0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесконтактная схема управления двигателем асинхронным двигателем

Транзисторное управление двигателями в схемах на микроконтроллере

Электрический двигатель — это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Первые электродвигатели появились в середине 19 века. Успехи в их разработке связывают с именами таких выдающихся физиков и инженеров, как Н.Тесла, Б.Якоби, Г.Феррарис, В.Сименс.

Различают электро двигатели постоянного и переменного тока. Преимущество первых заключается в возможности экономичного и плавного регулирования частоты вращения вала. Преимущество вторых — большая удельная мощность на единицу веса. В микроконтроллерной практике часто применяют низковольтные двигатели постоянного тока, используемые в бытовых и компьютерных вентиляторах (Табл. 2.13). Встречаются также конструкции с сетевыми двигателями.

Таблица 2.13. Параметры вентиляторов фирмы Sunon

Обмотку двигателя следует рассматривать как катушку с большой индуктивностью, поэтому её можно коммутировать обычными транзисторными ключами (Рис. 2.78, а…т). Главное — это не забыть про защиту от ЭДС самоиндукции.

В двигателях постоянного тока имеется возможность изменять направление вращения ротора в зависимости от полярности рабочего напряжения. В таких случаях широко используют мостовые схемы «Н-bridge» (Рис. 2.79, а…и).

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (начало):

а) регулирование скорости потока воздуха вентилятора M1. Конденсатор С/ уменьшает ВЧ- помехи. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от выбросов напряжения. Резистор R1 определяет степень насыщения транзистора Г77, а резистор R2 закрывает его при рестарте MK. Частота импульсов ШИМ на выходе МК должна быть не менее 30 кГц, т.е. за пределами звукового диапазона, чтобы исключить неприятный «свист». Элементы С/ и R2 могут отсутствовать;

б) плавное регулирование частоты вращения вала двигателя M1 через канал ШИМ. Конденсатор С/ является первичным, а конденсатор С2— вторичным фильтром сигналов ШИМ; О

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи

в) транзисторы VT1, VT2 соединяются параллельно для увеличения суммарного коллекторного тока. Резисторы R1, R2 обеспечивают равномерную нагрузку по мощности на оба транзистора, что связано с разбросом у них коэффициентов И2]Э и ВАХ переходов «база — эмиттер»;

г) двигатель M1 (фирма Airtronics) имеет «цифровой» вход управления, что позволяет подключать к нему MK напрямую. Транзисторные ключи (драйверы) находятся внутри двигателя;

д) два отдельных источника питания позволяют значительно снизить влияние на MK электрических помех, которые генерирует двигатель M1. Система будет работать устойчивее. GB1 — это маломощная литиевая батарея, GB2, GB3 — это пальчиковые гальванические элементы с общим напряжением 3.2 В и мощностью, достаточной для запуска и работы двигателя M1

е) параллельные резисторы R2, R3 служат ограничителями тока, протекающего через двигатель M1. Кроме того, они стабилизируютток в нагрузке, если транзистор VT1 находится в активном режиме или на грани входа в режим насыщения;

ж) MK включает/выключает двигатель M1. Резистором R3 подстраивается частота оборотов его вала. Стабилизатором служит «магнитофонная» микросхема DA1 фирмы Panasonic. С её помощью на зажимах двигателя M1 поддерживаются постоянные параметры, которые практически не зависят от колебаний температуры и напряжения питания;

з) дроссели L7, L2 и конденсаторы C7, С2фильтруют излучаемые двигателем радиопомехи. С той же целью двигатель помещается в заземлённый экранированный корпус;

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи

и) вибромотор M1 является источником мощных электромагнитных и радиочастотных помех. Элементы L/, L2, C1 служат фильтрами. Резистор R2 ограничивает пусковой ток через два приоткрытом транзисторе VT1 Диоды VD1, УА2срезаютвершиныимпульсныхпомех;

л) применение ключа на полевом транзисторе VT1 повышает КПД по сравнению с ключом на биполярном транзисторе, ввиду более низкого сопротивления «сток — исток». Резистор R1 ограничивает амплитуду наводок, которые могут «просачиваться» от работающего двигателя M1 во внутренние цепи MK через ёмкость «затвор — сток» транзистора VT1;

м) транзистор VT2 является мощным силовым ключом, который подаёт питание на двигатель ML а транзистор VT1 — демпфером, который быстро тормозит вращение вала после выключения. Резистор R1 снижает нагрузку на выход MK при заряде ёмкостей затворов полевых транзисторов VT1, VT2. Резистор Я2отключаетдвигатель M1 при рестарте MK;

н) ключ на транзисторах VT1, VT2 собран по схеме Дарлингтона и имеет большое усиление. Для регулирования скорости вращения вала двигателя M1 может применяться метод ШИМ или фазо-импульсное управление. Система не имеет обратной связи, поэтому при снижении скорости вращения из-за внешнего торможения будет уменьшаться рабочая мощность на валу;

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи

м) встраивание MK в уже существующий тракт регулирования скорости вращения вала двигателя Ml. В этот тракт входят все элементы схемы, кроме резистора R2. Резистором R4 выставляется «грубая» частота вращения. Точная подстройка осуществляется импульсами с выхода MK. Возможна организация обратной связи, когда МК следит за каким-либо параметром и динамично подстраивает скорость вращения в зависимости от напряжения питания или температуры;

о) скорость вращения вала двигателя M1 определяется скважностью импульсов в канале ШИМ, генерируемых с нижнего выхода MK. Основным коммутирующим ключом служит транзистор VT2.2, остальные транзисторные ключи участвуют в быстрой остановке двигателя M1 по сигналу ВЫСОКОГО уровня с верхнего выхода MK;

п) плавное регулирование частоты оборотов вала двигателя M1 производится резистором R8. ОУ ТШ служит стабилизатором напряжения с двойной обратной связью через элементы R1, R8, C2 и R9, R10, C1. Комбинацией уровней с трёх выходов MK (ЦАП) можно ступенчато изменять скорость вращения вала двигателя M1 (точный подбор резисторами R2…R4). Линии MK могут переводиться в режим входа без « pull-up» резистора для увеличения числа «ступенек» ЦАП;

Рис. 2.78. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (окончание):

p) фазо-импульсное управление двигателем переменного тока M1. Чем большее время за период сетевого напряжения открыт транзистор VT1, тем быстрее вращается вал двигателя;

с) включение мощного двигателя переменного тока Ml производится через оптотиристор KS7, который обеспечивает гальваническую развязку от цепей MK;

т) аналогично Рис. 2.78, п, но с одним кольцом обратной связи через элементы C7, R6, R8. Резистор R4 регулирует частоту вращения вала двигателя Ml плавно, а MK — дискретно.

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (начало):

а) направление вращения вала двигателя Ml изменяется мостовой «механической» схемой на двух группах контактов реле KL1, K1.2. Частота переключения контактов реле должна быть низкой, чтобы быстро не выработался ресурс. Дроссели L7, L2 снижают коммутационные токи при переключении реле и, соответственно, уровень излучаемых электромагнитных помех;

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (продолжение):

б) при ВЫСОКОМ уровне на верхнем и НИЗКОМ уровне на нижнем выходе МК транзисторы К77…к ТЗ открываются, а транзисторы КГ4…КГ6закрываются,инаоборот. Когда полярность питания двигателя Ml изменяется на противоположную, то его ротор вращается в обратную сторону. Сигналы с двух выходов МК должны быть противофазными, но с небольшой паузой НИЗКОГО уровня между импульсами, чтобы закрыть оба плеча (устранение сквозных токов). Диоды VD1..VD4уменьшают выбросы напряжения, тем самым защищая транзисторы от пробоя;

в) аналогично Рис. 2.79, б, но с другими номиналами элементов, а также с аппаратной защитой от одновременного открывания транзисторов одного плеча при помощи диодов VD3, VD4. Диоды VD1, КД2повышают помехоустойчивость при большом расстоянии до MK. Конденсатор С/ снижает «искровые» импульсные радиопомехи, генерируемые двигателем Ml;

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (продолжение):

г) аналогично Рис. 2.79, б, но с отсутствием «запирающих» резисторов в базовых цепях транзисторов VT2, VT4. Расчётнато,чтообмоткадвигателяЛ//достаточнонизкоомная,следователо, при рестарте МК внешние помехи на «висящих в воздухе» базах транзисторов VT1 VT2, VT4, VT6 не смогут открыть их коллекторные переходы;

д) аналогично Рис. 2.79, б, но с максимальным упрощением схемы. Рекомендуется для устройств, выполняющих второстепенные функции. Напряжение питания +Еи должно соответствовать рабочему напряжению двигателя M1

е) в отличие от предыдущих схем, транзисторы VT1…VT4 включаются по схеме с общим эмиттером и управляются ВЫСОКИМ/НИЗКИМ уровнем непосредственно с выходов MK. Двигатель M1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение 3…3.5 В. Диоды VD1… VD4 уменьшают выбросы напряжения. Фильтр LL C1 снижает импульсные помехи по питанию от двигателя M1, которые могут приводить к сбоям в работе MK. Встречающиеся замены деталей: VT1 VT3- KT972; VT2, VT4- KT973; VD1…VD4- КД522Б, Rx = 3.3 кОм; R2 = 3.3 кОм;

Читать еще:  Subaru outback какой двигатель выбрать

ж) мостовая схема на четырёх управляющих транзисторах VT1 VT2, VT4, VT5 структуры р—п—р. Подстроечным резистором R4 регулируется напряжение на двигателе Ml, а значит, и частота оборотов сразу для двух направлений вращения ротора;

Рис. 2.79. Мостовые схемы подключения электродвигателей к MK (окончание):

з) мостовая схема для управления мощным двигателем Ml (24 В, 30 А). Смена полярности напряжения на двигателе производится противофазными уровнями на средних выходах MK, а скорость вращения — методом ШИМ на верхнем и нижнем выходах MK;

и) транзисторы VT2, VT5 подают питание на мостовую схему управления двигателем Ml. Их запараллеливание позволяет подключить к диоду VD1 ещё одну такую же схему.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Отечественный контроллер для асинхронных тяговых моторов

Проект, о котором я говорил, прошел первое испытание. Пока все без корпуса и силовая часть с другого проекта, но главное — заработали «мозги» контроллера с адаптивным векторным контролем. Контроллер умеет сам подстраиваться под конкретный мотор. Силовая часть может быть любая — от относительно слабой на полевиках, до 300-400кВт на IGBT модулях!
По мере поступления информации, буду публиковать в этой теме.
Моторчик на видео — «Славянка» 2П=4 80й габарит на 36В фазных.

Вчера разговаривал с разработчиком по поводу лайт версии — самого дешевого варианта начального уровня. А именно — это будет типа ополовиненного варианта на 65В 300-400А. Получим 9-10кВт в номинале и до 25кВт в разгоне. Вместе с мотором «Славянка» 100го габарита 2П=4 цена комплекта будет менее 2000$ и возможно ближе к 1000$.
основу цены контроллера составляет силовой блок. в нем в настоящий момент 72 ключа по 100 руб (мел.опт) и комплект конденсаторов (с ними как раз пока определенности нет) можно поставить электролиты от epcos они нами проверены, очень надежны, но при токах в 600 а цена на сборку получается от 12 тыс руб… плюс снаберы. короче только «сила» более 20 т.р. плюс шины, радиатор… Себестоимость мозга менее 200 у.е включая энкодер. В настоящий момент ищу вариант бюджетной замены epcos у . Есть идеи, но они требуют проверки, будет печально если в машине под нагрузкой кондюки начнут стрелять… Схемы мозгов в общем доступе не будет (прошу извинить и понять) .

Режим обучения- это первоначальная функция, необходимая при «встрече» контроллера и мотора. Нужна каждый раз при смене типа двигателя. ( в этом режиме контроллер определяет все необходимые параметры для работы с данным двигателем, необходим внешний девайс)

обсуждение

добрый день! как успехи с контроллером, будут ли варианты для продажи

Последнее сообщение от разработчиков было ещё в 2015г:
Ответ от разработчика:
Надеялись, что забыли! 😀 С контроллером ситуация неоднозначная! С одной стороны он подготовлен к мелкосерийному выпуску, с другой принято решение пока его попридержать. Причин этому решению несколько, но главная — экономика! Имеет смысл стартовать если есть заказчик на мало мальскую партию, причем поднадзорную! Что бы можно было вычищать эксплуатационные баги и при этом в трубу не вылететь. С другой стороны навалилась куча коммерческих заказов. Все вдруг вспомнили про необходимость импортозамещения. Под этим соусом сделали версию контроллера на мопах. Может она теперь перегонит своего старшего брата… 🙂 Но пока все для внутреннего использования. Просьба особо не пинать за обрушенные ожидания… К сожалению мы все сильно зависим от окружающих обстоятельств.

Любая электрохрень в сравнении даже с откровенно китаяйцуевыми двухтактниками проигрывает во всем. Масса,удельная мощность,эксплуатационные характеристики,и конечно же-ЦЕНА.
Если даже брать промышленно серийное тесло,то при ее стоимости от $70000,
все $45000 приходятся именно на акб. Остаются $25000,за которые можно взять более чем приличный двс автомобиль. При этом же,на $45000 можно накупить до 45000/0,6=75000. литров топлива. при среднем расходе в 7,5л/100км,это же (75000/7,5)*100=1000000 км…МИЛЛИОН километров пробега.
Этого хватит в среднем,не менее, чем на 50,а то и на все 100 лет беззаботной езды с ветерком.

За 25тыс. приличный бензиновый автомобиль, класса Теслы не купишь. Ближайший аналог стоит 45тыс. Человек, ездящий на электромобиле не заморачивается на количестве пройденных километров. Ведь они идут практически даром. Я, например, в год выезжаю по 50тыс.км. Мне Тесла окупится за 10 лет. Это её гарантийный период. ГАРАНТИЙНЫЙ, господа. За такую гарантию Ройл-ройз берёт по 100тыс. зелёными!

И вообще, Мазертти и Порш покупают не для экономии! Возьмите машины, которые берут именно для экономии. Например, Ниссан Лиф за 12тыс.$. Каждый 100км на нём стоят 1$. Это и электроэнергия и амортизация аккумуляторов. На бензине 100км. стоят не менее 7$. 6$ чистой экономии каждые 100км, господа. ЧИСТОЙ ЭКОНОМИИ, во всех смыслах этой фразы! Итого Лиф окупается за 3-4 года.

здравствуйте как обстоит дела с контроллером на ассинхроник ,он есть в продаже ,спасибо за ответ.

Микроконтроллерная система управления асинхронным трехфазным двигателем

Нереверсивная схема управления асинхронного двигателя.


Рисунок 1 — Простейшая схема асинхронного двигателя

Для подачи напряжения на управляющую и силовую цепь используется автоматический выключатель QF. Пуск асинхронного двигателя осуществляется кнопкой SB1 «Пуск”, которая замыкает свои контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ. Который срабатывая замыкает основные контакты силовой цепи статора. Вследствие чего электродвигатель М подсоединяется к питанию. В то же время в управляющей сети происходит замыкание блокирующего контакта КМ который шунтирует кнопку SB1.

Чтобы отключить асинхронный двигатель с кз ротором, необходимо нажать клавишу SB2 «Стоп». При этом питающая сеть контактора КМ размыкается и подача напряжения на статор прекращается. После этого нужно выключают автомат QF. Схема управления АД с кз предусматривает несколько защит:

  • от КЗ — посредством автоматического выключателя QF и плавкими предохранителями FU;
  • от перегрузок — посредством теплореле КК (при перегреве данные устройства отсоединяют контактор КМ, прекращая работу движка);
  • нулевая защита — посредством магнитного пускателя КМ (при низком напряжении или его полном отсутствии контактор КМ оказывается незапитанным, размыкается и электродвигатель выключается).

Для подключения электродвигателя после срабатывания защитного механизма требуется снова надавить клавишу SB1.

Схемы управления электродвигателями


Современное оборудование часто работает в автоматическом и полуавтоматическом режиме. Это позволяет исключить пресловутый человеческий фактор, увеличить объемы и темпы производимых операций, сделать производство более рентабельным. Одним из главных факторов надежной работы современного оборудования является безупречное выполнение включения электродвигателей, которое выполняется в заданной последовательности и с соблюдением штатного режима работы. Схемы управления электродвигателями могут быть различны, так как принципы автоматического и полуавтоматического режима работы могут существенно отличаться друг от друга.

Полуавтоматическое управление предусматривает участие оператора, который инициирует пуск оборудования нажатием соответственной кнопки или поворачивая рычаг. После этого функция персонала заключается лишь в контроле рабочего процесса. При автоматическом управлении первоначальный пуск оборудования осуществляют реле или датчики, после чего работы выполняется в соответствие с заданными программами. Такое программное устройство часто выполняется с помощью логических схем, вариантов которых может быть довольно много. В промышленности наиболее часто встречаются следующие схемы управления асинхронными электродвигателями

• нереверсивного управления; • реверсивного управления с двумя магнитными пускателями.

Основные схемы управления асинхронным электродвигателем

При использовании схемы управления электродвигателем с нереверсивным управлением после пуска происходит подключение к сети электромагнитной катушки. С ее сердечником соприкасается подвижный якорь и замыкает силовые контакты. В результате на двигатель подается трехфазное напряжение. Параллельно с силовыми контактами замыкаются блокировочные, что позволяет зашунтировать кнопку пуска и отпустить ее. Нажимая кнопку стоп, оператор тем самым разрывает цепь, от которой запитана электромагнитная катушка. Это освобождает якорь, который при падении размыкает силовые контакты, что приводит к остановке оборудования. В этой схеме управления защита от длительной перегрузки обеспечивается подключением к двум фазам тепловых реле.

Схема управления реверсивным электродвигателем имеет два магнитных пускателя. Один из них соединяет схему включения на прямое вращение, а второй – на обратное включение. Кнопками «вперед» и «назад» подключаются те электромагнитные катушки, которые отвечают за соответствующую операцию. Реверсивные пускатели состоят из двух нереверсивных пускателей, имеют механическую блокировку, исключающую одновременное включение. Остановка двигателя включена в общую цепь управления.

Читать еще:  Что такое опора двигателя автомобиля

Схемы управления электродвигателями постоянного тока и синхронными двигателями

Схема управления электродвигателем постоянного тока может быть следующих видов:

• с нижним расположением ключа; • с верхним расположением ключа; • мостовая схема.

Все они базируются на принципах ШИМ и основных характеристиках двигателя. Наиболее экономичной схемой является с нижним расположением ключа, его верхнее расположение используют при повышенных требованиях к безопасности. Мостовая схема используется при реверсивном управлении двигателем.

Синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они менее чувствительны к колебаниям напряжения и более устойчивы к перегрузкам. Это стало причиной их широкого распространения. Схема управления синхронным электродвигателем обычно включается в себя тиристорные возбудители, которые заменили электромашинные возбудители, долгое время являвшиеся уязвимым местом этого типа электромоторов.



Реостатный пуск асинхронного двигателя с кз ротором.

Если невозможно запустить АД с кз ротором в стандартном режиме, используют запуск при сниженном напряжении. С этой целью в цепь статора добавляют сопротивление, реостат или используют автотрансформатор. Автоматический выключатель QF срабатывает и на управляющую и силовую цепь поступает напряжение. После нажатия кнопки SB1 пускатель КМ1 приходит в действие, подавая электроток в цепь статора с включенным сопротивлением. В то же время питание поступает и на реле времени КТ.


Рисунок 2 — Схема асинхронного двигателя с симметричными сопротивлениями (реостатный пуск)

Через определенный временной интервал, задаваемый реле КТ, происходит замыкание контакта КТ. В итоге пускатель КМ2 шунтирует (закорачивает) сопротивление статора. Процедура запуска электродвигателя завершается. Для его выключения необходимо нажать клавишу SB2 и выключить автомат QF.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Реверсивный пуск асинхронного двигателя


Рисунок 3. Схема реверсивный пуск асинхронного двигателя с кз ротором.

Данная схема дает возможность производить запуск электродвигателя и изменять направленность его вращения. Для запуска необходимо включить автомат QF и нажать SB1 «Пуск», в результате чего ток поступает на магнитный пускатель КМ1, который запитывает статор. АД реверсируется последовательным нажатием кнопок «Стоп» SB3 (КМ1 выключается и двигатель останавливается) и «Реверс» SB2 (срабатывает КМ2 и асинхронный двигатель запускается в реверсивном направлении).

В данной схеме нажатием кнопки реверса меняется чередование фаз питающего напряжения на статоре двигателя, что будет вызывать смену направленности его вращения (реверсом). При помощи нормально замкнутых контактов КМ1 и КМ2 выполнена защита от ошибочного включения сразу двух магнитных пускателей КМ1 и КМ2. Также действуют защиты, аналогичные описанным ранее. Отключить электродвигатель можно кнопкой SB3 и автоматом QF.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Регулирование частоты вращения трёхфазного асинхронного двигателя

Частота вращения ротора асинхронного двигателя определяется из выражения:

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Обухов Д.Э., Стенин С.Л., Струнин Д.В.

Для некоторых, относительно простых задач управления электроприводом можно использовать неспециализированные микроконтроллеры, к которым разработчик привык, и которые свободно продаются на нашем рынке. В [1] были показаны основные требования к микроконтроллерам и описан круг современных задач, где применение специализированных микросхем является наиболее разумным решением.

В этой статье мы показываем возможность использования микроконтроллера PIC16C62 фирмы Microchip для решения простых задачах управления приводом, которые часто встречаются в быту. В основном, предлагаемая схема предназначена для управления трехфазным асинхронным двигателем, когда в распоряжении имеется однофазная сеть 220В. Схема, изображенная на рис. 1 состоит из силового трехфазного инвертора, генератора управляющих сигналов и сопрягающего элемента — драйвера для ключей инвертора. Рассмотрим эти элементы и опишем некоторые алгоритмы, которые можно реализовать в этой системе.

Рис .1. Схема управления асинхронным двигателем.

Привлекательная во всех отношениях микросхема IR2131 (или IR2130) фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER редко встречается в отечественных разработках. Одной из причин этого является ее относительно высокая стоимость, но если принять во внимание, что цена таких изделий на нашем рынке сильно зависит от спроса на них, то с определенным риском можно рекомендовать ее разработчику для применения в изделиях, где определяющим фактором является цена.

Микросхема IR2131 представляет собой драйвер 6-ти ключей (IGBT или MOSFET), имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления. В ней предусмотрена защита по току, которая выключает все ключи и выдает сигнал ошибки FAULT, когда сигнал на выводе ITRIP превышает 0,5В. Это удобно для разработчика, поскольку организация такой защиты требует от него лишь правильного определения величины резистивного датчика. Входы драйвера согласуются с ТТЛ логикой, что позволяет управлять им с помощью микроконтроллеров с 5-ти вольтовым питанием без дополнительных преобразователей уровня. Кроме этого у IR2131 есть отдельный вход выключения всех ключей и вход сброса сигнала ошибки, а у IR2130 вместо них имеется встроенный усилитель тока нагрузки и сброс триггера ошибки осуществляется при подаче на все входы управления неактивного уровня. Допустимое напряжение на инверторе, с которым работает микросхема, составляет 600В. В настоящее время фирмой INTERNATIONAL RECTIFIER производятся аналогичные драйверы с рабочим напряжением 1200В.

На рис.1. изображена простейшая схема трехфазного моста на транзисторах IRF740, которые управляются от IR2131.

Для генерации сигналов управления мостом можно использовать недорогой микроконтроллер фирмы Microchip PIC16C62 (если необходимо дополнительно обрабатывать аналоговый сигнал, то рекомендуется PIC16C73).

При небольшой номинальной мощности электропривод запитывается от сети переменного тока 220В через разъем XI, при этом рекомендуется использовать в трехфазном мосте транзисторы IRF740 (VT2-VT7). Через эти транзисторы можно пропустить мощность до 5КВт. При больших мощностях надо переходить на питание от трехфазной сети 380В, и использовать IGBT транзисторы. Наш опыт работы показал целесообразность шунтирования затворных резисторов R13-R18 обратными диодами VD7-VD12. Это позволяет значительно снизить динамические потери на выключении. Сформированное напряжение подается на двигатель через разъем Х2.

Читать еще:  Давление и температура в цилиндре дизельного двигателя

Если емкость фильтра С12 велика и нет элемента, ограничивающего ток заряда этой емкости, то при каждом включении будут постепенно разрушаться диоды моста. Для предотвращения броска тока через выпрямитель необходимо включение терморезистора R19. При работе от однофазной сети 220В может возникнуть необходимость введения модуля коррекции потребляемого тока (это особенно актуально при больших мощностях привода). Для некоторых разработок, где 100Гц пульсации момента на валу двигателя не приводят к нежелательным последствиям, можно вообще отказаться от использования конденсатора С12.

Конденсатор СИ (керамический или полипропиленовый) необходимо располагать максимально ближе к транзисторам моста, поскольку полевые и IGBT транзисторы «не любят» перенапряжений, которые будут возникать при коммутациях на паразитных индуктивностях схемы.

Питание на драйвер DD2 подается от стабилитрона VD2 через гасящий резистор R12. При небольших частотах инвертора (до ЗкГц) достаточно 40кОм для нормального питания системы управления. Для увеличения КПД системы можно применить стандартный импульсный понижающий регулятор, используя в качестве ШИМ-контроллера ресурсы PIC16C73. Бутстреповые емкости С7-С9 заряжаются через диоды VD4-VD6 при включении соответствующего нижнего ключа. Напряжение питания IR2131 выбирается в зависимости от желаемой степени насыщения силового транзистора. Рекомендуемая величина 15-20В. Уменьшение питающего напряжения какого-нибудь из каналов ниже 8В вызывает немедленное запирание ключа.

Величина резистивнохю датчика тока R10 выбирается в зависимости от номинальной мощности электропривода и допустимой перегрузки по току (R10 = 0,5В / 1доп.). Интегрирующее звено R11-C10 предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций, достаточная величина постоянной времени 0,5мкс. При превышении сигналом на входе ITRIP уровня 0,5В все ключи запираются и выдается сигнал ошибки FAULT (выход с открытым коллектором).

Обработкой сигнала ошибки и общим управление занимается микроконтроллер DD1. На это место удачно подходят PIC микроконтроллеры фирмы Microchip. Это RISC контроллеры с гарвардской архитектурой, они просты в изучении и имеют значительные преимущества перед другими контроллерами в подобных схемах.

Диапазон рабочих напряжений питания PIC процессоров 4-6В, максимальный потребляемый ток при тактировании от RC генератора 5мА, ток в режиме пониженного энергопотребления 20мкА. Большое удобство создает повышенная нагрузочная способность портов — 25мА, что позволяет напрямую управлять светодиодами (включая светодиоды оптронов). Наличие разнообразной периферии (АЦП, компараторы, последовательные порты, таймеры, модуль ШИМ и пр.) предоставляет разработчику широкие возможности для построения гибких и дешевых систем управления. Все микроконтроллеры PIC16/17 имеют встроенную схему сброса, сторожевой таймер и защиту кода от считывания. Microchip свободно распространяет ассемблер MPASM, симулятор MPSIM, интегрированную систему отладки для Windows MPLAB. Имеющиеся для этих контроллеров Си-компиляторы (например, компилятор фирмы HI-TECH) ускоряют процесс написания и отладки программ.

В нашей схеме процессор PIC16C62 питается от стабилитрона VD3. При несложных задачах управления электроприводом можно тактировать микроконтроллер от RC генератора (R6-C1). Максимально допустимая частота при этом 4МГц.

Поскольку почти все команды выполняются этим процессором за один такт (в данном случае за 1 мкс), то этого оказывается достаточным даже для выдачи на двигатель синусоидально-центрированной ШИМ с частотой несущей ЗкГц.

Наиболее просто организуется управление со 1800 (или 1200) коммутацией.

Использование ресурсов микроконтроллера для этой задачи приводится в табл.1. Осциллограммы тока и напряжения в этом режиме показаны на рис.2.

Рис.2. Осциллограммы тока и напряжения при 180° коммутации. Фазный ток (слева) и линейное напряжение (справа).

С помощью переключателей J1-J4 осуществляются следующие функции управления:

  • Пуск-остановка двигателя (можно дистанционно через оптрон VT1);
  • Выбор скорости вращения двигателя;
  • Изменение направления вращения двигателя;

Кроме этого легко осуществить пуск двигателя с требуемой кратностью пускового момента, по срабатыванию токовой защиты, вырабатывая перед сигналом сброса ошибки нулевую паузу.

Для демонстрации возможностей системы покажем реализацию широтно-импульсной модуляции базовых векторов. Основываясь на базовых векторах 180о коммутации (см. рис.3), формируется синусоидально-центрированная ШИМ. Некоторые алгоритмы формирования синусоидального напряжения были показаны в [1], в данном случае длительность каждого вектора вычисляется из условия равенства площади генерируемого напряжения и площади синусоиды на периоде ШИМ.

Рис.3. Базовые вектора 6-тактной коммутации.

Программой осуществляется переключение между двумя соседними векторами таким образом, что результирующий вектор плавно движется по траектории шестиугольника. Вырабатывая определенные длительности для каждого вектора получаем напряжение близкое к синусоидальному. Если ввести нулевой вектор, то можно заставить результирующий вектор напряжения двигаться по любой окружности внутри базового шестиугольника.

Для случая, когда на двигателе формируется синусоидальное напряжение 100 Гц с частотой ШИМа ЗкГц, осциллограммы имеют вид, как показано на рис.4.

Рис.4. Осциллограммы тока и напряжения при синусоидальной ШИМ. Фазный ток (слева) и линейное напряжение (справа).

Для некоторых двигателей такая форма тока может оказаться неприемлемой из-за высокочастотных пульсаций потока, что приводит к увеличению потерь в стали и в демпферных системах двигателя. В этом случае нужно увеличивать частоту тактирования процессора и переходить на более высокие частоты ШИМ.

В таблице 1 приведены данные по использованию некоторых ресурсов микроконтроллера PIC16C62 для случая выдачи синусоидально-центрированной ШИМ с модуляцией базовых векторов.

Если использовать датчик положения ротора, и завести его сигналы на свободные выводы микроконтроллера, то с помощью этой системы можно управлять вентильным двигателем или синхронным реактивным двигателем.

Следует особо отметить возможность построения бездатчиковой схемы управления вентильным электродвигателем с постоянными магнитами (такая разработка нами сделана и имеет большие преимущества перед аналогами). При этом в исходную схему необходимо добавить регулятор напряжения подаваемого на инвертор, компаратор и некоторую обвязку из пассивных компонентов. Определением угла положения ротора занимается процессор PIC16C73. В бездатчиковой схеме с тактированием PIC16C73 от RC генератора можно управлять вентильным двигателем с частотой вращения до 100Гц. Для выхода на большие скорости вращения нужно увеличивать частоту тактирования процессора. Бездатчиковая схема усложняется для вентильных двигателей с большой индуктивностью, если коммутационные интервалы превышают 30°.

В [6] предлагался вариант бездатчикового привода для бесколлекторного двигателя постоянного тока на базе MC68HC908MR24. В качестве недостатков предложенного механизма определения угла положения ротора следует отнести невозможность работы схемы с высокоиндуктивными двигателями (длительный коммутационный интервал не отфильтруется и компараторы «поймают» ложный переход противо- ЭДС через ноль), второй существенный недостаток — это проблема пуска двигателя. В предложенной схеме потребуются значительные вычислительные ресурсы для определения первоначального положения ротора. Кроме этого, нужно учесть, что нормальный пуск двигателя происходит на низкой частоте при выполнении определенного соотношения U/f. Для сравнения, в табл.1 приводятся данные по использованию ресурсов PIC16C73 в бездатчиковой схеме управления вентильным двигателем с постоянными магнитами, когда коммутационные интервалы незначительны.

Внешний вид изделия, собранного по предложенной схеме показан на рис.5.

Габаритные размеры 135x80x33 мм.

В заключение отметим перспективность построения микропроцессорных систем управления электроприводом, даже в случае, когда определяющим фактором при разработке является цена. Стоимость микроконтроллеров уменьшается, а возможности, которые они предоставляют, делают систему гибкой и легко модернизируемой без изменения электрической схемы. Применение специализированных микросхем, как было показано на примере драйвера IR2131 избавляет разработчика от лишних затрат на проектирование, а изготовителя от лишних затрат на сборку и настройку. Данная схема имеет высокую надежность из-за минимального количества электронных компонентов. В результате симбиоза этих двух микросхем получается недорогой электропривод, с удобным и качественным управлением.

Печатную плату, программу и прошивку можно скачать здесь:

1. В. Козаченко. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к контроллерам. // CHIIP NEWS. 1999. №1.-С.2-9.

2. Control Integrated Circuit Designers4 Manual. International Rectifier, 1996.

3. Power Semiconductors. Product Digest 47th Edition, 1995.

4. PIC16/17 MICROCONTROLLER DATA BOOK, 1997.

5. Однокристальные микроконтроллеры Microchip: PIC16C8X. Пер. с англ. Под ред. Владимирова А.Н. -Рига.: 0RMIX, 1996. — 120 с.

6. Radim Visinka, Leos Chalupa, Ivan Skalka. Системы управления электродвигателями на микроконтроллерах фирмы MOTOROLA. // CHIIP NEWS. 1999. №1.- С.14-16.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector