Modelarski regulator dwukierunkowy

Modelarstwo

Swoja przygodę z modelarstwem rozpocząłem dziewięć lat temu, dość nietypowo, bo chyba od najtrudniejszej dziedziny modelarstwa, mianowicie od lotnictwa. Dopiero z czasem postanowiłem zająć się modelarstwem szkutniczym i samochodowym – stąd wzięła się potrzeba budowy regulatora dwukierunkowego. Wszak wsteczny bieg jest nieodzowny w samochodzie, a i w łódce może się przydać.

Nie jestem ekstremalnym zapaleńcem dlatego zadowalam się modelami, które są szybkie, ale nie najszybsze. Aby zaoszczędzić kilkaset złotych warto poświęcić trochę czasu by samemu wykonać różne urządzenia przydatne modelarzowi.

Kierowanie modelem samochodu i łódki jest dość proste, ponieważ człowiek musi kontrolować tylko dwa kanały, tzn. sterować obrotami silnika napędowego oraz mechanizmem skręcającym kołami lub ster. Moim zdaniem nie warto porywać się na budowę nadajnika i odbiornika modelarskiego. Łączność miedzy modelem a osobą kierującą musi być pewna, a zasięg maksymalnie duży (przynajmniej 300 m). Również budowa serwomechanizmów raczej mija się z celem, natomiast można poczynić znaczne oszczędności między innymi na budowie regulatora obrotów silnika napędowego.

Proporcjonalna, wielokanałowa aparatura RC pomimo tego, że posiada kilka kanałów sterujących, to dane do odbiornika przesyła pojedynczym kanałem radiowym. Dane dotyczące poszczególnych kanałów kodowane są w jeden ciąg informacji i przesyłane szeregowo do odbiornika, gdzie są dekodowane i służą do sterowania mechanizmami wykonawczymi (serwa, regulatory itp.). Ten ciąg nazywa się zwykle telegramem impulsów i jest on wysyłany kilkadziesiąt razy na sekundę.

Impulsy przekazywane są radiowo, z wykorzystaniem modulacji AM lub FM, przy czym ta ostatnia ma znacznie większą odporność na zakłócenia. Aparatury z PCM używają także modulacji FM, jedynie ciąg impulsów jest w nich zakodowany metodą PCM. Do kodowania przesyłanych informacji stosuje się generalnie 2 metody:

• PWM/PPM – Pulse Width Modulation/Pulse Position Modulation – modulacja szerokości/położenia impulsu, funkcjonalnie identyczne, dane przesyłane „analogowo” w formie zmiennej długości impulsów,
• PCM – Pulse Code Modulation – dane są przesyłane cyfrowo, a więc odporność na zakłócenia największa.

Przez modelarzy używane są następujące pasma radiowe:

• 27 MHz do modeli naziemnych (zaśmiecone przez CB),
• 35 MHz do modeli lotniczych,
• 40 MHz do modeli naziemnych i nawodnych,
• 50 MHz i 72 MHz używa się w USA, 50 MHz z licencją amatorską, 72 MHz bez licencji.

Położenie mechanizmu wykonawczego serwomechanizmu i obroty silnika (za pośrednictwem regulatora) są ustalane impulsem z odbiornika o zmiennej szerokości. Położenie neutralne jest przy impulsie o szerokości 1,5 ms, powtarzanym co 20…25 ms. Wychylenia powodowane są przez zmianę szerokości impulsu w granicach ±0,5 ms.

Czas trwania impulsu synchronizacji to zwykle ok. 0,2 ms. Impuls synchronizacyjny łącznie z przerwą to ok. 8 ms, impulsy kanałowe łącznie z przerwą to wymagane 1,5 ms ±0,5 ms. Jak nietrudno zauważyć, łączny czas takiego telegramu impulsów jest różny w zależności od poszczególnych „czasów kanałowych” i jest to sytuacja normalna. W związku z tym zmienia się też częstotliwość odświeżania pozycji serwa. Podobnie sprawa ma się z moim regulatorem, jednak o zachowaniu silnika decyduje użytkownik w czasie Kalibracji.

Na rys. 1 przedstawiono telegram impulsów z aparatury modelarskiej 3 kanałowej. Zasada działania w nadajnikach o większej liczbie kanałów jest taka sama. Jak widać na rysunku, nadajnik nadaje taki sygnał, że mechanizm wykonawczy podłączony do kanału pierwszego ustawi się w położenie neutralne, a regulator dwukierunkowy powinien zatrzymać silnik. W przypadku kanału drugiego i trzeciego mechanizm wykonawczy ustawi się w położenia skrajne, natomiast regulator dwukierunkowego powinien wysterować silnik załączając obroty w umownym kierunku w prawo i w lewo. Oczywiście mogą tez wystąpić pozycje pośrednie, np. impuls 1,2 ms i dowolne kombinacje między kanałami.

Rys. 1. Telegram impulsów PWM/PPM z aparatury modelarskiej 3-kanałowej

Budowa

Oprogramowanie regulatora napisano w Bascom AVR. Sercem układu regulatora jest mikrokontroler sterujący mostkiem „H”. Zasilanie układu pobierane jest z pakietu akumulatorów. Dla bezpieczeństwa dodano bezpiecznik topikowy. Tryb pracy sygnalizują dwie diody LED. Ustawianie odbywa się poprzez zworki i jeden przycisk. Sygnał z odbiornika podawany jest bezpośrednio na wejście procesora. Sterowanie silnikiem wykonywane jest przez modulację szerokości impulsu (PWM) przy stałej wartości napięcia wyjściowego. Układ PWM zasila urządzenie bezpośrednio lub przez filtr dolnoprzepustowy. Modulacja szerokości impulsu jest najczęściej wykonywana przez przełączenie tranzystorów lub tyrystorów pomiędzy stanem przewodzenia a stanem zaporowym. W stanie zaporowym prąd praktycznie nie płynie, więc nie występują straty mocy. W stanie przewodzenia występuje niewielki spadek napięcia na układzie sterującym, jednak jest on minimalny w stosunku do mocy przekazywanej, co skutkuje największą sprawnością energetyczną układu regulacyjnego. Zasilanie tą metodą pozwala na uzyskanie dużej dokładności i ułatwia sterowania napędem.

Regulator jest prosty i zawiera niewielką liczbę elementów, dzięki czemu układ jest mały i lekki, co nie jest bez znaczenia dla budowanych modeli.

Napięcie zasilające z pakietu akumulatorów stabilizowane jest za pomocą układu stabilizatora LDO typu LM2940-5V. Stabilizator ten zasila napięciem +5 V mikrokontroler, odbiornik i serwomechanizmy (funkcja BEC). Warto zaopatrzyć go w niewielki radiator, gdyż w zależności od liczby i wielkości zasilanych serwomechanizmów, pobierany z niego prąd może osiągnąć ponad 1 A.

Napięcie zasilające podawane jest na silnik poprzez bezpiecznik topikowy zwłoczny 30 A i tranzystory sterujące T1 i T2, a także poprzez dzielnik napięcia R7 i R8 do przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze, aby na bieżąco kontrolować napięcie akumulatora zasilającego. Kondensator C1 minimalizuje tętnienia. Zwracam szczególnie uwagę na dobór elementów dzielnika, ponieważ mają one ogromny wpływ na kluczowe funkcje regulatora, takie jak detekcja ilości podłączonych cel pakietu oraz funkcję odcinającą zasilanie silnika, jeśli akumulator jest rozładowany. Napięcie odbierane z dzielnika musi być o 3,12 razy mniejsze niż napięcie zasilające. Ewentualnie zamiast rezystora R8 można zastosować precyzyjny, wieloobrotowy potencjometr 10 kΩ i przy jego pomocy ustawić napięcie wejściowe na przetwornik A/D. Podobnie w przypadku dzielnika R5 i R6, gdzie R6 to termistor NTC (10 kΩ) służący do pomiaru temperatury tranzystorów mocy. Jeśli mikrokontroler zbyt wcześnie lub zbyt późno reaguje na zmianę temperatury, to należy dobrać inną wartość opornika R5 lub zmienić odległość termistora od tranzystorów mocy.

Do sygnalizacji stanu pracy zastosowano dwie diody LED: żółtą (D1) i czerwoną (D2). Sygnał z odbiornika podawany jest poprzez rezystor R4 do mikrokontrolera. Sterowanie funkcjami realizują trzy zworki oraz przycisk. Sterowanie silnikiem realizuje Atmega8 poprzez 4 wyjścia: dwa dwustanowe sterujące tranzystorami MOSFET T1 i T2 oraz dwa wyjścia z modulacją PWM sterujące tranzystorami T3 i T4. Tranzystory mocy muszą być odizolowane od siebie i od radiatora. Dzięki opornikom R9 oraz R10 możliwe jest odłączenie zasilania procesora w dowolnym momencie pracy regulatora, bez zagrożenia zwarciem podłączonego pakietu zasilającego.

W czasie programowania procesora częstotliwość wewnętrznego oscylatora należy ustawić na 8 MHz poprzez odpowiednie ustawienie Fuse Bitów: CKSEL0..3=0010.