Driver programabil pentru comanda micromotoarelor de curent continuu

I. STRUCTURA HARDWARE

Din punct de vedere al structurii hardware, aceasta s-a incercat a fi una cat mai simpla pentru a raspunde necesitatii unui pret de cost cat mai mic. Privind global functiile principale ale acestui echipament, el este, in ansamblu, un convertor programabil DC – semnal PWM. Sintagma “programabil” este determinata de faptul ca o parte din parametrii functionali ai driver-ului pot fi configurati off-line sau on-line (curentul limita admis pentru sarcina, corelarea dintre tensiunea de comanda si semnalul PWM etc.).

Driver-ul contine urmatoarele blocuri functionale (Fig. 1):

• Redresor de precizie;

• Microcontroler;

• Driver de putere;

• Bloc de semnalizare;

• Bloc de protectie la supracurent;

• Port de comunicatie seriala RS232;

• Convertoare DC – DC pentru alimentare.

Fig. 1. Schema functionala bloc a driver-ului

Redresorul de precizie este realizat cu amplificatoare operationale si impreuna cu atenuatorul care este plasat inaintea sa are rolul de a adapta semnalul de intrare ce poate varia in intervalul [-10; +10][Vdc] intr-o tensiune cuprinsa in intervalul [0; +5][Vdc] acceptata de microcontroler la intrarile analogice. Pentru a putea face comanda reversibila a micromotoarelor, adica pentru a face posibila utilizarea acestora in cadranele I si III, semnalul de intrare este comparat cu referinta (0V) cu ajutorul unui comparator de tensiune. Rezultatul compararii constituie un semnal de intrare in microcontroler.

Pentru realizarea redresorului de precie s-au utilizat amplificatoare operationale OP07, iar pentru blocul de detectie a semnului semnalului de intrare s-a folosit un comparator LM393 – Fig. 2. Atenuarea semnalului s-a facut, de asemenea cu un amplificator operational in regim de amplificator inversor. Inversarea semnalului de intrare nu implica nicio problema, tratarea semnului acestuia realizandu-se software, la nivelul microcontrolerului.

Algoritmul de comanda PWM a driverului de putere de la iesirea echipamentului este implementat integral software cu ajutorul unui microcontroler RISC de 8 biti (PIC18F2520) – Fig. 3. Din punct de vedere hardware perifericele utilizate in aplicatia descrisa sunt integral acoperite de catre structura periferica a microcontrolerului. Astfel, pentru realizarea corelarii dintre tensiunea de comanda ([-10, +10][Vdc]) si factorii de umplere ai semnalelor PWM se foloseste pe de o parte convertorul analog – numeric al microcontrolerului, iar pe de alta parte se folosesc doua iesiri PWM. Tratarea semnului semnalului de intrare / comanda se face prin intermediul unui pin de intrare / iesire de uz general. Starea logica a acestui pin (configurat ca pin de intrare) determina care dintre cele doua semnale de comanda PWM a driverului de putere este comandat. Starea in care se afla echipamentul la un moment dat este semnalizata tot prin intermediul unor pini de intrare / iesire de uz general configurati de aceasta data ca si pini de iesire. Pentru dezvoltari ulterioare echipamentul a fost prevazut in etapa de proiectare si cu 2 intreri / iesiri de uz general ce pot fi programate functie de necesitati. Pentru a spori flexibilitatea, cele doua porturi sunt chiar pinii ce pot genera intreruperi externe la nivelul sistemului de intreruperi al microcontrolerului. Desi nu este sugestiv in acest sens circuitul, ca si periferice se utilizeaza si timerele microcontrolerului pentru a se putea realiza temporizarile necesare in algoritmul de control. Pentru comunicatia seriala a driverului prezentat cu alte echipamente s-a utilizat portul USART al microcontrolerului. Pentru programarea in sistem a microcontrolerului s-a prevazut si un conector ISP.

Fig. 2. Redresor de precizie si circuit de detectie a semnului

Driverul de putere utilizat pentru alimentarea efectiva a motorului este o punte H completa. Ca element de circuit s-a utilizat circuitul L6203 (Fig. 4) care este o punte realizata in tehnologie CMOS ce admite un curent al sarcinii de 4A. Intrarile de comanda a celor doua diagonale ale puntii H sunt legate direct la iesirile PWM ale microntrolerului, iar intrarea de activare a semnalelor de comanda este legata la iesirea detectorului de supracurent. Masurarea curentului prin sarcina se face

prin intermediul unei rezistente de 0.22Ω. Puntea este fixata mecanic si prin intermediul unui radiator de aluminiu care ajuta la disiparea caldurii de catre circuitul L6203.

