Привод скорости двигателя постоянного тока: 4 ступени (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

В этом руководстве будут подробно рассмотрены вопросы проектирования, моделирования, создания и тестирования импульсного преобразователя постоянного тока в постоянный и контроллера системы управления для двигателя постоянного тока. Этот преобразователь затем будет использоваться для цифрового управления шунтирующим двигателем постоянного тока с нагрузкой. Схема будет разработана и испытана на разных этапах.

Первым этапом будет создание преобразователя для работы от 40 В. Это сделано для того, чтобы гарантировать отсутствие паразитной индуктивности от проводов и других компонентов схемы, которые могут повредить драйвер при высоких напряжениях. На втором этапе преобразователь будет работать с двигателем при 400 В при максимальной нагрузке. Последним этапом является управление скоростью двигателя с переменной нагрузкой с помощью Arduino, управляющего ШИМ-волной для регулировки напряжения.

Компоненты не всегда дешевы, поэтому была предпринята попытка построить систему как можно дешевле. Конечным результатом этого практического применения будет создание преобразователя постоянного тока и контроллера системы управления для управления скоростью двигателя в пределах 1% при заданном значении в установившемся состоянии и для установки скорости в пределах 2 с при переменной нагрузке.

Шаг 1: выбор компонентов и технические характеристики

Мотор, который у меня был, имел следующие характеристики.

Технические характеристики двигателя: Якорь: 380 В постоянного тока, 3,6 А

Возбуждение (шунт): 380 В постоянного тока, 0,23 А

Номинальная скорость: 1500 об / мин

Мощность: ≈ 1,1 кВт

Электропитание двигателя постоянного тока = 380 В

Источник питания оптопары и драйвера = 21 В

Это будет означать, что максимальный номинальный ток и напряжение компонентов, которые подключены к двигателю или управляют им, будут иметь более высокие или эквивалентные значения.

Диод обгонной муфты, обозначенный на схеме как D1, используется для обеспечения протекания обратной ЭДС двигателя, предотвращая реверсирование тока и повреждение компонентов, когда питание отключено, а двигатель все еще вращается (режим генератора Он рассчитан на максимальное обратное напряжение 600 В и максимальный прямой постоянный ток 15 А. Поэтому можно предположить, что диод маховика сможет работать при достаточном уровне напряжения и тока для этой задачи.

IGBT используется для переключения питания двигателя путем получения pwm-сигнала 5 В от Arduino через оптопару и драйвер IGBT для переключения очень большого напряжения питания двигателя 380 В. Используемый IGBT имеет максимальный непрерывный ток коллектора 4,5 А при температуре перехода 100 ° C. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер составляет 600 В. Следовательно, можно предположить, что диод маховика сможет работать при достаточном для практического применения уровне напряжения и тока. Важно добавить к IGBT радиатор, желательно большого размера. Если IGBT недоступны, можно использовать MOSFET с быстрой коммутацией.

IGBT имеет пороговое напряжение затвора от 3,75 В до 5,75 В, и для подачи этого напряжения необходим драйвер. Частота, на которой будет работать схема, составляет 10 кГц, поэтому время переключения IGBT должно быть на порядок быстрее, чем 100 мкс, время одной полной волны. Время переключения для IGBT составляет 15 нс, что вполне достаточно.

Выбранный драйвер TC4421 имеет время переключения, по крайней мере, в 3000 раз превышающее значение волны ШИМ. Это гарантирует, что драйвер может переключаться достаточно быстро для работы схемы. Драйвер необходим для обеспечения большей силы тока, чем может дать Arduino. Драйвер получает ток, необходимый для работы IGBT, от источника питания, а не от Arduino. Это сделано для защиты Arduino, потому что потребление большой мощности приведет к перегреву Arduino, выйдет дым, и Arduino будет разрушен (попробовал и проверено).

Драйвер будет изолирован от микроконтроллера, обеспечивающего сигнал ШИМ, с помощью оптрона. Оптрон полностью изолировал Arduino, который является наиболее важной и ценной частью вашей схемы.

Для двигателей с другими параметрами необходимо заменить только IGBT на двигатель с характеристиками, аналогичными характеристикам двигателя, который сможет выдерживать необходимое обратное напряжение и постоянный ток коллектора.

Конденсатор WIMA используется вместе с электролитическим конденсатором на источнике питания двигателя. Это сохраняет заряд для стабилизации источника питания и, что наиболее важно, помогает устранить индуктивность кабелей и разъемов в системе.

Шаг 2: Сборка и макет

Компоновка схемы была разработана таким образом, чтобы минимизировать расстояние между компонентами и исключить ненужные индуктивности. Это было сделано особенно в петле между драйвером IGBT и IGBT. Была предпринята попытка устранить шум и звон с помощью больших сопротивлений, которые были заземлены между Arduino, оптопарой, драйвером и IGBT.

Компоненты припаяны к Veroboard. Самый простой способ построить схему - нарисовать компоненты схемы на плате перед тем, как приступить к пайке. Паяйте в хорошо проветриваемом помещении. Зачистите проводящий путь напильником, чтобы создать зазор между компонентами, которые нельзя соединять. Используйте пакеты DIP, чтобы компоненты можно было легко заменить. Это помогает, когда компоненты выходят из строя, а затем отпаивают их и перепаивают заменяемую деталь.

Я использовал банановые вилки (черные и красные розетки), чтобы легко подключить мои источники питания к плате, это можно пропустить, а провода припаять непосредственно к печатной плате.

Шаг 3: программирование Arduino

Волна ШИМ генерируется включением библиотеки ШИМ Arduino (прикрепленной в виде ZIP-файла). Пропорциональный интегральный контроллер (ПИ-регулятор) используется для управления скоростью ротора. Пропорциональное и интегральное усиление можно вычислить или оценить до тех пор, пока не будут получены достаточные времена установления и выбросы.

ПИ-регулятор реализован в цикле while () Arduino. Тахометр измеряет скорость ротора. Этот измерительный ввод в Arduino в один из аналоговых входов с помощью analogRead. Погрешность вычисляется путем вычитания текущей скорости ротора из заданной скорости ротора и устанавливается равной погрешности. Интегрирование по времени было выполнено путем добавления времени выборки ко времени каждого цикла и установки его равным времени и, таким образом, увеличения с каждой итерацией цикла. Рабочий цикл, который может выводить Arduino, находится в диапазоне от 0 до 255. Рабочий цикл рассчитывается и выводится на выбранный цифровой вывод PWM с помощью pwmWrite из библиотеки PWM.

Реализация ПИ-регулятора

двойная ошибка = ref - об / мин;

Время = Время + 20e-6;

двойной pwm = начальный + kp * error + ki * Time * error;

Реализация ШИМ

двойной датчик = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Полный код проекта можно увидеть в файле ArduinoCode.rar. Код в файле адаптирован для инвертирующего драйвера. Инвертирующий драйвер имел следующий эффект на рабочий цикл схемы, означающий new_dutycycle = 255 -dutycycle. Это можно изменить для неинвертирующих драйверов, обращая указанное выше уравнение.

Шаг 4: Тестирование и заключение

Схема была окончательно протестирована, и были проведены измерения, чтобы определить, был ли достигнут желаемый результат. Контроллер был настроен на две разные скорости и загружен в Arduino. Блоки питания включены. Двигатель быстро разгоняется до желаемой скорости, а затем устанавливается на выбранной скорости.

Этот метод управления двигателем очень эффективен и работает со всеми двигателями постоянного тока.