Схема. Аппаратура пропорционального управления (1)
Комплект аппаратуры состоит из объединенного с пультом управления передатчика, бортового приемника и узлов управления двигателями рулевой машинки и тяговым. Прототипом послужила аппаратура «Радиопроп» [1], возможности которой расширены, а элементная база заменена полностью. Аппаратура работает на частоте 27,12 МГц, обеспечивая управление моделью на удалении 20…70 м в зависимости от ее типа (плавающая, сухопутная), характера местности и окружающей обстановки.
Реализован наиболее распространенный принцип пропорционального управления — широтно-импульсное кодирование управляющих воздействий с разделением каналов по времени. В предлагаемом варианте предусмотрено только два канала управления (направлением и скоростью), однако их число несложно довести до восьми.
Для улучшения помехозащищенности вместо амплитудной модуляции сигнала передатчика применена частотная с девиацией 2,5 кГц. В бортовых устройствах использованы специализированные микросхемы, что значительно упростило их конструкцию и облегчило настройку.
Передатчик построен по схеме, приведенной на рис. 1. При напряжении питания 6 В и потребляемом токе 15 мА его выходная мощность — 10 мВт.
Во многих вариантах двухканальной аппаратуры радиоуправления генератором командных импульсов служит мультивибратор с раздельной регулировкой длительностей импульсов и пауз между ними, причем информацию об управляющих воздействиях несет каждый из этих интервалов. В результате изменяется и период повторения импульсов, поэтому избавиться от взаимного влияния каналов оказывается довольно сложно.
В рассматриваемом устройстве период повторения командных импульсов фиксирован. Его задает тактовый генератор, собранный на элементах DD1.1, DD1.2. Длительность периода (10мс) устанавливают подстроечным резистором R2. Спадом каждого тактового импульса запускается формирователь первого канального интервала на транзисторе VT1. Длительность интервала регулируют в пределах 1…2 мс переменным резистором R5, на оси которого установлена рукоятка управления скоростью движения модели.
В исходном состоянии транзистор VT1 открыт током, протекающим через резисторы R8 и R9. Напряжение на подвижном контакте переменного резистора R5 близко к напряжению питания, а конденсатор С7 заряжен почти до этого напряжения (за вычетом падения на участке база—эмиттер транзистора VT1). Как только уровень на выходе элемента DD1.2 станет низким, транзистор закроется, так как из-за не успевшего измениться заряда конденсатора С7 потенциал его базы примет отрицательное относительно эмиттера значение. Абсолютная величина запирающего напряжения зависит от положения подвижного контакта переменного резистора R5.
В результате на коллекторе транзистора формируется положительный импульс, длительность которого равна времени перезарядки конденсатора С7 до напряжения открывания транзистора VT1 и практически линейно зависит от положения рукоятки управления. Как только на выходе элемента DD1.2 появится высокий логический уровень, конденсатор С7 быстро зарядится и формирователь вернется в исходное состояние. С началом следующего такта цикл повторится. Элементы DD1.3, DD1.4 служат инверторами импульсов.
Формирователь второго канального интервала — на транзисторе VT3 структуры p-n-p. Он запускается фронтом импульса на выходе элемента DD1.3 и отличается от рассмотренного выше лишь полярностью импульсов и перепадов напряжения. Длительность второго командного интервала зависит от положения переменного резистора R15, на вал которого насажена рукоятка управления рулем модели. Если необходимо увеличить число каналов, следующую пару аналогичных формирователей подключают к выходу элемента DD2.3.
Дифференцирующие цепи C4R4, C12R16, C19R21 формируют короткие положительные импульсы, соответствующие границам интервалов. Импульсы логически суммирует схема ИЛИ из диодов VD1, VD4, VD5 и резистора R22, затем они поступают на вход элемента DD2.1. Каждый из импульсов, проинвертированных этим элементом, быстро разряжает конденсатор С8, вызывая скачок напряжения на выходе элемента DD2.2. По окончании импульса начинается зарядка конденсатора С8 через резистор R7. Как только напряжение на конденсаторе достигнет порогового для элемента DD2.2 значения, логический уровень сигнала на выходе последнего вновь станет низким.
Таким образом в течение каждого периода колебаний тактового генератора формируются стартовый и два командных импульса фиксированной длительности. Информация заключена в продолжительности пауз между ними. Пауза между последним из командных и стартовым импульсами служит синхронизирующей. Ее продолжительность непостоянна, но всегда больше, чем любой из информационных пауз, что и используется для синхронизации бортовой аппаратуры.
Сформированная импульсная последовательность поступает на варикапную матрицу VD2 и модулирует частоту колебаний задающего генератора, собранного на транзисторе VT2. Конденсатор С2 необходим для «заваливания» фронтов импульсов с целью сужения их спектра.
Частота задающего генератора стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Подстраивая катушку L1, компенсируют отклонение среднего значения генерируемой частоты от номинала, вызванное включенной последовательно с резонатором емкостью варикапов. Выходной каскад передатчика собран на транзисторе VT4 и работает в режиме класса С, что обеспечивает высокий КПД. Выходную мощность можно регулировать подборкой резистора R23. Катушка индуктивности L4 согласует выход передатчика с антенной WA1.
Микросхема DA1 стабилизирует напряжение питания узлов формирования импульсов, что предотвращает изменение их характеристик при разрядке батареи.
Приемник, схема которого приведена на рис. 2, построен на микросхеме МС3361, далеко не современной (именно по этой причине она дешева), но полностью обеспечивающей необходимые технические характеристики. Ее номинальная чувствительность — 2 мкВ. Апериодический УРЧ на полевом транзисторе VT1 КП303Е доводит чувствительность приемника в целом до 0,5 мкВ. Если высокая чувствительность не нужна, транзистор VT1 и резистор R2 можно не устанавливать. Левый (по схеме) вывод конденсатора СЗ в этом случае соединяют непосредственно с колебательным контуром L1C2, настроенным на частоту сигнала 27,12 МГц, и конденсатором С1.
Микросхема DA1 — супергетеродинный приемник с частотным детектором. Частота гетеродина 26,655 МГц стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Подстраивая гетеродин с помощью катушки 12, добиваются точного совпадения промежуточной частоты с центральной частотой полосы пропускания пьезоэлектрического фильтра ZQ2 (465 кГц). Ширина полосы пропускания — 8 кГц.
Резонатор ZQ3 на частоту 465 кГц служит элементом частотного детектора. При отсутствии нужного резонатора вместо него можно установить катушку индуктивностью 117 мкГн от фильтра ПЧ радиовещательного приемника. Емкость конденсатора С4 в этом случае следует увеличить до 1000 пф, а резистор R3 — не устанавливать. Образованный катушкой и конденсатором С4 колебательный контур настраивают на частоту 465 кГц.
Вывод 9 микросхемы DA1 — выход частотного детектора. Фильтр нижних частот R4C6 подавляет высокочастотные шумы. Через разделительный конденсатор С7 сигнал поступает на вход имеющегося в микросхеме ОУ (вывод 10). Коэффициент усиления этого каскада зависит от номинала резистора R5. Регулируя подстроечный резистор R6, смещают рабочую точку ОУ таким образом, чтобы в паузах между импульсами сигнала на выходе микросхемы DA1 (вывод 11) отсутствовали шумы.
Принятые импульсы положительной полярности поступают на элемент DD1.2 и далее — на вход С2 счетчика DD2. Пока уровень на его входе С1 низкий, счет разрешен и с каждым импульсом состояние счетчика изменяется. В результате на выходах DD2 формируются канальные импульсы длительностью, равной интервалам между принятыми. Первый канальный импульс с вывода 2 счетчика поступает на вход регулятора хода (узла управления тяговым двигателем), второй с вывода 4 — на вход сервоусилителя рулевой машинки.
Если период принимаемой импульсной последовательности содержит более двух командных импульсов, соответствующие им канальные будут сформированы на других выходах счетчика DD2, к которым в этом случае могут быть подключены входы соответствующих исполнительных устройств. При желании можно с помощью одного передатчика организовать независимое управление, несколькими моделями. Для этого входы регулятора хода и сервоусилителя на каждой из моделей соединяют с различными выходами счетчика.
Чтобы правильно декодировать импульсную последовательность, счетчик DD2 должен быть установлен в исходное состояние в начале каждого периода ее повторения. Для этого служит узел выделения синхропаузы. Отрицательные импульсы с выхода элемента DD1.1 через открытый диод VD1 быстро разряжают конденсатор С13. В паузах конденсатор медленно заряжается через резистор R8. Постоянная времени зарядки выбрана таким образом, что в течение информационных пауз даже максимальной длительности напряжение на конденсаторе не успевает достичь порога переключения элемента DD1.3 и логический уровень на выходе последнего остается низким. Во время более продолжительной синхропаузы напряжение на конденсаторе достигает порогового значения и состояние элемента DD1.3 изменяется. Через дифференцирующую цепь С15R10 сигнал установки в начальное состояние поступает на вход R счетчика DD2.
Первый же из импульсов на выходе элемента DD1.3 через диод VD2 заряжает конденсатор С14, в результате на выходе элемента DD1.4 и соединенном с ним входе С1 счетчика DD2 устанавливается низкий уровень, разрешающий счет. Постоянная времени разрядки конденсатора С14 достаточно велика, за период повторения синхроимпульсов он не успевает заметно разрядиться. Если полезный сигнал на выходе микросхемы DA1 прекратился (например, по причине выключения передатчика), через некоторое, необходимое для разрядки конденсатора С14, время уровень на входе С1 счетчика DD2 станет высоким, запрещая счет. Этим предотвращается появление на выходах счетчика под действием шумов и помех импульсов случайной длительности, которые могли бы привести к хаотическому перемещению управляемого объекта.
Напряжение питания 3 В приемник получает от стабилизатора, находящегося на плате сервоусилителя рулевой машинки.
Сервоусилитель рулевой машинки по принципу действия аналогичен прототипу [1] и построен по схеме, изображенной на рис. 3 Канальные импульсы, поступающие с приемника, запускают одновибратор на транзисторе VT1 и элементе DD1.1. Длительность импульсов, генерируемых одновибратором, зависит от положения движка переменного резистора R17, механически связанного с рулевым устройством, приводимым в движение двигателем М1.
С помощью элементов DD1.2—DD1.4 сравнивают импульсы. Наличие «разностного» импульса отрицательной полярности на выходе элемента DD1.2 свидетельствует, что канальный импульс длиннее импульса одновибратора, а на выходе элемента DD1.3 — короче его. При равенстве импульсы отсутствуют на выходах обоих элементов.
Скважность разностных сигналов слишком велика для непосредственного управления двигателем, поэтому импульсы удлиняют с помощью диодов VD3, VD4, соединенных с ними RC-цепей и работающих в режиме компараторов ОУ микросхемы DA2. Пороги срабатывания компараторов регулируют подстроечным резистором R15.
Рассмотрим работу устройства, например, при наличии разностного импульса на выходе элемента DD1.2. В исходном состоянии конденсатор С7 заряжен приблизительно до 2 В — напряжения, определяемого отношением сопротивлений резисторов R8 и R12. Оно приложено к инвертирующему входу ОУ DA2.1. Напряжение на прямом входе (образцовое) немного меньше. Состояние входов DA2.2 аналогично. В результате уровни напряжений на выходах обеих ОУ — низкие и двигатель М1 обесточен. Во время действия разностного импульса конденсатор С7 разряжается через резистор R10 и диод VD3, напряжение на нем уменьшается на величину, пропорциональную длительности импульса. В самом начале процесса разрядки напряжение на инвертирующем входе DA2.1 становится меньшим образцового, а уровень на выходе ОУ — высоким. После окончания импульса конденсатор С7 сравнительно медленно заряжается до прежнего напряжения. По достижении порога уровень на выходе ОУ опять станет низким.
Параметры цепей разрядки и зарядки конденсатора выбраны таким образом, что при изменении длительности разностного импульса от нулевой до максимальной (приблизительно 1 мс) длительность импульса на выходе ОУ изменяется от 0 до 10 мс. Постоянная составляющая приложенного к двигателю напряжения, от которой зависит скорость вращения, изменяется при этом от нуля до напряжения источника питания.
Мощный сдвоенный операционный усилитель КР1040УД2, примененный в качестве DA2, обеспечивает ток в нагрузке до 1 А, что вполне достаточно для питания двигателя рулевой машинки. Конденсаторы С11 и С12 снижают уровень помех от коллекторного узла двигателя и предотвращают перегрузку микросхемы DA2 ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке двигателя вследствие питания его импульсным напряжением.
Напряжение питания сервоусилителя (за исключением микросхемы DA2) стабилизировано интегральным стабилизатором напряжения DA1. Его же выходное напряжение используется и для питания приемника.
Регулятор хода, схема которого показана на рис. 4, во многом аналогичен рассмотренному выше сервоусилителю, принципиально отличаясь лишь отсутствием электромеханической обратной связи. Одновибратор здесь собран на таймере КР1006ВИ1 (DA2). В предыдущем случае таймер не был применен из-за нелинейной зависимости длительности вырабатываемых импульсов от сопротивления времязадающей цепи. В регуляторе хода эту длительность устанавливают подстроечным резистором R2, в процессе работы она остается постоянной.
Применять микросхему КР1040УД2 для непосредственного управления значительно более мощным, чем рулевой, тяговым двигателем модели нецелесообразно. При большом токе нагрузки на выходных транзисторах этой микросхемы падает значительная часть питающего напряжения. Да и пусковой ток двигателя может превысить 1 А. Поэтому в удлинителе импульсов использован маломощный сдвоенный ОУ К157УДЗ (DA3), а нагрузка подключена к его выходам через DA4 — специализированную микросхему управления двигателем постоянного тока ВА6209 [2].
Продолжение — www.radioelectronika.ru/?mod=cxemi&sub_mod=full_cxema&id=730
ЛИТЕРАТУРА
1. С. Чухаленко «Радиопроп» — Моделист-конструктор, 1987, № 1—3.
2. Микросхемы для управления электродвигателями. — М.: ДОДЕКА, 1999 г.
В. ДНИЩЕНКО, г. Самара
«Радио» №11 2001г.
