Микроконтроллерное устройство управления микродрелью

Читать все новости

Многие радиолюбители для сверления отверстий в печатных платах пользуются ручными микродрелями с коллекторными электродвигателями, питаемыми постоянным напряжением 12...27 В. Предлагаемое устройство управления такой дрелью обеспечивает все необходимые режимы её работы, просто в изготовлении и не требует налаживания.

Тема удобства работы с микродре­лью регулярно поднимается в раз­личных электронных и печатных изда­ниях по радиолюбительской тематике. При этом абсолютное большинство авторов считает необходимым и доста­точным, чтобы микродрель плавно стартовала в момент включения пита­ния, на холостом ходе (в отсутствие нагрузки на вал) работала с понижен­ной частотой вращения, автоматически увеличивала частоту вращения до мак­симальной с началом сверления и авто­матически снижала её до частоты холо­стого хода по его завершении. Блок управления дрелью должен быть про­стым и легко повторяемым.

Практически ежегодно на страницах журнала "Радио" появляются статьи [1 — 3], авторы которых предлагают уст­ройства различной сложности, придаю­щие микродрели указанные полезные свойства. Однако в большинстве своём они построены по аналоговому прин­ципу, ввиду чего к характеристикам от­дельных компонентов предъявляются довольно жёсткие требования, ухудша­ется повторяемость конструкции и ус­ложняется налаживание. Работа регули­рующего транзистора в активном режи­ме требует отводить от него много тепла, что увеличивает габариты устройства.

В последние годы радиолюбители начали разрабатывать подобные уст­ройства и на базе цифровой техники, которые лишены недостатков, прису­щих аналоговым собратьям. Примером может служить блок управления микро­дрелью, описанный в [4], обладающий хорошей функциональностью, однако не лишённый ряда недостатков. Схема блока слишком сложна для устройств такого назначения. Необходима точная подборка ряда компонентов. В память микроконтроллера при его программи­ровании необходимо записать точные значения сопротивления нескольких резисторов блока и параметры электро­двигателя. Всё это может затруднить повторение конструкции, особенно на­чинающими радиолюбителями.

Предлагаемое устройство управле­ния микродрелью построено, как и опи­санное в [4], на микроконтроллере, од­нако существенно проще в изготовле­нии и налаживании, не требует точной подборки компонентов и вместе с тем удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям. Его легко адапти­ровать к микродрелям с электродвига­телями, отличающимися от применён­ного автором как номинальным напря­жением питания, так и мощностью.

Схема устройства изображена на рис. 1. При холостом ходе электродви­гатель микродрели М1 питается им­пульсным напряжением. Частота сле­дования импульсов — около 1 кГц, а их длительность (и, следовательно, сред­нее значение питающего двигатель на­пряжения) программа микроконтролле­ра DD1 позволяет изменять в широких пределах. Импульсы, сформированные микроконтроллером на выводе 17, уси­ливают для подачи на двигатель М1 транзисторы VT1 и VT2. Вал двигателя вращается тем быстрее, чем больше эффективное значение питающего дви­гатель напряжения, которое у последо­вательности однополярных прямоуголь­ных импульсов совпадает со средним.

Рис. 1

Рис. 1

Во время свер­ления микроконт­роллер устанавли­вает на выводе 17 постоянный высо­кий уровень на­пряжения. Поэто­му транзистор VT2 открыт, а на двига­тель М1 поступает полное постоян­ное напряжение питания.

Ток, протекаю­щий через двига­тель, вызывает па­дение напряжения на резисторах об­ратной связи R9 и

R10. Импульсы, снимаемые с этих рези­сторов, пиковый детектор на диоде VD1 с запоминающим конденсатором С2 превращает в равное их амплитуде постоянное напряжение. С конденсато­ра С2 оно поступает на вывод 24 микро­контроллера — вход одного из каналов его АЦП. Программа микроконтроллера анализирует значение этого напряжения и принимает решение о необходимом режиме работы двигателя.

Чем больше постоянная времени разрядки конденсатора С2, тем лучше он устраняет импульсную составляю­щую напряжения обратной связи, одна­ко тем медленнее устройство реагиру­ет на уменьшение тока двигателя по окончании сверления. В рассматривае­мом случае эта постоянная времени равна приблизительно 15...20 мс и за­висит в основном от тока утечки закры­того диода VD1.

На рис. 2 в несколько упрощённом виде изображён график изменения на­пряжения на конденсаторе С2 (на входе АЦП микроконтроллера). Импульсы тока протекают через двигатель и вклю­чённые с ним последовательно резисто­ры обратной связи по току R9 и R10. Им­пульсы напряжения, падающего на этих резисторах, заряжают конденсатор С2 до напряжения U1. Следует заметить, что на холостом ходу это напряжение довольно значительно (около 1 В). Это обусловлено тем, что скорость вращения ротора двигателя в режиме холостого хода установлена небольшой. Следова­тельно, незначительна и пропорциональ­ная частоте вращения противоЭДС дви­гателя, в результате чего велика ампли­туда текущих через него импульсов тока.

Рис. 2

Рис. 2

В момент времени t1 начинается процесс сверления. С ростом нагрузки на сверло частота вращения уменьша­ется, а вместе с ней и противоЭДС дви­гателя. Амплитуда импульсов тока рас­тёт, а с ним и напряжение на конденса­торе С2. Программа сравнивает его с Uвкл — заданным порогом включения режима сверления.

В момент времени t2, как только по­роговый уровень будет превышен, она увеличит до максимума коэффициент заполнения формируемых импульсов. Это превратит импульсное напряжение питания двигателя в постоянное, прак­тически равное напряжению источника питания. Частота вращения ротора ста­нет быстро расти, а ток двигателя и на­пряжение на конденсаторе С2 умень­шатся вследствие роста противоЭДС. По завершении этого процесса напря­жение на конденсаторе С2 станет рав­ным U2, значительно меньшим U1.

В момент времени t3 (по завершении сверления) нагрузка на вал двигателя резко уменьшается, вследствие чего частота вращения его ротора увеличи­вается, а напряжение на входе АЦП вследствие дальнейшего роста проти­воЭДС двигателя уменьшается, стре­мясь к установившемуся значению U3.

Однако в момент времени t4 оно сравняется с Uвыкл — порогом выключе­ния режима сверления. Программа вновь сделает напряжение питания

двигателя импульс­ным, частота вра­щения ротора дви­гателя упадёт, а напряжение на кон­денсаторе С2 воз­растёт до U1. Теперь дрель снова работа­ет в режиме холо­стого хода и готова к следующему циклу сверления.

Расскажем о том, откуда программа получает информа­цию о заданной час­тоте вращения в ре­жиме холостого хо­да и значения порогов. В ней предусмотрен режим уста­новки параметров, в который входят нажатием на кнопку SB1 и её удержани­ем нажатой не менее секунды.

Не отпуская кнопку, желательную частоту вращения ротора двигателя при холостом ходе устанавливают под­строечным резистором R3. Эта проце­дура выполняется в реальном масшта­бе времени. Ещё один канал АЦП мик­роконтроллера преобразует напряже­ние с движка подстроенного резистора R3 в код, который задаёт коэффициент заполнения питающих двигатель им­пульсов, что изменяет частоту враще­ния его ротора. Установив нужную час­тоту, кнопку SB1 отпускают. Программа записывает выходной код АЦП в EEPROM и переходит к вычислению порогов Uвкл и Uвыкл„.

Так как текущее значение частоты вращения двигателя после отпускания кнопки SB1 соответствует холостому ходу, программа измеряет напряжение U1 и вычисляет порог включения режи­ма сверления:

Uвкл =1,17 U1.

Полученное значение она записыва­ет в EEPROM.

Далее программа увеличивает час­тоту вращения двигателя, плавно доводя коэффициент заполнения форми­руемой импульсной последовательнос­ти до 100 %, после чего замеряет на­пряжение U3 и вычисляет порог выклю­чения режима сверления:

Uвыкл = 1,1 U3.

Полученное значение она также записывает в EEPROM.

На этом установка параметров за­вершается, и происходит повторный старт управляющей программы. На её первых шагах происходит выборка из EEPROM трёх упомянутых выше значе­ний для их дальнейшего использования в программе. Затем частота вращения ротора двигателя плавно увеличивает­ся от нуля до заданной для холостого хода.

Таким образом, значения порогов не задаются пользователем, а формиру­ются самой программой с учётом ре­альных характеристик двигателя, зна­чений питающего напряжения и сопро­тивления обратной связи. Иначе гово­ря, устройство самонастраивается под конкретные условия и поэтому не тре­бует точной подборки сопротивления обратной связи в отличие от ряда по­добных конструкций.

Повторная установка параметров потребуется лишь при необходимости изменить прежнюю частоту вращения ротора двигателя на холостом ходу либо при замене двигателя или микро­дрели целиком.

Элементы устройства размещены на односторонней печатной плате размера­ми 44x45 мм, изображённой на рис. 3.

Рис. 3

Рис. 3

Применены в основном элементы для поверхностного монтажа — конденса­торы и постоянные резисторы типораз­мера 1206 с допустимым отклонением ёмкости или сопротивления от номина­ла до ±10 %. Выводы кнопки SB1 и под­строенного резистора R3 монтируют в отверстия. Для микроконтроллера DD1 на плате установлена панель SCS-28, из которой удалены почти все неисполь­зуемые гнёзда. До установки микро­контроллера в панель коды из файла Drel.hex должны быть загружены в его программную память, а конфигурация запрограммирована согласно таблице.

Разряд Сост. Разряд Сост.
RSTDISBL 1 BODLEVEL 1
WDTON 1 BODEN 1
SPIEN 0 SUT1 0
СКОРТ 1 SUT0 1
EESAVE 1 CKSEL3 0
BOOTSZ1 0 CKSEL2 1
BOOTSZO 0 CKSEL1 0
BOOTRST 1 CKSEL0 0 .

Возможности транзистора IRFR9024N достаточны для управления электро­двигателем с потребляемым под на­грузкой током до 2...3 А (значительно мощнее применённого автором двига­теля ДПМ-30), но с увеличением мощности двигателя значительно возрастёт и мощность, рассеиваемая резистора­ми R9 и R10. Размеры посадочных мест для них на печатной плате с учётом этой возможности выбраны такими, что поз­воляют устанавливать резисторы типо­размеров вплоть до 2512.

Резисторы обратной связи — единст­венные элементы,сопротивление кото­рых зависит от мощности электродви­гателя микродрели. Падение напряже­ния на них не должно выходить за пре­делы допустимого для АЦП микроконт­роллера интервала. Рассчитать это сопротивление можно по формуле

R9 = R10 = U3/2·I0

где U3 (см. рис. 2) — суммарное паде­ние напряжения на резисторах обрат­ной связи при номинальном напряже­нии питания и ненагруженном двигате­ле; I0 — ток двигателя при тех же усло­виях. Принимая U3 равным 0,2...0,3 В, получим

R9=R10=0,1...0,15/I0

Каждый резистор должен выдержи­вать мощность не менее

P = R·Ip2,

где R=R9=R10; lp — ток нагруженного двигателя (в процессе сверления).

Если значение тока указать в ампе­рах, то сопротивление будет получено в омах, а мощность — в ваттах.

Питать микродрель с описанным уст­ройством можно от стабилизированного или нестабилизированного источника постоянного напряжения с конденсато­ром большой ёмкости, подключённым параллельно выходу. В авторском вари­анте использован нестабилизированный источник напряжения 24 В с кон­денсатором ёмкостью 1000 мкФ на вы­ходе.

Питающее напряжение с учётом пульсаций не должно превышать 30 В ни при каких обстоятельствах. Амплитуда импульсов на затворе транзистора VT2 должна лежать в пределах 10...15 В.

Транзистор ВС847С можно заменить любым маломощным биполярным тран­зистором структуры n-p-n с допусти­мым напряжением коллектор—эмиттер не менее 35 В. Такому же требованию должно удовлетворять допустимое на­пряжение сток—исток полевого тран­зистора, подбираемого для замены IRFR9024N. Кроме того, он должен иметь максимальный ток стока не ме­нее 5 А и сопротивление открытого канала не более 0,17 Ом (чем меньше, тем лучше). Диод SS12 можно заменить на SS14—SS16.

Сложнее всего обстоит дело с под­бором замены для интегрального ста­билизатора LP2950ACDT-5.0. Хотя по­требляемый от него ток не превышает 10 мА, однако почти все распростра­нённые микросхемы маломощных ста­билизаторов напряжения с выходным напряжением 5 В не допускают пода­вать на них входное напряжение выше 15...20 В, а требуется стабилизатор с

допустимым входным напряжением не менее 30 В. При отсутствии микросхе­мы, удовлетворяющей этому требова­нию, рекомендуется применить две ступени стабилизации, соединив по­следовательно микросхемы 78L12 и 78L05, как показано на рис. 4.

Рис. 4

Рис. 4

Такой составной стабилизатор не потребует увеличения габаритов печат­ной платы, однако потребует измене­ния топологии проводников на ней. Следует иметь в виду, что и замена дру­гих элементов их аналогами тоже мо­жет потребовать переделки платы.

Предлагаемое устройство можно использовать и для управления микро­дрелью с другим напряжением питания, например 12 В. Единственное обяза­тельное изменение для его адаптации к такому напряжению — замена резисто­ра R8 перемычкой. Это необходимо, чтобы увеличить амплитуду открываю­щих импульсов на затворе транзистора VT2. Если этого не сделать, он может перегреться и выйти из строя.

Других обязательных изменений нет, но можно, например, использовать в качестве DA1 один из распространён­ных интегральных стабилизаторов на­пряжения +5 В с предельным входным напряжением 15 В. Приведённые выше требования к предельному напряжению транзисторов тоже снижаются вдвое, что расширяет круг возможных замен.

Адаптация устройства к ещё мень­шему напряжению питания (6...9 В) потребует применения в качестве VT2 полевого транзистора, надёжно откры­вающегося при напряжении затвор- исток, не превышающем по абсолютно­му значению Uпит-1 В, где Uпит — напря­жение питания устройства.

Несколько слов о том, необходимо ли предусматривать возможность регу­лировки частоты вращения сверла на холостом ходу. Это должна быть мини­мальная частота, с которой оно враща­ется устойчиво, не останавливаясь при резком увеличении механической на­грузки с началом сверления.

В аналоговых устройствах управле­ния электродрелью наличие такого регулятора оправдано. В них частота вращения на холостом ходу может су­щественно отличаться от образца к образцу при установке регулятора в одинаковое положение. Это связано с существенным влиянием на неё раз­броса параметров элементов устройст­ва. Более того, частота холостого хода может существенно "плавать" при из­менении температуры.

В микроконтроллерном регуляторе такое влияние практически отсутству­ет. Становится заманчивым заранее определить оптимальную частоту вра­щения и задать её в программе. Тогда органы регулировки частоты и связан­ные с ними фрагменты программы микроконтроллера можно будет уда­лить. Правда, такая программа обес­печит правильную работу только одно­типных электродвигателей, под дру­гие её придётся корректировать. Но такая корректировка потребуется только при замене электродрели на имеющую другой двигатель, что про­исходит далеко не каждый день. Да и сводится она к подборке всего одной константы.

Конечно, и в этом случае разброс частоты холостого хода от образца к образцу будет иметь место. Теперь он обусловлен только разбросом характе­ристик самих электродвигателей и весьма невелик, если речь не идёт о двигателях от детских игрушек или изъятых из каких-либо устройств после длительной эксплуатации. Автор про­верял изготовленное устройство, не регулируя частоту вращения холостого хода, с четырьмя микродрелями, осна­щёнными двигателями ДПМ-30 разных лет выпуска. Результат подтвердил ожидания — субъективно изменений в работе микродрелей не отмечено. Если разброс и имел место, то был крайне мал.

Устройство без регулировки часто­ты вращения можно собрать на печат­ной плате, изображённой на рис. 5. По схеме оно отличается от ранее рассмотренного только отсутствием двух резисторов — постоянного R2 и подстроенного R3. Нумерация остав­шихся элементов соответствует рис. 1. Программа микроконтроллера для этого варианта носит название Drel_s.

Рис. 5

Рис. 5

При использовании этой версии программы для установки параметров не­обходимо нажать и удержи­вать в течение секунды кнопку SB1, а затем отпу­стить её. Далее программа выполнит все необходимые действия самостоятельно.

Частоту холостого хода в программе задаёт опера­тор присваивания Wxx=60, помеченный меткой 100 и находящийся в начальной части исходного текста про­граммы (файла Drel_s.bas). Число в правой части опе­ратора можно изменять от 0 (ротор не вращается) до 255 (максимальная частота

вращения). После любого изменения в исходном тексте программу необходи­мо оттранслировать заново и загру­зить в микроконтроллер коды из полу­ченного НЕХ-файла.

Программу Drel_s можно загрузить и в микроконтроллер первого вариан­та устройства. В этом случае подстроечный резистор R3 действовать не будет.

Конфигурация микроконтроллера для работы с программой Drel_s не отличается от предназначенной для работы с программой Drel.

Скачать дополнительные файлы.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Саглаев С. Удобная микродрель. — Радио, 2009, № 9, с.
  2. Глибин С. Приставка для управления микродрелью. — Радио, 2010, № 7, с. 30.
  3. Гуреев С. Устройство питания свер­лилки. — Радио, 2011, № 5, с. 33.
  4. Дымов А. Блок управления микродре­лью. — Радио, 2013, № 4, с. 24.

Автор: А. САВЧЕНКО, пос. Зеленоградский Московской обл.
Источник: Радио №9, 2015

Возможно, Вам это будет интересно:

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/27856

24 комментария

Перейти полю для комментария

  1. Собрал данное устройство, всё работает отлично! Автору и сайту огромное спасибо за предоставленный материал. Сборку сделал на SMD компонентах, для уменьшения размеров девайса. Кому интересно могу дать "LAY6"

    1. Здравствуйте Тимофей.
      Добавьте lay .
      Спасибо.

      1. Если бы я знал как и куда его добавить....)))) Если Вы дадите адрес, я скину на него, а там сами выложите.

        1. Я извиняюсь, разобрался где что. Привык, что "обратная связь" где нибудь сверху находится.

          1. Тимофей, печатка будет ?, я не нашел, если Вы её прикрепили.
            мой mail: vicfamiy@mail.ru
            Спасибо.

    2. Тимофей, здравствуйте!
      Очень понравилась конструкция, хочу попробовать ее в работе. Можете отправить мне lay на почту alehd@bk.ru ?
      Заранее благодарен, Олег.

    3. Тимофей, здравствуйте!Хотелось повторить ваш проект,если можно в lay.отправить пожалуйста мне файл платы на адрес: sacha_pozidaev@bk.ru

    4. Добрый день Тимофей. Скиньте пжл на yardval@mail.ru печатку, буду очень признателен.

  2. Вот фото устройства. Батарейка "АА"

  3. Размеры платы всего 35х25.

  4. Тимофей, если не трудно можете и мне скинуть файл платы. Спасибо evgeny.tokarev@rambler.ru
    У меня ещё вопрос. Будет ли схема работать с мотором от шурупаверта?

    1. Привет. На счёт мотора от шурика не пробовал, но скорее всего работать будет, только придётся поставить мощнее MOSFET и "поиграть" с R9-R10 ну и конечно питание под мотор другое.

  5. Уважаемый Тимофей! Очень прошу отправить мне файл платы на адрес: remlen_y@mail.ru.
    Спасибо!

  6. evgenyevgeny81

    Спасибо! Файл получен.

  7. Тимофей, здравствуйте!
    Очень хочу попробовать собрать ваш вариант устройства управления микродрелью и посмотреть ее в работе. Можете отправить мне lay на почту personals67@mail.ru ? Эдуард, Новосибирск.

  8. Тимофей, здравствуйте!Хотелось повторить ваш проект,если не сложно пожалуйста отправте в lay файл платы на адрес: sacha_pozidaev@bk.ru

    1. Здравствуйте! Файл выслал. С первого раза (от 09.04.) оповещения о Вашем запросе не было, так что извиняйте, а проект это не мой, моя только плата в smd исполнении. Удачных повторений! 🙂

      1. Доброго времени суток Тимофей! давно гоняюсь за таким устройством очень необходимая вещь для меня. вышлите пожалуйста на почту файл с печаткой в lay6 буду примного благодарен мой ящик leon741@rambler.ru. примного благодарен заранее...если в чем то нужен будет совет пишите чем смогу тем помогу, я занимаюсь ремонтом компов, модернизацией и изготовлением разных приспособ...и данная схема мне просто необходима....буду ждать.

  9. Тимофей! Спасибо файл получил,буду пробовать.

  10. Интересно конечно но атмегу8 для этого это как с пушки по воробьям стрелять, да и есть в сети схема с этими функциями на двух транзисторах

  11. Доброго времени суток Тимофей! Интересный проект. Скиньте пожалуйста Вашу версию печатки на почту" valmos1973@mail.ru". Спасибо!

  12. Очень много просьб с отправкой файла платы в smd исполнении, т.к. не имею понятия как сюда засунуть "LAY" выкладываю картинку платы. Для кого не понятно как из картинки сделать полноценный lay файл, смотрим это видео от АКА ( не реклама) в качестве обучающего материала: (https://www.youtube.com/watch?v=ED2Giv7ElWM&t=0s&list=LLcJ74fK7O_x8O5GQSZFNykQ&index=3) Я надеюсь, что уважаемый АКА не будет против.)))

  13. А можно точные размеры платы?

  14. День добрый! Собрал ваше устройство. При первом включении ротор двигателя вращался на холостом ходу, но обороты не регулировались при вращении построечника, вернее, регулировались, но резко до нуля, а не плавно. Затем без всяких причин двигатель остановился и всё, никакие регулировки ни к чему не приводили. Все компоненты исправны. Фьюзы установлены согласно вашей таблицы. МК выпаивал повторно и всё проверял через Дудку - всё в норме. Подскажите в чем может быть дело. Я понимаю, что прошло много времени со дня вашей публикации, но тем ни менее, надеюсь, что вы увидите моё сообщение. Спасибо.

Добавить комментарий