Драйверы вентильного электродвигателя

Электропривод – просто, как «раз, два, три». Часть 3. Модули управления вентильными электродвигателями без датчиков положения ротора

Волошин Сергей

Традиционно при управлении бесконтактными синхронными двигателями (так называемыми вентильными двигателями) используются датчики положения ротора, выполненные или на датчиках Холла, или на индуктивных датчиках, или с применением синусно&косинусных вращающихся трансформаторов. В зависимости от типа двигателя таких датчиков может быть два или три. Однако для очень многих применений, где важнейшим параметром является цена конечного изделия, наличие датчиков положения, существенно удорожающих двигатель, делает нецелесообразным применение таких двигателей по экономическим факторам, даже несмотря на то, что уникальные технические характеристики самих двигателей позволяют получать высокую эффективность приводных систем.

Таблица 1. Типы модулей бездатчикового управления вентильными двигателями и их основные характеристики

Для решения задачи управления такими двигателями без использования датчиков положения специалистами предприятия «Электрум АВ» предложена серия модулей (табл. 1), которые могут быть использованы для решения различных приводных задач, таких как приводы вентиляторов, электроинструментов, бытовая техника, промышленные системы и т. д.

Модули МУВД(А) являются высокоинтегрированными гибридными схемами, состоящими из схемы управления, встроенного регулятора напряжения, драйверов силовых ключей, а также собственно управляемых электрическим полем силовых ключей, включенных по схеме трехфазного инвертора.

МУВД(А) позволяет управлять трехфазным вентильным двигателем постоянного тока без датчиков положения ротора, обеспечивая ввод в действие, регулирование и стабилизацию частоты вращения двигателя, измерение и ограничение уровня тока, потребляемого обмотками двигателя от внешнего источника, динамическое торможение двигателя, контроль снижения питающего напряжения.

Рис. 1. Структурная схема МУВД(А)

Структурная схема модуля представлена на рис. 1. Функциональное назначение выводов модуля отражено в таблице 2.

Таблица 2. Функциональное назначение выводов МУВД(А)

Управление коммутацией двигателя производится путем измерения величины противо-ЭДС обмоток двигателя. Схема контроля противо-ЭДС, генератор, управляемый напряжением, и схема управления коммутацией образуют замкнутый контур фазирования двигателя (ЗКФ). Схема управления коммутацией вырабатывает сигналы управления трехфазным инвертором. Последовательность режимов переключения для однонаправленного вращения ротора двигателя, составляющая полный цикл коммутации, отражена в таблице 3.

Таблица 3. Цикл коммутации МУВД(А

В соответствии с сигналом схемы управления коммутацией, схема контроля противо-ЭДС следит за фазой двигателя, не находящейся в режиме коммутации. Производится сравнение среднего значения напряжения всех фаз (нейтраль) с напряжением контролируемой фазы. Сигнал обратной связи, вырабатываемый усилителем схемы контроля противо-ЭДС, производит заряд или разряд фильтра ЗКФ в момент необходимости коммутации положительной или отрицательной полуволн. Напряжение, образованное на фильтре ЗКФ, поступает в генератор, управляемый напряжением, вырабатывающий сигнал, пропорциональный частоте вращения двигателя. Сигнал синхронизации режимов коммутации поступает в схему управления коммутацией.

В режиме ввода в действие, в начальный момент, когда ротор не вращается, противо-ЭДС равна нулю. Ротор двигателя должен начать вращение, для того чтобы схема контроля противо-ЭДС замкнула контур фазирования двигателя, и началась коммутация фаз. Для ввода в действие используется метод разомкнутого контура фазирования, чтобы привести ротор из состояния покоя к вращению, достаточному для контроля противо-ЭДС. Ввод в действие состоит из трех стадий: совмещение, разгон (линейное нарастание частоты вращения), вращение. Для перевода модуля в стадию совмещения требуется подать сигнал сброса, соединив вывод «СОВМ» с «ОБЩ». При этом схема управления коммутацией выдает сигналы переключения трехфазного инвертора, соответствующие режиму R (табл. 2). При этом двигатель совмещается в положение 30 эл. градусов перед центром первой коммутации. Длительность стадии совмещения устанавливается емкостью САТ ; она должна быть достаточной для перехода ротора в указанную позицию. В конце стадии совмещения начинается стадия разгона. При этом схема управления коммутацией подает сигналы управления на трехфазный инвертор в соответствии с таблицей 2, от А до F, с возрастающей частотой коммутации за фиксированный период времени, устанавливаемый емкостью CRT. В конце стадии разгона начинается стадия вращения, при этом частота вращения достигает величины, достаточной для создания противо-ЭДС. Разрешается работа схемы контроля противо-ЭДС, и коммутация находится под контролем замкнутого контура фазирования.

Регулирование и стабилизация частоты вращения производится контуром контроля частоты вращения, состоящего из усилителя ошибки и ШИМ-компаратора. Напряжение ЗКФ, пропорциональное частоте вращения сравнивается усилителем ошибки с напряжением установки сигнала Uупр. Сигнал рассогласования усилителя ошибки преобразуется в напряжение внешними элементами цепи компенсации CSC. RSC и сравнивается компа- ратором ШИМ с пилообразным сигналом генератора ШИМ. Конденсатор СТ устанавливает длительность пилообразного сигнала и частоту ШИМ. Сформированный ШИМ-сигнал поступает в схему управления коммутацией, где вырабатываются сигналы включения-выключения нижнего ключа трехфазного инвертора. При этом верхний ключ трехфазного инвертора остается в проводящем состоянии.

Контроль величины тока, потребляемого двигателем от внешнего источника, производится на внутреннем токоизмерительном резисторе. Ограничение тока производится в контуре ограничения тока, где применен метод псевдо-ШИМ с постоянным временем выключения при превышении током заданного предела. Напряжение с токоизмерительного резистора через элементы внешнего ФНЧ СF. RF поступает в схему ограничения тока, где производится усиление сигнала в пять раз. Усиленный сигнал сравнивается с напряжением установки тока ограничения. При превышении сигналом уровня установки псевдоШИМ подает сигнал в схему управления коммутацией, где вырабатываются однократные сигналы выключения нижних ключей. Длительность выключенного состояния нижних ключей устанавливается конденсатором RLIM .

В режиме динамического торможения верхние ключи трехфазного инвертора отключены, а нижние включены. Таким образом, обмотки двигателя оказываются замкнутыми между собой, и создается тормозящая электромагнитная сила. При этом ток в обмотках двигателя не ограничивается. Для перевода модуля в режим динамического торможения тре буется подать на вывод «ТОРМ» сигнал низкого уровня.

Для обеспечения безотказной работы модуля при снижении питающего напряжения подается сигнал отключения трехфазного инвертора и сигнал ‹‹пониж U›› низкого уровня.

Для правильного выбора компонентов настройки модуля требуется определить характеристики используемого двигателя:

  • номинальное напряжение питания UM (В);
  • номинальный ток (пост. ток) IM (А);
  • максимальный ток (пусковой по постоянному току) IMAX (A);
  • максимальная частота вращения RPMMAX (об/мин);
  • крутящий момент Kt (Н·м/А);
  • число полюсов N;
  • электромеханическая постоянная ТМ (с);
  • коэффициент противо-ЭДС Кc (В·с/рад);
  • момент инерции JM (кг·м 2 );
  • декремент (r/2к) (коэффициент вязкого за
  • тухания двигателя и нагрузки в диапазоне от 0,1 — для двигателя с небольшим демпфированием до 0,9 — для двигателя с боль- шим демпфированием).

Если одно или больше вышеприведенных значений неизвестно, то выбор оптимального значения можно произвести экспериментальным путем.

Все формулы для расчета элементов настройки модуля нужно рассматривать как отправную точку для оптимизации и первое приближение для отбора самого близкого стандартного значения.

