Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №5

Электропривод – просто, как «раз, два, три». Часть 1.2. Электродвигатели постоянного тока коллекторные и вентильные

Волошин Сергей


В предыдущей части статьи были рассмотрены драйверы мощных транзисторов. Следующим элементом привода является непосредственно управляющая система, определяющая алгоритм работы привода. Рассмотрим ее реализацию для управления коллекторным двигателем на примере привода ходового двигателя троллейбуса и для управления вентильным двигателем в системе мощного рулевого привода. В основе каждого такого привода лежат разработанные «Электрум АВ» модули монолитной конструкции: МУКД7 — для коллекторного двигателя, МОУД7 — для вентильного двигателя. Остановимся подробнее на каждом из этих модулей.

Все статьи цикла:

Коллекторный двигатель

В состав привода входят силовые IGBT-модули, драйверы, необходимые изолированные источники питания, токоизмерительный трансформатор и модуль управления МУКД7 (рис. 13).

Полупроводниковый модуль МУКД7 предназначен для управления и регулирования частоты вращения коллекторного двигателя постоянного тока в составе узла управления коллекторным двигателем УКД1. Модуль представляет собой гибридную сборку герметичной конструкции в пластмассовом корпусе.

На верхней поверхности корпуса расположены вертикальные выводы для подключения монтажных проводов либо для пайки на печатную плату.

Структурная схема МУКД7 приведена на рис. 15. МУКД является высокоинтегрированной гибридной схемой, включающей цифро-аналоговую монолитную схему управления, встроенный источник питания, схему преобразования кода скорости и схему драйверов выходных сигналов. МУКД позволяет управлять коллекторным двигателем постоянного тока, обеспечивая:

  • регулирование частоты вращения двигателя;
  • торможение двигателя;
  • ограничение уровня тока, потребляемого обмоткой якоря двигателя от внешнего источника;
  • выдачу сигнала «ОШИБКА» в критических режимах.

МУКД содержит следующие функциональные блоки:

  • регулятор напряжения для питания элементов и узлов прибора;
  • источник опорного напряжения с высокой температурной стабильностью, позволяющий организовать сигнал управления частоты вращения для систем с обратной связью;
  • схему контроля необходимых уровней питающих напряжений для обеспечения безотказной работы прибора;
  • ШИМ-контроллер, реализующий регулирование частоты вращения ротора двигателя;
  • генератор пилообразного сигнала для организации ШИМ-регулирования частоты вращения;
  • цифро-аналоговый преобразователь, осуществляющий преобразование 4-разрядного двоично-десятичного кода в аналоговый сигнал;
  • коммутационную логику, управляемую при помощи трех логических сигналов, воспринимающую сигналы функциональных блоков, выдающую сигналы управления драйверами выходных сигналов и сигнал «/ОШИБКА» в критических режимах;
  • драйверы сигналов управления силовых ключей;
  • схему контроля и ограничения тока, потребляемого обмоткой двигателя. Варианты состояний МУКД при управлении коллекторным двигателем постоянного тока для случая задания максимальной частоты вращения приведены в таблице 6.

Рис. 13. Структурная схема привода коллекторного двигателя
Рис. 14. Габаритный чертеж МУКД7

МУКД позволяет плавно регулировать в широких пределах частоту вращения мощных коллекторных двигателей постоянного тока в составе узла управления коллекторным двигателем УКД1, в том числе и в системах автоматического управления. Регулирование частоты вращения производится изменением действующего значения напряжения, прикладываемого к обмотке якоря. Вход «РАЗР» подключен к внутреннему источнику 25 мкА. При поступлении на этот вход сигнала низкого уровня (0) на выходах МУКД появляется сигнал на закрытие всех силовых ключей Н-моста и выдается сигнал «/ОШИБКА». Вход «ТОРМ» имеет приоритет перед другими входами управления. Поступление сигнала высокого уровня (1) обеспечи- вает переход МУКД в режим динамического торможения. При этом «верхние» транзисторы Н-моста, подключенные к «+Uком», закрываются. «Нижние» транзисторы Н-моста открываются, подключая обмотку якоря к «-иком» (общий минус). Таким образом, обмотка оказывается замкнутой, этим создается тормозящая электромагнитная сила. Генератор ШИМ настраивается с помощью внешних элементов Кг и Сг (схема подключения показана на рис. 16 я). Конденсатор Сг заряжается от источника опорного напряжения иопор через резистор Кг и разряжается через внутренний транзис-

