Микроконтроллерный регулятор мощности на Atmega16

На фото представлен действующий макет регулятора мощности, схема которого (с небольшими доработками) используется в реальной действующей установке. Цель публикации ознакомить коллег с практической реализацией принципов регулирования мощности в замкнутом контуре регулирования (т.е. регулирование с обратной связью по току, по напряжению, или скорости), с микроконтроллером Atmega16 в качестве регулятора. В нижней части фото расположен стандартный шунт 75ШСМ-10-0.5.

Микроконтроллер в данном случае представляет собой часть замкнутого контура регулирования. Его задача выдавать на регулируемый объект управляющее напряжение и контроль тока в нагрузке. На программное обеспечение возложена задача, передавать напряжение ЦАП, контролировать его при помощи АЦП, а также после несложной доработки программы - поддерживать величину выходного напряжения в заданных пределах.

Я постарался максимально упростить программу и сделать ее доступной для понимания даже начинающих радиолюбителей желающих познакомиться с AVR микроконтроллерами. Внимание! Если у Вас нет LCD дисплея, просто закомментируйте строки, относящиеся к дисплею, и схема будет работать. Контроль можно осуществлять и по приборам.

↑ Работа регулятора по принципиальной схеме

Работу начинаем с подачи напряжения на питание схемы управления и выдержав паузу 10 – 15 секунд подаем силовое напряжение. Выключение схемы производим в обратном порядке. При подаче напряжения питания, на дисплее на короткое время на дисплее появляется сообщение о наименовании регулятора и через 2000 mS. регулятор переходит в режим ожидания начала работы, а на дисплей выводится сообщение “press PUSK”, при этом обнуляются регистры управления Таймера_1 и импульсы не вырабатывается. При нажатии кнопки “Пуск” происходит инициализация Таймера_1 (см. программу) и ШИМ начинает выдавать импульсы для управления силовым транзистором. Выходные импульсы с вывода OCR1B MK поступает на драйвер. Для упрощения схемы драйвера выход OCR1B инвертирован с 1-м уровнем.

↑ Драйвер

Драйвер предназначен для согласования уровней сигналов МК и мощного полевого транзистора. В данной схеме драйвер включен как драйвер нижнего плеча. Драйвер представляет собой электронный ключ и собран из доступных деталей. Для безопасности работы и защиты схемы управления, силовая часть и схема управления разделены оптронной развязкой VU1. При инициализации МК на вход оптрона подается уровень 1. Оптрон открывается и шунтирует базы транзисторных ключей на землю. Так как транзисторы разной проводимости один транзистор будет открыт, а другой закрыт. При нуле на базах транзисторов открывается транзистор VT2 и замыкает затвор полевого транзистора на землю – транзистор закрыт. При поступлении на оптрон импульсов управления поочередно открывается то один, то другой транзистор, подавая на затвор мощного КМОП-транзистора или +15в или 0. Питание драйвера осуществляется простым параметрическим стабилизатором, собранным на VD2, VD3, R17, C4.

Данная схема настраивалась на напряжении 30 Вольт, поэтому номиналы деталей драйвера даны конкретно для данного напряжения (хотя схема устойчиво работала и при 18 вольтах). Так как Вам, вероятно, предстоит работать с другими напряжениями вплоть до1000 Вольт, придется, пересчитать сопротивление и мощность балластного резистора R17, а также заменить диод VD2 на более высоковольтный. Так как у меня в схеме применен полевой транзистор 17N80C3: ток 17 Ампер, напряжения 800 Вольт я склонен считать, что данный драйвер будет работать с любым мощным полевым транзистором. Можно так же использовать уже готовый драйвер типа IR, которых на рынке радиодеталей достаточно широкий ассортимент. Данный драйвер может работать как драйвер нижнего плеча так и верхнего. Но лучшие результаты он показал при включении драйвером нижнего плеча.

Для получения высокой точности преобразования АЦП входной сигнал должен быть отфильтрован от помех. Для подавления помех в схеме применен ФНЧ собранный на ОУ DA1. Хорошие результаты показал и фильтр Чебышева четвертого порядка, но он несколько сложнее и поэтому выбор был сделан в пользу данного фильтра. Недостатком данного ФНЧ является его инерционность. При деталях указанных на схеме номиналах, фильтр подавляет помехи, начиная с частоты порядка 10-12 Hz. Отфильтрованный сигнал поступает на вход масштабирующего усилителя DA2. Для более качественной обработки входного сигнала в схему желательно ввести дополнительный каскад усиления с Кус.= 2, при этом пересчитать коэффициент усиления DA2 и уменьшить номинал резистора R10 до 1.2к. При помощи RP1 масштабирующего усилителя производится окончательная подгонка параметров измерительной системы АЦП.

↑ Наладка

Регулятор, собранный из исправных деталей и без ошибок в монтаже в наладке не нуждается, и вам остается только произвести калибровку регулятора, т.е. привести к равенству значения измеряемого тока и измерительной системы АЦП МК. К сожалению, я не могу дать конкретные рекомендации по калибровке схемы, так как не знаю, что Вы будете использовать в качестве датчика, поэтому ограничусь общими рекомендациями по настройке АЦП. АЦП в данной разработке 10 разрядное, т.е. представить его можно как 210 = 3FFh = 1023 дискрет (единиц).

Калибровку производим в следующей последовательности:

1. Включаем устройство и нажимаем на кнопку ПУСК. На 40 выводе ATmega16 замеряем напряжение и резистором RP2 балансируем (т.е. добиваемся нулевого напряжения входного сигнала) контролируя показания и по верхней шкале LCD дисплея и по прибору (ориентируемся по прибору). Получив 0 на выходе усилителя, переходим к следующему этапу.

2. Рассчитываем коэффициент усиления масштабирующего усилителя. Исходим из того, что стандартные шунты имеют выходное напряжение Umax. = 75mv, а АЦП входное напряжение Umax =5000mv – вычисляем коэффициент усиления масштабирующего усилителя, считая, что сопротивление резистора RP1 = 0. Коэффициент усиления рассчитываем по формуле Кус= Uвых /Uвх = 5000/75 ≈ 66.6. Резистор R12 выбираем произвольно равным 2к (3, 4, 5к – для нас это не суть важно) и рассчитываем сопротивление резистора R11 по формуле: R11= R12 (Кус-1) ≈ 130к, а окончательную настройку производим резистором RP1. При токе 10 Ампер на входе АЦП (40 ножка ATmega16) напряжение должно быть равно 5 Вольт.

3. Масштабируем шкалу измерений АЦП. Стандартные шунты, как правило, имеют выходное напряжение 75мВ. Настроив масштабирующий усилитель на выходное напряжение 5в, мы можем, меняя шунты измерять токи в широких пределах, не подстраивая входную часть схемы. Расчеты произведены для 10 амперного шунта. Так как у нас АЦП 10 разрядное, в десятичном виде = 1023. Коэффициент рассчитываем по формуле: К = Iшунта / 1023 = 10a / 1023 ≈ 0.009775. Полученный результат вставляем в строку 28 программы.

Аналогичным образом можно рассчитать значение коэффициента любого в том числе и самодельного шунта на любой ток .

↑ Файлы:

- Программа написана на языке С и откомпилирована CVAVR 1.25.9
- Описание работы регулятора по принципиальной схеме и принципиальная схема регулятора.
🎁prilozhenie.7z  319.21 Kb ⇣ 394

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации