Исполнительные механизмы RC-аппаратуры

Обзор схемотехники аппаратуры для дистанционного пропорционального управления моделями не будет полным, если не рассказать об исполнительных механизмах (устройствах) - о рулевой машинке, часто ее еще называют - "серва" и регуляторах хода.

Сразу отметим, что эта статья является обзорно-аналитической, и несмотря на то, что мы приведем здесь пару вариантов принципиальных схем сервоэлектроники рулевой машинки (РМ), повторять их не рекомендуем, т.к. по опыту знаем, что в домашних условиях качественно изготовить микроминиатюрную электронику, а особенно - механику (микродвигатель и редуктор) - нереально. Именно поэтому мы не разрабатывали и не будем разрабатывать печатные платы для этих схем. В тоже время, самостоятельная сборка простого регулятора хода по хорошо отлаженной схеме, вполне доступна даже начинающему моделисту.

Материал данной статьи, касающийся рулевых машинок, может найти практическое применение только при конструировании простых исполнительных механизмов для каких-либо прикладных устройств, скорее всего не связанных с моделизмом. Тем не менее, знакомство с конструкцией и принципом работы рулевой машинки необходимо для понимания основ всей системы пропорционального дистанционного управления.

Рулевая машинка

Назначение рулевой машинки очевидно: она предназначена для того, чтобы пропорционально и синхронно с ручкой управления на передатчике изменять положение руля управления модели, развивая при этом необходимое усилие.

Пропорциональность управления определяется шириной (длительностью) канального импульса и точностью его формирования, передачи и обработки всеми звеньями радиоканала (кодер - передатчик - приемник - декодер - сервоэлектроника). Этот параметр зависит как от внешних факторов, так и от свойств самой РМ. Синхронность (обычно этот параметр заменяют "временем перекладки" из одного крайнего положения в другое), так же, как и развиваемое усилие, параметры исключительно "внутренние", они зависят от конкретной конструкции РМ: от мощности электромотора, его оборотов и передаточного числа (отношения) редуктора. Кроме того, есть еще один очень важный критерий оценки качества рулевой машинки - точность позиционирования, т.е. точность установки исполнительного органа РМ в заданное положение. Время перекладки РМ обычно измеряется в "секундах /градус" (лучшие образцы машинок имеют "резвость" порядка 0.1 - 0.07 сек / 45 град), точность позиционирования - величина угловая, и измеряется в градусах (типичная величина ~ 0.5 - 1.0 град), а усилие измеряется в кг/см или Н/см (здесь разброс показателей очень велик, он зависит от конкретного типа машинки и может колебаться от 0.5 кг/см (5 Н/см) до 15 кг/см (150 Н/см) и более).

Следует иметь в виду, что параметры "скорострельности" и "мощности" РМ связаны между собой: чем быстрее машинка (при прочих равных условиях), тем меньшее усилие на валу она способна развить, и наоборот. Не стоит при выборе машинки обращать особого внимания на ее скоростные качества - быстроты реакции даже самой "тупой" сервы обычно хватает для большинства типов простых моделей. В хоббийном моделизме гораздо большее значение имеет "тяговитость" механизма, т.к. этот параметр обычно косвенно характеризует и его механическую прочность.

Сервоэлектроника

Импульсный широтно-моделированный сигнал (см. Рис.1.) с выхода декодера поступает на одновибратор ОВ рулевой машинки, аналогичный описанному в статье "PPM-кодер для RC-аппаратуры". Длительность импульсов, генерируемых этим одновивибратором, регулируется потенциометром R, жестко связанным с выходным валом мотора-редуктора РМ и однозначно зависит от его положения. В среднем положении вала мотора-редуктора длительность импульсов на выходе ОВ равняется 1.5 мс, как вы помните, такую же длительность имеют канальные импульсы при среднем положении ручки управления. При повороте вала мотора-редуктора из одного крайнего положения в другое, длительность "опорных" импульсов на выходе одновибратора будет изменяться примерно от 0.7 мс до 2.3 мс. Это чуть больше, чем изменение длительности канальных импульсов при отклонении ручки управления, и необходимо для предотвращения поломок механики РМ.

В случае несинхронного отклонения ручки управления или поворота вала мотора-редуктора, длительность канального или "опорного" импульсов изменится, и они уже не будут равны между собой. Именно эта разница в длительности двух импульсов и позволяет осуществить "пропорциональность" управления. Оба импульса (входной импульс РРМ и импульс с выхода ОВ) подаются на схему сравнения. Схема сравнения имеет два входа и два выхода и работает очень интересно. Если к обоим ее входам приложить уровень логического "0", то на обоих выходах также установится уровень логического "0". Если же к одному из входов (допустим, ко входу "А") приложить уровень логической "1", то на соответствующем ему выходе "А" также установится высокий уровень логической "1", который независимо от последующих изменений состояния входа "В" будет сохраняться до того момента, пока оба входа не будут вновь "обнулены". Если же после "обнуления" высокий уровень первым приложить ко входу "В", то уровень логической "1" установится уже на выходе "В", и также будет сохраняться до момента "обнуления" обоих входов. Но если после обнуления высокий уровень одновременно установить на обоих входах схемы, состояние выходов не изменится, т.е. останется "низким". Такой алгоритм гарантирует, что в любой момент времени высокий уровень может быть только на одном из выходов схемы.

С выходов "А" и "В" схемы сравнения сигналы поступают на входы двухканального релейного усилителя (усилителя-переключателя), к которому подключен электродвигатель рулевой машинки. В нормальном состоянии выходы обоих каналов усилителя "низкие", т.е. они оба имеют потенциал "земли". В случае поступления на любой из входов усилителя логической "1" на его соответствующем выходе устанавливается высокий потенциал, равный напряжению источника питания. Электродвигатель начинает вращаться, сразу же развивая полную мощность. Как только соотношение длительностей импульсов на входе схемы сравнения изменится, после очередного "обнуления" высокий уровень будет установлен на другом входе усилителя-переключателя, электродвигатель "реверсируется", т.е. начнет вращаться в другую сторону. При такой схеме двигатель постоянно развивает максимальную мощность, а время переходных процессов практически сведено к нулю. Такая сервоэлектроника в последнее время называется "цифровой".

В обычных, "аналоговых" схемах сервоэлектроники происходит сравнение длительности импульса входного РРМ сигнала и импульса ОВ, после чего формируется очень короткий "разностный" импульс. В зависимости от длительности и полярности этого "разностного" импульса и формируется сигнал управления электродвигателем, который в такой схеме подключается одним выводом к искусственной "средней" точке источника питания и по этой причине всегда работает "в пол-силы". Не смотря на то, что короткий "разностный" импульс искусственно "растягивается", при таком способе очень трудно получить высокие "нагрузочные" характеристики РМ, т.к. двигатель практически никогда "не отдает" в нагрузку максимально возможного усилия. По этой причине "цифровые" сервы по основным параметрам намного превосходят стандартные "аналоговые".

Рассмотрим подробнее, как происходит процесс управления "цифровой" рулевой машинкой. Пусть в начальный момент времени ручка управления на передатчике и исполнительный орган (вал мотора-редуктора) установлены в среднее (нейтральное) положение. Длительность канальных импульсов РРМ равна длительности импульсов одновибратора ОВ: Т' = Т" = 1.5 мс. Это состояние можно назвать "балансом импульсов". На выходах схемы сравнения постоянно присутствуют низкие уровни логического "0". Такие же потенциалы установятся и на обоих выходах усилителя-переключателя. Электродвигатель мотора-редуктора не вращается.

Допустим, что отклонение ручки управления на 1 градус в ту или иную сторону вызывает увеличение (или уменьшение) длительности канального импульса на 0.01 мс (коэффициент пропорциональности К = 100 град/мс). Как только мы отклоним ручку управления на какой-либо угол (к примеру - на 26 градусов) и зафиксируем ее, длительность канального импульса также изменится, предположим - уменьшится на 0.26 мс (см. Рис.2). Это приведет к тому, что положительный фронт канального импульса РРМ попадет на вход схему сравнения на 0.26 мс раньше положительного фронта импульса одновибратора ОВ. На выходах "А" схемы сравнения и усилителя-переключателя установятся высокие потенциалы, а электродвигатель начнет вращаться, допустим, по часовой стрелке, изменяя положение вала мотора-редуктора и связанного с ним ползунка потенциометра R. Возникнет "механическая обратная связь", которая изменив положение ползунка потенциометра R изменит и длительность импульса одновибратора также в сторону уменьшения. Через какое-то время (оно зависит от оборотов электродвигателя и передаточного отношения редуктора) ползунок потенциометра R, связанный с выходным валом мотора-редуктора, повернется на 26 градусов и установится в такое положение, при котором длительность импульса ОВ также уменьшится на 0.26 мс и снова сравняется с длительностью импульса РРМ. На выходе "А" схемы сравнения установится низкий уровень, и электродвигатель остановится. Если теперь ручку управления вернуть в нейтраль, или отклонить в другую сторону, схема сравнения "отработает" по каналу "В", электродвигатель начнет вращаться против часовой стрелки, изменяя положение ползунка резистора R в другую сторону и увеличивая длительность импульса ОВ, "уравнивая" его с импульсом РРМ.

Если же "разбалансировка" импульсов произойдет не по команде спортсмена, а от самопроизвольного перемещения руля управления модели, допустим под воздействием аэродинамических сил (нагрузок), то и в этом случае система "автосбалансируется", и компенсирует изменение положения рулей модели, приведя их в соответствие с положением ручки управления на передатчике.

Сервомеханика

Рассматривая работу сервоэлектроники мы идеализировали кинематику рулевой машинки, и не принимали во внимание физические свойства ее составляющих. Но детали, из которых состоит "мотор-редуктор" обладают массой, и в следствии этого - инерционностью. Естественно, что инерционность подвижных деталей, от положения которых зависят времязадающие параметры "опорного" одновибратора, будет вносить значительные возмущения в работу всей электронной части рулевой машинки, и должна быть каким-то образом компенсирована.

При разработке рулевых машинок используются конструктивные решения, позволяющие снизить массу вращающихся с большой скоростью частей и применяют конструкционные материалы, демпфирующие их кинетическую энергию. Типичная конструкция рулевой машинки показана на Рис.3.

Рис.3 Конструкция типичной РМ фирмы Robbe-Futaba

Диаметр типичного микро-электродвигателя для РМ всего 10 - 15 мм, длина - того же порядка. Масса такого электродвигателя в сборе порой не превышает 10 грамм. Масса ротора при этом - не более 2-3 грамм, но число оборотов в минуту может превышать 20.000! При таких оборотах даже субминиатюрный ротор диаметром 7 - 10 мм и массой около 1.0 грамма обладает внушительным запасом кинетической энергии, которая не позволяет ему мгновенно остановиться при отключении электропитания. Инерционное вращение ротора приводит к "выбегу" исполнительного органа на несколько градусов и обратной разбалансировке схемы сравнения, которая реверсирует двигатель, он начинает вращаться в обратную сторону, снова "выбегает" и т.д. Этот "колебательный" процесс может длиться бесконечно...

Для того, чтобы избежать этого, в цепи сервоэлектроники вводят отрицательную обратную связь, так называемое "электронное демпфирование", которое позволяет обесточить двигатель чуть раньше, чем электронно-механическая система РМ достигнет точки "баланса импульсов". Эта простая мера имеет один существенный недостаток: у системы появляется так называемая "мертвая зона" - область, в которой схема сравнения не реагирует на относительное изменение длительности импульсов. От величины "мертвой зоны" зависит точность позиционирования РМ, параметр, о котором мы упоминали в начале этой статьи. У современных РМ величина "мертвой зоны" (это угол поворота вала мотора-редуктора) и точность позиционирования не превышает долей градуса.

Наряду с электронным демпфированием применяют и механическое демпфирование (не путать с механической обратной связью). Шестерни редуктора часто изготавливают из достаточно "вязких" пластмасс: капрона, полистирола или полиамида (для увеличения прочности их часто армируют стекловолокном или другими волокнистыми наполнителями). Материал шестерен, наряду со специальным модулем и профилем зубьев несколько ухудшает общую динамику РМ, "подтормаживая" электродвигатель, но зато существенно уменьшает величину инерционного "выбега" и позволяет сузить "мертвую зону".

