Công nghệ điều khiển PWM động cơ DC dựa trên 80C196KC và L298N

Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau do hiệu suất điều chỉnh tốc độ tuyệt vời, mô-men xoắn khởi động lớn và khả năng quá tải mạnh. Trong những năm gần đây, cấu trúc và phương pháp điều khiển của động cơ DC đã trải qua những thay đổi lớn. Với việc máy tính bước vào trường điều khiển và sự xuất hiện của các thành phần năng lượng điện tử công suất mới, quy định tốc độ PWM (Pulse thongmodulaTIon) đã trở thành một cách mới để điều chỉnh tốc độ động cơ DC. Và do tần số chuyển mạch cao, hoạt động ổn định ở tốc độ thấp, hiệu suất động tuyệt vời, hiệu quả cao, v.v., nó được sử dụng rộng rãi trong điều chỉnh tốc độ động cơ DC.

2, dựa trên nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển tốc độ PWM

Điều chế độ rộng xung hoặc xung liên quan đến việc sử dụng các đặc tính chuyển mạch của bóng bán dẫn công suất cao để điều chỉnh nguồn cung cấp điện áp DC cố định, bật và tắt ở tần số cố định và thay đổi độ dài của thời gian bật và tắt trong một chu kỳ như cần thiết Tốc độ của động cơ được điều khiển bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc của điện áp trên phần ứng của động cơ servo DC để thay đổi cường độ của điện áp trung bình. Do đó, nó thường được gọi là một thiết bị ổ đĩa chuyển đổi.

Thay đổi chu kỳ nhiệm vụ thường có hai chế độ: PWM và PFM (Pulsefrequencymodulaion). PWM là bằng cách thay đổi độ rộng xung, được gọi là điều chỉnh tần số cố định. PFM là độ rộng xung không đổi. Chu kỳ nhiệm vụ được thay đổi bằng cách thay đổi tần số chuyển đổi. Do cộng hưởng cơ học ở một tần số cụ thể thường gây ra rung và hú của hệ thống, nên PWM được sử dụng trong điều khiển động cơ DC. Phương pháp kiểm soát là chủ yếu.

3. Thiết kế phần cứng của hệ thống điều khiển dựa trên 80C196KC và L298N

Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC dựa trên 80C196KC và L298N bao gồm hệ thống tối thiểu MCU, bộ chuyển đổi R / D, mạch khuếch đại công suất PWM, mạch chuyển đổi A / D và D / A và mạch giao diện lệnh nhận. Hệ thống tối thiểu của máy vi tính chip đơn áp dụng mạch giao diện mở rộng bên ngoài 80C196KC đơn chip 16 bit, chủ yếu được sử dụng để thực hiện các chức năng thu thập dữ liệu, tạo tín hiệu PWM, v.v.

3.1. Giới thiệu về Mạch tích hợp nguồn L298N

Để cải thiện hiệu quả hệ thống và giảm mức tiêu thụ điện, mạch điều khiển bộ khuếch đại công suất sử dụng mạch tích hợp L298N dựa trên phương pháp điều chế độ rộng xung cầu H lưỡng cực. L298N là bộ khuếch đại công suất điều chế độ rộng xung hiệu suất cao được sản xuất bởi SGS, có đặc điểm kích thước nhỏ và khả năng lái mạnh mẽ. Nó chứa hai trình điều khiển cầu cao áp và cầu cao. Nó có thể lái toàn bộ cầu của động cơ trong một con chip và có thể điều khiển động cơ lên đến 46V và dưới 2A.

3.2, Mạch phần cứng hệ thống điều khiển động cơ DC

L298N có thể lái hai động cơ DC. Do hệ thống điều khiển tốc độ là cấu trúc trục đơn, để tận dụng hết công suất tải của mạch khuếch đại công suất, hệ thống có thể bắt đầu với gia tốc tối đa và phanh với gia tốc tối đa. Đầu ra được sử dụng song song với động cơ DC điều khiển. Như trong Hình 4, các đầu vào đầu vào IN1 và IN3 được kết nối song song, IN2 và IN4 được kết nối song song, các đầu ra OUT1 và OUT3 được kết nối song song và OUT2 và OUT4 được kết nối song song với hai đầu của động cơ tương ứng. Thiết bị đầu cuối cho phép được điều khiển bởi cổng đầu ra tốc độ cao HSO1 của máy vi tính chip đơn.

