• Главная
  •  > 
  • Интернет и связь
  •  > 
  • Световой диммер управляемый Arduino. Световой диммер управляемый Arduino Регулятор напряжения и тока на ардуино

Световой диммер управляемый Arduino. Световой диммер управляемый Arduino Регулятор напряжения и тока на ардуино

Ардуиноуправляемая энергия!

Внимание!

Есть в наличии

Купить оптом

Вы любите программировать микроконтроллеры!? Теперь вы легко можете решать задачи управления мощностью в сети 220В переменного тока. Мы сделали регулятор мощности, который легко подключить к микроконтроллеру, например, плате Ардуино (Arduino). Просто соедините ШИМ-выход микроконтроллера с нашим регулятором мощности и программно управляйте электроприборами: плавно включайте электродвигатели, регулируйте температуру нагрева и многое другое.

Внимание!

В некоторых инструкциях к устройству, в схеме подключения была допущена опечатка. В связи с невозможностью замены инструкции, во всех имеющихся упаковках, просим при подключении использовать схему с сайта.

Технические характеристики

Особенности

  • Питание от управляющей платы микроконтроллера
  • Возможность регулировки оборотов асинхронных двигателей.
  • Не создает помех в сеть 220В.

Принцип работы

Классический симисторный регулятор мощности с аналоговым входом управления, совместимым с ШИМ - выходами микроконтроллеров. Аналоговая часть модуля питается от вашей платы микроконтроллера (+Vcc). Допустимое напряжение питания +3,3...+5,0 В. При изменении сигнала на аналоговом входе регулятора от 0 до + Vcс мощность в нагрузке меняется от 0 до 100 %

Функции

  • управление мощностью нагрузки

Дополнительная информация

Обращаем ваше Внимание!

При эксплуатации модуля с нагрузкой более 3000 Вт необходимо усилить дорожки печатной платы, идущие к силовому элементу. Для этого необходимо напаять одножильный монтажный провод диаметром 1,5-2 мм от контактов клеммы НАГРУЗКА к контактам выводов СИЛОВОГО элемента.

Модуль рассчитан на работу с ШИМ сигналом частотой 300 Гц.

Проверьте исправность модуля
Снимите джампер.



Замкните перемычкой контакты +VCC и "управление". При этом должна увеличиваться яркость свечения лампы.
Замкните перемычкой контакты GND и "управление". При этом должна уменьшиться яркость свечения лампы.

Схемы

Комплект поставки

  • модуль MP248 - 1 шт. шт.
  • Инструкция - 1 шт. шт.

Подготовка к эксплуатации

  • ВНИМАНИЕ! Перед включением соблюдайте меры безопасности при работе с высоким напряжением.
  • Снимите джампер.
  • Подключите лампу накаливания к модулю.
  • Подключите питание 5В для низковольтной части схемы.
  • Подключите питание 220В для высоковольтной части схемы.
  • Замкните перемычкой контакты +VCC и управление. При этом должна увеличиваться яркость свечения лампы.
  • Замкните перемычкой контакты GND и управление. При этом должна уменьшиться яркость свечения лампы.
  • При установленном джампере включается инверсия управления.
  • Проверка завершена, приятной эксплуатации.

Меры предосторожности

  • Соблюдайте правила работы с высоким напряжением.
  • Соединения производите только при надежно обесточенной сети.
  • Перед использование разместите устройство в корпусе, например пластмассовой монтажной коробке достаточного размера.
  • Обеспечьте достаточную естественную вентиляцию и охлаждение модуля, особенно при управлении мощностями более 100Вт

Техническое обслуживание

  • На плате присутствует высокое напряжение, опасное для жизни. Соблюдайте меры безопасности при работе с электроустановками.

Вопросы и ответы

  • Добрый день! Я правильно понимаю, что управлевние мощностью возможно как с помощью ШИМ, так и аналоговым сигналом, при этом скважность выходного сигнала ШИМ на симистор будет соответствовать уровню аналогового сигнала в процентах от напряжения питания?
    • Этот модуль рассчитывался на работу с ШИМ Ардуино 300 Гц. С другими не пробовали. Но, в принципе, должно работать, потому что за основу берется аналоговый сигнал, а не длительность импульса и частота.
  • Добрый день! Можно ли данным устройством с Ардуино управлять оборотами э/двигателя постоянного тока 12В (вентилятор печки автомобиля)
    • Устройство предназначено для управления нагрузкой только в цепи переменного тока 220В.
  • В моем регуляторе без нагрузки 190 В, а под нагрузкой лампочка,еле светится спираль.
    • Проверьте наличие резистора R10 - 10кОм и электролитического конденсатора C5 - 100мкФх16В, по возможности установите их и проверьте работу устройства.
  • Добрый день. Приобрел у вас данный регулятор. Но почему то перемычка слева от входа управления не распаяна и отсутствует на входе конденсатор. И пока не перемкнул перемычку - регулятор на управление никак не реагировал. В инструкции про это - ни слова. Почему?
    • Вам необходимо установить C5 - 100мкФх16В, R10 - 10кОм Если такой возможности нет, сдавайте по месту приобретения на ее основании будет выполнен ремонт или замена на новый модуль..ru они подскажут ваши действия.
  • Добрый день. Можно ли данный регулятор использовать как и другие с переменным резистором? Или для управления всё же понадобится 5 в и перемычки(кнопки) на управляющий контакт?
    • Все верно, для использования в режиме диммера, потребуется внешнее питание 5В и кнопки.

Диммер на базе Arduino – это одно из сотен простых и интересных устройств, с помощью которого можно плавно изменять сетевое напряжение от 0 до номинального значения. Каждый пользователь Arduino найдёт применение столь полезной самоделке, а опыт, полученный во время сборки своими руками, пополнит багаж знаний.

Схема и принцип её работы

Как и большинство недорогих диммеров, данная схема работает за счёт фазовой регулировки напряжения, что достигается путем принудительного открывания силового ключа – симистора. Принцип действия схемы следующий. Arduino на программном уровне формирует импульсы, частота которых подстраивается сопротивлением потенциометра. Управляющий импульс с вывода P1 проходит через оптопару MOC3021 и поступает на управляющий электрод симистора. Он открывается и пропускает ток до перехода полуволны сетевого напряжения через ноль, после чего закрывается. Затем приходит следующий импульс и цикл повторяется. Благодаря сдвигу управляющих импульсов, в нагрузке формируется обрезанная по фронту часть синусоиды.

Чтобы симистор открывался в соответствии с заданным алгоритмом, частота следования импульсов должна быть засинхронизирована с напряжением сети 220 В. Другими словами Arduino должен знать, в какой момент синусоида сетевого напряжения проходит через ноль. Для этого в диммере на элементах R3, R4 и PC814 реализована цепь обратной связи, сигнал с которой поступает на вывод P2 и анализируется микроконтроллером. В цепь детектора нуля добавлен резистор R5 на 10 кОм, который нужен для подпитки выходного транзистора оптопары.

Один силовой вывод симистора подключается к фазному проводу, а ко второму – подключается нагрузка. Нулевой провод сети 220 В напрямую следует от клеммника J1 к J2, а затем к нагрузке. Применение оптопар необходимо для гальванической развязки силовой и низковольтной части схемы диммера. Потенциометр (на схеме не показан) средним выводом подключается на любой аналоговый вход Arduino, а двумя крайними – на +5 В и «общий».

Печатная плата и детали сборки

Минимум радиоэлементов позволяет сконструировать одностороннюю печатную плату, размер которой не превышает 20х35 мм. Как видно из рисунка на ней отсутствует переменный резистор, чтобы радиолюбитель мог самостоятельно подобрать потенциометр подходящего форм-фактора и определить место его крепления к корпусу готового диммера. Подключение к Arduino осуществляется через провода, которые запаивают в соответствующие отверстия на плате.

Для сборки своими руками диммера, управляемого Arduino, понадобятся следующие радиоэлементы и детали:

  1. Симистор BT136-600D, способный выдерживать обратное напряжение до 600 В и пропускать в нагрузку ток до 4 А (естественно с предварительным монтажом на радиатор). В схеме можно применить симистор и с большей нагрузочной способностью. Главное – обеспечить отвод тепла от его корпуса и правильно подобрать ток на управляющий электрод (справочный параметр). При подключении к нагрузке электроприбора большой мощности ширину печатных проводников в силовой части схемы необходимо будет пересчитать. Как вариант, силовые дорожки можно продублировать с другой стороны платы.
  2. Оптопара MOC3021 с симисторным выходом.
  3. Оптопара PC814 с транзисторным выходом.
  4. Резисторы номиналом 1 кОм, 220 Ом, 10 кОм мощностью 0,25 Вт и 2 резистора на 51 кОм мощностью 0,5 Вт.
  5. Переменный резистор на 10 кОм.
  6. Клеммные колодки – 2 шт., с двумя разъёмами и шагом 5 мм.

Все необходимые файлы по проекту находятся в ZIP-архиве: dimmer-arduino.zip

Алгоритм управления Arduino

Программа управления симистором создана на базе таймера Timer1 и библиотеки Cyber.Lib, благодаря чему отсутствует влияние на работу других программных кодов. Принцип её действия следующий. При переходе сетевого напряжения через ноль «снизу вверх» таймер перенастраивается на обратный переход «сверху вниз» и начинает отсчёт времени в соответствии со значением переменной «Dimmer». В момент срабатывания таймера Arduino формирует управляющий импульс и симистор открывается. При следующем переходе через ноль симистор перестаёт пропускать ток и ожидает очередное срабатывание таймера. И так 50 раз в секунду. За регулировку задержки на открывание симистора отвечает переменная «Dimmer». Она считывает и обрабатывает сигнал с потенциометра и может принимать значение от 0 до 255.

Область применения диммера на Arduino

Конечно, использовать дорогостоящий Arduino для управления яркостью галогенных ламп – избыточно. Для этой цели лучше заменить обычный выключатель диммером промышленного изготовления. Диммер на Arduino способен решать более серьёзные задачи:

  • управлять любыми видами активной нагрузки (температурой нагрева паяльника, проточного водонагревателя и т. д.) с точным удержанием заданного параметра;
  • одновременно выполнять несколько функций. Например, обеспечивать плавное включение утром (отключение вечером) света, а также контролировать температуру и влажность террариума.

Увидеть каким образом изменяется напряжение в нагрузке можно с помощью осциллографа. Для этого к выходным клеммам диммера припаивают резистивный делитель, благодаря которому сигнал в контрольной точке должен уменьшиться примерно в 20 раз. После этого к делителю подсоединяют щупы осциллографа и подают питание на схему. Изменяя положение ручки потенциометра, на экране осциллографа можно наблюдать насколько плавно Arduino управляет симистором и присутствуют ли при этом высокочастотные помехи.

Читайте так же

Рассмотрим один интересный и полезный вопрос. Диммер для регулировки нагрузкой переменного тока при помощи arduino. То есть это плавный контроль таких сетевых приборов, как лампы, нагреватели в виде тэнов или тёплых полов.
Пару недель назад на втором канале, который полностью посвящен программированию arduino, вышел видос про управление нагрузкой постоянного тока при помощи шим- сигнала. То, что смотрите сейчас, тоже должно было выйти на том канале. Но решил опубликовать его.

Радиодетали, компоненты и приборы в этом китайском магазине .

Переменный ток в розетке представляет собой синусоиду, то есть напряжение меняется во времени постоянно, и каждые 10 миллисекунд равно нулю. Если смотрели видео про шим-сигнал, то поймете, что так взять и начать регулировать синусоиду не получится.

Устройство, которое будем делать, называется диммер. В него входят обычные синусоиды из розетки и выходят обрезанные. Диммер не пропускает часть синусоиды. И чем больше эта часть, тем меньше среднее напряжение. Изменяя промежутки, когда напряжение равно нулю, будем регулировать суммарное выходное напряжение. Открывает и закрывает напряжение такая железяка, как симистор. Они есть в разных корпусах и на разный ток. Например, крупный парнишка может пропустить через себя 40 ампер при напряжении 800 вольт. Что как бы около 30 квт.

Чтобы управлять симистором в нужные моменты времени, понадобится пакетик рассыпухи. Несколько резисторов и две оптопары. Всё это можно за копейки купить в любом магазине радиодеталей или на радиорынке. Для удобства подключения можно взять клеммы. А собирать всю схему можно на макетной плате. Схема подключения, выглядит следующим образом.