Blocul de semnalizare este compus din 4 LED-uri (Fig. 5), unul dintre acestea fiind direct legat la tensiunea de alimentare de +5Vdc iar celelalte 3 fiind legate la 3 pini de intrare / iesire de uz general (configurati ca si iesiri). Pentru a creste gradul de utilitate, cele 3 LED-uri legate la microcontroler s-au ales a avea culori diferite.

Fig. 3. Schema de conexiuni a microcontrolerului si portul ISP

Fig. 4. Puntea H si circuitul de masura a curentului

Blocul de protectie la supracurent este realizat cu ajutorul unui comparator (LM393 – Fig. 6) care are aplicata pe una dintre intrari tensiunea de masura (imaginea curentului de sarcina) iar pe cealalta intrare are o tensiune generata de un convertor digital / analogicc serial (SPI). Ca si convertor digital / analogic s-a utilizat circuitul MCP4921.

Fig. 5. Blocul de semnalizare

Fig. 6. Circuit de detectie a supracurentului si inactivarea puntii H

Echipamentul poate fi interconectat cu alt echipament (PLC, PC, etc.) prin intermediul unei interfete RS232 realizata cu un driver specializat (SP232) – Fig. 7.

Pentru alimentarea componentelor echipamentului sunt necesare 3 tensiuni: +5Vdc pentru alimentarea microcontrolerului si a logicii puntii H si +15Vdc, respectiv -15Vdc pentru alimentarea amplificatoarelor operationale. Pentru ca driverul programabil sa poata fi alimentat de la o singura tensiune de alimentare facand astfel mai facila integrarea sa intr-un sistem s-au folosit doua convertoare DC – DC de 6W fiecare. Un convertor genereaza tensiunea de +5Vdc atunci cand la intrare are aplicata o tensiune cuprinsa in domeniul [+18, +30][Vdc]. Aceeasi tensiune aplicata la intrarea celui de-al doilea convertor conduce la obtinerea la iesirea acestuia a tensiunilor de +/-15Vdc necesare pentru amplificatoarele operationale – Fig. 8. Domeniul larg al tensiunii de intrare admis de convertoarele DC – DC permit utilizarea unei surse unice de alimentare de +24Vdc, tensiune intalnita in aproape orice sistem de automatizare.

Fig. 7. Circuitul de conversie TTL/CMOS - RS232

Fig. 8. Convertoarele DC – DC

II. IMPLEMENTAREA DRIVERULUI PROGRAMABIL

Pentru punerea in functiune a driverului este necesara acordarea rezistentelor variabile din structura redresorului de precizie astfel:

• rezistenta RV3 se regleaza astfel incat la o tensiune de intrare de +10Vdc (sau -10Vdc), la iesirea atenuatorului de semnal (pinul 6 al amplificatorului operational U6 – Fig. 2) sa se obtina o tensiune de -5Vdc (respectiv +5Vdc);

• rezistentele variabile RV1, respectiv RV2 se acordeaza astfel incat la o tensiune de intrare de -10Vdc, respectiv +10Vdc, la iesirea redresorului de precizie (pinul 2 al microcontrolerului – Fig. 3) sa se obtina o tensiune de +5Vdc (in ambele situatii).

Dupa realizarea unui reglaj corect driver-ul programabil poate fi testat utilizand un generator de functii sau o sursa reglabila de tensiune si un osciloscop, urmarindu-se comportarea semnalelor in diferite puncte vitale ale circuitului (semnal redresat, semn, semnale PWM etc.) – Fig. 9 - Fig. 12.

Fig. 9. Ch1 – Semnalul de intrare; Ch2 – AnIN0 (microcontroler)

Fig. 10. Ch1 – Semnalul de intrare (-2.5V); Ch2 – PWM0 (25%); Ch3 – PWM1 (0)

Fig. 11. Ch1 – Semnalul de intrare (-7.5V); Ch2 – PWM0 (75%); Ch3 – PWM1 (0)

Fig. 12. Ch1 – Semnalul de intrare (4V); Ch2 – PWM0 (0); Ch3 – PWM1 (40%)