U ovom radu prikazaćemo jednu realizaciju univerzalnog programabilnog drajvera jednosmernih (DC) motora. Pokazaćemo još i kako se može upravljati jednosmernim motorom pomoću H-mosta. Kroz realizaciju upravljačkog sklopa mosta upoznaćemo se sa mikrokontrolerom PIC16F877, kao i integrisanim kolima IR2112, LM324 i 74HC08. Rešenje opisano u ovom radu je optimalno u odnosu na karakteristiku kvalitet-cena.
Jednosmerni motori
Matematički model jednosmernog motora
Jednosmerni motori spadaju u rotacione električne mašine kod kojih se vrši pretvaranje električne u mehaničku energiju rotacionog kretanja. Pripadaju dvopobudnim sistemima, jer imaju dva namota, statorski i rotorski. Kada se namoti priključe na izvor napajanja kroz njih će se uspostaviti tok struje. Usled proticanja struje doći ce do pojave magnetnog polja. Na osnovu Lorencovog ( H.A.Lorentz ) zakona, kada se provodna kontura kroz koju teče struja nađe u magnetnom polju, na nju deluje sila:
U zavisnosti od izvedbe i načina priključenja statorskog namota razlikuju se više tipova motora za jednosmernu struju, kao na primer motori sa: nezavisnom, rednom, paralelnom i složenom pobudom. Sva ova rešenja imaju jednu ozbiljnu manu, a to je da statorski namot koji stvara pobudni fluks traži sopstveno napajanje. Veliki deo energije koji se uloži za stvaranje fluksa izgubi se na savlađivanju statorske otpornosti. Ovo u praksi znači da je potrebno koristiti bateriju veceg kapaciteta, jer će se u suprotnom baterija brzo isprazniti.
Slika 1. Uzdužni i poprečni presek jednosmernog motora
Iako se jednosmerni motori napajaju iz jednosmernog izvora, oni su po svojoj prirodi naizmenični. Najčešće je magnetni polaritet statora fiksan, dok se polaritet rotora menja mehaničkim putem (sl. 2. a). Na ovaj način se dobija odgovarajući smer obrtnog polja rotora.
Postupak mehaničkog preusmeravanja naziva se komutacija, a uređaj kojim se ona postiže je komutator. Na komutator su postavljene lamele (sl.2. b), koje se okreću zajedno sa rotorom. Jednosmerna struja se dovodi na rotor preko četkica (sl. 2.a) koje su u kontaktu sa lamelama (sl. 2.b). Broj lamela je obično neparan da ne bi došlo do kratkog spoja, ali su na slici prikazana samo dva radi boljeg razumevanja problema.
Slika 2. a) Preusmeravanje struje preko četkica; b) Izgled komutatora sa četkicama
Mikrokontroler PIC16F877
PIC 16F877 spada u 8-bitne mikrokontrolere RISC arhitekture. Njegova uopštena struktura je predstavljena na Slici 3. sa osnovnim blokovima.
Izabran je ovaj mikrokontroler zbog njegovih dobrih karakteristika i delova koji su bitni za ovaj rad kao što je PWM mod rada, PSP mod i analogno-digitalna konverzija.
Slika 3. Blok šema mikrokontrolera PIC16F877
Projektovanje H-mosta
Blok šema H-mosta
Slika 4. Sličnost šematskog prikaza pogonskog kola za motore i slova H
Na blok šemi (slika 5. ) se vide osnovni blokovi H-mosta kao i snažni tranzistori sa zaštitnim diodama. Na osnovu upravljačkih signala koje šalje mikrokontroler kontrolna logika stvara signale za uključivanje mosfetova. Signali za uključivanje prekidačkih tranzistora se dodatno zakasne. Glavni deo kola za uključenje mosfetova prestavljaju dva integrisana kola IR2112, proizvođača International Rectifier. Ove komponente stvaraju signale za uključenje donjih i gornjih tranzistora u H-mostu. Na Slici 5. vidimo da se javljaju dve vrednosti napona napajanja, jedno je 5V i služi za napajanje kontrolne logike, kola za kašnjenje signala H-mosta i upravljačkog dela sklopa za uključenje mosfetova, dok je druga vrednost 12V za bustrep kondenzatora.
Slika 5. Blok šema H-mosta
Kao snažni tranzistori se koriste mosfetovi BUZ11, kao prekidački elementi. BUZ11 može izdržati kontinualnu struju od 30A (u impulsnom režimu i do 134 A) i napon između drejna i sorsa do 50V. Iako ovi mosfetovi imaju sopstvene zaštitne diode, istih strujnih mogućnosti kao i mosfet, ipak su dodate antiparalelne diode koje su brže, jer je motor induktivni potrošac pa nam treba i snažni mosfet i brza zamajna dioda. Korišcenje ovih dioda je obavezno, naročito u visokofrekventnim primenama.
Način rada H-mosta
Slika 6. Ekvivalentne šeme H-mosta a) u uključenom stanju ; b) u fazi kočenja
Jedan način povezivanja H-mosta i IR2112 prikazan je na slici (sl. 7). Sa 12 V napaja se donji kanal. Kada je napon VS niži od napona baterije (12 V), npr. kada provodi mosfet T2, provede dioda DBAT i puni butstrep kondenzator iz istog izvora napajanja koja napaja donji kanal. Paralelno butstrep kondenzatoru je dodata zener dioda probojnog napona od 15 V. Uloga zenerke je da ograniči punjenje kondenzatora na vrednost probojnog napona. Otpornici (RG1 i RG2) na gejtu ograničavaju struju punjenja kapacitivnosti gejta, dok antiparalelne diode (DG1 i DG2) omogućavaju da se kapacitivnost gejta brzo isprazni preko male otpornosti diode.
Slika 7. Tipično povezivanje IR2112 i H-mosta
H most sa strujnom zaštitom
U ovom delu je prikazan jedan način realizacije kola za strujnu zaštitu. Na osnovu ulaznih signala (smer i PWM) kontrolna logika generiše signale za uključivanje mosfetova kao što se vidi na slici (sl. 8) . Karakteristično je da kontrolna logika omogućuje kočenje u donjoj konturi H-mosta.
Slika 8. Blok šema pogonskog kola za DC motore sa ugrađenom strujnom zaštitom
Zaključak
U ovom radu je predstavljena jedna realizacija univerzalnog programabilnog drajvera jednosmernih motora. Videli smo kako se može upravljati jednosmernim motorom pomoću H-mosta. Kroz realizaciju upravljačkog sklopa mosta upoznali smo mikrokontroler PIC16F877, integrisana kola IR2112, LM324 i 74HC08.
Rešenje opisano u ovom radu je optimalno u odnosu na karakteristiku kvalitet-cena. Sam uređaj je moguće vrlo efikasno modifikovati za određene struje jednostavnom zamenom tranzistora u H-mostu. Korišćene diskretne komponente ne zahtevaju puno ekonomskih sredstava, a i lako se mogu nabaviti na našem tržištu.
Autori:
Fakultet Tehničkih Nauka – Novi Sad, Katedra za elektroniku
