Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/GEC/D19790927Elc040.shtml

Микрокомпьютерный контроллер, линеаризующий характеристику универсального двигателя

УДК 681.327.8:621.313

Том Слейд (Т.Slade)
Отделение микроэлектроники фирмы General Instrument Corp. (Хиксвилл, шт.Нью-Йорк)

Т.Slade. Microcomputer-based control smoothes universal motor performance, pp.140—144.

N-канальный МОП-прибор позволяет экономически эффективно реализовать обратную связь при управлении двигателями, применяемыми в бытовой аппаратуре. Описывается контроллер, выполненный на базе микрокомпьютера PIC 1655A и обеспечивающий стабилизацию скорости вращения двигателя при переменных нагрузках.

Универсальные электродвигатели, называемые так потому, что они могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, находят широкое применение в пылесосах, миксерах, дрелях, швейных машинах и прочих бытовых электроаппаратах, которые должны работать с различными скоростями. Эти двигатели характеризуются высокой для своих размеров и массы мощностью, простотой управления скоростью вращения, высоким начальным крутящим моментом и экономичностью работы. Однако при этом они требуют больших пусковых токов, создают большие помехи, перегреваются при малых скоростях и характеризуются в принципе плохой стабилизацией скорости, а также малым к.п.д. при переменной нагрузке.

Выполненный на базе микропроцессора контроллер двигателя с замкнутым контуром обратной связи (рис.1) уменьшает или устраняет эти недостатки. Будучи менее дорогостоящим и более надежным, чем замкнутый контур, выполненный на дискретных приборах, использование этого контроллера оправдано для гораздо большего числа видов бытовой электроаппаратуры. Применение контроллера является также экономичным способом введения некоторых дополнительных желательных функциональных возможностей.

Замкнутый контур. Прежние контуры регулирования с обратной связью для управления электродвигателями имели много деталей и обеспечивали весьма небольши
Рис.1. Замкнутый контур. Прежние контуры регулирования с обратной связью для управления электродвигателями имели много деталей и обеспечивали весьма небольшие возможности при высокой стоимости. В то же время микропроцессорный контроллер позволяет при использовании всего нескольких недорогих дополнительных компонентов предоставить пользователю возможность более эффективного управления двигателем.

Например, исходную скорость вращения для двигателя дрели или другого инструмента можно теперь устанавливать при помощи цифровой клавиатуры или потенциометра. (В последнем случае микрокомпьютер преобразует аналоговый входной сигнал в цифровую форму, прежде чем установить скорость вращения для инструмента.) Кроме того, благодаря микропроцессорному управлению обеспечивается автоматическое ограничение величины тока, что повышает надежность и увеличивает долговечность универсального двигателя; при этом не требуется применять пассивные компоненты, которые обычно ограничивают значения тока при пуске и перегрузке до уровней, безопасных для щеток двигателя, переключателя включение — выключение и домашней электропроводки владельца. Дополнительным достоинством является то, что подобное ограничение тока защищает двигатель от перегрева.

Разомкнутый и замкнутый контуры регулирования

При постоянном подаваемом напряжении скорость универсального электродвигателя определяется его нагрузкой. Однако, как видно из рис.2, кривая зависимости скорости от крутящего момента, которая характеризует взаимосвязь этих параметров разомкнутого контура регулирования (сплошная линия), является очень нелинейной, причем она остается такой же нелинейной при любых изменениях управляющего тока, при помощи которых она сдвигается (пунктирная линия) с изменением скорости двигателя. Кроме того, при малых скоростях двигатель в любом случае не может обеспечить полный крутящий момент.

Изменение характеристики. Кривая зависимости скорости от крутящего момента для универсального двигателя определяет рабочую точку двигателя при постоян
Рис.2. Изменение характеристики. Кривая зависимости скорости от крутящего момента для универсального двигателя определяет рабочую точку двигателя при постоянном значении поданного напряжения и приложенной нагрузке. Только контроллер замкнутого контура регулирования позволит удерживать скорость вращения двигателя относительно постоянной при переменной нагрузке.

Рабочая характеристика двигателя с замкнутым контуром регулирования скорости является совершенно другой. Теперь скорость остается практически постоянной при переменной нагрузке почти горизонтальная двойная сплошная линия), если пиковая нагрузка не превышает допустимого максимального крутящего момента. Следует отметить, что универсальный двигателе с замкнутым контуром регулирования и переменной нагрузкой потребляет меньший ток в функции от крутящего момента (двойная штрих-пунктирная линия), чем двигатель без такого регулирования (штрихпунктирная линия). При этом не только экономится потребляемая мощность, но также уменьшается уровень звукового шума, поскольку, если двигатель потребляет мегьший ток, он работает медленнее и поэтому менее шумно и, что более важно, меньше влияет на качество приема телевизионных изображении.

Для реализации подобного замкнутого контура регулирования на базе микропроцессора требуется всего несколько внешних компонентов, в том числе датчик скорости, триак и источник питания (рис.1). При этом предполагается, что универсальный двигатель работает от переменного, а не от постоянного тока.

Типичный датчик скорости может представлять собой 20-полюсный магнитный диск и чувствительный элемент, работа которого основана на эффекте Холла. При такой схеме на микропроцессор будут поступать 10 сигналов обратной связи на один оборот двигателя, поскольку необходимо иметь входной сигнал с высокой разрешающей способностью, чтобы можно было обеспечить четкое управление выходным сигналом микрокомпьютера, выдаваемым на триак.

Срабатывание триака

Контур регулирования обеспечивает запуск триака в различные моменты времени после пересечения нулевого уровня опорным сигналом переменного тока. Такой переменный угол срабатывания в свою очередь меняет мощность, поступающую на двигатель, путем установки среднего тока, подводимого к обмоткам последовательного возбуждения. Как правило, триак рассчитан на ток от 6 до 15 А и управляет двигателем мощностью от 368 до 1472 Вт.

Пользователь может задать этой системе регулирования входные данные при помощи клавиатуры и индикатора, включенных в состав системы в дополнение к нескольким внешним компонентам, показанным на рисунке. Микрокомпьютер может сканировать эту клавиатуру и обслуживать индикатор в мультиплексном режиме с частотой до 250 кГц (эта частота более чем достаточна для бытовых электроприборов).

При работе микропроцессор постоянно сравнивает значение скорости, заданное пользователем, со значением скорости, измеренным датчиком Холла, а затем регулирует мощность, выдаваемую на двигатель, чтобы свести к минимуму измеренную ошибку, разность скоростей.

Например, для миксера желательная скорость вращения двигателя и время работы могут быть заданы поваром, а микрокомпьютер затем будет посылать на триак импульсы, необходимые для постепенного увеличения поступающего на двигатель тока до тех пор, пока двигатель не наберет заданные поваром обороты. Для более крупных бытовых электроприборов такой «мягкий», плавный разгон безусловно будет ограничивать обычно очень большие начальные пиковые токи универсального двигателя, предотвращая тем самым преждевременный выход из строя переключателей и электропроводки.

Кроме того, ограничение тока универсального двигателя легко достигается путем ограничения угла срабатывания («зажигания») управляющего триака в функции от максимальной заданной скорости. По существу, для определения максимального угла срабатывания используется максимальное допустимое число импульсов датчика скорости в течение данного периода времени.

При этом рабочая характеристика двигателя модифицируется и соответствует двойной сплошной вертикальной линии рис.2 для случая перегрузки. (Следует отметить, что знак X на двойной штрихпунктирной кривой тока соответствует этому предельному значению.)

Этот же принцип можно использовать для защиты двигателя от перегрева, когда из-за большой нагрузки он вынужден работать на малой скорости. Несложный таймер, включенный в контур регулирования, просто снижает значение тока до безопасного предельного уровня после некоторой заранее заданной выдержки времени (соответствующая характеристика показана двойной пунктирной линией на рис.2).

Таким образом, в целом работа универсального двигателя описывается двойной горизонтальной сплошной линией графика рис.2 для различных нагрузок, пока не наступит режим перегрузки. Затем скорость двигателя падает, ток удерживается постоянным (вертикальная линия). В этом режиме двигатель начинает перегреваться и после некоторой выдержки времени, заранее определенной микропроцессором, схема ограничения тока смещает характеристику нагрузки (пунктирная линия). Когда нагрузка уменьшится, рабочая точка переместится по пунктирной линии на горизонтальную линию и войдет в область нормальной работы.

Управление углом срабатывания

Крутящий момент универсального двигателя является нелинейной функцией угла срабатывания триака и скорости двигателя (рис.3,а). Для линеаризации этой функции, с тем чтобы при изменении скорости происходило соответствующее изменение крутящего момента, отклонение фактической скорости от заданной, ошибку скорости необходимо преобразовать в фазовый угол, при помощи которого можно затем осуществлять необходимое регулирование.

Такое преобразование, сделанное эмпирическим способом (рис.3,б), обеспечивает получение зависимости ошибки скорости от крутящего момента, которая почти линейна. Независимость этой кривой от конкретной скорости обеспечивается благодаря корреляции ошибки скорости с углом срабатывания для каждого из значений различных скоростей.


