Електронно управление на сервомотор за стабилизатор
на мрежово променливо напрежение

    В много части на страната мрежовото напрежение ~220V е нестабилно. Това е характерно за източна България и в голяма степен много актуално във вилните зони. В тези райони мрежовото напрежение плува от 150V до 270V и зависи както от товара, дебелината на проводниците на преносната мрежа, мощността на трансформаторите за ниско напрежение, както и от товара в собствения ви дом.

    И аз, като много други граждани, отначало си закупих няколко стабилизатора за да си опазя хладилника, телевизора и други електрически уреди. Но с течение на времето, се оказа, че оригиналната управляваща електроника също не може да издържи токовите удари, при които стабилизаторът със серво-управление реагира бавно и върху нея се стоварва превишено захранващо напрежение. Тогава реших, че вместо да заменям тези стабилизатори с нови или да ги ремонтирам, е по-добре да конструирам собствено управление, като си поставих задачата да избегна недостатъците на фабричното, най-вече изградено с евтини некачествени материали и да предпазя електрониката от пикови напрежения.

    Трябва да имаме предвид, че стабилизаторите за мрежово напрежение са обикновено два типа – от релеен тип и серво-тип. При първия напрежението се регулира като най-общо казано се превключват чрез силови релета намотки на автотрансформатор. При този тип предимството е бързината с която реагира електрониката на промяната на напрежението. Недостатък е, че точността зависи от избраната стъпка на изводите за превключване на автотрансформатора.

    При втория тип, управлението се осъществява чрез серво мотор, който се върти със скорост 1-2 оборота в минута и придвижва плъзгача на латер. Ако мрежовото напрежение спада, мотора завърта плъзгача и съответно го компенсира и обратно. Предимствата на този метод са в голямата точност и следене на мрежовото напрежение, а недостъка е, че не реагира със съответната бързина при резки скокове на напрежението.

    Аз съм се спрял на електронното управление със серво мотор. Такова управление ще разгледам в настоящия материал. То се състои от от логика от компаратори, които разпознават фиксирани долен и горен праг на входното мрежово напрежение и логически мост за управление и обръщане на посоките на постояннотоков елктродвигател.


Фиг.A


Фиг.Б

    Преди да започна описанието на схемата и начина на работа на електронното управление на сервомотора, ще рагледам т.н Н–мост (H-Bridge), който се използва за обръщане на посоките на въртене на постояннотоков двигател.

    На фигурата по-долу, идеята е представена с батерии. Виждаме, че като обърнем полярността на батерията и съответно се обръща посоката на въртене на постояннотоковия мотор. Тоест трябва да изградим електрическа схема, която да отговаря на този принцип. На следващата скица, виждаме ръчно управление за смяна на посоките на въртене чрез двоен ключ. И на третата скица се доближаваме вече към темата за Н–мост (H-Bridge). При тази схема смяната на посоката на въртене става като ключовете по диагоналите "1-4" и "2-3" се превключват едновременно. Този мост може да се изгради с електронни компоненти, например с транзистори или специализирани интегрални схеми.

    Една така в схема, реализирана с биполярни транзистори, която дава нужните резултати и всеки може лесно да направи сам, за да изпробва възможните на Н–моста е дадена тук, а до нея е таблицата с логическите състояния и посоките на въртене на двигателя:

    Разбира се използването на биполярни транзистори има своите недостатъци, като например по-висока стойност на остатъчното напрежение при насищане, което не влияе за маломощни двигатели, в противен случай се налага използването и на радиатори за отвеждане на разсейваната топлинната мощност. Друг недостатък е малкото усилване по ток, което ги прави по-бавни, с по-полегати фронтове на превключването, но това се компенсира ако се изгради моста с Дарлингтон транзистори. С това се намалява преходния процес и естествено остатъчната топлинна мощност върху преходите. На практика схемите на Н – мостове с Дарлингтон транзистори са по-разпространени, тъй като позволяват управлението на по-мощни мотори, с по-голям ток и при това без да се налага да се монтират радиатори на крайните транзистори. По този начин значително се намалява обема на изработения мост.

    Още по-добри резултати се получават, ако Н–моста се изгради с мощни полеви транзистори. Всички описани по-горе недостатъци се избягват. Разбира се за мощни мотори радиаторът не може да се избегне. Но за нашия конкретен случай тези мостове са предназначени да управляват маломощни постояннотокови електродвигатели.

   

    Както споменах по-горе, освен с биполярни и полеви транзистори Н–мостове могат да се изграждат със специализирани интегрални схеми. Например такива са серията за маломощни мотори TC4420/4422/4424/4429, L6203 за мотори с ток до 4А и много други, които няма да обсъждам, защото все пак разглеждам такива елементи, които се намират на нашия пазар за електронни компоненти.

    Именно такива интегрални Н–мостове съм използвал в схемите и практическото изпълнение на електронно управление на сервомотор за стабилизатор на мрежово променливо напрежение.

    Основната част от предложените принципни схеми за електронно управление на серво мотор за стабилизатор на мрежовото напрежение е логика за разпознаване и сверяване на точността на самото напрежение от ~220V. Тя е изградена с компаратори. В първата схема (фиг.1) се използват 2 компаратора LM311 или един двоен такъв LM393. По-нататък ще разгледам работата на логиката с LM393 (не се различава от логиката с две ИС LM311, която може да видите на следващата принципна схема – фиг.2.):


Фиг.1

    Принципът на работа на компараторите е следният:

    Чрез ценеровия диод за 7-8 волта (може да бъде и друга стойност, но в случая е съобразен със стойността на ~U1=15V) се създава опорно напрежение на вход 3 на LM393.

    Забележете, че резисторите 330 Ω, Rx и 4,7 KΩ, образуват последователна верига между входовете на двата компаратора. С това се създава хистерезис между тях, чиято стойност се регулира с Rx като по този начин създаваме една област от входното напрежение от 220V, която представлява точността на следене, например +/- 5V. На фиг.1 е показан тример потенциометър за регулиране и в скоба е дадена примерна практическа стойност, при която хистерезиса на регулиране на видното променливо напрежение е като посоченото по-горе. Тук изборът за изискваната точност е ваш.

    Напрежението U1, ~15V се филтрира с електролитен кондензатор от 220 μF след което се подава на делител, в чиято средна точка е свързан тример потенциометър, от чийто среден извод се подава напрежение на другия вход на компараторите – изводи 2 и 5 на ИС LM393. Това напрежение се сравнява от компараторие с опорното напрежение на ценеровия диод и ако разликата е положителна се отпушва горното рамо, а долното е запушено, или а ако е отрицателна се отпушва долното рамо на двойния компаратор, а горното е запушено и съответните буферни транзистори. Последователно към изходите на транзисторите в колекторите им са свързани микроключета К1 и К2, които при монтажа на латерната част се намират в двете крайни положения на плъзгача и играят ролята на крайни изключватели. Целта е при достигане на съответното крайно положение, микроключа да изключи веригата и да спре въртенето на двигателя. Наричам това защита от претоварване. Съответно тези положения са при спадане на входното напрежение на около 150V и при надвишаване на входното напрежение над 260V. Също от вас зависи как практически и физически на коя част от латера ще закрепите механично двата крайни изключвателя.

    Като Н-мост се използва ИС L6203, която може да управлява мотор с товар до 4А. Внимание, стабилизаторът LM7805 е от изключително значение, тъй като чрез него се съгласуват изходните напрежения на логическата "1", към входовете на L6203, която се управлява със стойности до =5V. За да може да разберете по лесно работата на двата компаратора, представям схемата на управление с два отделни такива - LM311 на фиг.2, на която ясно се вижда, че входовете им са свързани противоположно за да се осигури работата на изходите в противовес.


Фиг.2

    А под фиг.2 е показана схема на отложен старт, а именно таймера NE555, с който е изградена верига за задържане около 5-6 секунди, която управлява реле RT1-12-30, чийто контакти позволяват тока на товара при ~250V до 30А. При дадените стойности на R и C времето на задържане е ~11 сек., а при стойност на C=4.7 uF времето е 5 сек. Така при първоначално включване на стабилизатора, до неговото установяване на стабилизирано напрежение ~220V крайната верига се прекъсва от контактната група на релето и с това се предпазва включения електроуред от неустановено напрежение. Това установяване е около 2 секунди. Тук искам да отбележа, че печатните платки, които представям към този материал съдържат веригата на таймера, независимо, че на схемата на фиг.1 той не е показан.

    На фиг.3 е представена схемата на още един блок за управление, който спазва горните принципи, но е изграден с четворен компаратор и D-тригери за формиране на изходните нива и управление на Н-мост. Тук, както виждате, съм разделил веригата за следене на входното напрежение и управление от Н-моста. Това е защото, по-горе дадох схеми на Н-мост с биполярни, полеви транзистори и специализирани интегрални схеми. Особеност на предложената схема е, че всяко ниво под и над ~220V и самото входно напрежение се следят с отделни компаратори и могат да се регулират поотделно. В случая аз съм избрал стойностите 210, 220 и 230V. Изпробвал съм и с по-фина настройка до +/-5V и схемата реагира безпроблемно. Това е и съответната точност на регулиране. Като опорно напрежение се използва стабилизираното от интегралния стабилизатор LM7805 напрежение от 5V, А напрежението, което се следи, е 5V през посочения резистивен делител.


Фиг.3

    И накрая ви предлагам една простичка и ефективна схема на Н-мост със специализиран чип TC4420, която не изисква много допълнителни елементи, нито настройки и със монтирането заработва веднага и без проблемно. Този чип е и във вариант на два моста в един корпус. На печатната платка са вградени два отделни Н-моста. Тук също искам да отбележа, че независимо от широките граници на захранващото напрежение, което се прилага в изходите към електродвигателите, то входните логически нива са до +5V, поради което на платката е предвиден интегрален стабилизатор, който транслира нивото на логическата единица до тази стойност.


Фиг.4

 

Графичен оригинал [zip,pcb,pdf][58kb]

Валери Терзиев
18 януари 2011 година