Симистор разрывает сеть 220в, arduino будет его открывать и закрывать через оптопару. То есть сама arduino будет оптически развязана сетевым напряжением в целях нашей безопасности. И важный момент. Чтобы вовремя открывать симистор, arduino должна знать, когда напряжение сети проходит через 0. Для этого стоит вторая оптопара, подключенная в противоположную сторону. И на выходе из нее получаем сигнал каждый раз, когда напряжение в сети проходит через 0. И управляем симистором через верхнюю оптопару. Алгоритм работы чуть позже.

Соберем схему в железе

В идеале такие вещи нужно делать на печатной платье. Об на канале скоро отдельный цикл видео уроков. Покажем, как разводить платы и как травить. Ну а пока не умеем делать печатные платы, есть ещё два пути. Первый, это собрать схему на макетной плате. Чем займемся через минуту. И второй – заказать изготовление плат у китайцев. Сделал несколько вариантов плат на платформе easyeda. Первая – на маленьком семисторе, вторая – на большом семисторе. И третья, это трехканальный диммер. У которого есть один общий вход и один общий выход детектора нуля. Три выхода под нагрузку и 3 pin под управление тремя симисторами arduino. Схему легко масштабировать и сделать диммер на любое число каналов.

Чтобы заказать платы, нужно вытащить из проекта gerber- файлы. Нажимаем кнопочку и попадаем на страницу заказа плат у сервиса easyeda. И нажимаем кнопочку скачать gerber- файлы. Они скачаются одним архивом. Идем на сайт сервиса lg psb. Это один из дешевых и крупнейших сервисов изготовления печатных плат в промышленных масштабах c доставкой. Для начала залогинимся на всякий случай. Переходим в корзину и добавляем новый заказ. И добавляем gerber- файл, то есть, тот самый архив. Плата однослойная. Выбираем один слой. Размеры, как можете видеть, поставились автоматически. Количество – мнимум можно заказать 5 штук. Толщина текстолита, цвет. Пусть красный. Это цвет маски, которой покрыта плата. Выбирается припой, которым будут покрыты дорожки. Это оловянно-свинцовый, безсвинцовый и ещё, который не знаем. Дальше толщина медной фольги не текстолите. Ну цена почему-то меняется в два раза. Идут золотые пальчики. Это гребенка вставлять плату в разъем. Потом можно получить плату в таком виде. И еще можно обрезать крайние контакты. Но ничего из этого не нужно. Всё сохраняем корзину. Как можете видеть, цена за 5 плат составляет 2 бакса. То есть это примерно 25 рублей за одну плату. Платы промышленного качества достанутся практически даром.

Единственное, доставка. Нужно указать свой адрес. Для удобства обычно пользуемся сервисом транслит, который переводит русские буквы в транслит. Ну и сама доставка. 30 долларов за курьерскую, и стандартная – 250 рублей за отправку по почте. Dhl, с физическим лицами не работают. Если нет знакомых фирмы, то лучше не связываться и подождать пару недель почтой. Оплатить это дело можно по paypal или банковской карты. В общем, печатные платы заказал, и пока они едут, соберем схему на макетке.

Данный проект сборки регулятора переменного тока относится к тем, которые можно собрать на макетной плате, глядя на разводку печатной платы. То есть вставляем компоненты в макетку точно так же, как на печатке. И соединяем все ногами самих компонентов. Вот, например, симистор дотягивается до обоих клеммников и до оптопары. Берем и запаиваем. А еще можно использовать лайфхак из видео про сварочник для аккумуляторов. То есть распечатать разводку платы, приклеить ее на макетку и паять, ориентируясь на дорожки. И спустя 10 минут работы пинцетом и паяльником получается плата. Компактная.
Для соединения использованы многие компоненты. Единственное, надо было соединить общий выход куском медного провода. Важный момент. Паяем с глицериновым флюсом, и его следы можно видеть. Он блестит. Диммер работать с напряжением в 220в и пробивать через флюс, и работать не стабильно. Или вообще сгорит. Поэтому берём зубную щетку и идём чистить. Ну а лишнее отрезаем ножницами по металлу, а ровняем край. И всё, готов диммер. Здорово и компактно.
На обрезке макетки, собрал вариант с большим парнем. Идет прямое подключение к симистору при помощи колодок. Левая – это выход, средняя – вход, а правая – общая для входа и выхода. К ней по схеме только один резистор. Сам симистор приклеен на двухсторонний скотч. В идеале колодки надо было привинтить. Ну и так сойдет. Всё. Припаяно просто, ногами резисторов. Это плата нужна в одном из следующих проектов. Попробуйте угадать в комментариях, что это может быть.
Сейчас наконец посмотрим на алгоритм, по которому работает управление симистором. Так вот, управлять симистором будем с arduino. Прошивки пишутся в специальной программе. Есть два важных момента. Первый – получение сигнала с выхода детектора нуля, который сообщает, что синусоида напряжения сети пересекает напряжение 0 вольт. Выход детектора нуля подключен к обработчику аппаратных прерываний. Это второй pin arduino. И pin подтянут к земле резистором на 10 килоом. Внутренняя подтяжка не справляется. Не знаем почему. В отличие от всех прошивок в интернете, алгоритм не использует задержки. То есть управление симистором не мешает выполнению остального кода программы. Реализована это при помощи таймера таймер-1. Так как использование обычных счетчиков приведет к некоторым мерцаниям через каждые несколько минут.
Для удобной работы с таймером используем шуструю библиотеку сайберлип. В общем, суть такая, как только обнаруживается переход через ноль снизу, это точка, таймер запускает на время диммирования, и прерывание перенастраивается на переход напряжения через ноль сверху вниз. И время пошло. После срабатывания таймера, симистор открывает ток на потребитель. Как только прерывание замещает переход через ноль сверху вниз, оно останавливает таймер и снова перенастраивается. А также выключает ток через симистор. И так повторяется 50 раз в секунду.

Для регулировки времени, через которое откроется симистор после пересекания через ноль, использован потенциометр. Переменные диммер должны принимать значения от 0 до 255. Это полная и минимальная яркость. И всё. Напомню, что все схемы и скетч можно скачать на странице проекта. Ссылка в описании под видео.

Диммер можно использовать не только для управления яркостью. Гораздо больший интерес представляет система управления нагревательным элементом с обратной связью. Для точного поддержания заданной температуры.
Также диммер можно использовать в системах, таких как умный дом, и контроль этого самого диммера через интернет. Для этого нужно уметь писать программы под windows, android или под веб.

Приехали китайские печатные платы. Повторимся, если вы физическое лицо, то заказывать лучше почтой. Через dhl пришлось прикрываться знакомой фирмой и переоформлять документы на таможне. В общем, такие симпатичные печатки. Если учесть, что они обошлись по 25 руб штука, надеемся, китайцам это хоть чуть-чуть выгодно. Иначе обидно.

Распаяли один диммер и подключаем его к arduino, также как раньше. Двигаем потенциометром, накал лампочки меняется от максимального до еле-еле тлеющего. На самом деле, интересное зрелище.

Наверное, всё видео хотелось посмотреть на реальную форму волны на выходе из диммера. Соответствует ли она картинкам, которые показывал. Воспользуемся дешевым китайским осциллографом, который умеет измерять напряжение до 12 вольт. Стоп. Так делать нельзя. Чтобы измерить сетевое напряжение, нужно воспользоваться штукой, как делитель напряжения. Подойдет соотношение 1 к 20. Чтобы резисторы не грелись, взял номиналы двести и десять килоом. Аккуратненько всё подключаем и только потом включаем в сеть. Это опасно для жизни. И видим ту же самую красоту, как на картинках. Видно, как напряжение в периодах синусоиды появляется, доходит до нуля и пропадает. Чтобы снова включится по таймеру следующим полупериуде. Великолепное зрелище!

Продолжение разработки контроллера, начатой в уроке 36. Напишем программу для регулятора мощности на элементе Пельтье. Узнаем что такое интегральный регулятор.

Охлаждающая способность элемента Пельтье (холодильная мощность) связана с электрической мощностью на элементе. Поэтому регулировка температуры в камере должна производиться за счет изменения электрической мощности на модуле Пельтье. Т.е. нам нужен регулятор ни напряжения, ни тока, а именно мощности.

Будем разрабатывать регулятор мощности, но сначала узнаем минимальные сведения о регуляторах.

Общие сведения о регуляторах.

Регулятор это устройство, которое поддерживает определенные параметры объекта на заданном уровне. Регулятор следит за состоянием объекта и вырабатывает управляющие воздействия для того, чтобы обеспечить стабильность параметра регулирования.

Я хорошо помню, что первая система регулирования, которую нам в институте представил преподаватель ТАУ (теория автоматического управления) был механизм поддержания уровня воды сливного бачка. Когда уровень воды достигает заданного значения, поплавок поднимается и клапан, связанный с его рычагом, перекрывает поток воды. Если уровень воды снизится, то поплавок опустится и клапан откроет воду.

В любом регуляторе надо четко выделить, что мы регулируем и с помощью чего мы регулируем. Т.е.

  • регулируемый параметр;
  • и регулирующий элемент.

В системе регулировки уровня воды регулируемый параметр это уровень воды, а регулирующий элемент это клапан, связанный с рычагом поплавка. Все остальное между поплавком и клапаном реализует алгоритм управления.

Для нашего регулятора мощности:

  • регулируемый параметр – электрическая мощность на нагрузке;
  • регулирующий элемент – широтно-импульсный модулятор.

Кто-то задастся вопросом, что является регулирующим элементом в нашей системе – коэффициент заполнения ШИМ или ключевой транзистор электронной схемы. Алгоритм регулятора мы реализуем программным способом. Для программы регулирующий элемент – коэффициент заполнения ШИМ.

Подавляющее большинство регуляторов используют обратную связь для того чтобы узнать состояние регулируемого параметра и компенсировать внешние возмущения.

В нашем случае на регулятор поступает измеренная мощность с выхода системы и заданное значение мощности. По определенному алгоритму регулятор вычисляет значение коэффициента заполнения ШИМ, за счет которого и меняется мощность на нагрузке.

Как у всего на свете у регулятора есть критерии оценки качества. Это:

  • Скорость регулирования (быстродействие) – время уменьшения ошибки регулирования до заданной величины.
  • Точность регулирования – ошибка параметра регулирования в установившемся состоянии.
  • Устойчивость регулятора – отсутствие колебаний параметра регулирования.

И еще. Мы реализуем алгоритм регулирования программным способом. Это значит, что у нас будет дискретный по времени регулятор. Управление будет происходить в отдельные моменты времени. В программе контроллера мы определили временную дискретность регулятора мощности 20 мс.

Интегральный регулятор.

Другие законы регулирования мы рассмотрим в следующем уроке, когда будем разрабатывать ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующий) регулятор температуры. Сейчас мы говорим только об интегральном законе регулирования.

Итак, мы должны поддерживать значение мощности на выходе, меняя ШИМ. Самый простой, интуитивный способ это:

  • сравнить заданную мощность с измеренной;
  • если заданное значение больше реального, то ШИМ увеличить на 1 ;
  • если заданное значение меньше реального, то ШИМ уменьшить на 1.

Регулятор с таким алгоритмом управления будет работать, только критерии качества регулирования у него не на высоте. Причем абсолютно все.

Для более качественного регулирования необходимо прибавлять к текущему значению ШИМ величину, зависящую от ошибки параметра регулирования.

Математически закон управления интегрального регулятора выглядит так

  • Kw – коэффициент заполнения ШИМ;
  • Ki – интегральный коэффициент;
  • e(t) – ошибка рассогласования, т.е. разница между заданным и реальным значениями регулируемого параметра.

Выходная функция интегрального регулятора пропорциональна интегралу по времени от отклонения регулируемого параметра.

Интегральный регулятор это регулятор последовательного приближения. Большая ошибка – он изменяет ШИМ большими шагами. Маленькая ошибка он медленно ее компенсирует. Ошибка накапливается в интеграторе и сколь малой она не была бы, все равно со временем она окажет воздействие на регулирующий элемент.

В более понятном виде, близком к дискретной реализации схема интегрального регулятора выглядит так.

  • Вычисляется ошибка рассогласования e, как разность между заданной мощностью Pset и измеренной на выходе Preal: e = Pset – Preal.
  • Ошибка рассогласования e умножается на интегральный коэффициент Ki и накапливается в регистре-интеграторе RgI.
  • Целые разряды регистра поступают на широтно-импульсный модулятор.

Как правило, интегратор имеет достаточно большую разрядность с дробной частью. А ШИМ может воспринимать только целые значения. Здесь нет противоречия. Значения меньше еденицы постепенно накапливаются в интеграторе и переходят в целую часть, а значит и в ШИМ. Это позволяет при малых ошибках рассогласования или малом значении Ki уменьшать быстродействие регулятора. Малые значения будут долго переходить в целую часть.

Интегральные регуляторы обладают:

  • высокой точностью;
  • низкой скоростью регулирования;
  • посредственной устойчивостью, зависящей от скорости регулирования.

Почему для регулятора мощности на элементе Пельтье мы выбрали именно интегральный закон управления.

  • Элемент Пельтье меняет свои параметры в зависимости от температуры. Но происходит это крайне медленно. Быстрый регулятор нам просто не нужен.
  • Более того резкое изменение мощности на элементе Пельтье ведет к деградации полупроводниковых кристаллов модуля. Из-за резких изменений температуры в местах спайки полупроводников возникают механические напряжения, что ведет к снижению эффективности элемента и даже выходу его из строя. Поэтому как бы быстро не менял регулятор температуры заданное значение для регулятора мощности необходимо, чтобы изменение мощности на элементе Пельтье происходило плавно.
  • Есть еще конденсатор большой емкости на выходе регулятора, который также лучше заряжать медленно.

Например, при включении питания при не охлажденной камере холодильника регулятор температуры должен включить элемент на полную мощность. Необходимо, чтобы это произошло не мгновенно, а в течение нескольких секунд.

Ко всем этим требованиям идеально подходит именно интегральный регулятор. Более того коэффициент Ki мы специально снизим, чтобы обеспечить медленное изменение мощности на нагрузке.

Программа регулятора мощности.

Регулятор добавим в программу из предыдущего урока. Напомню, что в ней мы создали структуру программы контроллера и реализовали измерение напряжения, тока и мощности на нагрузке.

Нам нужны следующие переменные и константы:

float measureP; // измеренная мощность на нагрузке, Вт – эта переменная в программе уже есть.

float setPower; // заданная мощность
float regPwrInt=0; //
#define koeffRegPwrInt 0.05 //

Сам регулятор уместился в одну строку:

И еще надо перегрузить целую часть из интегратора в ШИМ:

analogWrite(9, (unsigned int) regPwrInt); // ШИМ

В принципе эта программа уже работает. Можно временно задать мощность равной, например, 5 Вт:

setPower = 5; // временно заданная мощность 5 Вт

вставить регулятор в цикл 20 мс и проверить. Но не хватает еще кое-каких операций.

Ограничение интегратора.

Мы работаем с реальной схемой. Допустим, задана мощность, которую регулятор не способен обеспечить, например, 50 Вт. Регулятор должен сформировать максимальный ШИМ. Но интегральное звено нашего регулятора будет продолжать увеличиваться. Когда оно превысит максимально-допустимое значение ШИМ (у нас это 255), ШИМ перестанет правильно работать. Скорее сбросится в 0 и опять начнет увеличиваться. Т.е. необходимо ввести ограничения интегрального звена. Оно не должно быть больше максимального значения ШИМ и не допустимо, чтобы оно стало отрицательным.

if (regPwrInt < 0) regPwrInt=0; // ограничение снизу
if (regPwrInt > ограничение сверху

"Мертвое время" ШИМ.

Есть еще одна тонкость работы с ШИМ. Импульсы на выходе ШИМ переключают реальный ключ. При уменьшении коэффициента заполнения импульсы включения ключа могут стать очень короткими. Для нашего ШИМ значение 1 соответствует импульсу длительностью 62,5 нс. За такое короткое время ключ не успеват открываться полностью и нормально работать не будет. Скорее всего при нашем низковольтном питании (12 В) беды не случится. Но в высоковольтных цепях источников питания (300 В и более) такая коммутация приводит к катастрофическим последствиям. Поэтому хороший стиль управления ШИМ – это запрет слишком коротких импульсов управления.

