DC Motor Speed Drive: 4 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Αυτό το διδακτικό θα επεξεργαστεί το σχεδιασμό, την προσομοίωση, την κατασκευή και τη δοκιμή ενός μετατροπέα λειτουργίας σε μετατροπέα dc σε dc και ελεγκτή συστήματος ελέγχου για κινητήρα DC. Αυτός ο μετατροπέας θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για τον ψηφιακό έλεγχο για έναν κινητήρα shunt dc με φορτίο. Το κύκλωμα θα αναπτυχθεί και θα δοκιμαστεί σε διάφορες φάσεις.

Η πρώτη φάση θα είναι η κατασκευή μετατροπέα που θα λειτουργεί στα 40V. Αυτό γίνεται για να διασφαλιστεί ότι δεν είναι παρασιτική επαγωγή από καλώδια και άλλα εξαρτήματα κυκλώματος που μπορούν να βλάψουν τον οδηγό σε υψηλές τάσεις. Στο δεύτερο στάδιο ο μετατροπέας θα λειτουργήσει τον κινητήρα στα 400 V με μέγιστο φορτίο. Το τελευταίο στάδιο είναι ο έλεγχος της ταχύτητας του κινητήρα με μεταβλητό φορτίο με το arduino να ελέγχει ένα κύμα pwm για να ρυθμίσει την τάση.

Τα εξαρτήματα δεν είναι πάντα φθηνά και έτσι έγινε μια προσπάθεια να χτιστεί το σύστημα όσο το δυνατόν φθηνότερα. Το τελικό αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής θα είναι η κατασκευή ενός μετατροπέα dc-dc και ενός ελεγκτή συστήματος ελέγχου που θα ελέγχει την ταχύτητα του κινητήρα εντός 1% σε ένα καθορισμένο σημείο σε σταθερή κατάσταση και θα ρυθμίζει την ταχύτητα εντός 2 δευτερολέπτων με μεταβλητό φορτίο.

Βήμα 1: Επιλογή εξαρτημάτων και προδιαγραφές

Ο κινητήρας που είχα διαθέσιμο είχε τις ακόλουθες προδιαγραφές.

Προδιαγραφές κινητήρα: Οπλισμός: 380 Vdc, 3,6 A

Διέγερση (Shunt): 380 Vdc, 0,23 A

Ονομαστική ταχύτητα: 1500 σ.α.λ

Ισχύς: ≈ 1,1 kW

Τροφοδοσία DC Motor = 380V

Τροφοδοτικό οπτικού ζεύγους και οδηγού = 21V

Αυτό συνεπάγεται ότι η μέγιστη ονομαστική ένταση ρεύματος και τάσης των εξαρτημάτων που είναι συνδεδεμένα ή ελέγχουν τον κινητήρα θα έχει υψηλότερες ή ισοδύναμες αξιολογήσεις.

Η δίοδος ελεύθερου τροχού, η οποία φέρει την ένδειξη D1 στο διάγραμμα κυκλώματος, χρησιμοποιείται για να δώσει στο αντίστροφο emf του κινητήρα μια διαδρομή ροής, αποτρέποντας το ρεύμα να αντιστραφεί και να καταστρέψει τα εξαρτήματα όταν η τροφοδοσία είναι απενεργοποιημένη και ο κινητήρας εξακολουθεί να γυρίζει (λειτουργία γεννήτριας). Έχει βαθμολογηθεί για μέγιστη αντίστροφη τάση 600V και μέγιστο ρεύμα DC 15 A. Ως εκ τούτου, μπορεί να υποτεθεί ότι η δίοδος σφονδύλου θα είναι σε θέση να λειτουργεί σε επαρκές επίπεδο τάσης και ρεύματος για αυτήν την εργασία.

Το IGBT χρησιμοποιείται για τη μετάδοση ισχύος στον κινητήρα λαμβάνοντας ένα σήμα 5V pwm από το Arduino μέσω του προγράμματος οδήγησης οπτικού ζεύγους και IGBT για να αλλάξετε την πολύ μεγάλη τάση τροφοδοσίας κινητήρα 380V. Το IGBT που χρησιμοποιείται έχει μέγιστο συνεχές ρεύμα συλλέκτη 4,5Α σε θερμοκρασία διασταύρωσης 100 ° C. Η μέγιστη τάση εκπομπής συλλέκτη είναι 600V. Ως εκ τούτου, μπορεί να υποτεθεί ότι η δίοδος σφονδύλου θα είναι σε θέση να λειτουργεί σε επαρκές επίπεδο τάσης και ρεύματος για το πρακτικό. Είναι σημαντικό να προσθέσετε μια ψύκτρα στο IGBT κατά προτίμηση μια μεγάλη. Εάν τα IGBT δεν είναι διαθέσιμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί MOSFET γρήγορης εναλλαγής.

Το IGBT έχει τάση κατωφλίου πύλης μεταξύ 3,75 V και 5,75 V και απαιτείται οδηγός για την παροχή αυτής της τάσης. Η συχνότητα στην οποία θα λειτουργήσει το κύκλωμα είναι 10 kHz, οπότε οι χρόνοι μεταγωγής του IGBT πρέπει να είναι παραγγελίες γρηγορότεροι από 100 εμάς, ο χρόνος ενός πλήρους κύματος. Ο χρόνος μεταγωγής για το IGBT είναι 15ns, ο οποίος είναι επαρκής.

Το πρόγραμμα οδήγησης TC4421 που επιλέχθηκε έχει χρόνους μεταγωγής τουλάχιστον 3000 φορές το κύμα PWM. Αυτό διασφαλίζει ότι ο οδηγός είναι σε θέση να αλλάζει αρκετά γρήγορα για τη λειτουργία του κυκλώματος. Ο οδηγός χρειάζεται για να παρέχει περισσότερο ρεύμα από ό, τι μπορεί να δώσει το Arduino. Ο οδηγός αποκτά το απαιτούμενο ρεύμα για να λειτουργήσει το IGBT από την τροφοδοσία αντί να το τραβήξει από το Arduino. Αυτό είναι για να προστατεύσει το Arduino επειδή η έλξη σε μεγάλη ισχύ θα υπερθερμάνει το Arduino και ο καπνός θα βγει και το Arduino θα καταστραφεί (δοκιμάστηκε και δοκιμασμένο).

Το πρόγραμμα οδήγησης θα απομονωθεί από τον μικροελεγκτή που παρέχει το κύμα PWM χρησιμοποιώντας οπτικό ζεύγος. Το οπτικό ζεύγος απομόνωσε πλήρως το Arduino, το οποίο είναι το πιο σημαντικό και πολύτιμο μέρος του κυκλώματός σας.

Για κινητήρες με διαφορετικές παραμέτρους μόνο το IGBT πρέπει να αλλάξει σε ένα με παρόμοια χαρακτηριστικά με τον κινητήρα που θα είναι σε θέση να χειριστεί την αντίστροφη τάση και το συνεχές ρεύμα συλλέκτη που απαιτείται.

Ένας πυκνωτής WIMA χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή σε όλο το τροφοδοτικό του κινητήρα. Αυτό αποθηκεύει μια φόρτιση για τη σταθεροποίηση του τροφοδοτικού και το πιο σημαντικό βοηθά στην εξάλειψη των επαγωγών από τα καλώδια και τους συνδετήρες στο σύστημα

Βήμα 2: Δημιουργία και διάταξη

Η διάταξη του κυκλώματος καθορίστηκε προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η απόσταση μεταξύ των εξαρτημάτων για να εξαλειφθούν οι περιττές επαγωγές. Αυτό έγινε ιδιαίτερα στο βρόχο μεταξύ του προγράμματος οδήγησης IGBT και του IGBT. Έγινε μια προσπάθεια εξάλειψης του θορύβου και του κουδουνίσματος με μεγάλες αντιστάσεις που ήταν γειωμένες μεταξύ του Arduino, του Optocoupler, του Driver και του IGBT.

Τα εξαρτήματα συγκολλούνται σε ένα Veroboard. Ένας εύκολος τρόπος για να χτίσετε το κύκλωμα είναι να σχεδιάσετε τα στοιχεία του διαγράμματος κυκλώματος στο veroboard πριν ξεκινήσετε τη συγκόλληση. Συγκολλήστε σε καλά αεριζόμενο χώρο. Χαράξτε την αγώγιμη διαδρομή με ένα αρχείο για να δημιουργήσετε ένα κενό μεταξύ των στοιχείων που δεν πρέπει να συνδεθούν. Χρησιμοποιήστε πακέτα DIP έτσι ώστε τα εξαρτήματα να μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν. Αυτό βοηθά όταν τα εξαρτήματα αποτύχουν να μην πρέπει στη συνέχεια να τα κολλήσουν και να ξανακολλήσουν το ανταλλακτικό.

Χρησιμοποίησα βύσματα μπανάνας (μαύρες και κόκκινες πρίζες) για να συνδέσω εύκολα τα τροφοδοτικά μου στο veroboard, αυτό μπορεί να παραλειφθεί και τα καλώδια να κολληθούν απευθείας στην πλακέτα κυκλώματος.

Βήμα 3: Προγραμματισμός του Arduino

Το κύμα pwm δημιουργείται συμπεριλαμβάνοντας τη βιβλιοθήκη Arduino PWM (επισυνάπτεται ως αρχείο ZIP). Ένας αναλογικός ενσωματωμένος ελεγκτής PI ελεγκτής) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ταχύτητας του ρότορα. Το αναλογικό και το ακέραιο κέρδος μπορεί να υπολογιστεί ή να εκτιμηθεί έως ότου επιτευχθούν επαρκείς χρόνοι καθίζησης και υπερβάσεις.

Ο ελεγκτής PI υλοποιείται στον βρόχο Arduino's while (). Το στροφόμετρο μετρά την ταχύτητα του ρότορα. Αυτή η είσοδος μέτρησης στο arduino σε μία από τις αναλογικές εισόδους χρησιμοποιώντας το analogRead. Το σφάλμα υπολογίζεται αφαιρώντας την τρέχουσα ταχύτητα του ρότορα από την ταχύτητα του ρότορα καθορισμένου σημείου και ρυθμισμένο ίσο με το σφάλμα. Η ενσωμάτωση χρόνου έγινε προσθέτοντας δείγμα χρόνο σε χρόνο κάθε βρόχου και ορίζοντάς τον ίσο με το χρόνο και αυξάνοντας έτσι με κάθε επανάληψη του βρόχου. Ο κύκλος λειτουργίας που μπορεί να εξάγει το arduino κυμαίνεται από 0 έως 255. Ο κύκλος λειτουργίας υπολογίζεται και εξάγεται στον επιλεγμένο ψηφιακό ακροδέκτη PWM εξόδου με το pwmWrite από τη βιβλιοθήκη PWM.

Εφαρμογή ελεγκτή PI

διπλό σφάλμα = ref - rpm;

Χρόνος = Timeρα + 20ε-6;

διπλό pwm = αρχικό + kp * σφάλμα + ki * Σφάλμα χρόνου *

Εφαρμογή PWM

διπλός αισθητήρας = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Ο πλήρης κώδικας του έργου μπορείτε να τον δείτε στο αρχείο ArduinoCode.rar. Ο κωδικός στο αρχείο προσαρμόστηκε για ένα πρόγραμμα αναστροφής προγράμματος οδήγησης. Ο οδηγός αναστροφής είχε την ακόλουθη επίδραση στον κύκλο λειτουργίας κυκλώματος που σημαίνει new_dutycycle = 255 -dutycycle. Αυτό μπορεί να αλλάξει για μη αναστρέψιμους οδηγούς αντιστρέφοντας την παραπάνω εξίσωση.

Βήμα 4: Δοκιμή και συμπέρασμα

Το κύκλωμα δοκιμάστηκε τελικά και έγιναν μετρήσεις για να διαπιστωθεί εάν έχει επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Το χειριστήριο ρυθμίστηκε σε δύο διαφορετικές ταχύτητες και ανέβηκε στο arduino. Τα τροφοδοτικά ενεργοποιήθηκαν. Ο κινητήρας επιταχύνει γρήγορα πέρα από την επιθυμητή ταχύτητα και στη συνέχεια εγκαθίσταται στην επιλεγμένη ταχύτητα.

Αυτή η τεχνική ελέγχου ενός κινητήρα είναι πολύ αποτελεσματική και θα μπορούσε να λειτουργήσει σε όλους τους κινητήρες DC.