Драйвер асинхронного двигателя: Драйвер для трехфазного двигателя своими руками – Электробайк. Контроллер двигателя своими руками / Mail.ru Group corporate blog / Habr

Содержание

Драйвер для трехфазного двигателя своими руками

Трёхфазные двигатели постоянного тока довольно часто применяются в быту и промышленности. Для их управления требуется техническое средство, преобразующее сигналы малой мощности в токи, способные управлять моторами.

Для этой цели существуют схемы различной степени сложности. Все они отличаются друг от друга либо мощностью, либо элементной базой, на основе которой они изготовлены. Рассмотрим для начала простейшие схемы.

Транзистор

Начинающему электрику приходится задаться вопросом подключения мотора к микроконтроллеру. Самым простым и мощным посредником для этого станет транзистор. Подойдут и полевые, и биполярные транзисторы. Самая элементарная схема управления двигателем постоянного тока показана на рисунке.

По существу, это наипростейший драйвер двигателя постоянного тока, предназначенный выполнить свою функцию. Диод, подключенный параллельно обмоткам мотора, защитит от возгорания элементов микросхемы в момент остановки электродвигателя, когда ЭДС самоиндукции создаст на обмотках резкий скачок напряжения. Транзистор КТ315 позволит:

  1. регулировать ток I< 1 А и напряжение U< 40 В;
  2. включать/отключать двигатель в одном направлении.

Для двухстороннего управления необходимо более сложное устройство.

Н-мост

Составление электроэлементов соответствующим образом (по типу Н-моста) позволит управлять мотором в обе стороны. H-мост представлен на чертеже:

Где INA, INB — входные сигналы управления;

VCC — электропитание моторов, в несколько раз превышающее напряжения управляющего сигнала;

GND — общая земля.

При подаче положительного сигнала на один из входов, электродвигатель будет вращаться в ту или иную сторону. Обычно, схема драйвера кроме H-моста, дополняется защитными диодами, фильтрами, опторазвязками и другими улучшениями. Самым популярным чипом драйвером является IR2110.

Рабочая схема Н-моста с IR2110

H-мост предназначается для управления моторами тогда, когда потребляемая мощность превышает 300 Вт. Если детали на рисунке слишком мелкие, то кликните по этой картинке — она увеличится.

В подобных схемах используются МОП-транзисторы. Система управления создаётся на основе микроконтроллеров. Результатом будет сформированная чистая синусоида на выходе.

Рекомендации

Использование в бытовых условиях трёхфазных двигателей постоянного тока не вызывает никаких затруднений тогда, когда управление ими осуществляется посредством специальных драйверов, например:

  • одного реверсируемого двигателя постоянного тока;

  • двух двигателей постоянного тока;

  • двигателя постоянного тока с регулятором скорости.

Вооружившись технологией и желанием собрать устройство своими руками можно смело браться за дело. При работе драйверов требуется учитывать конструктивные особенности и некоторые рекомендации по подключению:

  • проверка уровня заряда аккумуляторов, напряжение должно быть не менее 12 В;
  • не допускать высоких токовых значений на выходе моста, чтобы не сгорели транзисторы;
  • если продолжительное включение драйвера приводит к перегреву корпуса транзистора, то понадобится установка радиатора решетчатого типа на сток транзистора;
  • двигатель с источником питания по шине +12 В выполнять многожильным медным кабелем, рассчитанным на большой ток.

Заключение

Трёхфазные электродвигатели широко применяются на разнообразном оборудовании, их постоянно совершенствуют, благодаря развитию полупроводниковой техники. Предлагаются универсальные решения создания устройств, работающих в широком диапазоне рабочих параметров, обеспечивающих надежную и удобную эксплуатацию агрегатов.

При желании можно самим собрать драйвер, и с помощью него вращать трёхфазный двигатель. По стоимости покупка отдельных компонентов схем и выполнение сборки собственноручно обходится дешевле, чем приобретение готового устройства.

 

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА

Цифровой регулятор мощности для 3 фазного мотора переменного тока выполнен с использованием специальной микросхемы MC3PHAC от фирмы NXP Semiconductor. Она генерирует 6 ШИМ-сигналов для 3 фазного двигателя переменного тока. Блок легко совмещается с мощным 3 фазным IGBT/MOSFET ключевым приводом. Плата обеспечивает 6 ШИМ сигналов для IPM или IGBT инвертора, а также сигнал торможения. Схема работает в автономном режиме и не требует программирования и кодирования.

Схема регулятора

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА - схема

Органы управления

  • PR1: Потенциометр для установки ускорения
  • PR2: Потенциометр для регулировки скорости
  • SW1: Переключатель DIPX4 для установки частот 60Hz/50Hz и установки выхода активный низкий / активный высокий
  • SW2: Переключатель сброса
  • SW3: Старт / стоп мотор
  • SW4: изменить направление двигателя

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА - схема

Основные параметры

  • Питание драйвера 7-15 В постоянного тока
  • Потенциометр для управления скоростью двигателя
  • Частота ШИМ по умолчанию 10.582 кГц (5.291 кГц – 164 кГц)

М/с MC3PHAC — это монолитный интеллектуальный контроллер, разработанный специально для удовлетворения потребности в недорогих 3-фазных системах управления электродвигателем переменного тока с регулировкой скорости вращения. Устройство адаптируется и настраивается в зависимости от его параметров. Оно содержит все активные функции, необходимые для реализации части управления с открытым контуром. Всё это делает MC3PHAC идеально подходящей для устройств, требующих поддержки управления двигателем переменного тока.

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА - схема

В состав MC3PHAC входят защитные функции, состоящие из контроля напряжения шины постоянного тока и входа неисправности системы, которые немедленно отключат модуль ШИМ при обнаружении неисправности системы.

Все выходные сигналы TTL уровня. Вход для блока питания 5-15 В постоянного тока, постоянное напряжение на шине должно быть в пределах 1.75 — 4,75 вольта, DIP-переключатель предусмотрен на плате для установки под двигатели с частотой 60 или 50 Гц, перемычки помогают установить полярность выходного ШИМ-сигнала, то есть активный низкий или активный высокий уровень, что позволяет использовать эту плату в любом модуле, так как выход можно установить активный низкий или высокий. Потенциометр PR2 помогает регулировать скорость двигателя. Для изменения базовой частоты, времени отключения ШИМ, других возможных параметров — изучайте даташит. Файлы платы — в архиве

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА - схема

Управление скоростью. Синхронная частота электродвигателя может быть задана в режиме реального времени для любого значения от 1 Гц до 128 Гц регулировкой потенциометра PR2. Коэффициент масштабирования составляет 25,6 Гц на вольт. Обработка 24-битным цифровым фильтром для того чтобы увеличить стабильность скорости.

Управление ускорением

. Ускорение двигателя может быть задано в режиме реального времени в диапазоне от 0,5 Гц/сек до 128 Гц/сек, путем регулировки потенциометра PR1. Коэффициент масштабирования составляет 25,6 Гц/секунду на вольт.

Защита. При возникновении неисправности MC3PHAC немедленно отключает ШИМ и ожидает, пока условие неисправности не будет устранено перед запуском таймера для повторного включения. В автономном режиме этот интервал времени ожидания задается на этапе инициализации путем подачи напряжения на вывод MUX_IN, в то время как вывод RETRY_TxD управляется на низком уровне. Таким образом, время повтора может быть указано от 1 до 60 секунд с коэффициентом масштабирования 12 секунд на вольт.

Контроль внешних неисправностей. Вывод FAULTIN принимает цифровой сигнал, указывающий на неисправность, обнаруженную с помощью внешних цепей мониторинга. Высокий уровень на этом входе приводит к немедленному отключению ШИМ. Как только этот вход возвращается к низкому уровню логики, таймер повтора сбоя начинает работать, и ШИМ повторно включается после достижения запрограммированного значения тайм-аута. Входной контакт 9 разъема CN3 FLTIN должен быть с высоким потенциалом.

Мониторинг целостности напряжения (входной сигнал pin 10 в cn3) в DC_BUS отслеживается на частоте 5.3 кГц (4.0 кГц, если частота ШИМ имеет значение до 15,9 кГц). В автономном режиме пороги фиксируются на 4.47 вольт (128% от номинальной), и 1,75 вольт (50% от номинальной), где номинальное значение определяется в 3,5 вольт. Как только уровень сигнала DC_BUS возвращается к значению в пределах допустимого — таймер повтора сбоя начинает работать, и ШИМ снова включается после достижения запрограммированного значения тайм-аута.

Регенерация. Процесс экономии, с помощью которого сохраненная механическая энергия в двигателе и нагрузке переносятся обратно в привод электроники, происходит это как правило, в результате принудительного замедления. В особых случаях, когда этот процесс происходит часто (например, системы управления двигателями лифтов), он включает специальные функции, чтобы позволить этой энергии перейти обратно в сеть переменного тока. Однако для большинства недорогих приводов переменного тока эта энергия сохраняется в конденсаторе шины постоянного тока за счет увеличения ее напряжения. Если этот процесс не установлен, напряжение шины постоянного тока может подниматься до опасного уровня, что может привести к порче конденсатора шины или транзисторов в инверторе питания. MC3PHAC позволяет автоматизировать и стабилизировать этот процесс.

