Микроконтроллерное устройство управления микродрелью

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

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

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 U_вкл — 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 U_выкл — 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 U_вкл и U_выкл„.

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

U_вкл =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:

U_выкл = 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 44×45 мм, изображённой на 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.

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·I_p²,

где R=R9=R10; l_p — 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

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 U_пит-1 В, где U_пит — 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

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