Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
Шрифт:
Перед тем, как исследовать электронную схему усиления мощности, необходимую для управления электрическим двигателем от микроконтроллера, рассмотрим принцип действия МДП-транзистора.
МДП-транзистор — это управляемый напряжением полупроводниковый ключ. Он обладает очень высоким сопротивлением цепи управления, что удобно для микроконтроллера, который не может формировать больших вытекающих токов. В открытом состоянии падение напряжения на транзисторе мало по сравнению с другими типами полупроводниковых ключей аналогичной мощности. Поэтому энергия, рассеиваемая МДП-транзистором в режиме проводимости, также относительно невелика, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия полупроводникового коммутатора.
МДП-транзистор может работать как в режиме усиления сигнала, так и в ключевом режиме. Мы будем использовать МДП-транзистр в ключевом режиме для коммутации
МДП-транзистор имеет три электрода: сток (Drain), исток (Souse) и затвор (Gate). Затвор — это управляющий электрод транзистора, в то время как сток и исток — это электроды, по которым протекает коммутируемый транзистором ток. Схемное обозначение МДП-транзистора с каналом n-типа приведено на рис. 5.19,а. При отсутствии напряжения между затвором и стоком канал для протекания тока между стоком и истоком внутри полупроводниковой структуры транзистора отсутствует. Если на затвор подать положительное напряжение относительно истока, то внутри транзистора формируется канал для протекания тока от стока к истоку. Если снять с затвора напряжение, то этот канал исчезнет, и транзистор не сможет проводить ток между истоком и стоком. Мы получили управляемый полупроводниковый ключ!
а) Условное графическое обозначение n-канального МДП-транзистора (MOSFET)
б) Схема полупроводникового коммутатора для управления электрическим двигателем от МК
в) Схема управления МДП-транзистором с использованием твердотельного реле
Рис. 5.19. Управление электрическим двигателем от МК
В нашем примере мы использовали МДП-транзисторы IRF530 компании International Rectifier. Максимальное значение тока стока ID для этого транзистора равно 14 А. Это означает, что мы можем коммутировать нагрузку с номинальным током 14 А под управлением маломощного сигнала с выхода микроконтроллера. Отметим, что в настоящее время подобные мощные МДП-транзисторы с каналами n- и p-типа выпускаются на токи свыше 100 А.
На рис. 5.19,б показана схема включения электрического двигателя с управлением от микроконтроллера. Резистор R = 10 кОм в цепи управления обеспечивает путь для рассасывания заряда из области управляющего электрода, когда напряжение на затворе становится равным нулю. Также в схеме присутствует защитный диод, который установлен параллельно двигателю. Мы обсудим назначение этого диода несколько позже, при изучении схемы инвертора (раздел 5.7.3). В нашем примере на затвор транзистора подается управляющее напряжение около 5 В. При этом транзистор IRF530 может проводить ток около 4 А. Для увеличения тока нагрузки до 14 А следует повысить управляющее напряжение. Однако используемый в примере электрический двигатель приводится во вращение напряжением 12 В при токе нагрузки 1 А. Поэтому параметры напряжения управления от микроконтроллера для нашего случая вполне удовлетворяют требованиям МДП-транзистора.
5.7.2. Оптоэлектронная потенциальная развязка
Электрический двигатель — печально известный для инженеров-электроников источник электромагнитных помех. В процессе регулирования скорости вращения электрического двигателя, помехи в равной мере генерируются как самим двигателем, так и импульсным источником питания. Транзисторный коммутатор формирует на обмотке двигателя импульсы напряжения требуемой длительности. В момент выключения мощного МДП-транзистора реактивные элементы схемы сбрасывают накопленную во время протекания тока энергию в питающую сеть. В результате генерируются кратковременные выбросы напряжения в питающую сеть. Последнее может неблагоприятно сказаться на работе управляющего МК. В частности, из-за помех может произойти нарушение последовательности исполнения команд программы управления, или сбой в системе тактирования МК. И случится нарушение работы всей системы в целом.
Чтобы избежать столь неблагоприятного прогноза в работе системы, следует изолировать цепи управления, т.е. плату с МК 68HC12, от силовых цепей установки. Для этого могут быть использованы оптроны (рис. 5.19,в). Управляющая цепь МК подключается
Для подключения светодиода оптрона к выходу МК следует воспользоваться изученным ранее способом подключения обычного светодиода. Мы попросим Вас выполнить такое подключение в задании №8 в конце данной главы.
5.7.3. Инвертор напряжения
В предыдущем параграфе Вы научились управлять скоростью вращения электрического двигателя при помощи мощных полупроводниковых ключей. Этот способ отличается высоким коэффициентом полезного действия, поскольку потери в МДП-транзисторе во время протекания тока невелики. А как насчет изменения направления вращения двигателя? Если прикладная задача требует не только регулирования скорости вращения двигателя, но и изменения направления вращения, то предыдущая схема на одном МДП-транзисторе не может быть использована. Однако, увеличив число управляемых ключей схемы до четырех, мы получим необходимое решение.
На рис. 5.20,а представлена схема однофазного мостового инвертора напряжения, которая позволяет регулировать скорость вращения двигателя методом ШИМ при любом направлении вращения двигателя. В англоязычной литературе эту схему называют «H bridge», что в переводе означает «мост в форме буквы H».
а) Схема однофазного мостового инвертора напряжения. Полупроводниковые ключи SW1…SW4 могут находиться в замкнутом или разомкнутом состоянии.
б) Состояние ключей инвертора при вращении двигателя по часовой стрелке
в) Состояние ключей инвертора при вращении двигателя против часовой стрелки
г) Состояние ключей инвертора при остановленном двигателе
Рис. 5.20. Однофазный мостовой инвертор напряжения
В каждом плече моста установлен управляемый полупроводниковый ключ. Обмотка двигателя подключена между двумя средними точками. При включенных транзисторах sw1 и sw4 обмотка двигателя подключается левым концом к положительной шине питания, а правым — к отрицательной. Ток протекает в указанном на рис. 5.20,б направлении, и двигатель вращается по часовой стрелке. Если транзисторы sw1 и sw4 выключить, и включить транзисторы sw2 и sw3, то ток будет протекать в противоположном направлении (рис. 5.20,в), а двигатель будет вращаться против часовой стрелки. Если одновременно включить одну из пар транзисторов sw1 и sw2 или sw3 и sw4, то обмотка двигателя будет закорочена, и он постепенно остановит свое вращение. Ни в коем случае нельзя одновременно включать пары транзисторов sw1 и sw3 или sw2 и sw4. Произойдет короткое замыкание источника питания.
Реальная схема мостового инвертора, конечно, имеет специальные средства защиты от короткого замыкания как в цепи нагрузки, так и в цепи каждого плеча инвертора. При значительных превышениях номинального тока эта схема автоматически отключит источник питания, и полупроводниковые ключи останутся работоспособными.
В заключение отметим, что малые потери в МДП-транзисторах позволяют разместить мостовую схему инвертора в корпусе DIP16! Так ИС SN754410NE компании Texas Instruments содержит в себе сразу два таких моста. Она позволяет коммутировать напряжения от 4,5 до 36 В при максимальном токе нагрузки 1 А. Упрощенная схема одного мостового инвертора в составе SN754410NE приведена на рис. 5.21.