Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

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

Волошин Сергей  
Шурин Николай  

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.

Все статьи цикла:

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

Структурная схема МУВД(А)
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)
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
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·м2);
  • 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 < 1...2 мкс:

Длительность времени выключения (tOFF) при срабатывании схемы ограничения тока

Напряжение, пропорциональное току в звене постоянного тока, вырабатывается на токоизмерительном резисторе RC и составляет 100 мВ при IОГРMAX (зависит от типа модуля, см. табл. 4), уменьшение уровня тока ограничения ULIM устанавливается значением RLIM:

Значения RLIM для сниженного ограничения тока представлены в таблице 4.

Таблица 4

Элементы генератора, управляемого напряжением:

Элементы схемы управления коммутацией CAT, CRT:

Здесь

- время совмещения;

постоянный восстанавливающий момент K:

где tRAMP — требуемое время разгона. Элементы фильтра ЗКФ CSP1, CSP2, RSP:

где FVCO = 0,05 x N x RPM — частота генератора, управляемого напряжением, М — распространение между нулем и полюсом в контуре фильтра (в диапазоне 10...20);

NS — число циклов ЗКФ необходимых для установления процента d после шага фазы (порядка 20); d— процент установившейся величины в течении NS циклов (3).

Элементы контура регулирования частоты вращения CSC, RSC, CT:

где FРЕГ — диапазон рабочих частот контура (1–10 Гц);

Схема подключения МУВД(А)
Рис. 2. Схема подключения МУВД(А)
Рисунок
Пример расчета элементов для двигателя с параметрами:
UM = 300 B, N = 24, IM ≤ 1 A, TM = 0,8 с, IMAX = 1,5 A, Ке = 0,6 В·с/рад,
RPM = 3000 об/мин, JM = 4,86 x 10–4 кг·м2, Кt ≤ 2 Н·м/А.
RS ≥ 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.
Принимаем М = 10, d = 3, NS = 20.
FVCO = 3600, CSP1 = 0,208 мкФ, CSP2 = 1,87 мкФ, RSP = 2337 Ом.
Принимаем FРЕГ = 2 Гц.
СSC = 15,94 мкФ, RSC = 49 923 Ом.
Для FШИМ = 25 кГц СТ = 1 нФ.

Конструктивное исполнение модуля представлено на рис. 3. Назначение выводов:

Рис. 3

Все статьи цикла:

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке