Rýchlostný pohon jednosmerného motora: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Tento návod sa bude zaoberať návrhom, simuláciou, stavbou a testovaním prevodníka jednosmerného prúdu na jednosmerný prúd a ovládača riadiaceho systému pre jednosmerný motor. Tento prevodník sa potom použije na digitálne ovládanie skratového jednosmerného motora so záťažou. Obvod bude vyvíjaný a testovaný v rôznych fázach.

Prvou fázou bude vybudovanie prevodníka na 40 V. To sa robí tak, aby sa zaistilo, že nie sú parazitnými indukčnosťami vodičov a iných komponentov obvodu, ktoré môžu pri vysokých napätiach poškodiť vodič. V druhej fáze bude menič prevádzkovať motor na 400 V s maximálnym zaťažením. Poslednou fázou je ovládanie otáčok motora s premenlivým zaťažením arduino ovládaním vlny pwm na úpravu napätia.

Komponenty nie sú vždy lacné, a preto sa pokúsil postaviť systém čo najlacnejšie. Konečným výsledkom tejto praktickej činnosti bude zostrojenie jednosmerného meniča jednosmerného prúdu a regulátora riadiaceho systému na ovládanie otáčok motora do 1% v požadovanom bode v ustálenom stave a nastavenie otáčok do 2 s s premenlivým zaťažením.

Krok 1: Výber komponentu a špecifikácie

Motor, ktorý som mal k dispozícii, mal nasledujúce špecifikácie.

Špecifikácia motora: Kotva: 380 V DC, 3,6 A

Vzrušenie (skrat): 380 Vss, 0,23 A

Menovité otáčky: 1 500 ot/min

Výkon: ≈ 1,1 kW

Napájanie jednosmerným motorom = 380V

Napájanie optočlenu a ovládača = 21V

To by znamenalo, že maximálny prúd a napätie komponentov, ktoré sú pripojené k motoru alebo ho ovládajú, by mal vyššie alebo ekvivalentné hodnotenie.

Voľnobežná dióda, označená v schéme zapojenia ako D1, sa používa na zaistenie dráhy spätného emf motora, ktorá bráni prúdeniu, aby sa prúd obrátil a poškodil súčasti, keď je napájanie vypnuté a motor sa stále otáča (režim generátora)). Je dimenzované na maximálne spätné napätie 600 V a maximálny dopredný jednosmerný prúd 15 A. Preto sa dá predpokladať, že dióda zotrvačníka bude pre túto úlohu schopná pracovať na dostatočnej úrovni napätia a prúdu.

IGBT sa používa na prepnutie napájania motora prijatím signálu 5 V pwm z Arduina prostredníctvom optočlena a ovládača IGBT na prepnutie veľmi vysokého napájacieho napätia 380 V motora. IGBT, ktorý sa používa, má maximálny nepretržitý kolektorový prúd 4,5 A pri teplote spojenia 100 ° C. Maximálne napätie emitora kolektora je 600V. Preto sa dá predpokladať, že dióda zotrvačníka bude v praxi schopná pracovať na dostatočnej úrovni napätia a prúdu. Je dôležité pridať do IGBT chladič, najlepšie veľký. Ak nie sú k dispozícii IGBT, je možné použiť rýchlo sa meniaci MOSFET.

IGBT má prahové napätie brány medzi 3,75 V a 5,75 V a na dodanie tohto napätia je potrebný ovládač. Frekvencia, s ktorou bude obvod prevádzkovaný, je 10 kHz, takže spínacie časy IGBT musia byť rádovo rýchlejšie ako 100 us, čas jednej celej vlny. Spínací čas pre IGBT je 15ns, čo je dostačujúce.

Zvolený ovládač TC4421 má spínacie časy najmenej 3000 -násobok vlny PWM. To zaisťuje, že vodič je schopný prepnúť dostatočne rýchlo na prevádzku obvodu. Ovládač je potrebný na zabezpečenie väčšieho prúdu, ako môže Arduino poskytnúť. Vodič získava potrebný prúd na ovládanie IGBT z napájacieho zdroja, a nie z Arduina. Toto má chrániť Arduino, pretože čerpanie veľkého množstva energie Arduino prehrieva a vychádza dym a Arduino bude zničené (vyskúšané) a testované).

Ovládač bude izolovaný od mikrokontroléra poskytujúceho vlnu PWM pomocou optočlena. Optočlen úplne izoloval Arduino, ktoré je najdôležitejšou a najcennejšou súčasťou vášho obvodu.

V prípade motorov s rôznymi parametrami je potrebné zmeniť IGBT na motor s podobnými vlastnosťami ako motor, ktorý bude schopný zvládnuť reverzné napätie a potrebný prúd kontinuálneho kolektorového prúdu.

Kondenzátor WIMA sa používa v spojení s elektrolytickým kondenzátorom naprieč napájacím zdrojom motora. Toto ukladá náboj na stabilizáciu napájania a hlavne pomáha eliminovať indukčnosti z káblov a konektorov v systéme

Krok 2: Budovanie a rozloženie

Rozloženie obvodu bolo navrhnuté tak, aby sa minimalizovala vzdialenosť medzi komponentmi a eliminovali sa zbytočné indukčnosti. To sa robilo najmä v slučke medzi ovládačom IGBT a IGBT. Bol vykonaný pokus o odstránenie šumu a zvonenia s veľkými odpormi, ktoré boli uzemnené medzi Arduino, Optocoupler, Driver a IGBT.

Komponenty sú spájkované na Veroboard. Jednoduchý spôsob, ako zostaviť obvod, je nakresliť komponenty schémy zapojenia na veroboard predtým, ako začnete spájkovať. Spájkujte v dobre vetranom priestore. Súborom poškriabajte vodivú cestu súboru, aby ste vytvorili medzeru medzi komponentmi, ktoré by nemali byť spojené. Na jednoduchú výmenu komponentov použite balíky DIP. Pomáha to, keď súčiastky zlyhajú, a potom ich nemusia spájkovať a prepájať náhradný diel.

Na ľahké pripojenie napájacích zdrojov k veroboardu som použil banánové zástrčky (čierne a červené zásuvky), čo je možné preskočiť a vodiče priamo spájkovať na dosku plošných spojov.

Krok 3: Programovanie Arduina

Pwm vlna je generovaná zahrnutím knižnice Arduino PWM (pripojená ako súbor ZIP). Na ovládanie otáčok rotora sa používa proporcionálny integrovaný regulátor PI). Proporcionálny a integrálny zisk je možné vypočítať alebo odhadnúť, kým sa nezískajú dostatočné doby ustálenia a prekročenia.

PI regulátor je implementovaný v slučke Arduino while (). Otáčkomer meria rýchlosť rotora. Toto meranie vstupuje do arduina do jedného z analógových vstupov pomocou analogRead. Chyba sa vypočíta odčítaním aktuálnych otáčok rotora od požadovaných otáčok rotora a nastavením rovným chybe. Časová integrácia sa uskutočnila tak, že sa k každej slučke pripočíta čas vzorky a nastaví sa rovnako ako čas, a teda sa zvýši s každou iteráciou slučky. Pracovný cyklus, ktorý môže arduino produkovať, sa pohybuje od 0 do 255. Pracovný cyklus sa vypočíta a vyvedie na zvolený digitálny výstupný pin PWM pomocou pwmWrite z knižnice PWM.

Implementácia PI regulátora

dvojitá chyba = ref - otáčky za minútu;

Čas = Čas + 20e-6;

double pwm = initial + kp * error + ki * Time * error;

Implementácia PWM

dvojitý snímač = analógový Čítať (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Úplný kód projektu je možné vidieť v súbore ArduinoCode.rar. Kód v súbore bol upravený pre invertujúci ovládač. Invertujúci ovládač mal nasledujúci vplyv na pracovný cyklus obvodu, čo znamená new_dutycycle = 255 -utycycle. Toto je možné zmeniť pre neinvertujúce ovládače obrátením vyššie uvedenej rovnice.

Krok 4: Testovanie a záver

Obvod bol nakoniec testovaný a vykonali sa merania, aby sa určilo, či sa dosiahol požadovaný výsledok. Ovládač bol nastavený na dve rôzne rýchlosti a nahratý do arduina. Napájanie bolo zapnuté. Motor sa rýchlo rozbehne na požadovanú rýchlosť a potom sa ustáli na zvolenej rýchlosti.

Táto technika ovládania motora je veľmi účinná a funguje by na všetkých jednosmerných motoroch.