Máy vi tính chip đơn 80C196KC cho tín hiệu PWM theo vòng lặp vị trí và kết quả hoạt động của vòng lặp tốc độ. Tín hiệu PWM được xuất trực tiếp đến cực IN1 (IN3) và một kênh được đảo ngược sang IN2 (IN4) qua 7406. Khi tỷ lệ nhiệm vụ của tín hiệu tương tự PWM là 50%. Các điện áp dương và âm ở cả hai đầu của động cơ được thêm vào cùng một lúc. Động cơ ở trạng thái rung lắc ở vị trí này, nghĩa là ở trạng thái "bôi trơn công suất". Khi tỷ lệ nhiệm vụ lớn hơn 50%, điện áp tín hiệu OUTA lớn hơn OUTB và động cơ quay về phía trước, ngược lại. Do đó, cần phải làm thẳng cực tính đầu ra của mỗi liên kết để hình thành phản hồi tiêu cực và hoàn thành điều khiển vòng kín. Bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ của PWM để điều khiển tốc độ động cơ, việc điều khiển động cơ cũng có thể được thay đổi và phương pháp điều khiển rất đơn giản và đáng tin cậy. Ngoài ra, do động cơ thuộc loại cuộn dây điện, nên lực điện động ngược được hình thành khi động cơ đột ngột dừng lại và đột ngột đảo chiều. Để đảm bảo hoạt động bình thường của chip trình điều khiển L298N, hai cặp tiếp tục giữa các đầu ra OUTA, OUTB và động cơ DC được thêm vào. Diode dòng chảy sẽ cắt dòng điện tới cực dương hoặc mặt đất của nguồn cung cấp để ngăn chặn lực điện động ngược làm hỏng L298N.

3.3, thiết kế chống nhiễu và tương thích điện từ

Khi động cơ được điều khiển, việc chuyển đổi nhanh yếu tố chuyển mạch chính gây ra tốc độ thay đổi lớn của dòng điện và điện áp, không chỉ ảnh hưởng đến mạch lái xe mà còn đi vào mạch điều khiển thông qua nguồn điện và mặt đất. Ngoài ra, khi động cơ bắt đầu hãm, một điện áp thoáng qua được tạo ra khi tải thay đổi đột ngột, và biên độ của nó cũng cao hơn điện áp cung cấp, và cạnh trước dốc và dải tần số rộng, và mạch điều khiển là đầu vào thông qua nguồn điện DC. Do đó, thiết kế tương thích chống nhiễu và điện từ cũng rất quan trọng. Hệ thống này áp dụng các biện pháp như sóng phẳng hiện tại, gỡ lỗi và che chắn.

Sóng phẳng hiện tại: Do năng lượng tức thời của công tắc PWM tương đối lớn, bộ lọc RC được sử dụng để lọc ở đầu ra của bộ khuếch đại công suất PWM. Bằng cách chọn các giá trị điện trở và điện dung thích hợp, các sóng hài tần số cao được triệt tiêu hiệu quả và điện áp cực đại của bộ khuếch đại công suất PWM được hấp thụ. Giảm nhiễu;

Deburring: Hệ thống tăng tụ lọc ở đầu cung cấp điện. Các tụ điện lớn và nhỏ được sử dụng song song. Các tụ lớn có vai trò tách, lọc và làm mịn tín hiệu xen kẽ tần số thấp. Các tụ điện nhỏ loại bỏ ký sinh trùng tần số trung bình và cao trong mạng mạch. Khớp nối, giảm hiệu quả các mũi nhọn;

Che chắn: Cáp ổ đĩa động cơ được bảo vệ kép và các dây được tách ra khỏi các cáp khác càng nhiều càng tốt.

4, kiểm soát thực hiện phần mềm hệ thống

Hệ thống điều khiển thông qua sự kết hợp giữa vòng lặp tốc độ và vị trí và phương pháp điều khiển vị trí được lấy làm ví dụ để giới thiệu phương pháp thực hiện phần mềm. Điều khiển vị trí dựa trên thuật toán điều khiển PI cổ điển, các tham số tỷ lệ và tích phân được đơn giản hóa và điều khiển PI phân đoạn được giới thiệu. Nghĩa là, lỗi tính toán được phân đoạn và việc điều chỉnh được thực hiện bởi các tham số tỷ lệ và tích phân khác nhau trong mỗi phạm vi lỗi. Đảm bảo hệ thống chạy trơn tru và ổn định hơn.

Biểu đồ luồng thực hiện phần mềm cụ thể được hiển thị trong Hình 5, nghĩa là, sau khi nhận được lệnh góc đã cho, trước tiên hãy tính thông tin vị trí được lấy mẫu và độ lệch góc đã cho, sau đó chia chênh lệch thành n phần bằng nhau, tương ứng với một bộ tham số trong từng phân khúc. Kp1 và ki1 tham gia vào điều khiển hòa giải, tính toán đầu ra của điều khiển PI và sau đó chuyển đổi nó thành đầu ra giá trị PWM tương ứng.

5, kết luận

Dựa trên hệ thống điều khiển PWM động cơ DC 80C196KC và L298N, tín hiệu PWM được tạo ra bởi máy vi tính đơn chip cho mạch tích hợp nguồn L298N. Điều khiển phân đoạn PI cổ điển được sử dụng để thực hiện điều khiển động cơ. Nó có các đặc tính của mạch đơn giản và điều khiển thuận tiện. Kết quả kiểm tra chạy cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáng tin cậy, đáp ứng các yêu cầu của chức năng điều chỉnh tốc độ và đã được áp dụng thành công trong nhiều sản phẩm trên không.