Таблица 6. Варианты состояний МУКД при управлении коллекторным двигателем постоянного тока
Примечания *1 Двоичные входы «ВП/НЗ», «РАЗР», «ТОРМ», «D0», «D1», «D2», «D3» имеют ТТЛ-совместимые уровни. Х — любое состояние. Двоичные выходы «/1Верхн», «/1Нижн», «/2Верхн», «/2Нижн» выдают инверсные логические сигналы, низкий уровень (0) — сигнал включения силового ключа Н-моста. *2 Состояния входов «D0», «D1», «D2», «D3» от 1010 до 1111 соответствуют максимальной частоте вращения. *3 При высоком уровне (1) на входах «РАЗР» и «ТОРМ» выходы «/1Нижн» и «/2Нижн» выдают сигналы включения нижних транзисторов Н-моста, это приводит к замыканию выводов обмотки двигателя между собой через шину «-11ком» (общий минус), этим создается тормозящая электромагнитная сила (динамический тормоз) *4 Если на входе «РАЗР» — низкий уровень (0), а на входе «ТОРМ» — высокий уровень (1), выходы «/1Нижрн», «/2Нижн» находятся в режиме динамического торможения; построенный по схеме с открытым коллектором выход «/ОШИБКА» имеет активный низкий уровень (0). *5 Если на входах «РАЗР» и «ТОРМ» — низкий уровень (0), то выходы «/1Верхн», «/1Нижн», «/2Верхн», «/2Нижн» неактивны; на выходе «/ОШИБКА» — низкий уровень (0). *6 При уровне тока, потребляемого двигателем от внешнего источника, выше заданного предела выходы «/1Верхн», «/1Нижн», «/2Верхн», «/2Нижн» неактивны; на выходе «/ОШИБКА» — низкий уровень (0).
Рис. 16. Схема подключения и зависимость частоты генератора ШИМ от величины Rr и Сг
Рис. 15. Структурная схема модуля управления коллекторным двигателем

Для снижения уровня акустического шума и создания при этом режима непрерывного тока якоря (для сохранения наклона механических характеристик двигателя — обес- печения их жесткости при минимальной скорости) предпочтительно частоту генератора ШИМ установить в диапазоне 20-30 кГц. Зависимость частоты генератора ШИМ от величины Rг и Сг показана на номограмме рис.16 б. Например, оптимальная частота генератора 25 кГц устанавливается с помощью Сг = 0,01 мкФ, Rг = 4,7 кОм. МУКД контролирует величину тока, потребляемого двигателем от источника питания. Измерение производится при помощи токоиз-мерительного резистора. Возможная схема подключения показана на рис. 17. Дополнительные элементы R1, R2, С1 составляют ФНЧ, предотвращающий попадание импульсных помех на вход компаратора схемы ограничения тока. Величина токоизмерительного резистора RC определяется по формуле:

где Imax — требуемый ток ограничения. Для регулирования частоты вращения двигателя в МУКД используется метод многократной ШИМ, изменяющей среднее значение напряжения, приложенного к коллекторной обмотке двигателя. При этом верхний транзистор (подключающий якорь к «+иком») остается в проводящем состоянии, регулирование проводится переключением нижнего транзистора (подключающего якорь к «-иком»). Временная диаграмма ШИМ-регулирования скорости двигателя показана на рис. 18. Как только конденсатор Сг генератора ШИМ разрядится, силовой транзистор открывается, подавая в обмотку ток. Когда уровень нарастающего пилообразного напряжения на конденсаторе Сг станет больше, чем уровень сигнала на выходе усилителя ШИМ (вход ШИМ), нижний транзистор закрывается, отключая обмотку от напряжения источника питания. Если уровень сигнала на выходе усилителя ШИМ (вход ШИМ) превысит пиковую величину пилообразного напряжения генератора ШИМ, ШИМ-регулирование прекращается, двигатель вращается с максимальной скоростью. При превышении предельного значения уровня тока, потребляемого обмоткой двигателя (на входах «Тс+» и «Тс-» сигнал U > 100 мВ), происходит полное отключение транзисторов, на выходе «/ОШИБКА» — низкий уровень. Зависимость длительности токового сигнала управления обмоткой двигателя от напряжения на входе ШИМ показана на рис. 19. МУКД можно использовать в режимах открытой петли обратной связи (когда задача стабилизации и управления скоростью решается другими устройствами) и закрытой петли обратной связи (когда управление скоростью двигателя в различных функциях осуществляется с помощью модуля).

Рис. 17. Подключение измерителя тока к МУКД7
Рис. 19. Зависимость длительности токового сигнала управления обмоткой двигателя от напряжения на входе ШИМ

Управление уровнем сигнала частоты вращения может осуществляться двумя способами:

  1. при помощи потенциального сигнала, подаваемого на вход «иупр» (возможная схема подключения показана на рис. 20);
  2. при помощи сигнала, подаваемого на вход «^упр»

Рис. 20. Управление частотой вращения
Рис. 20. Управление частотой вращения

при помощи 4-разрядного двоично-десятичного кода (ДДК). Изменение значения входного кода от 0000 до 1001 приводит к ступенчатому изменению уровня скорости от 0% до 90% приблизительно по 10%. Значения входного кода от 1010 до 1111 соответствуют 100% уровня скорости. Схема подключения показана на рис. 21. В случае использования МУКД в режиме открытой петли обратной связи усилитель ШИМ работает в режиме повторителя напряжения (рис. 22). Вариант применения режима управления скоростью по двум дифференциальным входам показан на рис. 23. МУКД можно использовать в режиме управления ускорением и замедлением двигателя. Возможная схема включения представлена на рис. 24. Резистор R1 и конденсатор С1 определяют постоянную времени ускорения, а R2 и С1 — замедления. Величины сопротивлений R1 и R2 должны быть на порядок меньше, чем величина сопротивления R3. Вариант использования МУКД в режиме закрытой петли обратной связи показан на рис. 25.

Рис. 21. Управление частотой вращения при помощи 4-разрядного двоично-десятичного кода
Рис. 21. Управление частотой вращения при помощи 4-разрядного двоично-десятичного кода
Рис. 22. Усилитель ШИМ в режиме повторителя напряжения
Рис. 23. Применение режима управления скоростью по двум дифференциальным входам
Рис. 24. Использование МУКД в режиме управления ускорением и замедлением двигателя
Рис. 25. Использование МУКД в режиме закрытой петли обратной связи
Рис. 26. Структурная схема привода вентильного двигателя

Вентильный двигатель

В состав привода вентильного двигателя входят IGBT-модули, соответствующие драйверные модули и модуль управления МОУД7, предназначенный для управления, регулирования и стабилизации скорости вращения синхронного двигателя с постоянными магнитами и датчиками положения ротора (рис. 26). МОУД7 представляет собой гибридную сборку герметичной конструкции в пластмассовом корпусе, подобную МУКД7. На верхней поверхности корпуса расположены вертикальные выводы для подключения монтажных проводов либо для пайки на печатную плату. МОУД7 является высокоинтегрированной гибридной схемой, включающей монолитную цифро-аналоговую схему управления, схему электронного тахометра, встроенный стабилизатор питания, схему преобразования кода скорости и схему драйверов выходных сигналов. Модуль позволяет управлять трехфазным двигателем постоянного тока с датчиками положения ротора, обеспечивая регулирование и стабилизацию скорости вращения двигателя, торможение двигателя, ограничение уровня тока потребляемого обмотками двигателя от внешнего источника и выдачу сигнала «/ОШИБКА» в критических режимах. МОУД7 содержит следующие функциональные блоки:

  1. Регулятор напряжения для питания элементов и узлов прибора.
  2. Источник опорного напряжения с высокой температурной стабильностью.
  3. Схему контроля необходимых уровней питающих напряжений для обеспечения безотказной работы прибора.
  4. Генератор пилообразного сигнала для организации ШИМ-контроля скорости.
  5. ШИМ-контроллер, реализующий регулирование (изменение и стабилизацию) скорости вращения ротора двигателя.
  6. Электронный тахометр, реализующий обратную связь системы регулирования. Преобразует сигналы ДПР в сигнал рассогласования, пропорциональный уровню скорости.

Рис. 27. Габаритный чертеж МОУД7

Схему контроля и ограничения тока, потребляемого обмотками двигателя. Драйверы сигналов управления трехфазного инвертора. Коммутационную логику, управляемую при помощи четырех логических сигналов, воспринимающую кодовые комбинации от ДПР, формирующую сигналы управления драйверами выходных сигналов и выдающую сигнал «/ОШИБКА» в критических режимах. Сигнал датчика тока является внутрисхемным, с порогом срабатывания по уровню 100 мВ на токоизмерительном шунте. Логический ноль (0) вырабатывается при уровне < 85 мВ, логическая единица (1) — при уровне > 115 мВ. Входы «ДА», «ДВ» и «ДС» допускают возможность непосредственного подключения датчиков положения ротора (датчики Холла; оптронные датчики), имеющих выходы с открытым коллектором, либо выдающие сигналы ТТЛ-уровней. МОУД позволяет применять различные алгоритмы фазирования ротора двигателя. В зависимости от расположения датчиков возможны четыре алгоритма позиционирования двигателя (60°, 120°, 240°, 300°). Состояние датчиков в зависимости от положения ротора изменяется в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 29. Алгоритмы 60° и 300° или 120° и 240° являются симметричными, но направление вращения ротора для них противоположно. Например, при подаче на входы «ДА», «ДВ» и «ДС» сигналов ДПР с алгоритмом фазирования 60° или 120°, МОУД выдает сигналы управления двигателем для вращения вперед, а при поступлении сигналов ДПР с алгоритмом фазирования в 240° или 300° — для вращения назад. Изменить направление вращения двигателя позволяет сигнал низкого уровня (0), поданный на вход ВП/НЗ, при этом происходит инвертирование сигналов управления двигателем в соответствии с таблицей состояний. Таким образом, МОУД, используя команды 60°/120° и ВП/НЗ, позволяет реализовать любой алгоритм фазирования из предложенных. Эти алгоритмы соответствуют шести из восьми возможных комбинаций трехразрядного кода. Две кодовые комбинации являются запрещенными. При поступлении на входы «ДА», «ДВ» и «ДС» неправильной для определенного алгоритма фазирования кодовой комбинации МОУД отключает выходные транзисторы и выдает сигнал «/ОШИБКА». Вход «РАЗР» подключен к внутреннему источнику 25 мкА. При поступлении на этот вход сигнала низкого уровня (0) на выходах МОУД появляется сигнал на закрытие всех транзисторов трехфазного инвертора и выдается сигнал «/ОШИБКА». Вход «ТОРМ» имеет приоритет перед другими входами управления. Поступление сигнала высокого уровня (1) обеспечивает переход МОУД в режим динамического торможения. При этом «верхние» транзисторы трехфазного инвертора, подключенные к «+иком», закрываются. «Нижние» транзисторы трехфазного инвертора открываются, подключая все обмотки двигателя к «-иком» (общий минус). Таким образом, обмотки оказываются замкнутыми между собой, чем создается тормозящая электромагнитная сила. Генератор ШИМ настраивается с помощью внешних элементов Rг и Сг (рис. 30а). Конденсатор Сг заряжается от источника опорного напряжения иопор через резистор Rг и разряжается через внутренний транзистор. Для снижения уровня акустического шума и обеспечения при этом эффективного уровня токового сигнала управления двигателя необходимо частоту генератора ШИМ установить в диапазоне 20-30 кГц. Зависимость частоты генератора ШИМ от величин Сг и Rt показана на номограмме рис. 30б. Например, оптимальная частота генератора 25 кГц устанавливается при выборе Сг = 0,01 мкФ и Rt = 4,7 кОм. При вращении вала двигателя электронный тахометр преобразует сигналы ДПР в импульсную последовательность выходного сигнала «БТАХ». Период следования генерируемых импульсов соответствует скорости вращения двигателя, длительность импульсов Тимп задается величиной элементов Кт и Ст. Схема подключения элементов Кт и Ст показана на рис. 31, а. При этом максимальную скорость двигателя (для случая применения внутренней обратной связи) можно ограничить длительностью импульсов цепи Кт/Ст, то есть увеличение значения Тимп уменьшает скорость двигателя:

Рис. 28. Габариты и структурная схема модуля МОУД7
Таблица 7. Функциональное назначение выводов МОУД7
Рис. 29. Диаграмма состояний датчиков положения
Таблица 8. Варианты состояний МОУД при управлении трехфазным шестишаговым вентильным двигателем
Примечания: *1 Двоичные входы «ДА», «ДВ», «ДС», «ВП/НЗ», «РАЗР», «ТОРМ», «60?/120?» имеют ТТЛ-совместимые уровни. Двоичные выходы «Аверхн», «Анижн», «Вверхн», «Внижн», «Сверхн», «Снижн» выдают инверсные логические сигналы, низкий уровень (0) — сигнал включения силового транзистора трехфазного инвертора.*2 Высокий уровень (1) на входе «60°/120°» устанавливает режим фазирования в 60°, низкий уровень (0) — режим фазирования в 120°.*3 При неправильной комбинации на входах «ДА», «ДВ», «ДС» и низком уровне (0) на входе «ТОРМ» на выходах «Аверхн», «Анижн», «Вверхн», «Внижн», «Сверхн» и «Снижн» устанавливается сигнал запрета; построенный по схеме с открытым коллектором выход «/ОШИБКА» имеет активный низкий уровень (0).*4 При неправильной комбинации на входах «ДА», «ДВ», «ДС» и высоком уровне (1) на входе «ТОРМ» выходы «Аверхн», «Анижн», «Вверхн», «Внижн», «Сверхн», «Снижн» выдают сигналы включения нижних транзисторов трехфазного инвертора к «-иком», обмотки двигателя замкнуты между собой, чем создается тормозящая электромагнитная сила (динамический тормоз); на входе «/ОШИБКА» — низкий уровень (0).*5 При правильной комбинации на входах «ДА», «ДВ», «ДС» (V — любое правильное состояние на сенсорных входах, соответствующее фазированию в 60° или 120°) и высоком уровне (1) на входах «РАЗР» и «ТОРМ» выходы «Анижн», «Внижн», «Снижн» находятся в режиме динамического торможения; на выходе «/ОШИБКА» — высокий уровень (1).*6 Если на входе «РАЗР» низкий уровень (0), а на входе «ТОРМ» — высокий (1), то выходы «Анижн», «Внижн» и «Снижн» находятся в режиме динамического торможения; на выходе «/ОШИБКА» — низкий уровень (0).*7 Если на входах «РАЗР» и «ТОРМ» низкий уровень (0), то выходы «Аверхн», «Анижн», «Вверхн», «Внижн», «Сверхн» и «Снижн» выдают сигнал запрета; на выходе «/ОШИБКА» — низкий уровень (0).*8 При превышении заданного предела уровня тока, потребляемого двигателем от внешнего источника, «Аверхн», «Анижн», «Вверхн», «Внижн», «Сверхн» и «Снижн» отключены; на выходе «/ОШИБКА» — низкий уровень (0).
Рис. 30. Схема подключения и зависимость частоты генератора ШИМ от величины Рг и Сг

где N — скорость двигателя, об/мин; А — количество циклов повторения кодовых комбинаций за один оборот вала двигателя. Для выбора элементов Кт и Ст необходимо воспользоваться номограммой, представленной на рис. 316. Например, если скорость двигателя 5000 об/мин и за один оборот вала происходит два цикла изменений кодовых последовательностей на выходах ДПР, то Тимп = 1 мс. Для выбранных элементов Кт = 43 кОм, Ст = 22 нФ, длительность импульсов Тимп = 950 мкс.МОУД контролирует величину тока, потребляемого двигателем от внешнего источника, на токоизмерительном шунте. Сигнал с потенциальных выходов шунта можно непосредственно подключить к схеме ограничения тока (входы «Тс+», «Тс-») или использовать в цепи внешней схемы ограничения тока. Возможная схема подключения показана на рис. 32. Дополнительные элементы К1, К2, С1 составляют ФНЧ, предотвращающий попадание импульсных помех на вход компаратора схемы ограничения тока. Для регулирования скорости вращения двигателя в МОУД используется метод многократной однополярной двусторонней ШИМ, изменяющей среднее значение напряжения, приложенного к каждой обмотке статора двигателя, в течение цикла коммутации. При этом верхний транзистор трехфазного инвертора (подключающий обмотку статора к «+иком») остается в проводящем состоянии, регулирование производится переключением нижнего транзистора (подключающий обмотку двигателя к «-иком»). Временная диаграмма ШИМ-регулирования скорости двигателя показана на рис. 33. Как только конденсатор Сг генератора ШИМ разрядится, транзистор трехфазного инвертора открывается, подавая в обмотку статора ток. Когда уровень нарастающего пилообразного напряжения на конденсаторе Сг станет больше уровня сигнала на выходе усилителя ШИМ (ВхТАХ2), нижний транзистор трехфазного инвертора закрывается, прерывая ток в цепи питания обмотки статора двигателя. Если уровень сигнала на выходе усилителя ШИМ (ВхТАХ2) превысит пиковую величину пилообразного напряжения генератора ШИМ, ШИМ-регулирование прекращается, и двигатель вращается с максимальной скоростью. При уровне тока, потребляемого обмот- кой двигателя, выше предельного значения (на входах «ТС+», «ТС-» сигнал U > 100 мВ) происходит полное отключение транзисторов трехфазного инвертора, и на выходе «/ОШИБКА» устанавливается низкий уровень (0). Управление уровнем скорости двигателя производится при помощи 4-разрядного двоично-десятичного кода. Изменение значения входного кода от 0000 до 1001 приводит к ступенчатому изменению уровня скорости от 0% до 90% приблизительно по 10%. Значения входного кода от 1010 до 1111 соответствуют 100% уровня скорости. В случае использования МОУД без внутренней обратной связи (стабилизация скорости производится другими устройствами), сигнал управления, пропорциональный уровню скорости, поступает по входам «D0», «D1», «D2» и «D3». При этом усилитель ШИМ работает в режиме повторителя напряжения. Пример подключения показан на рис. 34.

Рис. 31. Схема подключения элементов и зависимость длительности импульсов тахометра от величины Рт и Ст
Рис. 33. Диаграмма ШИМ-регулирования скорости двигателя
Рис. 35. Формирование сигнала обратной связи пропорционального регулирования скорости
Рис. 32. Схема подключения токоизмерительного шунта
Рис. 34. Управление при помощи 4-разрядного двоично-десятичного кода
Рис. 36. Подключение элементов интегратора пропорционального регулирования скорости

В случае использования МОУД с внутренней обратной связью (для стабилизации скорости используют возможности МОУД) необходимо ввести на инвертирующий вход усилителя ШИМ сигнал обратной связи, пропорциональный уровню скорости. Принцип формирования сигнала обратной связи показан на диаграмме рис. 35. Достаточно просто такой сигнал формируется интегрированием сигнала электронного тахометра «БТАХ». Схема подключения элементов интегратора пропорционального регулирования (стабилизации) скорости показана на рис. 36. При условии правильно выбранных номиналов элементов интегратор-усилитель ШИМ будет вырабатывать свободный от пульсаций сигнал даже при низкой скорости двигателя. Однако при таком схемном решении на самой низкой скорости несколько ухудшается время реакции системы. Номиналы компонентов необходимо применять в соответствии с электромеханическими характеристиками двигателей. Для данных элементов постоянная времени интегратора равна 100 мс, что позволяет получить для большинства применений хорошую динамическую реакцию и стабильность.

Все статьи цикла:

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке