AVmodels.ru - информация о моделях самолетов, моторах, аппаратуре радиоуправления
 
AVmodels.ru - модели самолетов
 

авиамоделизм - мир увлеченных

Главная
Авиамодели
Двигатели
Топливо
Воздушный винт
Статьи
Обратная связь
Каталог ссылок
Барахолка
Фотогалерея
Форум

Специальное место)

  Главная > Статьи > Аппаратура радиоуправления > Исполнительные механизмы

Примеры принципиальных схем сервоэлектроники

Первые промышленные образцы рулевых машинок для систем пропорционального управления были достаточно громоздкими и тяжелыми: в них использовались дискретные радиоэлементы, стандартные "малогабаритные" электродвигатели и отнюдь не миниатюрные шестерни.

Со временем часть дискретных элементов (в первую очередь - одновибратор) заменилась на стандартные интегральные микросхемы общего применения. Несколько лет назад появились специализированные микросхемы для РМ, которые в одном корпусе объединили все элементы сервоэлектроники: от одновибратора, до усилителя-переключателя. Применение подобной микросхемы, часто выполненной в миниатюрном "планарном" корпусе, позволяет отказаться от большинства "навесных" радиодеталей, оставив только потенциометр R, несколько подстроечных элементов и один - два "блокирующих" конденсатора в цепях питания.

Значительно изменилась и конструкция редуктора и электродвигателя. С уменьшением габаритов корпуса РМ пришлось уменьшать максимальный диаметр шестерен, и для получения необходимого передаточного числа увеличивать их количество. Наряду с металлическими шестернями стали использовать шестерни из пластических масс. Очень сильно уменьшились размеры электродвигателя. Субминиатюрные электродвигатели современных РМ имеют диаметр ~ 7 мм, длину ~ 10 мм и весят гораздо меньше 5 грамм! Микро-машинка с пластмассовым редуктором, оснащенная таким двигателем и "однокорпусной" сервоэлектроникой имеет массу менее 10 грамм, а по основным характеристикам почти не уступает своим "крупногабаритным" прототипам (см. Рис.5).



Рис.5 Субминиатюрная РМ типа S3103 фирмы Robbe-Futaba

К сожалению, приобрести подобный электродвигатель, редуктор и микросхему сервоэлектроники невозможно - обычно они не продаются в розницу даже в тех странах, где производятся. А стоимость "ремкомплекта" немногим отличается от стоимости новой рулевой машинки. Думаю, теперь понятно, почему мы не рекомендуем заниматься повторением подобных конструкций в домашних условиях...

Тем не менее, для особо "упертых юных техников" мы приводим несложную схему сервоэлектроники на дискретных элементах, ранее неоднократно описанную в литературе, и более современную, с применением специализированной микросхемы M51660L фирмы Mitsubishi. Без каких-либо комментариев и советов по их настройке...



Рис.6 Схема сервоэлектроники на дискретных элементах



Рис.7 Схема сервоэлектроники на интегральной микросхеме

Что же в этом "хорошо" и что же в этом "плохо"?

Казалось бы, что конструкция рулевой машинки уже достигла предела совершенства. Но нам представляется, что это далеко не так. Ведь у самых первых "пропорциональных" серв, и у самых современных рулевых машинок одинаковые недостатки и "болеют" они одними болезнями. О недостатках мы уже немного рассказали: в первую очередь, это не высокая точность позиционирования, обусловленная наличием "мертвой зоны". Затем - "механическое демпфирование", снижающее общий КПД рулевой машинки и развиваемое на исполнительном органе усилие. Кроме того надо помнить, что работающий в "старт-стопном" режиме коллекторный двигатель постоянного тока является источником мощных радиопомех двух видов.

Первый вид помех - прямое радиоизлучение широкого спектра от искрения щеток (а микроискрение есть всегда, даже при идеальном состоянии полированного золоченого коллектора и специальных щеток из золотых сплавов). Этот вид помех можно подавить, применяя сплошное экранирование РМ магнитомягкими материалами (сталями, пермаллоями), но это резко увеличивает массу конструкции и не всегда дает желаемые результаты - ведь излучателями этих помех являются соединительные провода не только идущие к электродвигателю, но и соединяющие саму рулевую машинку с приемником. В результате приемник постоянно работает как бы в "тумане" из микро-радиопомех. По мере износа коллектора и щеток, уровень этих "наводок" растет, и в экстремальных случаях может попросту "забить" полезный сигнал.

Второй вид помех - мощные низкочастотные "броски" тока, возникающие в цепях питания в моменты включения электродвигателя. Дело в том, что "пусковые" токи даже миниатюрного электродвигателя могут в десятки раз превышать его "рабочий" ток и порой достигают сотен миллиампер, а то и единиц ампер. Не смотря на то, что длительность этих "бросков" очень мала (всего лишь единицы или десятки микросекунд), они "успевают" пробежать по всем цепям питания и достигают приемную часть аппаратуры, оказывая на нее воздействие, аналогичное воздействию внешней помехи. К этому же виду помех можно отнести и броски напряжения, так же возникающие в цепях питания в моменты выключения электродвигателя и имеющие природу индуктивного характера: в обмотках электродвигателя, расположенных в сильных магнитных полях и имеющих большую индуктивность, возникает противо-ЭДС, величина которой может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Если учесть, что двигатель РМ постоянно включается - выключается, реверсируется и т.д., становится очевидно, что все эти броски не разовая, а постоянно действующая помеха, совсем не полезная для приемника. Для подавления этого вида помех применяют различные электрические фильтры, в основном это низкочастотные дроссели, электролитические конденсаторы большой емкости (и, как следствие, относительно больших габаритов и массы) и керамические конденсаторы, подавляющие высокочастотные составляющие помех первого и второго видов. Иногда применяется и более сложная защита в виде оптоэлектронной развязки с использованием раздельных источников питания для приемника и рулевых машинок.

Мы уже назвали одну из причин преждевременного выхода из строя РМ: это износ коллектора и щеток электродвигателя. Но есть еще один элемент, "стареющий" достаточно быстро при интенсивной эксплуатации - это времязадающий потенциометр одновибратора. Постоянное "шоркание" графитовой щетки по токопроводящему резистивному слою потенциометра в области "нейтрального" положения приводит к локальному истиранию этого слоя и возникновению "провалов" именно в этом месте. При небольшом смещении "точки баланса" видимость работоспособности восстанавливается, но это именно видимость, т.к. эксплуатация такого "полуживого" потенциометра может в любой момент привести к общему отказу РМ и чревата потерей модели.

Перспективы развития

Итак, мы определили две основные "болевые" точки рулевых машинок: это электродвигатель и потенциометр. Обе эти "болячки" являются "хроническими" и сопровождают рулевую машинку с момента ее рождения. Давайте пофантазируем, и попробуем найти радикальные решения, с помощью которых удастся "вылечить" электродвигатель, потенциометр, а заодно - и улучшить работу сервоэлектроники.

Начнем с электродвигателя. В рулевых машинках традиционно используются коллекторные двигатели постоянного тока. Они пришли в дистанционное управление еще при дискретных системах, когда передаваемые на модель команды были двух типов: "включено" - "выключено". Наряду с неоспоримыми достоинствами - относительной конструктивной простотой и простотой коммутации, возможностью подачи электропитания непосредственно от бортового аккумулятора, и высокими энергетическими характеристиками, эти электродвигатели имеют "врожденные" недостатки, о которых мы уже говорили. Процесс эволюции электромоторов для РМ коснулся, в основном, их конструкции, но, к сожалению, не изменил принципа их работы.

Но есть еще один класс электромоторов - асинхронные двигатели переменного тока. Эти электромоторы не имеют самых уязвимых частей двигателя постоянного тока: коллектора и щеток, которые, к тому же, являются источниками радиопомех. Кроме того, возможно создание асинхронного двигателя со сверхлегким (а значит, и безинерционным) полым ротором. Да и обороты этого двигателя регулируются, при необходимости, достаточно просто - изменением частоты питающего тока, при почти неизменных "тяговых" характеристиках. И пусковые характеристики у них гораздо "мягче". Правда, еще несколько лет назад было невозможно создать миниатюрный и легкий трехфазный генератор переменного тока для питания подобного двигателя - не позволяла элементная база. Это и сдерживало применение асинхронных моторов в рулевых машинках. Но сегодня эта причина отсутствует. В вычислительной технике давно применяются специализированные микроконтроллеры для управления трехфазными двигателями приводов дисководов, винчестеров и CD-ROM-ов, а в моделизме самии перспективными ходовыми моторами уже считаются именно трехфазные асинхронные электродвигатели. Что же мешает применить такой мотор и в рулевой машинке?

Теперь о потенциометре. И эта деталь - дань традициям. Рулевая машинка, как и многие другие узлы RC-аппаратуры изначально была "аналоговой", а со временем почти превратилась и в цифровое устройство. Почти, потому что датчик ее положения - одновибратор с времязадающим потенциометром - остались, по сути, аналоговыми, параметрическими элементами. Но ведь есть масса чисто "цифровых" способов формирования и измерения временных интервалов. И при этом способных обеспечить гораздо более высокую точность позиционирования. Посмотрите, что в данный момент находится у вас в правой руке, и вы все поймете... Да, это мышь вашего компьютера, с помощью которой вы позиционируете курсор на экране монитора сразу по двум координатам! Не меньшую точность могут обеспечить и датчики Холла, широко применяемые в самых разных областях техники и электроники.

Ну а теперь сделаем еще один шаг в наших фантазиях, и попробуем "сконструировать" принципиально новую рулевую машинку, взяв за основу миниатюрный трехфазный электромоторчик, а в качестве датчика положения выходного вала применив оптоэлектронный датчик, аналогичный тому, что применяется в компьютерной мышке. Такая конструкция сразу "убьет трех зайцев": резко уменьшит вероятность отказа электромотора, исключит механический отказ датчика положения и существенно снизит уровень радиопомех.

Очевидно, что в основе такой РМ будет лежать микропроцессор, который при включении питания "достанет" из памяти данные о точке "баланса импульсов", измерит и "оцифрует" длительность входного РРМ-импульса, с помощью оптодатчика определит начальный угол установки выходного вала мотора-редуктора, рассчитает угол его поворота и необходимое для этого количество оборотов двигателя с учетом передаточного числа редуктора, подаст команду на запуск трехфазного генератора, питающего электродвигатель, а за 1 - 2 градуса до того, как будет достигнута расчетная точка "баланса импульсов" изменит частоту питающего генератора так, чтобы плавно остановить электродвигатель именно в заданной точке, полностью исключив его инерционный "выбег", учитывая при этом реальное усилие на валу! Специальные алгоритмы обработки данных, записанные в память процессора, отфильтруют паразитные флуктуации длительности РРМ-сигнала, и позволят свести к нулю "мертвую зону", а значит, во много раз увеличат точность позиционирования РМ. Тот же процессор перед выключением питания установит рулевую машинку в положение "парковки", обеспечив условия безопасной транспортировки и хранения модели...

М-да... Мечты-мечты... Но, в принципе, уже сегодня в арсенале конструкторов есть все необходимое для создания подобного устройства и будем надеяться, что уже в самое ближайшее время такие рулевые машинки станут доступны моделистам.