Элементы схемы контроля противо-ЭДС RS1. RS2. RS3 :

Элементы предотвращения ограничения тока CF. RF. СIOS. RLIM .

Для предотвращения поступления импульсных помех на измерительный вход, связанных с действием токов восстановления обратных диодов, требуется установить ФНЧ с параметрами tМИН = 300 нс, tMAX M = 4,86 x 10 –4 кг·м 2. Кt ≤ 2 Н·м/А.

R S ≥ 162 кОм, РРАС = 0,45 Вт; принимаем RS1 = RS2 = RS3 = 200 кОм,

РРАС = 0,5 Вт при Τ = 1 мкс, RF = 1 кОм, СF = 1 нФ.

СIOS MAX = 0,346 мкФ, принимаем СIOS = 0,33 мкФ,

при этом tOFF = 31,9 мс.

Для МУВД(А)3605 IОГР = 5 А; принимаем ILIM = 0,3IОГР, RLIM = 530 Ом.

СVCO ≤ 2,52 нФ, принимаем 2,2 нФ.

К = 22,91; tS = 34,5 мс; САТ = 17,2 нФ, принимаем 18 нФ; CRT = 3,89 нФ,

принимаем 3,9 нФ, при этом tRAMP = 7,8 мс,

а если tRAMP = 1 с (по требованию), то CRT = 0,5 мкФ.

Микросхемы для управления вентильными двигателями постоянного тока – Полупроводниковая силовая электроника

На рис. 3.61 представлен эскиз конструкции типового вентильного двигателя постоянного тока [22].

Драйверы вентильного электродвигателя драйверы

Такая конструкция позволяет уменьшить габариты двигателя и сделать его плоским. Широко применяется в видеомагнитофонах, видеоплеерах и другой малогабаритной аппаратуре. Вращающий момент в двигателе создается в результате взаимодействия магнитного потока в промежутке между полюсами магнита ротора и основанием статора с проводниками обмотки, по которым протекает электрический ток. Управление коммутацией катушек обмотки статора в зависимости от положения полюсов магнита ротора осуществляется специальной схемой (драйвером) по сигналам датчиков положения ротора.

На практике нашли применение двухи трехфазные двигатели. В таких двигателях магнит ротора имеет, как правило, от 6 до 8 полюсов. Сам магнит изготавливают из магнитотвердых материалов на основе порошка феррита различных металлов. Катушки каждой фазы имеют многослойную намотку с числом витков от 60 до 100. Катушки статора после намотки пропитывают лаком, получая монолитную бескаркасную обмотку, и приклеивают ее к печатной плате, расположенной на основании двигателя. Большое количество катушек статора, как и полюсов магнита ротора, способствует равномерности скорости вращения. Однако, наиболее широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока с небольшим числом катушек, так как их увеличение приводит к усложнению конструкции двигателя и микросхемы драйвера. Структурная схема микросхемы драйвера вентильного двигателя приведена на рис. 3.62.

Драйверы вентильного электродвигателя вентильный

Датчики положения ротора (ДПР) 2, 3, 4 служат для создания сигналов, несущих информацию о положении ротора относительно обмоток статора. В зависимости от конструкции двигателя количество ДПР может меняться от 2 до 3-х. По сигналам этих датчиков коммутатор 1 вырабатывает сигналы управления, поступающие в обмотку статора. Наибольшее распространение в настоящее время получили ДПР на основе преобразователей Холла. ДПР располагаются в непосредственной близости от магнита ротора, часто прямо внутри катушек статора.

Рис. 3.62. Структурная схема микросхемы драйвера управления вентильным электродвигателем постоянного тока: 1 — электронный коммутатор и логическая схема ; 2, 3, 4 — датчики положения ротора (датчики Холла ); 5, 6, 7 — усилители сигналов датчика положения ротора; 8, 9, 10 — выходные усилители мощности ; 11 — вентильный двигатель

Электронный коммутатор усиливает и обрабатывает сигналы с ДПР и коммутирует по сигналам ДПР и сигналам управления токи в обмотках статора в заданные моменты времени и в заданной последовательности.

