Контроллер для трехфазного двигателя: Электробайк. Контроллер двигателя своими руками / Блог компании Mail.ru Group / Хабр

Содержание

Описание и особенности подключения 3-х фазного двигателя в однофазную сеть

Для нормальной работы электродвигателя с конденсаторным пуском необходимо, чтобы емкость используемого конденсатора менялась в зависимости от числа оборотов. На практике это условие выполнить довольно сложно, поэтому используют двухступенчатое управление двигателем. При пуске двигателя подключают два конденсатора, а после разгона один конденсатор отключают и оставляют только рабочий конденсатор.

1.2.  Расчет параметров и элементов электродвигателя.

Если, например, в паспорте электродвигателя указано напряжение его питания 220/380, то двигатель включают в однофазную сеть по схеме, представленной на рис. 1

Принципиальная схема включения трехфазного электродвигателя в сеть 220 В

С р – рабочий конденсатор;

С п – пусковой конденсатор;
П1 – пакетный выключатель

После включения пакетного выключателя П1 замыкаются П1.1 и П1.2, после этого необходимо сразу же нажать кнопку "Разгон”. После набора оборотов кнопка отпускается. Реверсирование электродвигателя осуществляется путем переключения фазы на его обмотке тумблером SA1.

Емкость рабочего конденсатора Ср в случае соединения обмоток двигателя в "треугольник” определяется по формуле:

где
Ср – емкость рабочего конденсатора в мкФ;
I – потребляемый электродвигателем ток в А;
U -напряжение в сети, В

А в случае соединения обмоток двигателя в "звезду” определяется по формуле:

где
Ср – емкость рабочего конденсатора в мкФ;
I – потребляемый электродвигателем ток в А;
U -напряжение в сети, В

Потребляемый электродвигателем ток в выше приведенных формулах, при известной мощности электродвигателя, можно вычислить из следующего выражения:

где
Р – мощность двигателя в Вт, указанная в его паспорте;
h – КПД;
cos j – коэффициент мощности;
U -напряжение в сети, В

Емкость пускового конденсатора Сп выбирают в 2..2,5 раза больше емкости рабочего конденсатора. Эти конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в 1,5 раза больше напряжения сети. Для сети 220 В лучше использовать конденсаторы типа МБГО, МБПГ, МБГЧ с рабочим напряжением 500 В и выше. При условии кратковременного включения в качестве пусковых конденсаторов можно использовать и электролитические конденсаторы типа К50-3, ЭГЦ-М, КЭ-2 с рабочим напряжением не менее 450 В. Для большей надежности электролитические конденсаторы соединяют последовательно, соединяя между собой их минусовые выводы, и шунтируют диодами (рис. 2)

Принципиальная схема соединения электролитических конденсаторов для использования их в качестве пусковых конденсаторов.

Общая емкость соединенных конденсаторов составит (С1+С2)/2.

На практике величину емкостей рабочих и пусковых конденсаторов выбирают в зависимости от мощности двигателя по табл. 1

Таблица 1. Значение емкостей рабочих и пусковых конденсаторов трехфазного электродвигателя в зависимости от его мощности при включении в сеть 220 В.

Мощность трехфазного
двигателя, кВт

0,4
0,6
0,8
1,1
1,5
2,2

Минимальная емкость  рабочего
конденсатора Ср, мкФ


40
60
80
100
150
230

Минимальная емкость пускового
конденсатора Ср, мкФ

80
120
160
200
250
300
 

Следует отметить, что у электродвигателя с конденсаторным пуском в режиме холостого хода по питаемой через конденсатор, протекает ток на 20…30 % превышающий номинальный. В связи с этим, если двигатель часто используется в недогруженном режиме или вхолостую, то в этом случае емкость конденсатора Ср следует уменьшить. Может случиться, что во время перегрузки электродвигатель остановился, тогда для его запуска снова подключают пусковой конденсатор, сняв нагрузку вообще или снизив ее до минимума.
 

Емкость пускового конденсатора Сп можно уменьшить при пуске электродвигателей на холостом ходу или с небольшой нагрузкой. Для включения, например, электродвигателя АО2 мощностью 2,2 кВт на 1420 об/мин можно использовать рабочий конденсатор емкостью 230 мкФ, а пусковой – 150 мкФ. В этом случае электродвигатель уверенно запускается при небольшой нагрузке на валу.

1.3.  Переносной универсальный блок для пуска трехфазных электродвигателей мощностью около 0,5 кВт от сети 220 В.

Для запуска электродвигателей различных серий, мощностью около 0,5 кВт, от однофазной сети без реверсирования, можно собрать переносной универсальный пусковой блок (рис. 3)


 

Принципиальная схема переносного универсального блока для пуска трехфазных электродвигателей мощностью около 0,5 кВт от сети 220 В без реверса.

При нажатии на кнопку SB1 срабатывает магнитный пускатель КМ1 (тумблер SA1 замкнут) и своей контактной системой КМ 1.1, КМ 1.2 подключает электродвигатель М1  к сети 220 В. Одновременно с этим третья контактная группа КМ 1.3 замыкает кнопку SB1. После полного разгона двигателя тумблером SA1 отключают пусковой конденсатор С1. Остановка двигателя осуществляется нажатием на кнопку SB2.

1.3.1.  Детали.

В устройстве используется электродвигатель А471А4 (АО2-21-4) мощностью 0,55 кВт на 1420 об/мин и магнитный пускатель типа ПМЛ, рассчитанный на переменный ток напряжением 220 В. Кнопки SB1 и SB2 – спаренные типа ПКЕ612. В качестве переключателя SA1 используется тумблер Т2-1. В устройстве постоянный резистор R1 – проволочный, типа ПЭ-20, а резистор R2 типа МЛТ-2. Конденсаторы С1 и С2 типа МБГЧ на напряжение 400 В. Конденсатор С2 составлен из параллельно соединенных конденсаторов по 20 мкФ 400 В. Лампа HL1 типа КМ-24 и 100 мА.


Пусковое устройство смонтировано в металлическом корпусе размером 170х140х50 мм (рис. 4)
 

1- корпус

2 – ручка для переноски
3 – сигнальная лампа
4 – тумблер отключения
пускового конденсатора

5 -кнопки
"Пуск” и "Стоп”

6 – доработанная
электровилка

7- панель с гнездами
разъема

На верхней панели корпуса расположены кнопки "Пуск” и "Стоп” – сигнальная лампа и тумблер для отключения пускового конденсатора. На передней панели корпуса устройства находится разъем для подключения электродвигателя.

Для отключения пускового конденсатора можно использовать дополнительное реле К1, тогда надобность в тумблере  SA1 отпадает, а конденсатор будет отключаться автоматически (рис.5)


 

Принципиальная схема пускового устройства с автоматическим отключением пускового конденсатора.

При нажатии на кнопку SB1 срабатывает реле К1 и контактной парой К1.1 включает магнитный пускатель КМ1, а К1.2 – пусковой конденсатор Сп. Магнитный пускатель КМ1 само блокируется с помощью своей контактной пары КМ 1.1, а контакты КМ 1.2 и КМ 1.3 подсоединяют электродвигатель к сети. Кнопку "Пуск” держат нажатой до полного разгона двигателя, а после отпускают. Реле К1 обесточивается и отключает пусковой конденсатор, который разряжается через резистор R2. В это же время магнитный пускатель КМ 1 остается включенным и обеспечивает питание электродвигателя в рабочем режиме. Для остановки электродвигателя следует нажать кнопку "Стоп”. В усовершенствованном пусковом устройстве по схеме рис.5, можно использовать реле типа МКУ-48 или ему подобное.

2. Использование электролитических конденсаторов в схемах запуска электродвигателей.

При включении трехфазных асинхронных электродвигателей в однофазную сеть, как правило, используют обычные бумажные конденсаторы. Практика показала, что вместо громоздких бумажных конденсаторов можно использовать оксидные (электролитические) конденсаторы, которые имеют меньшие габариты и более доступны в плане покупки. Схема эквивалентной замены обычного бумажного дана на рис. 6

Принципиальная схема замены бумажного конденсатора (а) электролитическим (б, в).

Положительная полуволна переменного тока проходит через цепочку VD1, С2, а отрицательная VD2, С2. Исходя из этого можно использовать оксидные конденсаторы с допустимым напряжением в два раза меньшим, чем для обычных конденсаторов той же емкости. Например, если в схеме для однофазно сети напряжением 220 В используется бумажный конденсатор на напряжение 400 В, то при его замене, по вышеприведенной схеме, можно использовать электролитический конденсатор на напряжение 200 В. В приведенной схеме емкости обоих конденсаторов одинаковы и выбираются аналогично методике выбора бумажных конденсаторов для пускового устройства.

2.1. Включение трехфазного двигателя в однофазную сеть с использованием электролитических конденсаторов.

Схема включения трехфазного двигателя в однофазную сеть с использованием электролитических конденсаторов приведена на рис.7.

Принципиальная схема включения трехфазного двигателя в однофазную сеть при помощи электролитических конденсаторов.

В приведенной схеме, SA1 – переключатель направления вращения двигателя, SB1 – кнопка разгона двигателя, электролитические конденсаторы С1 и С3 используются для пуска двигателя, С2 и С4 – во время работы.

Подбор электролитических конденсаторов в схеме рис. 7 лучше производить с помощью токоизмерительных клещей. Измеряют токи в точках А, В, С и добивается равенства токов в этих точках путем ступенчатого подбора емкостей конденсаторов. Замеры проводят при нагруженном двигателе в том режиме, в котором предполагается его эксплуатация. Диоды VD1 и VD2 для сети 220 В выбираются с обратным максимально допустимым напряжением не менее 300 В. Максимальный прямой ток диода зависит от мощности двигателя. Для электродвигателей мощностью до 1 кВт подойдут диоды Д245, Д245А, Д246, Д246А, Д247 с прямым током 10 А. При большей мощности двигателя от 1 кВт до 2 кВт нужно взять более мощные диоды с соответствующим прямым током, или поставить несколько менее мощных диодов параллельно, установив их на радиаторы.

Следует обратить ВНИМАНИЕ на то, что при перегрузке диода может произойти его пробой и через электролитический конденсатор потечет переменный ток, что может привести к его нагреву и взрыву.

3. Включение мощных трехфазных двигателей в однофазную сеть.

Конденсаторная схема включения трехфазных двигателей в однофазную сеть позволяет получить от двигателя не более 60% от номинальной мощности, в то время как предел мощности электрифицированного устройства ограничивается 1,2 кВт. Этого явно недостаточно для работы электрорубанка или электропилы, которые должны иметь мощность 1,5…2 кВт. Проблема в данном случае может быть решена использованием электродвигателя большей мощности, например, с мощностью 3…4 кВт. Такого типа двигатели рассчитаны на напряжение 380 В, их обмотки соединены «звездой» и в клеммной коробке содержится всего 3 вывода. Включение такого двигателя в сеть 220 В приводит к снижению номинальной мощности двигателя в 3 раза и на 40 % при работе в однофазной сети. Такое снижение мощности делает двигатель непригодным для работы, но может быть использовано для раскрутки ротора вхолостую или с минимальной нагрузкой. Практика показывает, что большая часть электродвигателей уверенно разгоняется до номинальных оборотов, и в этом случае пусковые токи не превышают 20 А.

3.1.  Доработка трехфазного двигателя.

Наиболее просто можно осуществить перевод мощного трехфазного двигателя в рабочий режим, если переделать его на однофазный режим работы, получая при этом 50 % номинальной мощности. Переключение двигателя в однофазный режим требует небольшой его доработки. Вскрывают клеммную коробку и определяют, с какой стороны крышки корпуса двигателя подходят выводы обмоток. Отворачивают болты крепления крышки и вынимают ее из корпуса двигателя. Находят место соединения трех обмоток в общую точку и подпаивают к общей точке дополнительный проводник с сечением, соответствующим сечению провода обмотки. Скрутку с подпаянным проводником изолируют изолентой или поливинилхлоридной трубкой, а дополнительный вывод протягивают в клеммную коробку. После этого крышку корпуса устанавливают на место.

Схема коммутации электродвигателя в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 8.

Принципиальная схема коммутации обмоток трехфазного электродвигателя для включения в однофазную сеть.

Во время разгона двигателя используется соединение обмоток «звездой» с подключением фазосдвигающего конденсатора Сп. В рабочем режиме в сеть остается включенной только одна обмотка, и вращение ротора поддерживается пульсирующим магнитным полем. После переключения обмоток конденсатор Сп разряжается через резистор Rр. Работа представленной схемы была опробована с двигателем типа АИР-100S2Y3 (4 кВт, 2800 об/мин), установленном на самодельном деревообрабатывающем станке и показала свою эффективность.

3.1.1.  Детали.

В схеме коммутации обмоток электродвигателя, в качестве коммутационного устройства SA1 следует использовать пакетный переключатель на рабочий ток не менее 16 А, например, переключатель типа ПП2-25/Н3 (двухполюсный с нейтралью, на ток 25 А). Переключатель SA2 может быть любого типа, но на ток не менее 16 А. Если реверс двигателя не требуется, то этот переключатель SA2 можно исключить из схемы.

Недостатком предложенной схемы включения мощного трехфазного электродвигателя в однофазную сеть можно считать чувствительность двигателя к перегрузкам. Если нагрузка на валу достигнет половины мощности двигателя, то может произойти снижение скорости вращения вала вплоть до полной его остановки. В этом случае снимается нагрузка с вала двигателя. Переключатель переводится сначала в положение «Разгон», а потом в положение «Работа» и продолжают дальнейшую работу.

Для того, чтобы улучшить пусковые характеристики двигателей кроме пускового и рабочего конденсатора можно использовать еще и индуктивность, что улучшает равномерность загрузки фаз. Обо всем этом написано в статье Устройства запуска трехфазного электродвигателя с малыми потерями мощности.

 

 

 

Программируемый контроллер включения и выключения 3-фазного двигателя

Программируемый контроллер 3-фазного двигателя, который автоматически включает / выключает, может быть выполнен с помощью программируемого реле времени. В этом случае можно запрограммировать максимум восьмикратную продолжительность. Система имеет два программируемых реле времени для установки времени пуска и останова двигателя и две цепи управления, которые связаны с переключателями пуска и останова стартера 3-фазного двигателя. Блок-схема системы приведена на рис. 1. Рис. 1: Блок-схема программируемого контроллера 3-фазного двигателя.

Предположим, что одинаковые значения времени установлены на обоих переключателях времени. Таким образом, если время начала, скажем, 8 часов утра запрограммировано для режима таймера 1 ВКЛ, то 8,01 утра будет запрограммировано для режима выключения таймера 1 в переключателе времени запуска. И, если время остановки, скажем, 9 часов утра, запрограммировано для режима включения таймера 2, то 9,01 утра будет запрограммировано для режима выключения таймера 2 в переключателе времени остановки. Когда время достигает 8 часов утра, переключатель времени запуска подключает первичную обмотку трансформатора X1 к 230 В переменного тока. Выход источника питания подключается к выводу 4 сброса IC1. R4 и C3 действуют как самозапускающиеся компоненты. Выход моностабильности на выводе 3 становится высоким в течение периода, равного 1,1 × R5 × C4, что почти равно пяти секундам.

Товары для изобретателей. 🔥Перейти в магазин Ссылка.

Схема 3-фазного двигателя с программируемым контроллером

Рис. 2: Принципиальная схема программируемого контроллера 3-фазного двигателя. Поскольку на контакте 3 IC1 высокий уровень, реле RL1 получает питание в течение пяти секунд, что, в свою очередь, замыкает пусковой выключатель, расширяя трехфазное питание двигателя. Это практически аналогично физическому нажатию пускового выключателя 3-фазного пускателя двигателя в течение пяти секунд. Когда время достигает 9 часов утра, второй временной выключатель (выключатель останова) подает 230 В переменного тока на первичную обмотку трансформатора X2. Опять же, благодаря использованию двухполупериодного выпрямителя и схемы фильтра, 12 В постоянного тока подается на вторую моностабильную цепь, имеющую реле RL2. Нормально-замкнутая (N / C) клемма реле соединена последовательно с выключателем стартера 3-фазного двигателя. Итак, реле разрывает цепь, чтобы остановить двигатель. Это пример одной продолжительности времени с 8 утра до 9 утра. Таким образом, для включения и выключения трехфазного электродвигателя можно запрограммировать максимум восемь временных интервалов. Предусмотрена настройка дней недели для работы контроллера. Например, он может работать с понедельника по пятницу, с понедельника по субботу, все семь дней недели или только в определенный день недели. Эта система может найти множество применений, включая включение водяного насоса в многоэтажном коммерческом здании, чтобы заполнять верхние резервуары только в течение пяти или шести дней в неделю. Это также может оказаться полезным для фермеров, промышленных предприятий или железнодорожных станций, где используются 3-фазные двигатели.

Схема работы

Две идентичные цепи электропитания построены вокруг трансформаторов X1 и X2 со связанными компонентами, как показано на рис. 2. Устройство обеспечивает 12 В постоянного тока для двух цепей управления, построенных вокруг двух таймеров 555 IC1 и IC2, которые настроены в моностабильном режиме. Два таймера, используемые в этой системе, изготовлены Frontier, модель TM-619-2. Они работают на 230 В переменного тока при 50 Гц. Каждый переключатель имеет встроенное одиночное переключающее реле с номинальным сопротивлением 16А. Имеет ЖК-дисплейс помощью кнопок, таких как CLOCK, TIMER, DAY, HOUR, MIN и MANUAL, как показано на рис. 3. С помощью этих кнопок устанавливаются часы реального времени и программируются различные временные интервалы. Реле времени – это программируемое цифровое устройство, которое имеет цифровые часы реального времени и может программировать в течение максимум восьми временных интервалов. Продолжительность может быть для определенного дня, альтернативных дней, с понедельника по пятницу, с понедельника по субботу или с понедельника по воскресенье. 

Рис. 3: Передняя часть реле времени.  Рис. 4: Задняя часть реле времени. Рис. 5: Типичный пускатель для 3-фазного двигателя.

Удерживая кнопку часов, реальное время задается с помощью кнопок HOUR, MIN и DAY, а различные длительности программируются с помощью кнопок TIMER, HOUR, MIN и DAY. 

Есть три режима, а именно: ВКЛ, АВТО и ВЫКЛ, написанные чуть ниже дисплея. По истечении времени программирования черный горизонтальный отрезок линии сохраняется в режиме AUTO из режима OFF нажатием кнопки MANUAL. Реле времени обеспечивает пять внешних выводов, пронумерованных от 1 до 5, как показано на рис. 4. На контакты 1 и 2 разъемов CON1 и CON2 для переключателей пуска и останова подается 230 В переменного тока, причем контакт 1 является нейтральным. 

Токоведущие контакты 2 соединяются проводом с контактами 3, а выходное напряжение снимается с контактов 1 и 5. Имеется положение ячейки кнопки. CR2032 для хранения часов и запрограммированных времен. Это означает, что даже если 230 В переменного тока отключено, часы и запрограммированное время не нарушаются (при сбое в сети) в течение 60–90 дней. При наличии сетевого питания элемент заряжается непрерывно. Схема управления имеет два моностабильных мультивибратора с выдержкой времени в пять секунд.

 Переключатель времени запуска 1 подключен к первому моностабильному мультивибратору, построенному вокруг IC1, как показано на рисунке 2. Часы реального времени переключателя времени 1 устанавливаются путем нажатия и удерживания кнопки CLOCK и регулировки времени с помощью кнопок HOUR, MIN и DAY. Если в еженедельном режиме необходимо запрограммировать длительность в первый раз с 8:00 до 9:00, то в 8:00 запрограммирован режим 1 ВКЛ, а в первый раз запрограммировано 8:01 в режиме 1 ВЫКЛ. 

Двигатель отключается с помощью второй цепи мультивибратора, как показано на рис. 2, в которой N / C и общие клеммы реле RL2 соединены последовательно с выключателем стартера. Часы реального времени устанавливаются нажатием и удерживанием кнопки CLOCK и настройкой времени с помощью кнопок HOUR, MIN и DAY. Время выключения, то есть 9 утра, запрограммировано в режиме 1 Вкл. С еженедельным выбором дня нажатием кнопки TIMER. Снова, нажав кнопку TIMER, 9,01 AM устанавливается в режим 1 ВЫКЛ с еженедельным выбором дня во втором таймере. Когда достигается время 9 AM, второй временной выключатель подает 230 В переменного тока через первичную обмотку понижающего трансформатора X2, а второй двухполупериодный выпрямитель выдает 12 В постоянного тока. Это напряжение поступает на вторую моностабильную схему мультивибратора, как показано на рис. 2.

Рис. 5 показывает фотографию типичного стартера для трехфазного электродвигателя вместе с внутренней сборкой стартера. Справа от фотографии показаны две кнопки; зеленая кнопка используется для запуска двигателя, а красная кнопка используется для его остановки. У этого также есть катушка реле. Когда пусковой переключатель кратковременно нажимается, ток течет через катушку, полоса реле тянется к железу катушки, и на двигатель подается трехфазное напряжение. Рис. 6: Печатная плата контроллера трехфазного электродвигателя. Рис. 7: Компонентная схема печатной платы.

Загрузите PDF-файлы для печатных плат и компонентов: нажмите здесь

Сборка и тестирование

Односторонняя печатная плата фактического размера программируемого контроллера 3-фазного двигателя показана на рис. 6, а расположение компонентов – на рис. 7. Примечание EFY. Сбросьте переключатель времени, если возникнут трудности с настройкой времени на переключателе времени. 

electronicsforu.com

Силовая часть регулятора BLDC двигателей (RU) - Avislab

Проектирование силовой части обычно начинают с выбора ключей. Наиболее подходящие для этого полевые MOSFET транзисторы. Выбор силовых транзисторов делается на основании данных о максимальном возможный ток и напряжение питающей сети двигателя.

Выбор силовых транзисторов

Транзисторы должны выдерживать рабочей ток с некоторым запасом. Поэтому выбирают полевые транзисторы с рабочим током в 1.2-2 раза больше максимального тока двигателя. В характеристиках полевых транзисторов может быть указано несколько значений тока для различных режимов. Иногда указывают ток, который может выдерживать кристалл Id (Silicon Limited) (он больше) и ток, ограниченный возможностями корпуса транзистора Id (Package Limited) (он меньше). например:

Кроме того, фигурирует ток для импульсного режима (Pulsed Drain Current), который, значительно больше (в несколько раз), чем максимально возможный постоянный ток.

Надо выбирать транзисторы по постоянному току, и не обращать внимание на параметры, указанные для импульсного режима. При выборе транзистора учитывается только значение постоянного тока. В данном случае - 195А.

Если невозможно подобрать транзистор нужным рабочим током, несколько транзисторов включают параллельно.

При этом обязательно следует применять указанные на схеме резисторы. Их номинал - единицы Ом, но благодаря им соединены параллельно транзисторы открываются одновременно. Если эти резисторы не ставить, может возникнуть ситуация, когда один из транзисторов открывается, а остальные - еще нет. За это короткое время вся мощность сваливается на один транзистор и выводит его из строя. Об определении номинала этих резисторов говорится ниже. Два транзистора, включенных параллельно, выдерживают вдвое больший ток. 3 - в 3 раза больше. Но не следует злоупотреблять этим и строить ключи из большого количества мелких транзисторов.

Выбор полевых транзисторов по напряжению также выполняется с запасом как минимум в 1.2

Где: Rds- сопротивление открытого транзистора; Ids – ток, который протекает через транзистор.

Отже, якщо транзистор irfp4468pbf має опір 2.6 мOм, то під час пропускання струму 195 А на ньому буде виділятися 98.865 Ватт тепла. У випадку мостової трьохфазної схеми у кожний момент часу відкриті тільки два ключі. Тобто, на двох відкритих транзисторах буде виділятися однакова кількість тепла (по 98.865 Вт, загалом - 197.73 Вт). Але вони працюють не весь час, а по черзі - парами, тобто кожна пара ключів працює 1/3 часу. Отже правильно сказати, що загалом на всіх ключах буде виділятися 197.73 Вт тепла, а на кожному з ключів (98.865 / 3 = 32.955 Вт). Слід забезпечити відповідне охолоджування транзисторів.

Итак, если транзистор irfp4468pbf имеет сопротивление 2.6 мOм, то при токе 195 А на нем будет выделяться 98.865 Ватт тепла. В случае мостовой трехфазной схемы в каждый момент времени открыты только два ключа. То есть, на двух открытых транзисторах будет выделяться одинаковое количество тепла (по 98.865 Вт, в общем - 197.73 Вт). Но они работают не все время, а по очереди - парами, то есть каждая пара ключей работает 1/3 времени. Так что правильно сказать, что в целом на всех ключах будет выделяться 197.73 Вт тепла, а на каждом из ключей (98.865 / 3 = 32.955 Вт). Следует обеспечить соответствующее охлаждение транзисторов.

Но есть одно "но"

Мы примерно подсчитали те тепловые потери, которые происходят за период, когда ключи полностью открыты. Однако не надо забывать, что для ключей присущи такие явления, как переходные процессы. Именно в момент переключения, когда сопротивление ключа изменяется от практически нулевого до почти бесконечности и наоборот, происходит наибольшее тепловыделение, которое значительно больше тех потерь, которые происходят при открытых ключах.

Уявімо, що ми маємо загрузку 0.55 Ом. Напруга живлячої мережі 100В. При повністю відкритих ключах отримаємо струм 100/0. 2) = 6448 Вт. Что значительно больше чем при открытом ключе. Когда сопротивление транзистора возрастет до 100 Ом потери будут 99.45 Вт. Когда сопротивление транзистора возрастет до 1 кОм потери будут 9.98 Вт. Когда сопротивление транзистора возрастет до 10

Контроллер трехфазного бесколлекторного двигателя

Каковы должны быть минимальные ресурсы микроконтроллера, работающего в составе привода трехфазного BLDC-мотора? Для ответа на этот вопрос необходимо соотнести возможности чипсета с принципами управления указанного двигателя и предъявляемыми к устройству функциональными требованиями. Если мы рассматриваем рынок простых и дешевых схем управления скоростью в таких применениях, как вентиляторы и насосы, то проблема может быть существенно упрощена. Эти устройства работают при наличии или отсутствии датчиков (необходимых для определения положения ротора), что имеет ряд аргументов «за» и «против». Однако по количеству контактов I/O существенный выигрыш получается в случае, если сигнал положения ротора может быть снят с одного вывода. Кроме того, наличие многофункциональных выходов в пользовательском интерфейсе позволяет изменять их назначение. Благодаря этому, используя определенную технику минимизации, можно сократить количество задействованных контактов процессора и снизить таким образом требования к его ресурсам.

 

Система управления BLDC-мотором

На рис. 1 приведена блок-схема управления BLDC-мотором, содержащая датчик Холла для формирования обратной связи по положению ротора (как правило, используется три датчика), потенциометр задания скорости, кнопки включения и выключения системы, датчик перегрузки по току и трехфазный силовой каскад, соединенный с мотором.

Рис. 1. Блок-схема управления BLDC-мотором

Общее количество независимых подключений контроллера составляет 11 (пять входов и шесть выходов). Это число можно минимизировать в случае, если микроконтроллер поддерживает многофункциональность выводов и имеет развитую периферию.

 

Технология минимизации ресурсов

В случае, если используется стандартный шестиступенчатый алгоритм управления BLDC-мотором, в каждый момент времени только два транзистора инвертора (один в верхнем плече и один в нижнем) находятся во включенном состоянии. Управление ключами трехфазного силового каскада не является комплиментарным, транзисторы открываются в т. н. «диагональном режиме». С точки зрения минимизации логики это является преимуществом, поскольку два из трех ключей верхнего уровня закрыты при нормальной работе привода. Сигнал управления третьим транзистором может быть извлечен из двух других с помощью нескольких резисторов и транзисторного инвертора, подключенного к третьему входу верхнего уровня моста (см. рис. 4 — принципиальная схема). Таким образом удается сократить количество использованных выводов контроллера с шести до пяти.

Существует несколько различных путей оптимизации количества системных входов, предназначенных для подключения датчиков Холла, потенциометра, сенсоров тока перегрузки и ключей «Пуск/ Стоп». Датчики Холла, как правило, встраиваются в BLDC-двигатель, поэтому целесообразно интегрировать в мотор и схему, формирующую цифровой интерфейс для их связи с микроконтроллером. Выход подобной схемы выполняется в виде откры- того коллектора с «подтягивающим» резистором. В этом случае требуется один датчик Холла и один цифровой вход микросхемы семейства PIC12F.

Для запуска мотора и задания скорости при включении системы один из входов верхнего плеча трехфазного инвертора может быть сконфигурирован как аналоговый вход. Для реализации данной задачи этот вывод подключается к резистивному делителю и потенциометру уставки, что позволяет задать и считать значение скорости перед пуском мотора.

Ключ «Пуск» кроме основной задачи может нести и дополнительную функцию снижения уставки скорости ниже минимального значения. В аналоговом режиме работы входа, несмотря на то, что один из транзисторов верхнего плеча открывается, это не приводит к появлению тока в двигателе, поскольку все ключи нижнего плеча закрыты. Далее, при пуске мотора, данный контакт конфигурируется как выход управления транзистором верхнего плеча, а резисторы делителя начинают выполнять функцию «подтягивающих» или заземляющих.

Функцию остановки запущенного двигателя удобно выполнять в комбинированном режиме «Пуск/Стоп» в ходе цикла коммутации. Таким образом, остановка мотора реализуется программно-аппаратным методом в процессе выбега. Когда ключ «Стоп» нажимается при вращении, все сигналы управления транзисторами верхнего уровня блокируются, программа анализирует состояние мотора и запускает режим торможения. В простейшем случае функция остановки может выполняться нормально-разомкнутым тумблером, подключенным параллельно описанной выше цепи защиты от токовой перегрузки.

В схеме защиты от перегрузки по току не задействован ни один из выводов I/O микроконтроллера, для этой цели используется цепь подключения питания микросхемы семейства PIC12, позволяющая включить схему в режим перезагрузки при возникновении аварии. Этот тип PIC-контроллера имеет встроенный параллельный стабилизатор, соединенный с источником питания через резистор, номинал которого выбирается в зависимости от условий работы. Таким образом, в случае перегрузки питание микросхемы может быть отключено схемой защиты по току, подключенной параллельно стабилизатору.

В результате проведенной оптимизации системе требуется один выделенный цифровой вход, а также один цифровой/аналоговый и четыре цифровых вывода, выполняющих функции выходов. Здесь не учтен тот факт, что для управления скоростью необходима широтно-импульсная модуляция напряжения, поступающего на BLDC-мотор. В нашем случае контрольные импульсы должны поступать на транзисторы нижнего уровня. В реальности, поскольку в системе используется режим шестиступенчатого управления, ШИМ-сигнал в любой момент времени подается только на один из трех нижних ключей инвертора.

Некоторые PIC-контроллеры обладают особой периферией, способной формировать программный «моторный» ШИМ-сигнал, в то время как другие могут вырабатывать ШИМ-напряжение только на одном из n выходов. В последнем случае полный сигнал управления формируется с помощью, например, периферии ECCP (Enhanced Capture/ Compare Peripheral). В микросхеме PIC12F допускается комбинированное формирование ШИМ-сигнала посредством периферии ECCP или в режиме альтернативной конфигурации выводов (APCFG). Подобная возможность представляется очень удобной, поскольку импульсы могут вырабатываться через ECCP только по двум выводам, в то время как для работы схемы их требуется три, что доступно в режиме APCFG. На сегодняшний день в описанном режиме могут работать два контроллера семейства: PIC12F615 и PIC12HV615 (рис. 2).

Рис. 2. Аппаратная реализация схемы

Программа управления использует сигнал одного датчика Холла для синхронизации импульсов управления транзисторами инвертора, а также для определения моментов времени коммутации по так называемой технологии точного расчета траектории. Помимо всего прочего, это позволяет сформировать замкнутый контур управления скоростью при помощи простейшего ПИД-регулятора, на который поступает сигнал ошибки по скорости (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема управления скоростью мотора

Выход PI-контроллера загружается в регистр коэффициента заполнения импульсов CCPR1, занимая восемь старших разрядов. Выход подсистемы формирования ШИМ-сигнала коммутируется вместе с одним из трех транзисторов нижнего плеча инвертора, что позволяет осуществлять управление мотором и контроль скорости.

Три встроенных таймера PIC12 используются для измерения скорости двигателя по сигналу датчика Холла (TMR1), задания периода коммутации (TMR2) и генерации прерывания после окончания периода предварительного расчета (TMR0).

При включении питания считывается уставка скорости, после чего система может быть запущена с помощью ключа «Пуск». После подачи команды на запуск привода происходит оценка положения ротора и активируется программа формирования короткой разомкнутой петли регулирования. Она работает до тех пор, пока не будет продетектировано появление следующего сигнала датчика Холла. С этого момента времени коммутация инвертора синхронизируется с положением ротора. После успешной обработки двух сигналов датчика Холла программа переключается в режим работы с замкнутой обратной связью по скорости. При возникновении перегрузки по току активируется режим перезапуска питания POR (Power On Reset).

Аппаратная реализация системы управления включает трехфазный BLDC-мотор, низковольтный силовой модуль инвертора и контроллер PIC12F615, подключенный к модифицированной демо-плате Microchip. Было показано, что данная топология схемы позволяет использовать шесть I/O контактов микроконтроллера с многофункциональными выводами. Гибкая внутренняя периферия PIC12HV615 и встроенный параллельный регулятор дают возможность создать схему (рис. 4), выполняющую все необходимые для данного применения функции. Таким образом, создана основа для проектирования простых и дешевых систем управления скоростью в случаях, когда не требуется высокая точность работы привода.

Рис. 4. Принципиальная схема привода BLDC-мотора с контроллером PIC12HV615

Управление бесколлекторным двигателем, связь по Bluetooth и новое поколение транзисторов в одном проекте от Texas Instruments

Интерес потребителей к различным беспроводным решениям как никогда высок. Возможность подключения к информационным сетям и облачным серверам появляется даже у тех устройств, которые раньше слабо ассоциировались с беспроводными технологиями (счетчики, электроинструменты, бытовые приборы и т.д.). Одним из наиболее популярных беспроводных интерфейсов является Bluetooth. Интеграция Bluetooth может существенно увеличить габариты, стоимость и сложность устройств. Однако современные интегральные решения помогают решить эти проблемы.

Постоянное расширение функционала характерно не только для смартфонов. Аналогичные тенденции проявляются в сегменте бытовых приборов и электроинструментов: дрели, циркулярные пилы, шлифовальные машины, пылесосы, садовое оборудование (например, газонокосилки).

Так же, как в сегменте портативных мобильных устройств, разработчикам электроинструментов приходится как следует потрудиться, чтобы расширить функционал и обеспечить уменьшение массо-габаритных показателей. В свое время большим шагом вперед стал отказ от сетевого шнура и переход на питание от батареи. Необходимость экономии заряда аккумуляторов привела к тому, что вместо традиционных щеточных электродвигателей стали использовать бесколлекторные двигатели (BLDC), даже несмотря на то, что BLDC требуют более сложного алгоритма управления и дополнительных датчиков и драйверов.

С точки зрения компоновки деталей и составляющих современный электроинструмент с бесколлекторным двигателем представляет собой настоящее техническое чудо (рис. 1). В нем оптимально используется все свободное пространство внутри корпуса. Но ручные инструменты следующего поколения задирают планку еще выше. В них добавляется поддержка беспроводной связи, причем речь идет не только о профессиональных приборах, но и о бытовых электроинструментах.

Рис. 1. Даже без добавления BLE-модуля в корпусе электроинструмента едва хватало свободного места, чтобы разместить контроллер BLDC-двигателя (он находится в ручке)

Почему беспроводной?

Для профессиональных строителей беспроводная связь с инструментом дает широкий спектр новых возможностей, таких как аутентификация, отслеживание местоположения, интеллектуальное управление, создание отчетов об ошибках, информирование о состоянии батареи или общем времени работы. Также может быть реализована защита от кражи: если кто-то попытается вынести инструмент за пределы строящегося объекта, то аккумулятор будет автоматически отключен.

Новый функционал пригодится и в быту. Например, если требуется отыскать и вернуть газонокосилку, «одолженную» соседом, можно воспользоваться функцией отключения аккумулятора. При этом сосед получит соответствующее оповещение на смартфон, а владельцу и не придется рушить добрососедские отношения способом, изображенным на рис. 2.

Рис. 2. Поддержка беспроводной связи помогла определить местонахождение газонокосилки. Однако Уолтер понял, что добавление огнемета было излишним

Самым простым способом реализации беспроводной связи является установка модуля Bluetooth Low Energy (BLE), который можно разместить либо внутри существующего корпуса, либо прикрепить снаружи.

Типовая блок-схема электроприбора с поддержкой беспроводного интерфейса связи включает в себя два микроконтроллера (МК): один для управления бесколлекторным BLDC-двигателем, а другой для беспроводной связи Bluetooth.

Для такого разделения есть веские причины. Дело в том, что для реализации беспроводной связи и для управления BLDC-двигателем требуются абсолютно разные периферийные блоки и функции. Для управления BLDC-двигателем микроконтроллер должен иметь «на борту» высокоскоростные таймеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с заданным быстродействием, универсальные порты ввода-вывода (GPIO) с поддержкой прерываний, проводные коммуникационные интерфейсы. Для беспроводной связи микроконтроллеру потребуется ВЧ-передатчик, высокочастотный генератор, схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и модем.

При работе с бесколлекторным двигателем приходится иметь дело с большими напряжениями и токами, а также с сигналами с крутыми фронтами и срезами. Они могут генерировать значительные электромагнитные помехи, тем самым создавая проблемы для чувствительных аналоговых схем и ВЧ-блоков. При использовании двух отдельных микроконтроллеров разводка печатной платы упрощается, так как в таком случае гораздо легче разделить землю между сильноточными и слаботочными частями схемы и защитить питание ВЧ-блоков от шума.

На бумаге все выглядит хорошо. Однако разработчики должны добиться того, чтобы конечное устройство обладало не только отличной эффективностью, но и имело адекватную стоимость и компактные габариты. Какие шаги следует предпринять для достижения этих целей?

Объединение разных функций в одном микроконтроллере

Разделение беспроводных и BLDC-функций между отдельными микроконтроллерами является проверенным решением, но все же лучших результатов можно добиться, если объединить все функции в одном микроконтроллере (рис. 3). Такой подход позволяет уменьшить габариты, снизить потребление и сократить стоимость. Разумеется, выбранный микроконтроллер должен иметь соответствующие периферийные блоки, обладать необходимой вычислительной мощностью и достаточным объемом памяти для управления BLDC-двигателем и поддержки беспроводной связи.

Рис. 3. Объединение функционала двух микроконтроллеров (a) в одном (b) позволяет уменьшить габариты, снизить потребление и сократить стоимость

Микроконтроллеры SimpleLink от Texas Instruments объединяют процессорные ядра Cortex-M с различными проводными и беспроводными интерфейсами, в том числе Ethernet, CAN, USB, sub-1-GHz (субгигагерцовые радиоканалы и интерфейсы), Wi-Fi, Zigbee и Bluetooth.

Например, микроконтроллер CC2640R2F хорошо подходит для создания ручных электроинструментов с ограниченным пространством для размещения электроники (рис. 4). CC2640R2F обеспечивает минимальное потребление и компактные габариты. Особенностями данного микроконтроллера являются:

  • Основное вычислительное ядро: 32-битный процессор с ядром ARM Cortex-M3 с рабочей частотой 48 МГц, флэш-память 128 КБ, 20 КБ ОЗУ, JTAG-интерфейс для программирования и отладки.
  • Беспроводная связь: ВЧ-модуль CC2640R2F обеспечивает поддержку Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5. Он включает в себя вспомогательный сопроцессор с ядром ARM Cortex-M0 с выделенной оперативной памятью, ПЗУ, контроллер Bluetooth и библиотеки хостов.
  • Периферийные устройства: GPIO, таймеры, сторожевой таймер и блок шифрования AES. CC2640R2F также оснащен уникальным малопотребляющим контроллером датчиков, который может самостоятельно собирать аналоговые и цифровые данные от внешних сенсоров, в то время как остальные блоки микроконтроллера будут находиться в спящем режиме.
  • Режимы пониженного потребления: C2640R2F отличается сверхнизким потреблением. Например, потребление основного процессорного ядра Cortex-M3 составляет 61 мкА/ МГц, а радиопередатчик в режиме передачи Tx потребляет 9,1 мА при уровне мощности + 5 дБм. В режиме ожидания контроллер потребляет 1,1 мкА, а в выключенном состоянии около 100 нА, что гарантирует длительный срок службы батарей.

Рис. 4. Микроконтроллер C2640R2F обеспечивает беспроводную связь BLE и управление бесколлекторным двигателем

Микроконтроллер C2640R2F способен одновременно обеспечивать беспроводную связь BLE и управлять бесколлекторным двигателем. Чтобы убедиться в этом, достаточно ознакомится с референсной платой TIDA-01516 и прилагаемым программным обеспечением, которое можно скачать с сайта Texas Instruments. В состав ПО входит интегрированная среда разработки Code Composer Studio (CCS) v7.2, платформа RF SmartRF Studio для Windows и файлы конфигурации для периферийных устройств.

Специализированный драйвер упрощает работу с BLDC-двигателем и сокращает количество компонентов

Разработчики уделяют много времени созданию схемы питания и управления BLDC-двигателем. Бесколлекторные двигатели оказываются гораздо эффективнее, чем щеточные двигатели постоянного тока, но для них требуется сложная схема управления (рис. 5). В самых простых случаях для работы с щеточным двигателем потребуется всего один драйвер и один силовой транзистор. При работе с BLDC необходим полноценный трехфазный мост с шестью транзисторами.

Рис. 5. Схема управления щеточным двигателем оказывается намного проще, чем схема управления бесколлекторным BLDC-двигателем

Кроме управляющего микроконтроллера для работы с бесколлекторным двигателем потребуется:

  • Трехфазный силовой каскад с заданной мощностью
  • Драйверы для управления МОП-транзисторами
  • Датчик положения для выполнения точной коммутации фаз двигателя

Обычно для создания трехфазного моста используют шесть силовых транзисторов, каждый со своим драйвером и цепями защиты.

Специализированный интегральный драйвер, объединяющий несколько функций, позволяет уменьшить размер, стоимость и сложность системы управления. DRV8323, например, может управлять тремя независимыми полумостовыми схемами, состоящими из полевых N-канальных транзисторов. В состав DRV8323 входит шесть драйверов (три для транзисторов верхнего плеча и три для транзисторов нижнего плеча), линейный стабилизатор и повышающий регулятор для формирования управляющих напряжений. DRV8323 также включает три датчика тока и дополнительный понижающий преобразователь с выходным током до 600 мА.

Управляющий контроллер может настраивать различные параметры драйвера и выполнять диагностику с помощью обычного SPI-интерфейса. Кроме того, в качестве альтернативы, для настройки параметров драйвера могут использоваться внешние резисторы.

DRV8323 имеет четыре различных режима ШИМ-управления. Простейший режим 1xPWM позволяет контроллеру управлять трехфазным BLDC-двигателем с помощью одного входного ШИМ-сигнала. При этом коммутация обмоток двигателя производится в соответствии с таблицей, хранящейся в драйвере DRV83823. Управляющий ШИМ-сигнал, поступающий от контроллера, задает частоту и коэффициент заполнения при коммутации полумостов. С помощью портов ввода-вывода можно формировать дополнительные сигналы управления, например, для остановки двигателя. Для получения дополнительной информации по DRV8323 следует обратиться к документации, доступной на сайте производителя.

Решаем проблему генерации и отвода тепла

Поиск свободного места для размещения шести силовых транзисторов в корпусе современного электроинструмента может оказаться настоящей проблемой даже для самого опытного инженера. Задача дополнительно усложняется тем, что обычно транзисторы выпускаются в громоздких корпусных исполнениях, таких, например, как TO-220, DPAK или D2PAK. Отвод тепла также становится головной болью для разработчиков. По этой причине выбор силовых ключей с минимальным уровнем потерь и оптимальным корпусом является одной из основных задач при создании электроинструментов.

В процессе развития МОП-транзисторов потери мощности постоянно сокращались, в том числе: статические потери проводимости, динамические потери при коммутации, потери на встроенном диоде. Потери проводимости определяются сопротивлением открытого канала RDS (ON), а другие виды потерь связаны с внутренними паразитными емкостями силового ключа.

NexFET – это MOSFET-технология третьего поколения от Texas Instruments, которая обеспечивает низкое сопротивление канала RDS(ON) и уменьшает паразитные емкости примерно на 50% по сравнению с современными транзисторами, созданными по технологии TrenchFET. Снижение емкости позволяет увеличить рабочую частоту и уменьшить потери при переключении.

Кристалл является важной, но не единственной частью транзистора. Паразитные параметры корпуса (индуктивность и емкость) также играют большую роль и ограничивают максимальную рабочую частоту силового ключа. Мультикристальные модули (MCM) уменьшают паразитные составляющие за счет установки нескольких кристаллов в одном корпусе. Первоначально проектировщики были ограничены двумя измерениями, но новые корпуса допускают трехмерное многослойное размещение кристаллов.

Трехмерная упаковка обеспечивает улучшение электрических и тепловых характеристик. Вертикальное протекание тока в NexFET делает его идеальным для создания полумостовых схем, так как в этом случае исток транзистора верхнего плеча оказывается непосредственно над стоком транзистора нижнего плеча. Такой подход практически исключает переходное сопротивление и паразитную индуктивность между силовыми ключами и позволяет использовать повышенные частоты коммутации. Кроме того, исток транзистора нижнего плеча может размещаться непосредственно на массивной открытой площадке корпуса, что позволит обеспечить высокоэффективную передачу тепла.

Внутри корпуса подключение контактов кристалла производится не с помощью традиционной технологии «wire-bond» (отдельными тонкими проводами), а с помощью прижимной технологии, использующей сплошные медные мосты. Это существенно снижает сопротивление канала RDS (ON) и потери проводимости, а также обеспечивает отличные тепловые характеристики.

Силовой полумостовой блок CSD88584Q5DC NexFET с рабочим напряжением 40 В оптимизирован для работы с мощными двигателями постоянного тока в электроинструментах. CSD88584Q5DC использует описанную выше трехмерную технологию упаковки кристаллов и поставляется в корпусном исполнении DualCool размером 5 × 6 мм с открытой металлической площадкой наверху. Этот корпус позволяет отводить тепло как через печатную плату, так и через расположенный сверху радиатор, что обеспечивает отличные тепловые характеристики.

При входном напряжении 24 В и максимальной температуре перехода TJ = 125 °C потери мощности CSD88584Q5DC составляют всего 3,5 Вт при коммутации тока 35 A на частоте 20 кГц. В документации на эту силовую сборку рассматриваются вопросы, связанные с безопасной рабочей SOA, а также разбирается подробный пример использования CSD88584Q5DC в составе силового устройства.

Референсная плата со схемой управления BLDC-двигателем и поддержкой BLE

Референсная плата TIDA-01516 представляет собой готовое решение, объединяющее все рассмотренные выше компоненты (рис. 6). По сути TIDA-01516 является компактным (70 × 45 мм) безрадиаторным приводом для BLDC-двигателя мощностью 600 Вт со среднеквадратичным непрерывным током до 27 A. Устройство также включает схему защиты от перегрузки по току, которая выполняет мониторинг напряжения сток-исток силовых транзисторов.

Рис. 6. Референсная схема TIDA-01516 представляет собой компактный привод BLDC-двигателя мощностью 600 Вт

Микроконтроллер СC2640R2F используется для обеспечения беспроводной связи BLE и выполнения алгоритма управления BLDC-двигателем. Драйвер DRV8323 и три силовых блока CSD88584Q5DC реализуют трапецеидальное управление бесколлекторным двигателем. Устройство работает с напряжением питания 6…21,6 В. Это объясняется тем, что обычные ручные электроинструменты, как правило, используют сборки литий-ионных батарей с напряжением 18 В.

Схема также содержит датчик температуры LMT87-Q1 для измерения температуры печатной платы и диодную сборку TPD1E10B06 для защиты от статики. Линейный регулятор TPS709 с выходным током до 150 мА преобразует входное напряжение 18 В до 3,3 В для питания микроконтроллера.

Устройство демонстрирует чувствительность BLE RX -96 дБм даже в момент, когда работает двигатель. Полные результаты испытаний можно найти в руководстве TIDA-01516.

Заключение

Добавление беспроводной связи приводит к необходимости использования высокоинтегрированных микросхем и компонентов, позволяющих обеспечить компактные размеры, низкое потребление и минимальную стоимость. Еще более сложной проблемой становится решение задачи по снижению уровня потерь и улучшению качества теплоотвода. Обеспечение низкого перегрева является важным фактором как с точки зрения комфорта потребителя, так и с точки зрения увеличения срока службы аккумуляторов.

Чтобы решить перечисленные проблемы, Texas Instruments предлагает ряд передовых технологий: беспроводные микроконтроллеры, интеллектуальные драйверы, силовые MOSFET третьего поколения. Референсная плата TIDA-01516 демонстрирует эти технологии в действии.

Базовая схема для экспериментов с BLDC-моторами (на ATtiny2313) — radiohlam.ru

Представленная ниже схема является основой для экспериментов с bldc-моторами. Для тех, кто не в курсе, BLDC — это одна из разновидностей синхронных моторов, которая используется, например, в винчестерах, сидирумах, дисководах и т.п. (типа таких, как на картинке справа).

Теорию работы синхронных движков в общем виде можно почитать здесь, чуть конкретнее про BLDC — вот здесь.

Схема позволяет организовать необходимое для питания BLDC-моторов трёхфазное напряжение из обычного однофазного (с помощью ШИМ-модуляции).

Никаких специальных возможностей управления работой мотора (по датчикам Холла или по обратной ЭДС обмоток) в этой схеме не предусмотрено. Про различные варианты такого управления мы поговорим позже, а здесь я постараюсь подробно описать исходя из каких соображений и как рассчитываются элементы именно базовой схемы.

Итак, схема:

Как видите, нам понадобятся: 1 контроллер ATtiny2313, 3 микрухи спаренных полевиков FDS4542 (N- и P-channel в одном восьминогом корпусе), 6 биполярных транзисторов (я использовал FMMT2222 — маленькие биполярнички в корпусах SOT23 c маркировкой 1P), 3 диода (я взял LL4148) и некоторое количество всяких резисторов и кондёров. (их номиналы будут указаны ниже).

Суть схемы довольно простая — микроконтроллер управляет тремя абсолютно аналогичными силовыми каналами (поэтому на схеме показан только один), каждый из которых имеет на выходе комплиментарную пару мощных полевиков, образующую полумост с независимым управлением плечами.

То есть каждое из плеч можно включать и выключать независимо от другого, что даёт возможность получить на выходе полумоста три разных состояния: Hi — выход полумоста подключен к питанию (верхний полевик открыт, нижний — закрыт), Lo — выход полумоста подключен к общему проводу (верхний полевик закрыт, нижний — открыт) и Z — выход полумоста отключен и от питания, и общего провода (оба полевика закрыты).

В принципе, можно получить ещё и четвёртое состояние — когда оба полевика открыты, но в этом случае получится КЗ и один из полевиков просто сгорит. Поэтому такое состояние мы будем считать запрещённым и с ним нам как раз придётся всеми способами бороться.

В схеме предусмотрено отдельное питание для схемы управления (+5В) и для силовой части (+12В), поэтому для верхнего плеча пришлось делать развязку на транзисторах T1, T2. Два транзистора были использованы для того, чтобы умощнить эту развязку и сделать её характеристику симметричной, чтобы она могла не только быстро заряжать, но и разряжать затвор верхнего полевика (то есть это ещё и драйвер).

Нижний полевик управляется без всякого драйвера, напрямую от ноги микроконтроллера.

Резисторы R7, R8 — это необязательные подтяжки, назначение которых — предотвратить самопроизвольные открытия полевиков в тот момент, когда ноги микроконтроллера ещё не настроены на выход и находятся в Z-состоянии (при старте). Соответственно, номиналы этих резисторов не очень важны, они просто должны быть намного больше номиналов резисторов R5 и R6, чтобы не мешать нормальной работе схемы после запуска контроллера. Более того, поскольку нам главное, чтобы полевики оба сразу не открылись (если один откроется — шут с ним), можно оставить только R8. Я так и сделал, — взял номинал резистора R8 равным 10 кОм, а резистор R7 вообще выкинул.

Стоит отметить, что помимо функции подтяжки, R7 может выполнять ещё и функцию борьбы с наводками на линию управления транзистором T2. Ток в этой линии очевидно будет гораздо меньше, чем через R5 и в случае, если такие наводки всё же будут, резистор R7 придётся вернуть (это если вы свою разводку платы будете делать).

Ну что, дальше давайте считать. Исходить будем из двух предпосылок: 1) полевиками нужно рулить максимально быстро, но без фанатизма; 2) высшая математика — удовольствие на любителя (особенно когда есть осциллограф и можно всё проверить на практике). В связи с этими, особой точностью и правильностью я увлекаться не буду, но, по крайней мере, рассчёты позволят на что-то ориентироваться.

Начнём с нижнего полевика (N-канальник). Для максимально быстрого управления этим полевиком нам нужно выжать с ноги микроконтроллера максимальный ток и в то же время эту ногу не поджарить.

Пиковый ток на ногу в документации на ATtiny2313 не указан, поэтому будем исходить из значений, указанных в Absolute maximum ratings — 40 мА. При этом максимальный ток у нас будет протекать в самом начале заряда, когда разность потенциалов на затворе и ножке микроконтроллера максимальна. Таким образом, получается R5=5В/40мА=125 Ом. Ближайшее большее значение стандартного номинала — 150 Ом, но мы возьмём 200 Ом, чтобы был небольшой запас. Максимальный ток при этом получится 5/200=25 мА.

Теперь давайте оценим время переключения нашего полевика с резистором 200 Ом в затворе. Оценить это время можно по формуле t=Qg/I, где Qg — total gate charge (берём из документации на FDS4542), I — ток драйвера (мы возьмём максимальный расчётный зарядный ток, чтобы точно не ошибиться в меньшую сторону). Получаем t=28 нК / 25 мА = 1,12 мкс.

Зачем нам нужно время переключения? Очень просто. Когда мы будем писать программу управления — мы должны будем учитывать, что полевики закрываются не мгновенно и вводить задержки между закрытием полевика в одном плече и открытием полевика в другом плече, во избежание возникновения сквозных токов (когда полевики в обоих плечах приоткрыты).

Переходим к P-канальному полевику. Тут ситуация попроще и ногу контроллера нам нагружать не нужно, зато нужно не спалить биполярные транзисторы и диод.

Резисторы R1 и R3 в обвязке p-канальника — это просто высокоомные подтяжки и их номиналы не должны нас особо сильно волновать, поэтому я для начала взял их по 10 кОм (чтобы токи через них можно было не учитывать) и про них забыл.

Затворные токи здесь определяются резисторами R2 и R4, а сама обвязка работает следующим образом: при открытии транзистора T2 потенциал базы транзистора T1 падает ниже потенциала его эмиттера, T1 закрывается, а затвор полевика разряжается через диод и резистор R4; при закрытии транзистора T2 потенциал базы транзистора T1 растёт быстрее, чем на его эмиттере, что приводит к открытию T1 и резкому заряду затвора через R2.

Сначала разберёмся с зарядом. По документации ток через FMMT2222 может быть до 600 мА, а для LL4148 — до 450 мА импульсный и до 150 постоянный, поэтому ориентироваться будем на диод и возьмём для расчётов, скажем 150 мА (чтобы ничего сильно не грелось). Исходя из этого, получим сопротивление резистора R4 = (12-0,5)В/150мА = 76,6 Ом. Далее аналогично, — возьмём ближайший стандартный номинал больше расчётного — 100 Ом. Пересчитываем обратно в ток, получаем I = 115 мА. Ну что ж, пусть будет так. При этом время заряда можно оценить на уровне t = 36 нК / 115 мА = 313 нс.

Чтобы сильно не заморачиваться, возьмём R2 такого же номинала, как и R4, и будем считать, что время закрытия будет примерно такое же, как и время открытия.

Теперь проверим, насколько правильно мы выбрали R1. Чтобы транзистор T1 нормально открывался, ток базы должен быть не более чем в h31 раз меньше тока коллектора. Ток коллектора у нас 100 мА, h31 (из доки) не менее 35, значит ток базы нам нужен не менее 2,86 мА. А он у нас получается 12В/10кОм = 1,2 мА. Ну, тогда возьмём R1 = 3,3 кОм. В этом случае ток базы = 12/3,3 = 3,6 мА. Так и оставим.

Тот же расчёт проделаем для транзистора T2. Ток коллектора у него такой же, как и у T1, значит ток базы тоже должен быть не менее 2,86 мА. Значит R6 должен иметь номинал менее 5/2,86=1,75 кОм. Возьмём с запасом резистор на 1 кОм.

В итоге получилось: R1=3,3 кОм, R2=R4=100 Ом, R3=10 кОм, R5=200 Ом, R6=1 кОм, R7 мы выкинули, R8=10 кОм. При этом время переключения нижнего полевика мы ожидаем на уровне 1,12 мкс, а верхнего — на уровне 313 нс.

Что у нас осталось? Во-первых, конденсаторы. С1=С2=20 пФ, С3=100 мкФ, С4=0,1 мкФ. При проектировании платы C3,C4 нужно расположить как можно ближе к силовым ногам ключей. Во-вторых, на схеме не полностью показана обвязка микроконтроллера. Нужно подтянуть ногу MCLR к питанию через резистор 1 — 10 кОм, а так же поставить конденсатор 0,1 мкФ между питанием и общим проводом поближе к ножкам контроллера.

Что ж, — собираем и тестим.

Скачать плату в формате DipTrace 2.3

Готовый девайс:

Для снятия осциллограмм была написана тестовая программа, в которой транзисторы специально переключались с интервалами гораздо больше расчётных (на случай, если расчёты окажутся слишком кривыми).

Осциллограммы:


Как видите, наши рассчёты дали примерно адекватные результаты, по крайней мере корректировать ничего не нужно.

Простейшая программка для контроллера (пуск / стоп / реверс / изменение питающего напряжения и частоты вращения)

Небольшое видео, демонстрирующее работу устройства

Контроллеры трехфазных двигателей по выгодной цене - Отличные предложения на контроллеры трехфазных двигателей от мировых продавцов контроллеров трехфазных двигателей

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место для контроллеров трехфазных двигателей. К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене.Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку эти контроллеры трехфазных двигателей должны в кратчайшие сроки стать одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели контроллеры трехфазных двигателей на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в контроллерах трехфазных двигателей и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress - отличное место для сравнения цен и продавцов.Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь. А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе.Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово - просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет. Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны - и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести 3 phase motor controlers по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы. На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Контроллеры двигателей Velmex - VXM

Можно ли управлять более чем одной осью с помощью контроллера VXM?

Да, конфигурации VXM могут управлять до 4 двигателей, по 1 двигателю одновременно.Система VXM-4 может работать с 4 двигателями и состоит из 2 связанных блоков VXM. С помощью VXM1-1 можно также управлять двумя двигателями одновременно. Щелкните вкладку «Технические характеристики» выше для получения дополнительных сведений и технических характеристик.

Нужно ли подключать контроллер VXM к компьютеру?

Чтобы запрограммировать контроллер VXM для вашего конкретного приложения, он должен быть подключен к ПК, ноутбуку, планшету или ПЛК. После загрузки с программой он может работать без подключения к компьютеру.Тем не менее, VXM-1J Control имеет простой режим толчкового режима и автореверса, и для его программирования не требуется компьютер.

Будет ли моторизованный стол Velmex работать с другими двигателями и контроллерами?

Да, если у вас есть собственные двигатели и контроллеры, вы можете использовать их с продуктами Velmex для двигателей. Однако контроллер VXM был специально разработан для оптимизации управления шаговым двигателем. Это очень надежное и недорогое решение для требований высокоточного позиционирования.Моторизованные ступени, двигатели Velmex и контроллер двигателя VXM поставляются как законченная система, готовая к подключению. Щелкните вкладку «Технические характеристики» выше для получения дополнительных сведений и технических характеристик.

Мой двигатель подключен к VXM, почему двигатель не движется?

Драйвер VXM и двигатель настроены? VXM необходимо настроить для распознавания конкретного двигателя и оси, которыми он управляет. Если после установки и настройки кажется, что VXM не управляет двигателями должным образом, выполните действия по поиску и устранению неисправностей в Руководстве пользователя VXM и запустите диагностику системы.

Указывает ли шаговый двигатель и / или контроллер VXM, что они не работают должным образом?

В зависимости от ситуации звук системы может отличаться от звука при нормальной работе. См. «Устранение неполадок выше» для байтов звука, которые помогут устранить неполадки в работе двигателя и контроллера.

Какая скорость по умолчанию для контроллера VXM?

По умолчанию скорость контроллера VXM составляет 2000 шагов в секунду.

Я хочу использовать контроллер Arduino. Это будет работать?

Не рекомендуется. Arduino не может генерировать достаточный крутящий момент, чтобы двигатель мог работать в нормальных диапазонах скоростей.

Контроль скорости трехфазного асинхронного двигателя с использованием Arduino

РЕФЕРАТ

В этом проекте предлагается управлять скоростью трехфазного асинхронного двигателя с помощью контроллера Arduino.Контроллер Arduino используется для генерации сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Скорость двигателя регулируется с помощью схемы драйвера и трехфазного инвертора. А также этот проект снизил гармонические составляющие и коммутационные потери в цепи. В этом проекте два переключателя используются для увеличения и уменьшения скорости двигателя. Изменение скорости можно увидеть на тахометре.

Демонстрационное видео

БЛОК-СХЕМА

ДЕТАЛИ ПЛАТЫ 3-ФАЗНОГО ИНВЕРТОРА

Плата инвертора имеет встроенный мостовой выпрямитель и фильтрующий конденсатор.6 шт. Полевых МОП-транзисторов IRFP250 оснащены радиатором. Выход инвертора заканчивается 3-х контактным разъемом PTB. Пользователь должен припаять на тыльной стороне платы интерфейс стробирующего импульса.

➣6 No IRFP250 MOSFET установлены с надлежащим радиатором

➣5A Мостовой выпрямитель с конденсатором фильтра постоянного тока (1000 мкФ / 250 В)

3-контактный разъем PTB для подключения двигателя

СХЕМА ИНВЕРТОРА

ПЛАТА ИНВЕРТОРА

СПЕЦИФИКАЦИЯ

➣6 № IRFP250 MOSFET с радиатором

➣Входное напряжение 100 В / AC / 50 Гц

➣Рабочая частота 25 кГц

➣ Входы и выходы оканчиваются разъемами PTB

TLP 250 ПЛАТА ВОДИТЕЛЯ

СПЕЦИФИКАЦИЯ

➣6 Нет, оптоизолированный привод затвора

➣Входное напряжение 12 В / AC / 50 Гц

➣Рабочая частота 25 кГц

➣ Все входы и выходы оканчиваются вилками RMC

ПЛАТА ВОДИТЕЛЯ

ВХОДЫ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ / УМЕНЬШЕНИЯ

КОНТАКТЫ ПРЕРЫВАНИЯ

КЛЮЧИ

НАЗНАЧЕНИЕ

ПИН-код

КОНТРОЛЛЕР ARDUINO

КЛЮЧ 1

ПРИЕМ

ДАННЫЕ 1

Контакт 2

КЛЮЧ 2

ЗАЯВЛЕНИЕ

ДАННЫЕ 2

Контакт 3

ВЫХОДЫ ШИМ

ВЫХОДЫ ШИМ

КОНТРОЛЛЕР ARDUINO

ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПИТАНИЯ

(как на принципиальной схеме инвертора)

ШИМ 1

4

1 квартал

ШИМ 2

5

Q6

ШИМ 3

6

3 квартал

ШИМ 4

7

2 квартал

ШИМ 5

8

Q5

PWM6

9

4 квартал

МОЩНОСТЬ МОТОРА

ПЛАТА ИНВЕРТОРА

ЦВЕТ ДВИГАТЕЛЯ

ФАЗА 1

КРАСНЫЙ

ФАЗА 2

ЖЕЛТЫЙ

ФАЗА 3

СИНИЙ

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ

ВЫХОДНЫЕ ВОЛНЫ

Сравнение двух импульсов

Междуфазный выход инвертора

Сравнение выходной мощности инвертора


Для получения дополнительных сведений о проектах в области силовой электроники щелкните здесь

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *