Схема. Блок управления микродрелью
Блок управления установленным в дрели электродвигателем ДПМ-30 обеспечивает его работу при двух переключаемых значениях мощности на валу. С появлением механической нагрузки частота вращения вала плавно увеличивается, а в её отсутствие уменьшается до минимальной, при которой вращение ещё остаётся устойчивым. В случае заклинивания сверла предусмотрен автоматический реверс. Управление дрелью производится с помощью одной кнопки, а индикация режимов работы — одним светодиодом.
Первое, предварительное, сверление всех отверстий рекомендуется выполнять сверлом диаметром 0,5 мм в режиме 25 % номинальной мощности двигателя. Благодаря плавному пуску это позволяет просверлить отверстия с отклонением от заданной точки не более чем на диаметр сверла, что вполне приемлемо. Затем включают режим полной мощности и соответствующими свёрлами доводят отверстия до нужных диаметров.
Известно, что параметры даже однотипных электродвигателей неизбежно имеют некоторый технологический разброс. Кроме того, они изменяются с течением времени в результате приработки и износа деталей двигателя. В рассматриваемом блоке предусмотрено измерение необходимых параметров с запоминанием их значений в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Это происходит автоматически при первом включении блока. При необходимости процесс измерения можно повторить, запустив его вручную.
В той же памяти хранятся точные значения сопротивления установленных в данном экземпляре блока резисторов, образующих цепь измерения тока двигателя, и используемого в качестве образцового напряжения питания микроконтроллера. Это позволяет достигнуть необходимой точности измерения и регулирования режима работы двигателя.
На схеме, показанной на рис. 1, изображены все узлы блока управления, кроме источников напряжения питания +5 В и +27 В. Тактирование микроконтроллера DD1 (ATtiny2313-20SI) происходит от его внутреннего RC-генератора частотой 8 МГц. Поскольку микроконтроллер этого типа не имеет встроенного АЦП, необходимого для измерения тока двигателя М1, такой преобразователь организован программно на базе встроенного в микроконтроллер компаратора напряжения.
На выходе РВЗ микроконтроллер формирует импульсы с переменным коэффициентом заполнения, через преобразователь уровня на транзисторе VT1 они поступают на затвор полевого транзистора VT2. Вместе с диодом VD1, дросселем L1 и конденсатором С8 этот транзистор образует импульсный понижающий преобразователь напряжения для питания двигателя М1. Можно было бы упростить преобразователь, использовав для сглаживания импульсов индуктивность обмотки двигателя, но это заметно ухудшает плавность хода последнего и устойчивость его работы при малой частоте вращения.
Выходное напряжение преобразователя, пропорциональное коэффициенту заполнения генерируемых микроконтроллером импульсов, поступает на двигатель М1 через контакты реле К 1.1 и К1.2, с помощью которых изменяются полярность подаваемого на двигатель напряжения и направление вращения его вала. Последовательно с двигателем включён резистор R14, падение напряжения на нём пропорционально току двигателя. Чтобы обеспечить наиболее выгодное положение рабочей точки встроенного в микроконтроллер компаратора напряжения, резисторы R13 и R8 смещают снимаемое с резистора R14 напряжение в плюсовую сторону. Точные значения сопротивления этих трёх резисторов хранятся в памяти микроконтроллера и используются программой при расчётах.
Пропорциональное току электродвигателя напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора (вывод 12 микроконтроллера) через фильтр R7C5R4C3. На его инвертирующий вход (вывод 13 микроконтроллера) подано компенсирующее напряжение, полученное с помощью фильтра R6C4R3C2 из импульсной последовательности с переменным коэффициентом заполнения, формируемой микроконтроллером на выходе РВ2. При времени установления напряжения на выходе этого фильтра около 5 мс программа выполняет восьмиразрядное аналого-цифровое преобразование за 40 мс, чего в данном случае вполне достаточно.
Цепь R1C1 в момент включения питания формирует импульс, приводящий микроконтроллер в исходное состояние. Резистор R2 устраняет влияние этой цепи на работу программатора, подключаемого к разъёму ХР1. Для управления режимами работы дрели предназначена кнопка SB1, подключённая к входу PDO микроконтроллера, причём внутренний резистор, соединяющий этот вход с плюсом питания, программно включён. Светодиод HL1, управляемый сигналом с выхода PD1 микроконтроллера, служит индикатором режима работы.
При заклинивании сверла микроконтроллер автоматически уменьшает до нуля подаваемое на электродвигатель напряжение. Затем он устанавливает высокий уровень напряжения на выходе PD6, чем открывает транзистор VT3, в коллекторную цепь которого включена обмотка реле К1. В результате срабатывания реле изменяется полярность подключения обмотки двигателя к блоку управления. Выждав необходимое для завершения переключения контактов время, микроконтроллер начинает быстро, но плавно, увеличивать подаваемое на двигатель напряжение. Вал двигателя начинает вращаться в направлении, противоположном нормальному, освобождая сверло от заклинивания.
На рис. 2 изображена схема импульсного источника питания блока, преобразующего переменное сетевое напряжение в постоянное +27 В для электродвигателя микродрели и в стабилизированное постоянное +5 В для микроконтроллера. Источник построен по классической схеме обратноходового преобразователя напряжения на специализированной микросхеме ТОР225 и импульсном трансформаторе Т1. Цепь стабилизирующей выходное напряжение +5 В обратной связи содержит пороговый элемент на параллельном стабилизаторе напряжения DA2 и оптрон U1 для взаимной изоляции первичных и вторичных цепей источника питания.
На вход CTR преобразователя DA1 управляющее напряжение поступает от подключённого к обмотке II трансформатора Т1 выпрямителя на диоде VD8 со сглаживающим конденсатором С13 через фототранзистор оптрона U1, оптически управляемый пороговым элементом. Корректирующая цепь R16C11 и конденсатор С16 обеспечивают устойчивость преобразователя напряжения DA1 и стабилизатора DA2. Поскольку выпрямитель напряжения +27 В стабилизирующей обратной связью не охвачен, стабильность его несколько хуже, чем напряжения +5 В.
Резистор R15 предназначен для ограничения зарядного тока конденсатора С12 в момент включения устройства в сеть, он же служит своеобразной плавкой вставкой. Конденсаторы С9 и С10 снижают уровень создаваемых преобразователем импульсных помех и предотвращают их проникновение в питающую сеть. Защитный диод VD4 ограничивает выброс напряжения на обмотке I трансформатора Т1 во время обратного хода преобразования. Соответственно, ограничиваются и уровни напряжения на обмотках II—IV трансформатора.
Во время прямого хода преобразования диоды VD6— VD8 закрыты обратным напряжением на вторичных обмотках. Благодаря току, протекающему через обмотку I, в это время происходит накопление энергии в магнитопроводе трансформатора Т1 . При обратном ходе напряжение на вторичных обмотках меняет полярность, открываются диоды VD6— VD8 и заряжаются конденсаторы С13—С15 и С17. Дополнительный фильтр C18L2 предназначен для снижения пульсаций напряжения в цепи +5 В. Резисторы R21, R22 создают минимальную нагрузку на вторичные цепи, необходимую для правильной работы преобразователя при полном выключении электродвигателя М1.
Устройство собрано на помещённой, как показано на рис. 3, в пластиковую коробку для хранения передней панели автомобильного проигрывателя двусторонней печатной плате размерами 165×40 мм из фольгированного стеклотекстолита. Чертёж платы — на рис. 4. На ней есть несколько переходных отверстий, в которые необходимо вставить и пропаять с обеих сторон короткие отрезки лужёного провода. На имеющемся на рис. 4 виде расположения элементов эти отверстия обозначены точками внутри. Подобным же образом следует пропаивать выводы элементов, проходящие в отверстия, снабжённые контактными площадками с двух сторон платы.
Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ или любых других подходящей мощности и размеров. Большинство резисторов может быть с предельным отклонением сопротивления ±5 % от номинала. Но в любом случае сопротивление резистора R8 необходимо измерить с погрешностью не хуже ±1 Ом, R13 — не хуже ±0,5 Ом, R14 — не хуже ±0,05 Ом. Измеренные значения записывают в EEPROM микроконтроллера, они будут использоваться программой при вычислении тока электродвигателя.
Информация, предназначенная для загрузки при программировании микроконтроллера в его EEPROM, находится в файле mcdrl.eep, его текст и назначение ячеек, коды в которых могут быть откорректированы пользователем, приведены на рис. 5. Все остальные коды изменять не следует.
Если реверс двигателя для освобождения заклинившего сверла использовать не предполагается, код 01 в соответствующей ячейке должен быть заменён на 00. В этом случае на плате можно не устанавливать реле К1, транзистор VT3, диод VD2 и резистор R10, а контактные площадки, предназначенные для нормально замкнутых контактов реле, соединить между собой перемычками.
Значение сопротивления резистора R14 для увеличения точности расчётов заносят в файл в десятых долях ома. Для этого перед преобразованием в шестнадцатеричную систему счисления его умножают на десять и округляют до ближайшего целого числа. Значения сопротивления резисторов R8 и R13 в омах перед преобразованием в ту же систему округляют до ближайших целых чисел.
Максимальную мощность двигателя вычисляют, умножая максимальное напряжение его питания (27 В) на максимальный рабочий ток (для ДПМ-30 — 400 мА). Её заносят в файл в милливаттах. Далее записывают точное значение напряжения питания микроконтроллера в милливольтах.
Учтите, что для значений сопротивления резистора R8, мощности двигателя и напряжения питания в файле отведено по четыре шестнадцатеричные цифры. Поэтому, преобразовав соответствующее значение в шестнадцатеричное, число цифр в нём при необходимости доводят до четырёх, дополняя нулями слева. Первыми в файл записывают две младшие (правые) цифры полученного числа, а вслед за ними — две старшие (левые). Например, число 0x1234 в файле выглядит как 3412.
Контрольную сумму изменённой строки файла вычисляют, складывая значения всех её байтов (пар шестнадцатеричных цифр), начиная с первого после двоеточия и заканчивая предшествующим байту контрольной суммы. Проще всего это сделать с помощью «Калькулятора» Windows, переведённого в режим работы с шестнадцатеричными числами. Закончив суммирование, изменяют знак суммы, нажав на клавишу «+/-» калькулятора. Искомый байт контрольной суммы — две младшие цифры полученного числа. Откорректированный файл сохраняют на диске компьютера и используют при программировании EEPROM микроконтроллера.
Конденсаторы С2—С5 и С18 рекомендуется применять серии К73, конденсаторы С10 — К15-5 или К78-2, С9 — импортный, рассчитанный на работу на переменном токе, остальные (за исключением оксидных) — керамические серии К10 или КМ. Оксидные могут быть К50-35 или любого другого типа. Все конденсаторы можно заменять аналогичными импортными.
Реле К1 — РЭС47 исполнения РФ4.500.407-00, дроссели L1 и L2 —соответственно ЕLС15Е152L и ELC06D470E торговой марки «Panasonic». Магнитопровод трансформатора Т1 — броневой Б26 из феррита 2000НМ1. Для создания немагнитного зазора между половинами магнитопровода проложена стеклотекстолитовая шайба толщиной 0,5 мм. Обмотка I состоит из 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,22 мм. Обмотка III — 20 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,42 мм. Обмотка IV — 9 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,38 мм. Самой последней наматывают обмотку II из четырёх витков провода МГТФ-0,07. Изолирующая прокладка между первичной и вторичными обмотками выполнена из фторопластовой плёнки, имеющей хорошую электрическую и механическую прочность.
Если есть возможность, рекомендуется измерить индуктивность первичной обмотки изготовленного трансформатора. Она должна быть около 1100 мкГн. Добиться нужного значения можно изменением немагнитного зазора в магнитопроводе. Необходимо соблюдать правильную фазировку обмоток. Все они должны быть намотаны в одну сторону. На принципиальной схеме рис. 2 и на схеме расположения элементов на рис. 4 их начала обозначены точками.
Для загрузки программы в микроконтроллер можно применить любые доступные средства. Я уже довольно давно использую среду разработки программ AVR Studio с подключённым к ней компилятором WinAVR и с USB-программатором, описанным А. Рыжковым («Радио», 2008, № 7), который работает с программами AVR Studio и WinAVR.
Загрузку программы в микроконтроллер производят, закрепив неподвижно подключённый к блоку электродвигатель. Дело в том, что во время загрузки возможны его неожиданные рывки. Во FLASH-память микроконтроллера заносят информацию из файла mcdrl.hex, а в EEPROM — из откорректированного файла mcdrl.eep.
При первом запуске загруженной программы блок перейдёт в режим измерения индивидуальных параметров электродвигателя и установки частоты вращения холостого хода. Светодиод HL1, если не нажимать на кнопку SB1, периодически вспыхивает на 5 с, делая между вспышками паузы той же длительности. Если при включённом светодиоде нажать на кнопку SB1, ток двигателя увеличится на одну ступень, соответственно возрастёт частота вращения. При этом свечение светодиода будет продлено и, нажимая на кнопку многократно, можно постепенно ускорять вращение до нужной частоты. Аналогичным образом нажатия на SB1 при выключенном светодиоде понижают частоту вращения. Делать её слишком низкой не стоит, это может уменьшить ток двигателя настолько, что блок не сможет его измерить с достаточной точностью.
После того как оптимальная, с точки зрения пользователя, частота вращения холостого хода установлена и в течение нескольких циклов включения/выключения светодиода не было нажатий на кнопку, начинается измерение и определение пороговых значений тока двигателя и потребляемого им тока на холостом ходе при максимальных оборотах. Завершив все измерения, программа запишет полученные значения в EEPROM и переведёт блок в основной режим.
Если в процессе эксплуатации появилась необходимость изменить частоту вращения холостого хода или возникли проблемы, связанные с износом двигателя, то для повторного входа в режим установки частоты и измерения параметров достаточно при включении блока управления в сеть держать кнопку SB1 нажатой.
В основном режиме мигание светодиода сообщает о работе двигателя на 25 % мощности. Нажатие на кнопку SB1 увеличит её до 100 %, при этом светодиод станет светить непрерывно. Следующее нажатие выключит двигатель и светодиод погаснет. Теперь можно вставить в патрон дрели сверло и, выбрав с помощью кнопки нужный уровень мощности, опробовать её работу. При установке сверла в точку сверления частота его вращения плавно возрастёт и будет стабилизирована при выбранном значении мощности. По окончании сверления автоматически будет установлена минимальная частота вращения. Если микродрель не используется в течение минуты, она автоматически выключится. Для продолжения работы достаточно нажать на кнопку SB1.
Прилагаемые файлы: mcdrl.zip
А. ДЫМОВ, г. Оренбург
«Радио» №4 2013г.