Введем два временных отрезка, на которых запретим работу ШИМ. Один отрезок вблизи нуля, второй около максимального значения. Общепринято длительность этих отрезков называть “мертвым временем” ШИМ (dead time). Алгоритм простой:

  • Если значение ШИМ меньше “мертвого времени”, то ШИМ равен 0.
  • Если значение ШИМ больше разницы максимального ШИМ и “мертвого времени”, то ШИМ равен максимальному значению.

Реализация этого алгоритма в программе выглядит так:


if (pwm < DEAD_TIME) pwm=0;
if (pwm >
analogWrite(9, pwm); // ШИМ

Я задал “мертвого времени” равным 500 нс:

#define DEAD_TIME 8 // мертвое время ШИМ (* 62,5 нс)

Выключение регулятора.

Последнее, что надо добавить это быстрое выключение регулятора. Я говорил, что регулятор должен медленно изменять мощность на элементе Пельтье. Но это не касается аварийного выключения. При setPower=0 будем выключать регулятор мгновенно.

Полностью программный блок интегрального регулятора мощности выглядит так:

//------------------ регулятор мощности
if (setPower != 0) {
regPwrInt = regPwrInt + (setPower - measureP) * koeffRegPwrInt;
if (regPwrInt < 0) regPwrInt=0; // ограничение снизу
if (regPwrInt > MAX_PWM) regPwrInt=MAX_PWM; // ограничение сверху
// мертвое время ШИМ
unsigned int pwm = (unsigned int)regPwrInt; // перевод в ШИМ
if (pwm < DEAD_TIME) pwm=0;
if (pwm > (MAX_PWM - DEAD_TIME)) pwm=MAX_PWM;
analogWrite(9, pwm); // ШИМ
}
else { // выключение
regPwrInt=0;
analogWrite(9, 0); // ШИМ
}

Serial.print(" p="); Serial.print(regPwrInt, 2); // интегральное звено регулятора мощности

И оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Проверка и настройка регулятора.

Теперь проверим работу регулятора на реальной нагрузке и определим интегральный коэффициент.

В качестве средства контроля работы регулятора будем использовать монитор последовательного порта. Не забудьте установить скорость 19200 бод.

Сначала я задал интегральный коэффициент равным 0,1.

#define koeffRegPwrInt 0.1 // интегральный коэффициент регулятора мощности

Запустил монитор последовательного порта и увидел такую картину.

Регулятор работает. Заданную мощность (5 Вт) устанавливает за 14-15 сек.

Замкнул один резистор. Мощность резко изменилась, но регулятор за 5-6 сек привел ее в норму.

Работает устойчиво. Об устойчивости надо судить по изменению целой части интегрального звена, т.е. ШИМ. В идеальном регуляторе ШИМ должен меняться на 1. Ток, а значит, и мощность “скачут” из-за не очень точной дискретизации АЦП при малых значениях. В принципе этот коэффициент (0,1) нас устраивает. Но лучше увидеть границы устойчивой работы регулятора и задать его с запасом.

Установил интегральный коэффициент равным 1 и увидел следующее.

Мощность устанавливается на заданном уровне примерно за 1 сек и регулятор продолжает работать устойчиво.

Теперь коэффициент 10.

Работает еще быстрее, но ШИМ начал “скакать” на 2-5 единицы. Регулятор работает неустойчиво. Такой коэффициент использовать нельзя.

Чисто в демонстративных целях я задал коэффициент равным 20.

Колебания достигли 30 единиц ШИМ. Вот осциллограмма напряжения на выходе. Все пошло в разнос.

Выбирайте коэффициент сами. Я думаю, что он не должен превышать 0,5. Я пока установил медленный коэффициент 0,05.

Регулятор устанавливает заданную мощность 5 Вт за 30 сек. При большей мощности будет работать еще медленнее. Но тем лучше для элемента Пельтье. Да и коэффициент всегда можно изменить.

Резюме.