Вообще, конструкция редуктора РМ достаточно сложная. Попробуем рассчитать редуктор для РМ с электродвигателем, развивающим 15.000 об/мин. Примем время "перекладки" выходного вала РМ из одного крайнего положения в другое (т.е. поворот примерно на 180 градусов) равным 0.5 секунды. Несложная арифметика показывает, что общее передаточное отношение такого редуктора будет равно 1 : 250. С учетом габаритных размеров корпуса миниатюрной РМ (ширина ~ 10 -12 мм) максимальный диаметр шестерни может быть не более 10 мм. Модуль зуба определит диаметр малой шестерни: он будет ~ 2,5 мм. Отсюда передаточное отношение одной пары шестерен: 10 / 2.5 = 4.0, а необходимое число пар шестерен в редукторе оказывается равно четырем. На практике все пары шестерен в миниатюрных редукторах делают разными, их число достигает 5 - 8, а передаточное число редуктора может быть даже 1 : 1000. Часто 2-3 выходные, самые нагруженные пары шестерен изготавливают из металла, а последнюю, самую мощную шестерню иногда делают не полной окружности, а в виде сектора ~ 200 градусов и ее ось устанавливают в шарикоподшипники . С этой шестерней обычно и бывает "аксиально" (соосно) связан потенциометр R (это хорошо видно на Рис.3). Кстати: машинки с цельнометаллическим редуктором обычно имеют более высокий КПД, и способны развивать большее усилие на валу, но более "строги" в регулировках и имеют больший инерционный выбег (см. Рис.4). Необходимо так же отметить, что механика РМ не должна иметь каких-либо люфтов: наличие даже незначительной "слабины" хотя бы в одном сопряжении рулевой машинки резко ухудшает ее позиционирование и расширяет "мертвую зону".

Рис.4 Рулевая машинка с цельнометаллическим редуктором

Примеры принципиальных схем сервоэлектроники

Первые промышленные образцы рулевых машинок для систем пропорционального управления были достаточно громоздкими и тяжелыми: в них использовались дискретные радиоэлементы, стандартные "малогабаритные" электродвигатели и отнюдь не миниатюрные шестерни.

Со временем часть дискретных элементов (в первую очередь - одновибратор) заменилась на стандартные интегральные микросхемы общего применения. Несколько лет назад появились специализированные микросхемы для РМ, которые в одном корпусе объединили все элементы сервоэлектроники: от одновибратора, до усилителя-переключателя. Применение подобной микросхемы, часто выполненной в миниатюрном "планарном" корпусе, позволяет отказаться от большинства "навесных" радиодеталей, оставив только потенциометр R, несколько подстроечных элементов и один - два "блокирующих" конденсатора в цепях питания.

Значительно изменилась и конструкция редуктора и электродвигателя. С уменьшением габаритов корпуса РМ пришлось уменьшать максимальный диаметр шестерен, и для получения необходимого передаточного числа увеличивать их количество. Наряду с металлическими шестернями стали использовать шестерни из пластических масс. Очень сильно уменьшились размеры электродвигателя. Субминиатюрные электродвигатели современных РМ имеют диаметр ~ 7 мм, длину ~ 10 мм и весят гораздо меньше 5 грамм! Микро-машинка с пластмассовым редуктором, оснащенная таким двигателем и "однокорпусной" сервоэлектроникой имеет массу менее 10 грамм, а по основным характеристикам почти не уступает своим "крупногабаритным" прототипам (см. Рис.5).

Рис.5 Субминиатюрная РМ типа S3103 фирмы Robbe-Futaba

К сожалению, приобрести подобный электродвигатель, редуктор и микросхему сервоэлектроники невозможно - обычно они не продаются в розницу даже в тех странах, где производятся. А стоимость "ремкомплекта" немногим отличается от стоимости новой рулевой машинки. Думаю, теперь понятно, почему мы не рекомендуем заниматься повторением подобных конструкций в домашних условиях...

Тем не менее, для особо "упертых юных техников" мы приводим несложную схему сервоэлектроники на дискретных элементах, ранее неоднократно описанную в литературе, и более современную, с применением специализированной микросхемы M51660L фирмы Mitsubishi. Без каких-либо комментариев и советов по их настройке...

Что же в этом "хорошо" и что же в этом "плохо"?

Казалось бы, что конструкция рулевой машинки уже достигла предела совершенства. Но нам представляется, что это далеко не так. Ведь у самых первых "пропорциональных" серв, и у самых современных рулевых машинок одинаковые недостатки и "болеют" они одними болезнями. О недостатках мы уже немного рассказали: в первую очередь, это не высокая точность позиционирования, обусловленная наличием "мертвой зоны". Затем - "механическое демпфирование", снижающее общий КПД рулевой машинки и развиваемое на исполнительном органе усилие. Кроме того надо помнить, что работающий в "старт-стопном" режиме коллекторный двигатель постоянного тока является источником мощных радиопомех двух видов.

Первый вид помех - прямое радиоизлучение широкого спектра от искрения щеток (а микроискрение есть всегда, даже при идеальном состоянии полированного золоченого коллектора и специальных щеток из золотых сплавов). Этот вид помех можно подавить, применяя сплошное экранирование РМ магнитомягкими материалами (сталями, пермаллоями), но это резко увеличивает массу конструкции и не всегда дает желаемые результаты - ведь излучателями этих помех являются соединительные провода не только идущие к электродвигателю, но и соединяющие саму рулевую машинку с приемником. В результате приемник постоянно работает как бы в "тумане" из микро-радиопомех. По мере износа коллектора и щеток, уровень этих "наводок" растет, и в экстремальных случаях может попросту "забить" полезный сигнал.

Второй вид помех - мощные низкочастотные "броски" тока, возникающие в цепях питания в моменты включения электродвигателя. Дело в том, что "пусковые" токи даже миниатюрного электродвигателя могут в десятки раз превышать его "рабочий" ток и порой достигают сотен миллиампер, а то и единиц ампер. Не смотря на то, что длительность этих "бросков" очень мала (всего лишь единицы или десятки микросекунд), они "успевают" пробежать по всем цепям питания и достигают приемную часть аппаратуры, оказывая на нее воздействие, аналогичное воздействию внешней помехи. К этому же виду помех можно отнести и броски напряжения, так же возникающие в цепях питания в моменты выключения электродвигателя и имеющие природу индуктивного характера: в обмотках электродвигателя, расположенных в сильных магнитных полях и имеющих большую индуктивность, возникает противо-ЭДС, величина которой может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Если учесть, что двигатель РМ постоянно включается - выключается, реверсируется и т.д., становится очевидно, что все эти броски не разовая, а постоянно действующая помеха, совсем не полезная для приемника. Для подавления этого вида помех применяют различные электрические фильтры, в основном это низкочастотные дроссели, электролитические конденсаторы большой емкости (и, как следствие, относительно больших габаритов и массы) и керамические конденсаторы, подавляющие высокочастотные составляющие помех первого и второго видов. Иногда применяется и более сложная защита в виде оптоэлектронной развязки с использованием раздельных источников питания для приемника и рулевых машинок.

Мы уже назвали одну из причин преждевременного выхода из строя РМ: это износ коллектора и щеток электродвигателя. Но есть еще один элемент, "стареющий" достаточно быстро при интенсивной эксплуатации - это времязадающий потенциометр одновибратора. Постоянное "шоркание" графитовой щетки по токопроводящему резистивному слою потенциометра в области "нейтрального" положения приводит к локальному истиранию этого слоя и возникновению "провалов" именно в этом месте. При небольшом смещении "точки баланса" видимость работоспособности восстанавливается, но это именно видимость, т.к. эксплуатация такого "полуживого" потенциометра может в любой момент привести к общему отказу РМ и чревата потерей модели.

Перспективы развития

Итак, мы определили две основные "болевые" точки рулевых машинок: это электродвигатель и потенциометр. Обе эти "болячки" являются "хроническими" и сопровождают рулевую машинку с момента ее рождения. Давайте пофантазируем, и попробуем найти радикальные решения, с помощью которых удастся "вылечить" электродвигатель, потенциометр, а заодно - и улучшить работу сервоэлектроники.

Начнем с электродвигателя. В рулевых машинках традиционно используются коллекторные двигатели постоянного тока. Они пришли в дистанционное управление еще при дискретных системах, когда передаваемые на модель команды были двух типов: "включено" - "выключено". Наряду с неоспоримыми достоинствами - относительной конструктивной простотой и простотой коммутации, возможностью подачи электропитания непосредственно от бортового аккумулятора, и высокими энергетическими характеристиками, эти электродвигатели имеют "врожденные" недостатки, о которых мы уже говорили. Процесс эволюции электромоторов для РМ коснулся, в основном, их конструкции, но, к сожалению, не изменил принципа их работы.

Но есть еще один класс электромоторов - асинхронные двигатели переменного тока. Эти электромоторы не имеют самых уязвимых частей двигателя постоянного тока: коллектора и щеток, которые, к тому же, являются источниками радиопомех. Кроме того, возможно создание асинхронного двигателя со сверхлегким (а значит, и безинерционным) полым ротором. Да и обороты этого двигателя регулируются, при необходимости, достаточно просто - изменением частоты питающего тока, при почти неизменных "тяговых" характеристиках. И пусковые характеристики у них гораздо "мягче". Правда, еще несколько лет назад было невозможно создать миниатюрный и легкий трехфазный генератор переменного тока для питания подобного двигателя - не позволяла элементная база. Это и сдерживало применение асинхронных моторов в рулевых машинках. Но сегодня эта причина отсутствует. В вычислительной технике давно применяются специализированные микроконтроллеры для управления трехфазными двигателями приводов дисководов, винчестеров и CD-ROM-ов, а в моделизме самими перспективными ходовыми моторами уже считаются именно трехфазные асинхронные электродвигатели. Что же мешает применить такой мотор и в рулевой машинке?

Теперь о потенциометре. И эта деталь - дань традициям. Рулевая машинка, как и многие другие узлы RC-аппаратуры изначально была "аналоговой", а со временем почти превратилась и в цифровое устройство. Почти, потому что датчик ее положения - одновибратор с времязадающим потенциометром - остались, по сути, аналоговыми, параметрическими элементами. Но ведь есть масса чисто "цифровых" способов формирования и измерения временных интервалов. И при этом способных обеспечить гораздо более высокую точность позиционирования. Посмотрите, что в данный момент находится у вас в правой руке, и вы все поймете... Да, это мышь вашего компьютера, с помощью которой вы позиционируете курсор на экране монитора сразу по двум координатам! Не меньшую точность могут обеспечить и датчики Холла, широко применяемые в самых разных областях техники и электроники.

Ну а теперь сделаем еще один шаг в наших фантазиях, и попробуем "сконструировать" принципиально новую рулевую машинку, взяв за основу миниатюрный трехфазный электромоторчик, а в качестве датчика положения выходного вала применив оптоэлектронный датчик, аналогичный тому, что применяется в компьютерной мышке. Такая конструкция сразу "убьет трех зайцев": резко уменьшит вероятность отказа электромотора, исключит механический отказ датчика положения и существенно снизит уровень радиопомех.

Очевидно, что в основе такой РМ будет лежать микропроцессор, который при включении питания "достанет" из памяти данные о точке "баланса импульсов", измерит и "оцифрует" длительность входного РРМ-импульса, с помощью оптодатчика определит начальный угол установки выходного вала мотора-редуктора, рассчитает угол его поворота и необходимое для этого количество оборотов двигателя с учетом передаточного числа редуктора, подаст команду на запуск трехфазного генератора, питающего электродвигатель, а за 1 - 2 градуса до того, как будет достигнута расчетная точка "баланса импульсов" изменит частоту питающего генератора так, чтобы плавно остановить электродвигатель именно в заданной точке, полностью исключив его инерционный "выбег", учитывая при этом реальное усилие на валу! Специальные алгоритмы обработки данных, записанные в память процессора, отфильтруют паразитные флуктуации длительности РРМ-сигнала, и позволят свести к нулю "мертвую зону", а значит, во много раз увеличат точность позиционирования РМ. Тот же процессор перед выключением питания установит рулевую машинку в положение "парковки", обеспечив условия безопасной транспортировки и хранения модели...

М-да... Мечты-мечты... Но, в принципе, уже сегодня в арсенале конструкторов есть все необходимое для создания подобного устройства и будем надеяться, что уже в самое ближайшее время такие рулевые машинки станут доступны моделистам.

Регулятор хода

Без регулятора хода невозможно построить даже самую простую модель, приводимую в движение электродвигателем. Простейший вариант регулятора хода (РХ) - это обыкновенный выключатель, связанный тягой с обычной рулевой машинкой. Более "сложные" РХ, построенные по этому принципу, позволяют реверсировать двигатель для движения модели "задним ходом", а часто и реализуют функции двух-трехступенчатой "коробки передач", подавая напряжение питания на двигатель через цепочку балластных резисторов, замыкаемых последовательно. Относительная простота подобных "включалок" перевешивает их существенные недостатки (прежде всего, невысокую надежность и крайне низкий КПД на "пониженных передачах") и такие РХ широко применяются даже в промышленных моделях "игрушечного" класса. Конструкции этих устройств достаточно тривиальны, и мы не будем на них останавливаться.

В спортивных моделях применяют более сложные электронные регуляторы хода, с помощью которых можно не просто ступенчато изменять напряжение на ходовом двигателе, но даже плавно регулировать обороты мотора в очень широком диапазоне от "малого газа" до "педали в пол" как при движении вперед, так и на "заднем ходу". Очевидно, что эта функция актуальна только для автомоделей, и, возможно - для судомоделей.

По сути, электронный регулятор с "реверсом" и регулировкой оборотов, это обычная аналоговая сервоэлектроника РМ, только с более мощными выходными каскадами. Это очевидно из схем, показанных на Рис.5 и Рис.6. Ведь если электродвигатель РМ в этих схемах заменить на более мощный ходовой мотор, работа системы не изменится, только в движение будет приводиться вся модель, а не выходной вал редуктора.

К сожалению, регуляторы, построенные по такому принципу, тоже имеют невысокий КПД и поэтому применяются только в моделях с маломощными двигателями. Реальный КПД таких регуляторов в лучшем случае на превышает 70 - 80%, а в переходных режимах может уменьшаться до 10 - 20%. Это значит, что до 80% мощности, потребляемой энергетической установкой модели от аккумуляторов, будет затрачиваться буквально на "разогрев атмосферы". Если учесть, что некоторые современные электродвигатели для спортивного моделизма рассчитаны на работу под напряжением 30 вольт, а потребляют при этом ток до 100 ампер (например, двигатель KF744/4-PRO, выпускаемый фирмой ROBBE), то не сложно рассчитать, что "в воздух" рассеивается до 1.5 - 2.0 киловатт мощности! Далеко не каждая бытовая электроплита имеет такие нагревательные конфорки... Очевидно, что для восполнения этих потерь приходится увеличивать электрическую емкость аккумуляторной батареи, а это влечет за собой резкое увеличение массы источника питания.

Гораздо более высокие эксплуатационные характеристики имеют электронные регуляторы, а точнее - коммутаторы, не предназначенные для реверсирования двигателя и плавной регулировки оборотов (их еще называют "включалками"). От этих устройств требуется только одно - подать на электромотор напряжение питания с минимальными потерями. В качестве активного элемента, "выключателя", обычно используют мощные современные полевые транзисторы, способные коммутировать постоянные токи до нескольких сотен ампер. Некоторые типы MOSFET транзисторов имеют исключительно низкое "напряжение насыщения", не превышающее 0.05 В при максимальном коммутируемом токе. Но даже на таких "коммутаторах" потери могут составлять десятки ватт. Именно поэтому, при размещении коммутатора на модели, необходимо уделять особое внимание условиям его охлаждения. На судомодели эта задача решается просто: забортная вода пропускается через каналы металлического радиатора-теплообменника, на котором закрепляют коммутирующий элемент. На авто- и авиамоделях приходится довольствоваться простым обдувом электронного коммутатора.

Основу электронного коммутатора составляет специализированный микропроцессор, который не только обрабатывает входной РРМ-сигнал, но и выполняет еще некоторые дополнительные функции. Прежде всего это "электронный тормоз". Воздушный винт авиамодели, вращающийся со скоростью до 20 тысяч оборотов в минуту и более (на авиамоделях не всегда применяют моторы с понижающими редукторами), после отключения питания продолжает вращаться по инерции, превращаясь в аэродинамический тормоз для модели. Для уменьшения "тормозного эффекта" лопасти винта делают складывающимися. Очевидно, что перед этим необходимо остановить вращение вала мотора и пропеллера. Проще всего это сделать, "закоротив" щетки электродвигателя, и мотор "сам себя остановит". Для этого, после отключения питания ходового двигателя, "включается" тормозной транзистор (аналогичный главному коммутирующему), подключенный параллельно выводам электромотора. Он замыкает возникающую в электромоторе ЭДС, которая и тормозит двигатель.

Как мы уже говорили, мощные современные электродвигатели даже в "маршевых" режимах потребляют очень большие токи, порой достигающие 100 ампер. В момент "пуска" двигателя ток может в десятки раз превышать "обычные" рабочие значения, и порой достигает величин, которые измеряются уже в килоамперах! Обычные модельные NiCd аккумуляторы на таких режимах не только быстро "закипают", но и просто долго не живут. Естественно, что при старте такого двигателя возникают еще и огромные механические (динамические) усилия, способные не только деформировать конструкцию модели, но даже и разрушить сам двигатель. Для предотвращения подобных электрических и механических "ударных" нагрузок часто применяют режим "ступенчатого" пуска, при котором на электродвигатель напряжение питания подается не сразу, а двумя-тремя "ступенями", т.е. в первый момент подается ~ 1/3 напряжения аккумулятора, затем через 20 - 100 миллисекунд напряжение повышается до ~ 2/3, и еще через 20 - 100 миллисекунд на двигатель подается полное напряжение. При этом потребляемые токи никогда не превышают предельно-допустимых для аккумуляторов и электромотора величин, да и механические динамические перегрузки, за счет "плавной раскрутки" существенно снижаются. Подобный стартовый режим, также как и режим торможения, можно реализовать только с помощью специального устройства, управляемого микропроцессором.

Несколько лет назад в арсенале спортсменов-моделистов появились новые сверхмощные асинхронные электродвигатели переменного тока. Для питания такого электродвигателя необходим мощный трехфазный генератор переменного тока, точнее, преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное с частотой ~ 1 - 10 килогерц. Современная электроника легко справляется и с этой задачей. Специальные контроллеры для подобных двигателей реализуют все перечисленные выше функции. Более того, именно трехфазные преобразователи имеют самый высокий КПД в переходных режимах, т.к. обороты двигателя регулируются не путем изменения напряжения питания (обычно это делается при помощи балластного сопротивления, на котором и теряется мощность), а путем плавного изменения частоты этого напряжения.

Рис.8. Электронный регулятор

Конструктивно все электронные регуляторы, как для коллекторных, так и для асинхронных двигателей, чаще всего изготавливаются в "бескорпусном" варианте (см. Рис.8), т.е. просто монтируются на печатной плате, а затем затягиваются в изолирующий "чулок" из термоусадочной трубки. Регуляторы для судомоделей могут иметь еще и радиатор с охлаждающими "водоводами". Размер подобного устройства (без радиатора) обычно не превышает 10х30х50 мм, а вес, в зависимости от величины коммутируемого тока, колеблется от 5 - 7 до 50 грамм.

С принципиальной схемой и конструкцией одной из таких "включалок", предназначенной для управления двигателем класса SPID-400 вы можете познакомиться, прочитав статью, помещенную на сайте www.rcdesign.ru в разделе электроники. При максимальной простоте и дешевизне, этот регулятор отвечает всем требованиям, предъявляемым к устройствам подобного класса и может быть легко повторен даже начинающими моделистами.

• Школа дядьки Глайдера

Все права на статьи принадлежат И.В. Карпунину (aka Glider).