Рис.3. Преобразования. Крутящий момент является нелинейной функцией угла срабатывания триака и скорости двигателя (а). Для обеспечения линейной стабилизации скорости двигателя ошибку скорости необходимо преобразовать в угол срабатывания (б). При правильном преобразовании обеспечивается линейная кривая зависимости ошибки скорости от крутящего момента.

Измерение скорости

Алгоритм регулирования скорости, реализованный в микропроцессоре, использует процентную ошибку, разность между фактическим и заданным значениями скорости. Для относительно малых изменений скорости эта процентная ошибка за период оборота приблизительно такая же, как процентное изменение скорости.

Если измерения для всех возможных заданных значений скорости в течение одного и того же временного интервала осуществляются с достаточной разрешающей способностью благодаря выработке многих импульсов на один оборот двигателя, выраженная в процентах разность между заданным и фактическим периодом является приближенно отрицательной процентной ошибкой скорости.

Это легко показать математически. Относительная ошибка скорости ES является, естественно, разностью между заданной скоростью SS ифактической скоростью SA и выражается какдробная часть значения SS, или

ES = (SS-SA)/SS.

(1)

Значение скорости, выраженное в об/мин, в 60 раз превышает произведение обратной вели-чшш произведения числа импульсов на оборот N и периода этих импульсов в секундах Р. Поэтому, подставляя соответствующие значения скорости в уравнение 1, получаем:

ES = [(60/NPS) – (60/NPA)]/(60/NPS)

ES = (1/PS – 1/PA)/(1/PS)

ES = 1 – [PS/(PS-PE)]

ES = – PE/(PS-PE)

где РА, PS и РE — это фактический, заданный периоды и ошибка в секундах соответственно. Если, однако, период ошибки имеет много меньшее значение, чем заданный период (обычный случай), то ES =—PE/PS, что и требовалось доказать.

Для таких постоянных или почти постоянных приближенных значений измерения ошибка периода пропорциональна процентной ошибке скорости и может использоваться вместо нее при преобразовании угла срабатывания для обеспечения необходимого регулирования (рис.4). Для фиксированных значений скоростей величины N и Р могут храниться в просмотровой таблице, а для регулирования переменной скорости они могут вычисляться при помощи подпрограммы деления. Микропроцессор предусматривает обе эти возможности.

Период. Для малых изменений скорости изменение периода оборота двигателя соответствует изменению скорости. Следовательно, ошибка периода двигателя про
Рис.4. Период. Для малых изменений скорости изменение периода оборота двигателя соответствует изменению скорости. Следовательно, ошибка периода двигателя пропорциональна его ошибке скорости и может поэтому использоваться вместо этой переменной при преобразовании угла срабатывания.

Регулирование колебаний

Возвращаясь к рис.3,б, следует отметить, что происходит резкое изменение крутящего момента для данного изменения угла срабатывания в окрестности 90°. Разрешающая способность для угла срабатывания в этой точке определяет, какова будет величина колебаний скорости двигателя. При малой скорости двигателя недостаточная разрешающая способность может вызвать броски тока, при которых изменение крутящего момента будет создавать очень заметные скачки скорости.

Например, если двигатель запускается из состояния покоя (нулевая скорость), то его разгон происходит по первой линии нагрузки, соответствующей малому углу срабатывания (рис.5), вплоть до точки первой скорости. Затем включается второй режим, с большим углом срабатывания. Такое дискретное регулирование продолжается до тех пор, пока двигатель не выйдет из пределов допустимого крутящего момента. Из графика видно, что любое колебание скорости будет определяться размером шага при измерении, осуществляемом при помощи датчика скорости, и разрешающей способностью для угла срабатывания, предусмотренной микропроцессором.

Скачки. При запуске двигателя его параметры определяются первой нагрузочной кривой, которая соответствует малому углу срабатывания, — до первой точки
Рис.5. Скачки. При запуске двигателя его параметры определяются первой нагрузочной кривой, которая соответствует малому углу срабатывания, — до первой точки переключения скорости, где осуществляется переход на кривую следующего угла срабатывания. Этот процесс продолжается, пока не будет достигнут допустимый крутящий момент двигателя.

Требования к микрокомпьютеру

Микрокомпьютер, применяемый для регулирования скорости универсального электродвигателя, должен иметь 8-разрядное слово данных и частоту выполнения операций по меньшей мере 250 кГц, только в этом случае он сможет успешно реализовать необходимые функции. И, естественно, он должен, и это легко обеспечить, потреблять относительно малую мощность.

Первые два требования важны потому, что микрокомпьютер должен быстро выполнять относительно сложные вычисления, причем с высокой разрешающей способностью, требуемой при малых углах срабатывания триака и при малых скоростях вращения двигателя.

N-канальный МОП-микрокомпьютер PIC1655А был разработан фирмой General Instrument специально с целью обеспечения этих требований. Однокристальный микрокомпьютер потребляет ток всего 35 мА от источника питания напряжением от 4,5 до 7 В, характеризуется архитектурой, ориентированной на поточную обработку данных, имеет 12-бит инструкции и 8-бит шину данных.

Поточный режим работы, т.е. выборка очередной инструкции во время выполнения текущей, сокращает время выполнения операций до 4 мкс. При этом для внутренних функциональных блоков — арифметико-логического устройства, памяти и средств ввода-вывода — требуются времена установления данных всего две-три микросекунды, что позволило создать надежную конструкцию прибора с расширенными температурными диапазонами.

12-разрядное слово инструкции является достаточно длинным, чтобы исключить необходимость в частых выборках инструкций. Набор инструкций содержит в дополнение к стандартным операциям, как-то: сложение, вычитание, логические операции И, ИЛИ и исключающее ИЛИ, такие эффективные операции над битами, как установка бита, сброс бита и проверка бита. Например, инструкция BSFSC 7,2 обеспечит пропуск следующей инструкции, если бит 2 регистра ввода-вывода 7 имеет нулевое значение.

8-бит шина данных вполне достаточна для большинства управляющих приложений. Однако микрокомпьютер PIC может работать с удвоенной точностью, необходимой в случае обеспечения 16-бит разрешающей способности. Его стандартные программы для выполнения арифметических операций удвоенной точности над целыми числами со знаком, включая сложение, вычитание, умножение и деление, занимают 90 инструкций.

Увеличение разрежения

Что может сделать микрокомпьютер для домашнего пылесоса? С одной стороны, двигатель пылесоса может работать с плавным разгоном, т.е. при разгоне ток ограничивается. Благодаря этому в пылесосы можно устанавливать более мощные двигатели, обеспечивающие увеличенное разрежение и увеличенный поток воздуха, причем это не будет вызывать снижения накала осветительных ламп, сгорания предохранителей или превышения требований организации Underwriters Labs на токи включения электрооборудования.

Кроме того, благодаря этому двигатель пылесоса может работать с максимальным к.п.д. В зависимости от типа двигателя это может соответствовать постоянной скорости около 15 тыс. об/мин при к.п.д. 70—80%. Теперь можно также обеспечить оптимальный режим работы центробежного вентилятора с постоянной скоростью, что повышает к.п.д. и снижает пиковый уровень шума.

Отметим, что термин «постоянная скорость» означает стабилизацию скорости в определенных пределах, которые зависят от применения. Уменьшение скорости приблизительно на 10% при переходе пылесоса от работы в режиме отсутствия нагрузки к работе в режиме полной нагрузки фактически желательно, поскольку возрастание давления приблизительно на 30 % фактически сопровождается уменьшением потока воздуха.

Еще один способ

Альтернативой сохранения постоянного разрежения является работа с постоянным крутящим моментом. Это позволяет менять скорость, чтобы поддержать постоянный воздушный поток. Кроме того, это позволяет использовать двигатель, рассчитанный на работу при очень высоких оборотах, но потребляющий в обычном случае слишком большой ток при малых оборотах. В результате обеспечивается более высокое разрежение, которое в противном случае получить было бы нельзя.

Желательным усовершенствованием пылесоса является надежная индикация заполнения пылесборника. Признаком заполненного пылесборника является малый поток воздуха в течение определенного периода времени. Поскольку величина потока чаще всего пропорциональна крутящему моменту при работе двигателя с постоянной скоростью, микрокомпьютер может цифровым способом отфильтровать входной сигнал крутящего момента и включить индикаторную лампу. Если двигатель пылесоса работает с постоянным крутящим моментом, признак заполнения пылесбор-ника будет выработан, когда средняя скорость превысит определенный предел. И наконец, легко ввести в пылесос несколько дополнительных кнопок, при помощи которых будет устанавливаться скорость вращения и уровень разрежения для чистки ковров.

Дочерние статьи:

Почему применяются универсальные электродвигатели!

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.20 (572), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.53

Electronics Vol.52 No.20 September 27, 1979 A McGraw-Hill Publication

Т.Slade. Microcomputer-based control smoothes universal motor performance, pp.140—144.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Бытовая электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/GEC/D19790927Elc040.shtml