Резистивное торможение. DC_BUS пин-код отслеживается на 5.3 кГц (4.0 кГц, если частота ШИМ имеет значение до 15,9 кГц), и когда напряжение достигает определенного порога, RBRAKE контакт примет высокий потенциал. Этот сигнал может использоваться для управления резистивным тормозом, размещенным через конденсатор шины постоянного тока, таким образом, механическая энергия от двигателя будет рассеиваться в виде тепла в резисторе. В автономном режиме порог DC_BUS, необходимый для подтверждения сигнала RBRAKE, зафиксирован на уровне 3,85 вольта (110 % номинала), где номинал определяется как 3,5 вольта.

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА - схема

Выбор частоты ШИМ. У MC3PHAC имеется четырех дискретных частоты ШИМ, которые могут быть динамически изменены во время вращения электродвигателя. Этот резистор может быть потенциометром или фиксированным резистором в диапазоне, показанном в таблице. Частота ШИМ определяется подачей напряжения на контакт MUX_IN в то время как контакт ШИМ FREQ_RxD управляется низким потенциалом.

   Форум

   Обсудить статью РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ ДЛЯ 3 ФАЗНОГО МОТОРА


Управление электродвигателями

Исследования Мирового Энергетического Совета в 2013 году, говорят о том, что около 45% глобального потребления электроэнергии приходится на электродвигатели. Они являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Электродвигатели можно встретить в бытовой технике, инструментах, электромобилях, поездах, на нефтяных платформах и дамбах.

Со времен промышленной революции мы постоянно сокращаем трудозатраты и время, внедряя электродвигатели во всевозможное оборудование. Масса устройств с электроприводом сделала наши домашние дела проще и удобнее, а наши рабочие места стали более эффективными и рентабельными. Но какой ценой?

Энергопотребление и окружающая среда

В современном мире, где сокращаются запасы ископаемых видов топлива, где внимательно следят за экологией и окружающей средой, производителям любых изделий с моторами приходится нелегко. Пока не существует достойной альтернативы по получению электроэнергии из возобновляемых источников, проблема усугубляется стремительным увеличением спроса в связи с экономическим ростом в Африке, Азии и Южной Америке и быстрорастущей численностью мирового населения. Во всем мире правительства все более активно внедряют законодательные меры, направленные на сокращение потребления энергии. В ответ на это промышленные заказчики стараются инвестировать в более эффективное оборудование. Не желают отставать и дальновидные розничные потребители, которые ищут изделия с низким энергопотреблением.

Компактные двигатели

Помимо сокращения энергопотребления, инженеры также сталкиваются с необходимостью сокращения размеров моторов, приводов и их контроллеров. Так, например, для потребителя большой объем барабана в стиральной машинке является дополнительным критерием выбора, но тем не менее машинка по-прежнему должна соответствовать стандартным размерам. Сокращение пространства для электронных компонентов усложняет терморегулирование и охлаждение и порождает некоторые трудности для инженеров-разработчиков. Добавление механизмов охлаждения только увеличивает потребление энергии, поэтому двигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выделять меньше тепла.

Архитектура систем управления двигателями

Системы управления двигателем

На приведенной выше схеме показаны стандартные блоки системы управления двигателем в зависимости от типа двигателя, области его применения, уровня управления и мониторинга.

Контроллер – это устройство управления, микроконтроллер или ЦСП, который воспринимает такие команды, как направление, скорость и крутящий момент. Он необходим для генерации одного или нескольких сигналов для приведения в действие мотора. Управление обычно осуществляется посредством ШИМ. Контроллер также может быть снабжен обратной связью в виде измерения тока и положения, чтобы обеспечить более точное управление, защиту двигателя и обнаружение неисправности.

Привод — в большинстве случаев привод необходим для усиления сигналов, образуемых контроллером для обеспечения достаточной мощности двигателя.

Датчики — шунты и датчики с эффектом Холла могут использоваться для измерения фактического тока, тем самым обеспечивая обратную связь. Получение данных о положении двигателя осуществляется через индуктивный датчик, датчик Холла или энкодер. Затем эта обратная связь может использоваться для реализации более сложного управления «замкнутым контуром» и получения актуальной информации об условиях работы электродвигателя, что обеспечивает улучшенный контроль над выходными параметрами электродвигателя.

Фильтрация — используется в системах управления двигателями для подавления источников электромагнитных помех. Обычно такими элементами фильтрации выступают ферритовые сердечники и катушки индуктивности.

Изоляция — гальваническая развязка часто используется для изоляции контроллера двигателя от остальной системы, которая может быть чувствительна к импульсным помехам, а также иметь различный потенциал земли.

Двигатель с замкнутым и разомкнутым контуром

Разомкнутые системы управления характеризуются тем, что в них задается необходимое значение регулируемой величины, но в процессе работы значение регулируемой величины не контролируется, и система не реагирует на отклонение регулируемой величины от заданного значения. Другими словами, разомкнутая система управления не имеет обратной связи.

В замкнутых системах производится непрерывный контроль выходной величины, и система управления при помощи цепи обратной связи реагирует на отклонение выходного сигнала от заданной величины. Хорошим примером этого является позиционный двигатель на телескопе, который будет постоянно перестраиваться, чтобы отслеживать требуемые координаты.

Бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ)

Автор: Эльвир Кахриманович, старший системный инженер-разработчик компании Infineon.

От аккумуляторных электроинструментов до средств промышленной автоматизации, от электрических велосипедов до дистанционно управляемых «беспилотников», в настоящее время бесщеточные двигатели постоянного тока (БДПТ) пользуются все большей популярностью. Для решений БДПТ требуется более сложное устройство привода, такие моторы обладают рядом эксплуатационных преимуществ, включая высокую эффективность и удельную мощность. Это позволяет использовать меньшие по размеру, более легкие и менее дорогие двигатели. Уменьшается механический износ, что приводит к повышению надежности, увеличению срока службы, а также исключает необходимость постоянного техобслуживания. Двигатели БДПТ работают с более низким звуковым и электрическим шумом, чем их щеточные аналоги.

Обычный БДПТ имеет трехфазный статор, который осуществляет вращение ротора через систему электронного управления. Такая система включает в себя трехфазный инвертор напряжения. Она постоянно переключает токи в обмотках статора синхронно с положением ротора, которое может быть установлено с помощью датчиков или посредством расчетов, основанных на обратной электродвижущей силе (ЭДС) в конкретный момент. Поток, генерируемый в статоре, взаимодействует с потоком ротора, который определяет крутящий момент и скорость двигателя.

При разработке средств БДПТ инженеры выбирают между использованием дискретных компонентов и интегрированных решений, которые объединяют ряд важных функций привода и управления в одном устройстве.

Более подробную информацию можно найти в материалах компании Infineon: «Потери мощности и оптимизированный выбор MOSFET в конструкциях инверторов двигателей БДПТ» на сайте DesignSpark.

Робот от Infineon Technologies побил рекорд по сборке кубика Рубирка

Компоненты для бесщеточных двигателей

Компоненты для систем управления двигателями

Постройте компактный, надежный и эффективный моторный привод с использованием встроенных силовых модулей от компании ON Semiconductor.

Типы двигателей и как подобрать нужный двигатель

Существует две основные категории двигателей: переменного тока (AC) и постоянного тока (DC).

Двигатели постоянного тока были изобретены первыми и по-прежнему являются самым простым видом двигателей. DC двигатели приводятся в движение путем пропуска тока через проводник внутри магнитного поля. Основными типами электродвигателей постоянного тока являются щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока. Энергия щеточных двигателей генерируется подключением противоположных полюсов источника питания для подачи отрицательных и положительных зарядов в коммутатор при его физическом контакте с щетками. Такие электродвигатели отличаются своей простотой и низкой стоимостью, но требуют частого техобслуживания, так как щетки нуждаются в регулярной чистке и замене. Для того, чтобы работа приборов была более надежной, эффективной и менее шумной, используют бесщеточные двигатели постоянного тока. Они легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности, практически не требуют техобслуживания, но значительно дороже.

Двигатели переменного тока можно разделить на два основных типа: асинхронные и синхронные. Выделяют ещё один, менее распространенный тип — линейные AC двигатели.

Можно сказать, что AC двигатели состоят из двух основных частей: внешняя часть (статор) и внутренняя (ротор). Статор – это стационарная часть двигателя с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. А ротор соединен с валом, который создает другое вращающееся магнитное поле. Линейные двигатели схожи с вращающимися двигателями, но в них движущиеся и неподвижные части расположены по прямой линии, и в итоге они создают линейное движение.

Индукционные (асинхронные) электродвигатели называются таковыми, поскольку крутящий момент создается с помощью электромагнитной индукции. Они известны также как двигатели с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Синхронные двигатели отличаются от асинхронных тем, что они работают с точной синхронизацией с частотой сети. Напротив, асинхронные двигатели используют индуктивный ток для создания магнитного поля и требуют некоторого «скольжения» (немного более медленного вращения), чтобы вызвать ток.

На что следует обратить внимание при выборе электродвигателя?
Тип электродвигателя: Двигатель постоянного тока (DC) или переменного тока (AC).
Скорость: На какой скорости должен работать ваш двигатель? От этого напрямую зависит регулирование числа оборотов. Вам требуется выбор из нескольких режимов времени набора оборотов двигателя?
Крутящий момент: Это показатель, характеризующий силу вращения, обычно измеряется в Н·м (Ньютон-метр).
Встроенный редуктор: Встроенные редукторы снижают скорость и увеличивают крутящий момент.
Требования по нагрузке: Какая нагрузка вам требуется – предельная нагрузка, нормальная нагрузка или легкий режим нагрузки?
Номинальная мощность: Как правила, указывается в Ваттах (Вт) или лошадиных силах (л. с.). Проверьте характеристики при нормальной работе и перегрузках.
Питание: Проверьте требования к электропитанию – к напряжению, току.
Конфигурация: Размер и габариты двигателя будут определяться приложением, для которого он предназначен. Размер вала, тип монтажа и вес также должны быть учтены.

Ведущие бренды

Статьи на сайте DesignSpark

Модули управления двигателями — Igbt транзисторы,драйверы транзисторов, драйверы тиристоров

Модули управления двигателями

              Модули предназначены для управления асинхронными двигателями, коллекторными и вентильными двигателями постоянного тока. В группу входит универсальный модуль интеллектуального инвертора предназначенный для работы с любым типом двигателя в составе с внешней схемой управления. Модули могут быть использованы для построения преобразователей частоты для цепей питания с пиковым напряжением до 1200 В и током нагрузки до 100 А.

Тип  Описание U,В I,А Корпус Паспорт
Интеллектуальные инверторы

 

 

 

 

   

М32

 

 

 

 

 

Двух-, трехфазный инвертор с цепями управления и цепями защит.

 <100

 

<75

 

 

МККТ

 

 

 

 

 

 

 

<200

<50

<600

<25

<100

<100

 

 

 

ДМ

<200

<100

<600

<100

<1200

<75

 

 

М32М

 

 

Малогабаритный двух-, трехфазный инвертор

с цепями управления.

<100

 

 

 

<10

 

 

ПП2 

 

 

<200

<600

 

 

 

М32Д

 

 

Инвертор с контролем тока фаз с выдачей гальванически

развязанного сигнала пропорционального току с цепями управления

и цепями защит.

<100 <100

 

 

 

ДМ

 

 

 

<200

<100

<600

<100

<1200

<75
М31-SIP

Трехфазный инвертор, являющийся аналогом IRAMS10UP60A.

(Опытный образец).

<600 <10

М31И

Трехфазный инвертор. В М31И сигналы управления гальванически

развязаны от силовой цепи

<1200 <50

ДМ

М31А Трехфазный инвертор <1200 <100

ДМ

 

 

М31Б Двухфазный инвертор <1200 <100

ДМ

Модули управления двигателями

МУАДМ

 

Модули управления асинхронным

электродвигателем

<1200 <100

ДМ

 
МУВДМ

Модули управления вентильным 

электродвигателем с ДПР

<1200 <100

ДМ

 
МУКДМ

Модуль управления коллекторным 

электродвигателем

<1200 <100

ДМ

 
МДВ

Модуль управления вентильным 

электродвигателем с ДПР

<55 <5

МД

 
МДК

Модуль управления коллекторным

электродвигателем

<55 <5

МД

 

 

 

 

МОУД1

 

 Модуль управления коллекторным

электродвигателем 

 

 

 

 

<100

 

 

 

<10

 

 

 

 

  

 

 

 

МОУД3

  Модуль управления вентильным 

электродвигателем с ДПР 

 

 

 

<100

 

 

 

<10

 

 

 

 

 

Драйвера управления двигателями
МКАД

Драйвер управления асинхронным 

электродвигателем

МД

 
МКВД

Драйвер управления вентильным

электродвигателем с ДПР

МД

 
МККД

Драйвер управления коллекторным 

электродвигателем

МД

 

 

 

Так же рекомендуем просмотреть модули контроля напряжения ПЧ

 

 

 

 

Система управления двигателем: трехфазный инвертор

Краткое описание и назначение устройства

Текущая версия устройства трехфазного инвертора (далее инвертор) представляет собой усовершенствованный и модифицированный вариант системы управления двигателями, основанный на предыдущих подобных разработках кафедры Машин и аппаратов Хмельницкого национального университета. Внешний вид платы инвертора изображен на рисунке 1 и 2.

-> Украинская версия <-

 

 

Рисунок 1. Внешний вид платы трехфазного инвертора (верхний слой)

 

 

Рисунок 2. Внешний вид платы трехфазного инвертора (нижний слой)

 

Данный инвертор предназначен для осуществления управления работой электрическими двигателями, такими как:

  • Трехфазные асинхронные двигатели;

  • Однофазные асинхронные двигатели;

  • Коллекторные двигатели;

  • Трехфазные двигатели постоянного тока с датчиками и без датчиков Холла.

В зависимости от типа двигателя используется различные режимы управления, для чего предназначено соответствующие программное обеспечение. Для двигателей, содержащие одну или две фазы используется два плеча драйвера из трех – режим инверсного Н-моста. Всего возможно подключение двигателей, электрическая обмотка которых содержит от одного до трех фаз. Исключение составляют двухфазные (биполярные) шаговые двигатели, электрическая схема управления которых содержит две независимые обмотки. Управление таким двигателем предполагает наличие драйвера, который давал бы возможность осуществлять переполюсовку тока в каждой из этих обмоток.

Устройство данного инвертора представляет собой комплектующую часть для нужной конечной системы управления, которая, кроме текущей платы, должна включать в себя источник питания и систему управления с интерфейсом ввода-вывода данных. В качестве системы управления и интерфейса ввода-вывода может служить компьютер, для подключения которого на плате инвертора предусмотрен разъем интерфейса RS-232.

Возможен также работа платы инвертора в режиме демонстрации, с выполнением некоторых основных функций, например, запуск двигателя, остановка, реверс, изменение скорости. Для осуществления управления этим режимом на плате инвертора предусмотрены четыре кнопки управления.

Также к дополнительным функциям платы инвертора относятся следующие, – это возможность подключения датчиков обратной связи, например, для управления трехфазными двигателями постоянного тока с датчиками Холла, возможность подключения тахометра для контроля скорости вращения двигателя и возможность подключения охлаждающего вентилятора.

 

 

Описание конструкции и электрической части печатной платы управления

 

 

Печатная плата инвертора изготовлена в двухслойном исполнении с защитным покрытием (маской). На верхнем слое находится большинство электрических сигнальных проводников (рисунок 3) и запаяны почти все электрические компоненты (рисунок 4). На нижнем слое размещены в основном полигоны питания (рисунок 5) и запаянные силовые транзисторы для возможности удобного монтажа теплоотводящего радиатора (рисунок 6).

Рисунок 3. Верхний слой платы инвертора (электрические проводники)

 

Рисунок 4. Верхний слой платы инвертора (электрические компоненты)

 

 

Рисунок 5. Нижний слой платы инвертора (электрические проводники)

 

Рисунок 6. Нижний слой платы инвертора (электрические компоненты)

 

Всю систему данного инвертора можно разделить на следующие основные части (узлы):

  • Узел питания;

  • Узел контроля;

  • Узел ввода-вывода;

  • Узел мониторинга:

  • Узел драйвера.

Рассмотрим кратко каждый из них. Узел питания состоит из четырех линейных стабилизаторов напряжения на 3.3В, 5.0В, 12.0В и 15.0В соответственно (Рисунок 7).

 

 

Рисунок 7. Узел питания инвертора

 

Стабилизатор напряжения на 3.3В используется для питания управляющего контроллера и всей логики схемы инвертора, на 5.0В – для питания датчика тока, на 12.0В – питание охлаждающего вентилятора и на 15.0В – питание для драйвера силовых ключей.

Узел контроля – это собственно программируемый контроллер (рисунок 8), выполняющий все функции ввода-вывода и управления самым драйвером двигателя. Для программирования последнего на плате предусмотрен специальный ISP разъем.

 

 

Рисунок 8. Узел контроля инвертора

 

Узел ввода-вывода включает в себя следующие элементы, такие как кнопки управления (рисунок 9), интерфейс RS232 (рисунок 10), светодиоды, логику управления вентилятором и тахометром, клеммы для подключения входных сигналов.

 

 

Рисунок 9. Узел ввода-вывода инвертора (кнопки управления)

 


 

Рисунок 10. Узел ввода-вывода (интерфейс RS232)

 

Узел мониторинга включает в себя датчик тока (рисунок 11) и температуры (рисунок 12). Первый и второй аналогового принципа действия, считывания и преобразования в значения тока и температуры выполняет контроллер с помощью интерфейсов АЦП.

 

 

Рисунок 11. Узел мониторинга инвертора (датчик тока)

 

 

Рисунок 12. Узел мониторинга инвертора (датчик температуры)

 

Узел драйвера включает в себя всю логику управления собственно двигателем. К ней относится гальваническая развязка (рисунок 13), драйвер силовых транзисторов (рисунок 14) и сами силовые транзисторы (рисунок 15).

 

Рисунок 13. Узел драйвера инвертора (гальваническая развязка)

 

 

Рисунок 14. Узел драйвера инвертора (драйвер силовых транзисторов)

 

 

Рисунок 15. Узел драйвера инвертора (силовые транзисторы)

 

Для питания всей схемы инвертора нужно три независимых (гальванически развязаны ) источника питания.

Первое – питание всей логики схемы управления, не включая драйвер силовых транзисторов. Последний источник должен быть с выходным напряжением в рекомендованном диапазоне 17-20В, ток потребления схемы инвертора по текущему питанию не более 40 мА.

Второе – питание драйвера силовых транзисторов, должно быть с выходным напряжением в рекомендованном диапазоне 17-20В, ток потребления схемы инвертора по текущему питанию не более 10 мА.

Третье – питание для собственно двигателя, которым нужно управлять. Напряжение и ток, которые должны быть обеспечены текущим источником зависят от мощности двигателя. В электрической схеме инвертора заложены силовые IGBT транзисторы, обеспечивающие максимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером – 600В, и длительный ток коллектора при комнатной температуре – 60А .

 

 

Описание работы программы управления

 

 

Программа разработана для текущего контроллера инвертора предусматривает возможность выбора типа двигателя, которым нужно управлять с помощью директив следующих компиляции.

 

//#define MOTOR_STEP_3PH //#define MOTOR_VENT_3PH_HALL //#define MOTOR_DC //#define MOTOR_STEP_3PH_N #define MOTOR_AC_3PH //#define MOTOR_AC_1PH

//#define MOTOR_STEP_3PH

 

//#define MOTOR_VENT_3PH_HALL

 

//#define MOTOR_DC

 

//#define MOTOR_STEP_3PH_N

 

#define MOTOR_AC_3PH

 

//#define MOTOR_AC_1PH

 

 

В зависимости от выбранной директивы компилятор настраивает программу под определенный тип двигателя, удаляя ненужные или вставляя нужные функции и отдельные части программы. Согласно контроллер платы инвертора сразу прошивается для управления соответствующим типом двигателя. Чтобы изменить программу управления для работы в другой системе с другим типом двигателя требуется следующее перепрограммирования инвертора.

На рисунке 16 показан внешний вид компьютерной программы, которая была разработана для управления работой асинхронными двигателями.

 

Рисунок 16. Внешний вид компьютерной программы управления асинхронными двигателями

 

Данная программа позволяет осуществлять демонстрацию управления асинхронным двигателем с задачей частоты синусоиды, которую генерирует драйвер, частоту самого ШИМ сигнала, включать / выключать защиту по превышению допустимого тока и температуры с задачей критических значений и периода считывания, время разгона / торможения и направление вращения. Также можно передавать отдельные независимые команды с задачей количества байт для возможности тестирования программы контроллера, считывать ток и температуру с датчиков.

 

Применение разработанной системы

 

На момент написания текущей статьи разработана система инвертора ни была применена в составе конечной системы управления или стенда.

Текущая электрическая плата инвертора предназначена для управления трехфазными асинхронными двигателями в системе открытого исполнения с целью исследования частотных и потребляемых характеристик двигателя в лабораториях Хмельницкого национального университета. Для таких исследований используется отдельная система с АЦП устройством под контролем среды программирования Lab View от компании National Instruments.

Автор: Сергей Корсун, ХНУ (2010 г. вып.), г.  Хмельницк.

 

Дополнительная информация по теме:


Драйвер (электроника) — Википедия

Микросхема-драйвер RS-232

Драйвер (англ. driver — управляющее устройство, водитель) — электронное устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов, целью которого является управление чем-либо. Драйвером обычно называется отдельное устройство или отдельный модуль, микросхема в устройстве, обеспечивающие преобразование электрических управляющих сигналов в электрические или другие воздействия, пригодные для непосредственного управления исполнительными или сигнальными элементами.

Под определение драйвера попадают многочисленные устройства:

  • Шинные формирователи, предназначенные для передачи сигналов с одного уровня цифрового устройства на другой с преобразованием уровня, усилением нагрузочной способности и другими особенностями. Такие устройства обеспечивают передачу данных между различными логическими блоками по общим линиям связи внутри вычислительных машин.
  • Формирователи сигналов интерфейсов цифровых электронных устройств, предназначенные для преобразования, приёма и передачи цифровых сигналов и согласования электрических параметров с особенностями линии связи. Наиболее известными представителями таких драйверов считаются формирователи интерфейсов RS-232 (COM — порт), RS-485, RS-422, CAN, LIN, Ethernet, USB, IEEE 1394 и т. д.
  • Устройства управления различными типами исполнительных устройств, такими как электромагниты, электродвигатели (в том числе шаговые), сигнальные лампы, дозаторы (в том числе печатающие головки принтеров), сервоприводы, звуковые сигналы и т. д.[1]
  • Модули питания и управления устройствами, требующими соблюдения определённых рабочих параметров в процессе включения, выключения и работы. Ярким примером можно считать драйверы светодиодов, поскольку к питанию светодиодных устройств предъявляются повышенные требования[2].
  • Драйверы силовых транзисторов, MOSFET и IGBT-транзисторов. Затворы мощных полевых силовых транзисторов имеют большую электрическую ёмкость (тысячи пикофарад), для зарядки которых на высокой частоте нужен большой ток (амперы). Драйвер обеспечивает большой ток для быстрой зарядки затвора транзистора для его открытия. А также быстро разряжает затвор, когда транзистор нужно закрыть.

Светодиоды, в отличие от других излучающих свет приборов (ламп, светильников), не могут быть напрямую включены в бытовую сеть. Более того, светодиоды не могут питаться фиксированным напряжением, которое указано в паспорте. Устройство питания светодиода должно иметь элементы, ограничивающие ток через светодиод в соответствии с его характеристиками, или балласт. Именно поэтому диод называется «токовым прибором», и использование традиционных преобразователей напряжения неприменимо. Светодиод, как и любой полупроводниковый диод, имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, которая меняется под воздействием температуры и, хоть и незначительно, но отличается у разных излучателей, даже выпущенных в одной партии. Поэтому ограничивающие ток элементы должны учитывать как разброс параметров светодиодов, температурный и временной уход, так и изменения питающего напряжения.

Известно множество схем питания светодиодов. Наиболее простым решением для ограничения тока светодиода является резистор, включённый последовательно с светодиодом, однако, такой вариант не слишком экономичен. Немалая часть подводимой мощности будет выделяться на этом резисторе в виде тепла. Можно уменьшить эту «паразитную» мощность снижением напряжения питания системы и уменьшением сопротивления резистора. Чем меньше выбрать сопротивление резистора, тем меньше он будет греться. Но и тем больше будет меняться ток светодиода при изменении его параметров, вызванных например, изменениями температуры, а при слишком малом сопротивлении резистора, ток может выйти из рабочего диапазона и снизить долговечность светодиода вплоть до выхода его из строя.

Наиболее популярные на данный момент эффективные схемы питания — на основе импульсных преобразователей (электронный балласт) и на основе реактивного сопротивления ёмкостных элементов (ёмкостной балласт).

Другой способ питания — стабилизация тока через светодиод с помощью электронной схемы. Для таких целей выпускаются специальные микросхемы, содержащие один или несколько стабилизирующих ток выходов. При использовании такого решения, напряжение питания может быть подобрано таким, что выделяемая на драйвере активная мощность была минимальной. Драйверы со стабилизацией тока и с управлением от микроконтроллера используются в электронных светодиодных табло, где требуется управлять не только включением, выключением и яркостью каждого пикселя, но и его цветом[3].

В некоторых применениях, например батарейном питании, напряжения источника не хватает для включения светодиода. В таких устройствах используются повышающие преобразователи, специально разработанные для эффективного использования светодиодных излучателей[4].

Для питания мощных белых светодиодов в осветительных устройствах применяются специальные блоки — электронные драйверы светодиодов, представляющие собой эффективные преобразователи питания, которые стабилизируют не напряжение на своём выходе, а ток[5][6].

Такие драйверы позволяют включить один или несколько светодиодов, соединённых в одну последовательную цепочку. Несколько параллельных цепочек таким драйвером питаться не могут, поскольку ток в отдельных цепочках может сильно отличаться[2].

В современной автоматике, да и в бытовой технике, зачастую двигатель или электромагнит включается не выключателем, а контроллером. Скоростью вращения, направлением позволяют управлять логические устройства с формирователями на выходе — силовыми драйверами[7]. Входы такого драйвера совместимы с логическим устройством, а на выходе формируется необходимое напряжение нужной полярности и, в случае шагового двигателя, необходимая циклограмма возбуждения его обмоток.

  1. Петропавловский Ю. Современные микросхемы управления двигателями постоянного тока фирм ROHM и Toshiba. Современная электроника № 2 2010 г.
  2. 1 2 Бирюков Е. Элементная база и способы её применения для решения задач управления питанием светодиодов. Компоненты и технологии № 11 2006 г.
  3. Селиванов М. Светодиодные драйверы производства фирмы SiTI. Компоненты и технологии № 2 2008 г.
  4. Никитин А.Применение импульсных повышающих преобразователей фирмы National Semiconductor для управления светодиодами. Компоненты и технологии № 8 2007 г.
  5. Евстифеев А.Практический опыт применения микросхемы Supertex HV9910. Компоненты и технологии № 12 2009 г.
  6. Ричардсон К. Драйверы светодиодных ламп уличного освещения производства National Semiconductor. Компоненты и технологии № 4 2011 г.
  7. ↑ Драйвер двигателей L293D

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о