Пропорциональное управление соленоидом без ПЛК и микроконтроллера

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2018

Robert Brewer

Electronic Design

Пропорциональное управление соленоидами используется в некоторых промышленных гидравлических системах и, как правило, выполняется с помощью микроконтроллеров или программируемых логических контроллеров (ПЛК). Такие сложные драйверы обычно требуют несколько различных источников для питания логики и управления. (Цель пропорционального управления состоит в том, чтобы переместить сердечник соленоида в произвольное положение и оставить его там). Однако в случае, когда нужно однократно установить положение сердечника и «забыть» про него, драйверу соленоида не должны требоваться ни дорогой ПЛК, ни вычислительная мощность микроконтроллера. В идеале, он должен работать от источника питания самого соленоида.

Эти требованиям удовлетворяет схема на Рисунке 1, которая, к тому же, занимает очень мало места на печатной плате. 350-миллиамперный драйвер светодиодов U2 содержит цепи аналогового и широтно-импульсного (ШИМ) диммирования. Обычно эта микросхема используется для управления светодиодами высокой яркости, но в данном приложении ее выход с открытым стоком (OUT) и вход токоизмерительного резистора (CS+) подключены непосредственно к выводам соленоида. Максимальный ток соленоида устанавливается резистором R6.

Рисунок 1.	Эта небольшая схема цифрового драйвера, выполненная на элементах поверхностного монтажа, обеспечивает пропорциональное управление соленоидом, не требуя микроконтроллера или ПЛК.

Схема управляет соленоидами в диапазоне напряжений питания от 6 В до 40 В постоянного тока, используя только источник, к которому подключен соленоид. Схема была испытана с 24-вольтовым тяговым соленоидом Ledex, рассчитанным на максимальный ток 290 мА.

Микросхема U1 представляет собой 32-позиционный энергонезависимый линейный цифровой потенциометр. Она включена переменным резистором, и ее внутреннее сопротивление 100 кОм вместе с R5 образуют делитель, выходное аналоговое напряжения которого от 0 В до 3.17 В подается на вход DIM микросхемы U2. После активации потенциометра отпусканием кнопки SW1 и установки направления изменения кнопкой SW2 (разомкнуть для увеличения, замкнуть для уменьшения), это напряжение на выводе можно инкрементировать каждым нажатием на кнопку SW3 (при разомкнутой кнопке SW1). За 32 цикла нажатия и отпускания SW3 будет пройден диапазон от 0 В до 3.17 В. С точки зрения положения движка, напряжение V_DIM на выводе DIM приблизительно равно

где

R5 = 56.2 кОм,
N – N-ое положение движка (между 1 и 32).

R3, R4 и C2 устраняют дребезг контактов кнопки SW3, инкрементирующей и декрементирующей положение движка. U2 с частотой 200 Гц коммутирует соленоид импульсами ШИМ, коэффициент заполнения которых изменяется в зависимости от напряжения на выводе DIM.

Микросхема U2 и соленоид подключены к одному источнику питания (в данном случае – 24 В). Потенциометр U1 питается напряжением 5 В с вывода V5 микросхемы U2, который может отдавать ток до 2 мА. Конденсаторы C1, C4 и C5 служат для развязки по питанию и устанавливаются в непосредственной близости у соответствующих выводов микросхем. Конденсатор C3 может понадобиться в том случае, когда схема расположена на расстоянии от источника питания. Обратный диод D1 позволяет току циркулировать через катушку соленоида в интервалах между импульсами ШИМ.

Встроенные цепи защиты U2 обеспечивает косвенную токовую и тепловую защиту всей схемы, противодействуя перегрузкам по току и коротким замыканиям, создаваемым дефектным соленоидом или закороченными проводами. Перемычка JU1 управляет микросхемой U2, подключая ее вход EN (вывод 19) либо к V_IN (включена), либо к земле (выключена). В Таблице 1 представлены режимы схемы для различных положений сердечника соленоида.

Таблица 1.

Зависимость положения сердечника соленоида от управляющего воздействия драйвера.

VIN (В с.к.з.) Смещение соленоида (дюймы) Напряжение на выводе DIM (В) Втягивающий ток соленоида (мА с.к.з.) Коэффициент заполнения (%) Выталкивающий ток соленоида (мА с.к.з.) 24.00 0.4375 2.752 245 90.4 22.2 24.00 0.3125 2.424 221 76.1 10.6 24.00 0.25 1.991 143 64.3 10.3 24.00 0.1875 1.657 104.1 52.6 10.2 24.00 0.125 1.392 79.1 43.64 10.2 24.00 0.0625 1.083 48.6 32.8 10.2 24.00 0.0312 0.909 39.2 26.9 10.2

На Рисунке 2а показаны формы напряжения и тока на выходе драйвера соленоида для случая, когда коэффициент заполнения импульсов ШИМ равен 26%. При таком коэффициенте заполнения ток обмотки, равный 32.4 мА с.к.з., смещает сердечник соленоида на расстояние 0.0312 дюйма (0.79 мм).

а) б)
Рисунок 2.	Эти осциллограммы токов и напряжений соленоида, сформированных схемой драйвера, соответствуют смещению сердечника на 0.0312" и 0.3215" при коэффициентах заполнения 26% (а) и 76% (б), соответственно.

На Рисунке 2б изображены импульсы напряжения и тока драйвера соленоида для коэффициента заполнения 76%, соответствующего току обмотки 211 мА с.к.з., смещающему сердечник на расстояние 0.312 дюйма (7.9 мм).

Материалы по теме