Регулятор хода

Без регулятора хода невозможно построить даже самую простую модель, приводимую в движение электродвигателем. Простейший вариант регулятора хода (РХ) - это обыкновенный выключатель, связанный тягой с обычной рулевой машинкой. Более "сложные" РХ, построенные по этому принципу, позволяют реверсировать двигатель для движения модели "задним ходом", а часто и реализуют функции двух-трехступенчатой "коробки передач", подавая напряжение питания на двигатель через цепочку балластных резисторов, замыкаемых последовательно. Относительная простота подобных "включалок" перевешивает их существенные недостатки (прежде всего, невысокую надежность и крайне низкий КПД на "пониженных передачах") и такие РХ широко применяются даже в промышленных моделях "игрушечного" класса. Конструкции этих устройств достаточно тривиальны, и мы не будем на них останавливаться.

В спортивных моделях применяют более сложные электронные регуляторы хода, с помощью которых можно не просто ступенчато изменять напряжение на ходовом двигателе, но даже плавно регулировать обороты мотора в очень широком диапазоне от "малого газа" до "педали в пол" как при движении вперед, так и на "заднем ходу". Очевидно, что эта функция актуальна только для автомоделей, и, возможно - для судомоделей.

По сути, электронный регулятор с "реверсом" и регулировкой оборотов, это обычная аналоговая сервоэлектроника РМ, только с более мощными выходными каскадами. Это очевидно из схем, показанных на Рис.5 и Рис.6. Ведь если электродвигатель РМ в этих схемах заменить на более мощный ходовой мотор, работа системы не изменится, только в движение будет приводиться вся модель, а не выходной вал редуктора.

К сожалению, регуляторы, построенные по такому принципу, тоже имеют невысокий КПД и поэтому применяются только в моделях с маломощными двигателями. Реальный КПД таких регуляторов в лучшем случае на превышает 70 - 80%, а в переходных режимах может уменьшаться до 10 - 20%. Это значит, что до 80% мощности, потребляемой энергетической установкой модели от аккумуляторов, будет затрачиваться буквально на "разогрев атмосферы". Если учесть, что некоторые современные электродвигатели для спортивного моделизма рассчитаны на работу под напряжением 30 вольт, а потребляют при этом ток до 100 ампер (например, двигатель KF744/4-PRO, выпускаемый фирмой ROBBE), то не сложно рассчитать, что "в воздух" рассеивается до 1.5 - 2.0 киловатт мощности! Далеко не каждая бытовая электроплита имеет такие нагревательные конфорки... Очевидно, что для восполнения этих потерь приходится увеличивать электрическую емкость аккумуляторной батареи, а это влечет за собой резкое увеличение массы источника питания.

Гораздо более высокие эксплуатационные характеристики имеют электронные регуляторы, а точнее - коммутаторы, не предназначенные для реверсирования двигателя и плавной регулировки оборотов (их еще называют "включалками"). От этих устройств требуется только одно - подать на электромотор напряжение питания с минимальными потерями. В качестве активного элемента, "выключателя", обычно используют мощные современные полевые транзисторы, способные коммутировать постоянные токи до нескольких сотен ампер. Некоторые типы MOSFET транзисторов имеют исключительно низкое "напряжение насыщения", не превышающее 0.05 В при максимальном коммутируемом токе. Но даже на таких "коммутаторах" потери могут составлять десятки ватт. Именно поэтому, при размещении коммутатора на модели, необходимо уделять особое внимание условиям его охлаждения. На судомодели эта задача решается просто: забортная вода пропускается через каналы металлического радиатора-теплообменника, на котором закрепляют коммутирующий элемент. На авто- и авиамоделях приходится довольствоваться простым обдувом электронного коммутатора.

Основу электронного коммутатора составляет специализированный микропроцессор, который не только обрабатывает входной РРМ-сигнал, но и выполняет еще некоторые дополнительные функции. Прежде всего это "электронный тормоз". Воздушный винт авиамодели, вращающийся со скоростью до 20 тысяч оборотов в минуту и более (на авиамоделях не всегда применяют моторы с понижающими редукторами), после отключения питания продолжает вращаться по инерции, превращаясь в аэродинамический тормоз для модели. Для уменьшения "тормозного эффекта" лопасти винта делают складывающимися. Очевидно, что перед этим необходимо остановить вращение вала мотора и пропеллера. Проще всего это сделать, "закоротив" щетки электродвигателя, и мотор "сам себя остановит". Для этого, после отключения питания ходового двигателя, "включается" тормозной транзистор (аналогичный главному коммутирующему), подключенный параллельно выводам электромотора. Он замыкает возникающую в электромоторе ЭДС, которая и тормозит двигатель.

Как мы уже говорили, мощные современные электродвигатели даже в "маршевых" режимах потребляют очень большие токи, порой достигающие 100 ампер. В момент "пуска" двигателя ток может в десятки раз превышать "обычные" рабочие значения, и порой достигает величин, которые измеряются уже в килоамперах! Обычные модельные NiCd аккумуляторы на таких режимах не только быстро "закипают", но и просто долго не живут. Естественно, что при старте такого двигателя возникают еще и огромные механические (динамические) усилия, способные не только деформировать конструкцию модели, но даже и разрушить сам двигатель. Для предотвращения подобных электрических и механических "ударных" нагрузок часто применяют режим "ступенчатого" пуска, при котором на электродвигатель напряжение питания подается не сразу, а двумя-тремя "ступенями", т.е. в первый момент подается ~ 1/3 напряжения аккумулятора, затем через 20 - 100 миллисекунд напряжение повышается до ~ 2/3, и еще через 20 - 100 миллисекунд на двигатель подается полное напряжение. При этом потребляемые токи никогда не превышают предельно-допустимых для аккумуляторов и электромотора величин, да и механические динамические перегрузки, за счет "плавной раскрутки" существенно снижаются. Подобный стартовый режим, также как и режим торможения, можно реализовать только с помощью специального устройства, управляемого микропроцессором.

Несколько лет назад в арсенале спортсменов-моделистов появились новые сверхмощные асинхронные электродвигатели переменного тока. Для питания такого электродвигателя необходим мощный трехфазный генератор переменного тока, точнее, преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное с частотой ~ 1 - 10 килогерц. Современная электроника легко справляется и с этой задачей. Специальные контроллеры для подобных двигателей реализуют все перечисленные выше функции. Более того, именно трехфазные преобразователи имеют самый высокий КПД в переходных режимах, т.к. обороты двигателя регулируются не путем изменения напряжения питания (обычно это делается при помощи балластного сопротивления, на котором и теряется мощность), а путем плавного изменения частоты этого напряжения.



Рис.8. Электронный регулятор

Конструктивно все электронные регуляторы, как для коллекторных, так и для асинхронных двигателей, чаще всего изготавливаются в "бескорпусном" варианте (см. Рис.8), т.е. просто монтируются на печатной плате, а затем затягиваются в изолирующий "чулок" из термоусадочной трубки. Регуляторы для судомоделей могут иметь еще и радиатор с охлаждающими "водоводами". Размер подобного устройства (без радиатора) обычно не превышает 10х30х50 мм, а вес, в зависимости от величины коммутируемого тока, колеблется от 5 - 7 до 50 грамм.

С принципиальной схемой и конструкцией одной из таких "включалок", предназначенной для управления двигателем класса SPID-400 вы можете познакомиться, прочитав статью, помещенную на сайте www.rcdesign.ru в разделе электроники. При максимальной простоте и дешевизне, этот регулятор отвечает всем требованиям, предъявляемым к устройствам подобного класса и может быть легко повторен даже начинающими моделистами.

Начало:

Исполнительные механизмы RC-аппаратуры

И.В. Карпунин (aka Glider)

Обсудить на форуме

Ваша реклама



Copyright © 2007-2024 г. «AVmodels.ru»
Использование материалов сайта разрешается только с указанием ссылки на первоисточник.

Top.Mail.Ru