Типовой пример микросхемы управления вентильными двигателями

Отечественная микросхема 1L33035N [23] содержит в своем составе сложный цифровой блок и реализует полный алгоритм управления вентильным (бесконтактным) электродвигателем с датчиками Холла положения ротора. Микросхема формирует сигналы управления для верхних и нижних мощных транзисторов трех полумостов, регулирующих ток в обмотках двигателя. Мощность электродвигателей, управляемых этими микросхемами, определяется допустимыми токами внешних мощных силовых элементов и может достигать нескольких киловатт.

Состав ИМС:

– декодер положения ротора для осуществления требуемой коммутации фаз двигателя;

– термостабилизированный источник опорного напряжения, осуществляющий питание датчика положения ротора;

– генератор с программируемой частотой колебаний (от 22 до 28 кГц);

– три верхних и три нижних драйвера для управления внешними мощными MOSFET.

Функции ИМС IL33035N:

— выбор направления вращения вентильного двигателя;

— аналоговое задание скорости вращения двигателя;

v_kudryashov

Вячеслав Кудряшов

Основная задача блока управления бесколлекторным двигателем - переключать обмотки статора в зависимости от положения ротора.

В двигателе постоянного тока эту задачу выполняет коллектор - диск на роторе с контактными площадками, по которому скользят токопроводящие графитовые щетки и переключают обмотки.

В асинхронном двигателе знать положение ротора не нужно, но для регулировки скорости нужно менять частоту переключения обмоток (или работать от сети со стандартной частотой 50Гц)

Я начинал изучение схемотехники драйвера бесколлекторного двигателя по апноте Atmel "AVR492: Управление бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с помощью AT90PWM3" Она есть на русском языке. Немного пояснений: "Для управления БКЭПТ используется силовой каскад, состоящих из 3 полумостов. Схема силового каскада показана на рисунке 4."

Здесь силовой каскад - это 6 транзисторов, схематично показанных ключами CmdSW. полумост - пара транзисторов, соединенных последовательно между "+" и "-" питания, например CmdSW1, CmdSW2. A, B, C - выводы обмоток двигателя, соединение обмоток между собой как у асинхронных двигателей. Эта схема позволяет току протекать между фазами A, B, C в любом направлении. Например если замкнуть ключ CmdSW1 и CmdSW4, то ток потечет от вывода A к выводу B, а если замкнуть CmdSW3 и CmdSW2 - от вывода В к выводу A. А если замкнуть CmdSW1 и CmdSW2 - получится короткое замыкание с выгоранием транзисторов, так что управлять транзисторами нужно осторожно. Кстати для управления коллекторым двигателем с реверсом нужно 2 полумоста, без реверса - 1 транзистор.

Для регулирования силы тока в фазе используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Например часть времени открывают ключи CmdSW1, CmdSW4 и ток начинает течь от "A" к "B", затем закрывают CmdSW1 и открывают CmdSW2 и за счет индуктивности обмоток ток продолжить течь по кольцу A-B-CmdSW4-"земля"-CmdSW2. Кстати в транзисторы встроены диоды, проводящие ток в обратном направлении. Так что если во второй фазе ШИМ разомкнуть все транзисторы, то в обмотке начнет расти напряжение и через эти диоды энергия из обмоток начнет возвращаться в сеть.

Эта схема из 6 транзисторов называется трехфазным инвертором и применяется для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный для питания как бесколлекторных, так и асинхронных двигателей. Для бесколлекторных двигателей применяются низковольтные полевые транзисторы (MOSFET), для асинхронных двигателей - высоковольтные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). С помощью этой схемы можно осуществлять и рекуперацию. Её используют все и лучше не сделать.

Как инвертор бывает оформлен в зависимости от мощности двигателя:

Для управления двигателями очень маленькой мощности используются специализированные микросхемы, в которой уже находятся 6 транзисторов и логика для управления ими. Это решение для двигателей дисководов и вентиляторов. Следующий шаг - микросхема, управляющая транзисторами и транзисторы отдельно. И для высоких мощностей микросхема или контроллер управляет микросхемами драйверов транзисторов, а драйвера уже управляют самими транзисторами. Зачем такие сложности? Мощные транзисторы имеют управляющий вход с большей емкостью, слабая электроника не в состоянии обеспечить токи до нескольких ампер для быстрого их открытия. А у полуоткрытого транзистора большое сопротивление, он в этот момент греется или даже сгорает :) Поэтому используют микросхемы-драйверы, внутри которых кстати тоже транзисторы, только менее мощные. Получается такой каскад из транзисторов.

Вот первый пример реализации инвертора - авиамодельный. самый дешевый. Фото с двух сторон.

На одной стороне видно 6 транзисторов в корпусах SOIC. (3 N-канальных, 3 P-канальных), на другой стороне микроконтроллер ATMEGA8 и линейный стабилизатор для получения 5В питания. Ещё есть электролитический конденсатор и всякая мелочь - резисторы с конденсаторами. И всё. Дешево и сердито. Цена в рознице около 1000р. Микроконтроллер напрямую управляет затворами транзисторов. Греется такой контроллер довольно сильно, но так как он устанавливается на авиамодели, то хорошо обдувается. Разумеется есть более продвинутые модели, это просто пример упрощения и миниатюризации.

А вот фотография демо-платы от Atmel

Предполагается, что можно купить её и сразу начать программировать контроллер, пытаться крутить двигатель. Я решил не покупать, возможно зря. Во всяком случае к ней неплохо бы продавать сразу запасные транзисторы, я их сжег не один раз. И контроллер пару раз. Собственно 6 транзисторов справа, контроллер слева, драйвера транзисторов на другой стороне.

Схема моего драйвера с пояснениями

Я решил не делать простейший драйвер с тем, чтобы расширить возможности его применения, при необходимости несложно будет упростить. Схема разбита на 3 части. Она не такая наглядная, как в апноте Atmel, но постараюсь всё пояснить.

Первая часть - силовая

Силовые транзисторы VT1-VT6 управляются микросхемами-драйверами DA1-DA3. Транзисторы я выбрал IRLR3705 как одни из наиболее мощных в корпусе D-Pak на напряжение 55V с сопротивлением 8мОм. Я рассчитывал на напряжение работы 36В плюс запас. В принципе можно ставить транзисторы на радиаторы и использовать корпуса TO-220, но я решил не усложнять монтаж и паять транзисторы на плату. В таком случае для меньших мощностей можно ставить транзисторы в корпусе soic, а для больших - в D2-Pak. Драйвера взял самые мощные из полумостовых от фирмы International Rectifier - irf2186s с током управления до 4A. Получился большой запас, но самые простые драйвера ir2101 из апнота атмел (ток 130/270мА) с мощными транзисторами справлялись плохо, разница в нагреве транзисторов была ощутима. Полумостовой драйвер управляет двумя транзисторами - верхним и нижним, для управления верхним транзистором нужно высокое напряжение, которое получается по бустрепной схеме питания с помощью диода и конденсатора (например C6, DD7), эта схема наиболее проста и принцип её можно легко найти в интернете. Можно было взять одну микросхему full-brige для управления сразу шестью транзисторами, но у меня разводка с ней получалась хуже. Между затворами транзисторов и драйверами - резисторы с диодом. Они ограничивают ток затвора, причем ток зарядки почти в 2 раза больше. Тут следующая логика - чем больше ток, тем меньше греются транзисторы при переключении, но растут всплески напряжения. Поэтому номинал резисторов нужно уменьшать до какого-либо разумного предела. Причем транзистор открывается медленнее, чем закрывается, поэтому ток зарядки я сделал больше. Сигнальные выводы драйверов подтянуты к земле на всякий случай, чтоб не сработали когда нет сигналов управления. В целом здесь всё почти так же, как в апноте атмел. Датчики холла также подключил как в апноте, здесь ничего интересного. Питание, силовые Выводы транзисторов и выводы датчиков холла выведены на клеммник X1. Для защиты от короткого замыкания нужно контролировать ток. Для этого служат резисторы R19, R21 суммарным сопротивлением 0,005Ом (в апноте был резистор 0,1Ом), падение напряжение на них усиливается микросхемой LM358 и идет на компаратор и АЦП контроллера. Реализация у меня получилась не очень удачной, но в большинстве случаев защита срабатывает. Неплохо было бы ставить переменный резистор, чтобы пользователь мог задавать порого срабатывания защиты, но это как-нибудь потом ). Также в контроллер заведен сигнал V_IN_MEAS, пропорцональный входному напряжению. Сделано это, чтобы не давать работать драйверу при входном напряжении более 36В, но защиту я пока не включил.

Следующая часть схемы - питание логических элементов .

Из входного питания 24..36В нужно получить 12В для питания драйверов транзисторов и 5В для остальной логики

Для получения 12В я использовал линейный стабилизатор MC78M12. Лишнее напряжение он просто рассеивает в виде тепла, но так как драйверы транзисторов поребляют не очень много нагрев приемлемый.

Для 5В питания линейный стабилизатор уже применить не получилось, потому что 5В ещё задумывалось использовать для питания внешнего экрана индикации и нагрев оказался слишком большим. Поэтому применил понижающий преобразователь L5973AD. Он не очень дорогой, но в отличии от ещё более дешевых вариантов имеет защиту от короткого замыкания на выходе. Внешняя обвязка для него и разводка дорожек выполнена по соответствующей апноте.

Обе эти микросхемы имеют максимально допустимое напряжение 35В. Для гашения возможного излишнего напряжения предназначена конструкция из транзисторов VT7, VT8 и стабилитрона VD3.

Последняя часть схемы - микроконтроллер AT90PWM3B с обвязкой .

  • 6 выводов PSCOUT_XX используются для управления драйверами транзисторов.
  • 3 вывода HALL_X используются для отслеживания датчиков холла двигателя.
  • 3 вывода задействованы на микропереключатель SA1 - он служит для переключения интерфейсов драйвера (RS485 либо переменный резистор с кнопками), выбора числа пар полюсов подключенного двигателя (2 либо 4) и для проведения калибровки двигателя (определение положения датчиков холла)
  • 3 вывода задействованы для управления микросхемой-драйвером RS485
  • 6 выводов задействованы под вариант традиционного управления драйвером - с кнопками и переменным резистором. 4 кнопки служат для включения/выключения (Enable), реверса(F/R), тормоза(Brake) и выбора режима поддержания скорости(Mode). Еще один вывод Speed(analog) для переменного резистора задания скорости и на последний выход Hall_out подаются импульсы при срабатывании датчиков холла. Эти выводы и выводы интерфейса RS485 выведены на клеммник X3.
  • 2 вывода задействованы для контроля сигнала токового шунта ERROR_ADC. Один для быстрого срабатывания защиты, другой для грубой оценки потребляемого тока.
  • 1 вывод для контроля входного напряжения V_IN_MEAS
  • 1 вывод для светодиода VD5, полезного для индикации различных событий.

Также на схеме есть разъем программирования контроллера X2

Представленная схемотехника конечно не соответствует первоначальной идее о максимально дешевом драйвере, но относительно легко может быть упрощена. Можно убрать интерфейс RS485, поставить менее мощные транзисторы и драйверы управления ими.

Теги: 

Рекомендуем также прочитать

Электродвигатели различной мощности
Описание товара Термостат комнатный WATTS WFHT (5-30"С,230В) норм. откр. сервопривод с цифровым табло
Асинхронный преобразователь частоты Частота ЭДС в роторе асинхронной машины определяется разностью частот вращения ротора и магнитного поля
VA - A Jazz Christmas [2CD] (2015) MP3 Битрейт аудио: 320 kbps Размеры: 226.75 MB Трек-лист: Показать / Скрыть текст
Планетарные редукторы