7.5. Управление соленоидом и реле

Соленоид – это электромагнит, приводящий в движение какой-либо механизм, например плунжер. Соленоиды используются для защелкивания защитных кожухов так, чтобы те не могли открыться во время работы станка, или для открывания дверей вашего автомобиля с пульта дистанционного управления. Соленоиды применяются для открытия и закрытия клапанов в промышленных процессах или для управления движением магнитной головки, например в 2-координатном графопостроителе.

Соленоиды бывают самых разных размеров, способные создавать самые различные усилия от унций до нескольких фунтов. Существует две основные разновидности соленоидов: постоянные и импульсные. Постоянные соленоиды спроектированы так, чтобы во включенном состоянии через них постоянно протекал определенный ток. Такие соленоиды могут применяться, например, для удержания защитного кожуха. Импульсный соленоид открывает двери вашего автомобиля. Импульсный соленоид переключается импульсами разной полярности и перегреется, если по нему будет протекать номинальный ток.

Реле – устройство для замыкания и размыкания электрической цепи. Оно состоит из обмотки и одной или нескольких групп контактов. Различают группы нормально-разомкнутых, нормально-замкнутых и переключающих контактов. Когда на обмотку реле подается напряжение источника питания, контакт соответственно замыкается, размыкается или переключается: подобно механическим ключам.

На рис. 58а показан пример подключения реле к МП. Всего один бит необходим для включения или выключения реле. На рисунке изображен n-p-n-транзистор, соединенный с одним битом порта МП, вместо биполярного n-p-n-транзистора можно также использовать МОП транзистор. В отдельных МП предусмотрены выходы с повышенным током нагрузки, как правило, 25 мА, вместо типовых токов, на порядок меньших, достаточным для включения реле, если, конечно, реле рассчитано на то же напряжение, что и МП.

Поскольку для электрической цепи обмотка реле или соленоида представляет собой индуктивность, при запирании управляющего транзистора возбуждается значительная ЭДС самоиндукции обратной полярности. Это напряжение может достигать значительного уровня, под действием которого протекает ток обратной полярности, что может привести к пробою транзистора. На рис. 57б показано применение диода, не пропускающего ток обратной полярности к коллектору транзистора. Когда транзистор открывается, включая реле, диод смещается в обратном направлении. При закрытии транзистора, импульс напряжения появляется на нижнем, на схеме полюсе катушки (соединенном с коллектором транзистора). Как только напряжение достигает 0,6 В, диод открывается и пропускает ток, отсекая на этом уровне выброс напряжения.

Рис. 57. Схема подключения реле

7.6. Управление электродвигателем

Управление скоростью мотора обычно осуществляется при помощи сигналов с ШИМ. Частота ШИМ сигналов должна быть более 20 кГц, чтобы избежать возникновения при вращении мотора звукового сигнала, который может быть очень раздражающим.

Двигатели постоянного тока и бесколлекторным двигатели обычно применяются в МПС совместно со специальными устройствами – энкодерами, укрепляемыми на оси. Назначение этих устройств – передать обратно в систему информацию о позиции оси.

Принцип работы бесколлекторного и шагового двигателей во многом совпадают. Катушки соединены по трехфазной схеме с общей точкой. Бесколлекторный двигатель обладает повышенным КПД по сравнению с коллекторным двигателем такого же размера. Катушки в бесколлекторном двигателе прикреплены к корпусу, а не к ротору, что позволяет легче отводить тепло от двигателя.

Бесколлекторный двигатель работает точно так же, как двигатель постоянного тока, но без применения щеток. Вместо механической коммутации для бесколлекторного двигателя требуется внешняя электронная коммутация. Бесколлекторный двигатель может управляться синусоидальным сигналом, но для него более характерно управление дискретной последовательностью постоянных уровней.

Состояние двигателя определяется тем, какую функцию двигатель выполняет:

- остановлен;

- разгоняется до определенной скорости;

- замедляется до полной остановки;

- вращается с постоянной скоростью;

- доходит до требуемой позиции остановки;

- перегрузка по току (ошибка, требует отключения);

- отсутствие напряжения.

Упрощенные алгоритмы некоторых функций представлены в приложении.

Рассмотрим случай дискретного управления двигателем состояние, которого определяется следующими функциями:

- двигатель медленно разгоняется до определенной скорости;

- двигатель движется с постоянной скоростью;

- двигатель замедляется и останавливается в нужной позиции (с корректным отсчетом энкодера). Типичные осциллограммы такого типа движения показаны на рис. 60.

Трудность здесь в том, чтобы корректно установить все временные соотношения. Системы ПИД-управления движением, используемые в позиционировании, обычно оснащены двумя петлями обратной связи, работающими параллельно. ПИД-управление устанавливает ток двигателя для достижения необходимой скорости. Входной величиной системы с первой петлей обратной связи является значение скорости. Система с второй петлей обратной связи устанавливает форму выходного сигнала в виде трапеции.

Рис. 60. Изменение управляющего сигнала в форме трапеции

На рис. 61 показана простая диаграмма работы такой системы. Блок регулирования скорости двигателя изображен отдельно от МП, как это обычно реализовано в ИС управления скоростью вращения двигателя. Петля обратной связи управления позицией подает команды позиционирования на систему ПИД-управления. На этом рисунке изображена упрощенная таблица величин позиционирования для движения на 80555 шагов, то есть немного больше 161 оборота оси двигателя с энкодером на 500 положений. Заметим, что позиция сначала увеличивается на 5 шагов за интервал дискретизации, затем на 10, 20 и т.д. Когда двигатель тормозит, происходит процесс обратный ускорению – замедление.

Рис. 61. Структурная схема системы позиционирования двигателя

Для упрощения управления мотором может быть использована ИС 293D. ИС 293D, показанная может управлять двумя моторами, присоединенными к выходным буферным каскадам. На эти выводы могут подаваться ШИМ-сигналы, что делает управление скоростью вращения мотора очень простым.

На рис 32 показаны резистор и конденсатор которые иногда используются для гашения помех. Эти два компонента, подключенные к щеткам электродвигателя, уменьшают электромагнитное излучение и импульсные помехи, возникающие при его работе.

Рис. 32. Подключение электромотора к микросхеме 293D

ИС 293D может также использоваться для управления четырехполюсным шаговым двигателем – каждый из буферных выходов служит для управления одним из полюсов двигателя. При этом выводы 1 и 9 должны быть подключены к питанию, так как не требуются ШИМ сигналы для управления скоростью двигателя.

Существует целый ряд ИС контроллеров двигателей, способных управлять бесколлекторными двигателями без использования датчиков. К примеру, ИС TDA5140 фирмы Philips может управлять бесколлекторными двигателями с номинальным током в обмотках до 8 А как с использованием датчиков, так и без них.