Регулятор скорости для радиоуправляемых автомобилей


Д. ТУРЧИНСКИЙ, г. Москва

Сейчас в продаже большой выбор радиоуправляемых игрушек. Практически все радиоуправляемые автомобили имеют дискретное управление и выполняют четыре команды — вперед, назад, вправо и влево. Несмотря на широкий выбор моделей разных размеров и типов, они имеют один общий недостаток: в условиях квартиры, где они в основном и "работают", скорость их чрезвычайно высока. О том, как довести ее до приемлемого уровня, и рассказывается в этой статье.

Первая приобретенная автором симпатичная и недорогая модель спортивного автомобиля носилась со скоростью 10 км/ч и ее пришлось немедленно заменить на более тихоходный джип. Но и у этой модели скорость была чрезмерной не только для квартиры, но и для больших помещений.

Причина высокой скорости автомобилей проста — для снижения себестоимости игрушки ведущие колеса закреплены непосредственно на валу ротора электродвигателя. Вполне естественным и очевидным решением данной проблемы была бы установка редуктора между электродвигателем и ведущими колесами. Однако выполнить такую доработку в любительских условиях трудно. Кроме того, применение редуктора с фиксированным передаточным числом не дает возможности регулировать скорость.

По указанным причинам не только реальным, но и наилучшим выходом будет применение электронного регулирования. Простейшее и очевидное решение — установка аналогового регулируемого стабилизатора напряжения. Однако это решение и самое неэффективное, в первую очередь, ввиду низкого КПД. поскольку часть энергии батареи питания будет превращаться на регулирующем транзисторе в тепло, которое еще надо и отводить. Кроме того, при снижении напряжения питания электродвигателя уменьшается его вращающий момент, что затрудняет трогание автомобиля с места.

Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения хотя и позволяют получить высокий КПД, но неприемлемы ввиду сложности. Наилучшим решением оказывается применение ключевых ши-ротно-импульсных регуляторов напряжения, которые сочетают простоту конструкции с высоким КПД. Их недостаток — отсутствие стабилизации действующего значения выходного напряжения, поэтому при разрядке батареи питания и снижении ее напряжения будет уменьшаться вращающий момент двигателя, а следовательно, и ркорость автомобиля. Но поскольку для игрушечного автомобиля этот фактор не имеет существенного значения, автор не счел целесообразным усложнять конструкцию введением дополнительного узла стабилизации выходного напряжения.

Предельная простота схемы в сочетании с поверхностным монтажом позволили настолько уменьшить размеры устройства, что его можно монтировать даже на небольшие модели. Регулятор нормально работает в диапазоне напряжений 3... 15 В; при увеличении напряжения лишь несколько возрастает частота встроенного генератора.

Схема электронного регулятора приведена на рис. 1. Он содержит генератор импульсов, собранный на элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы DD1, одно-вибратор с регулируемой длительностью генерируемых импульсов, собранный на элементах DD1.3, DD1.4, и ключевой транзистор VT1. Генератор и однови-братор собраны по стандартным схемам, и описание их работы приводить нет смысла. Номинальная частота генератора составляет 50 Гц. Такая частота оптимальна, поскольку при большей частоте время, в течение которого на двигатель подается напряжение, слишком мало, чтобы преодолеть инерцию и трение покоя двигателя. Кроме того, двигатель начинает "звучать", что особенно заметно при минимальной длительности импульсов. При меньшей частоте двигатель начинает вращаться с заметными толчками, что также особенно сильно проявляется при минимальной длительности импульсов. Частота 50 Гц, в отличие от более высокой, менее опасна в отношении радиопомех.

ru-r850-1.gif
Рис. 1

Импульсы с выхода генератора укорачиваются дифференцирующей цепью C2R3VD1 и поступают на вход запуска одновибратора. Длительность генерируемых одновибратором импульсов устанавливают переменным резистором R5, который, собственно, и является регулятором скорости автомобиля. С выхода одновибратора управляющие импульсы поступают на ключевой транзистор VT1, который периодически, с частотой следования импульсов, подает питание на двигатель. Применение в качестве ключевого полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом р-типа позволило выполнить соединение напрямую, без каких-либо дополнительных элементов согласования. Диод VD3 служит для защиты ключевого транзистора от выбросов напряжения, возникающих на индуктивности обмоток двигателя в момент выключения импульса тока.

Устройство смонтировано на печатной плате (рис. 2), выполненной из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,7... 1 мм. Чертеж печатной платы приведен на рис. 2 в масштабе 2:1. Элементы, предназначенные для поверхностного монтажа, устанавливают пайкой со стороны печатных проводников.

ru-r850-2.gif
Рис. 2

Печатная плата рассчитана на чип-резисторы и керамические чип-конденсаторы типоразмеров 1206 и 0805. Чип-диод VD1 может быть заменен "обычным" диодом типа КД102 или КД103. Дио од VD2 — любой маломощный. Диод VD3 также любой, но с рабочим током не менее 0,5 А. Переменный резистор — любой малогабаритный, например, типа СПЗ-4ам. Силовой транзистор может быть заменен на IRF9530, хотя он и имеет несколько большее сопротивление открытого канала. Возможно применение и других транзисторов, например, IRF9Z34N, IRF9Z24 и т. п. При напряжении питания в пределах 3...9 В допустимо применение микросхемы К176ЛА7.

Регулятор подключают к плате управления автомобиля в трех точках, как показано на рис. 3. Для этого автомобиль необходимо разобрать, найти провода питания от батареи, а на печатной плате — микросхему управления двигателем. Обнаружить ее несложно — от нее идут провода к двигателю. Затем перерезают печатный проводник плюса питания, идущий к микросхеме, и к нему со стороны микросхемы припаивают провод от точки В регулятора. Проводники от точек А и С (это плюс и минус питания) припаивают в любых удобных местах. Переменный резистор управления скоростью размещают в наиболее подходящем и удобном для регулировки месте, например, на задней стенке автомобиля.

ru-r850-3.gif
Рис. 3

Налаживание регулятора сводится к установке частоты задающего генератора и длительности генерируемых одновибратором импульсов. Частоту настраивают подбором резистора R2 по обычной методике — сначала устанавливают нужную частоту с помощью переменного резистора, а потом заменяют его постоянным с таким же сопротивлением. Контролировать частоту можно частотомером, осциллографом или даже на слух, присоединив к точкам В и С какой-либо звукоизлучатель, например телефоны.

Установка длительности генерируемых одновибратором импульсов аналогична, но несколько сложнее, поскольку приходится учитывать не только большой разброс по емкости керамического конденсатора СЗ, но также и диапазон изменения сопротивления переменного резистора R5. Длительность генерируемых одновибратором импульсов должна плавно регулироваться в пределах от 0,2 до 0,8 периода следования импульсов задающего генератора. Другими словами, коэффициент заполнения должен изменяться в указанных пределах. Этого добиваются подбором конденсатора СЗ, резистора R4 и лишь в редких случаях — резистора R5.

Контролировать длительность управляющих импульсов можно с помощью осциллографа, подключенного к базе транзистора VT1 или параллельно электродвигателю автомобиля. Однако это удается сделать и без приборов, ориентируясь по работе самого двигателя.

Устанавливать больший диапазон регулирования в некоторых случаях просто нет смысла, поскольку даже при коэффициенте заполнения 0,8 скорость автомобиля чрезмерно велика, а при значении меньше 0,2 автомобиль может и не тронуться с места.

Радио8-2005, с.55-56