток, понадобятся радиатор и теплопроводящая паста. Транзистор Q1 может быть заменен на более сильноточный, подходящие замены – IRFZ34N, IRFZ44N, или IRFZ48N. Такие компоненты как переключатель S1, предохранитель F1, проводники между полевым транзистором, блоком питания и нагрузкой должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки.

Конструкция

Прототип устройства был собран на макетной плате, радиоэлементы и провода установлены в отверстия платы. Один из вариантов готового устройства был использован для регулирования скорости вентилятора постоянного тока, установленного на крышке небольшой металлической коробки, внутри которой размещалась схема ШИМ.

ШИМ-контроллер скорости мотора / регулятор яркости

С использованием бесплатной CAD программы, работающей под Linux, была разработана несложная печатная плата (см. рисунок). Изображение платы было напечатано на лазерном PostScript принтере на трансферной пленке Techniks для переноса рисунка тонера. Напечатанное на пленке изображение было наложено на очищенную медную поверхность фольгированного текстолита и проглажено утюгом. Плата травится в растворе хлорного железа. Отверстия сверлятся тонким сверлом, радиокомпоненты припаиваются в отверстия и плата подключается к блоку питания и нагрузке. Эта техника отлично подходит для быстрого изготовления печатной платы, но не подходит для изготовления большого количества плат. Изображение печатных проводников показано на рисунке, оно может быть напечатано на пленке для переноса на медную фольгу, или использовано в фотографическом процессе травления.

В качестве альтернативы можно применить метод изготовления «выводами вверх». Этот метод предполагает следующее: на небольшой кусок фольгированного текстолита со стороны меди с помощью быстросохнущей эпоксидной смолы приклеиваются радиокомпоненты выводами вверх, и при помощи пайки выводы соединяются проводами. Выводы, которые должны подсоединятся к «земле», могут быть припаяны непосредственно к медной фольге.

Настройка

Настройка этой схемы не требуется.

Использование

Это устройство может работать, как регулятор яркости лампы постоянного тока, как регулятор небольшого двигателя, и даже для управления небольшим нагревателем. Эта схема была бы подходящим регулятором скорости электропоезда на солнечной батарее. Устройство было опробовано с 5-амперным электродвигателем при использовании полевого транзистора IRFZ34N и работало нормально. При использовании других двигателей диод D1, возможно, потребуется заменить на более быстродействующий и мощный. Схема может использоваться как система управления электродвигателем велосипеда, но если вы экспериментируете с этим, не забудьте установить выключатель питания с удобным и быстрым доступом. Это необходимо на случай пробоя полевого транзистора и включения двигателя на полную мощность.

ШИМ-контроллер скорости мотора / регулятор яркости

Подключите блок питания на 12 или 24 В, или аккумулятор, согласно схеме, к входным клеммам, нагрузку подключите к выходным клеммам и убедитесь, что на выходных клеммах нет замыкания на корпус, например, при подключении заземленного электродвигателя. Поверните ручку потенциометра вперед и назад, двигатель должен изменять скорость вращения, свет лампы должен изменяться.

Источник