DC Motor Speed Drive: 4 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

คำแนะนำนี้จะอธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับการออกแบบ การจำลอง การสร้างและการทดสอบโหมดสวิตช์ตัวแปลง dc เป็น dc และตัวควบคุมระบบควบคุมสำหรับมอเตอร์กระแสตรง ตัวแปลงนี้จะใช้สำหรับการควบคุมแบบดิจิตอลสำหรับมอเตอร์ shunt dc ที่มีโหลด วงจรจะได้รับการพัฒนาและทดสอบในระยะต่างๆ

เฟสแรกจะสร้างคอนเวอร์เตอร์ให้ทำงานที่ 40V สิ่งนี้ทำเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการเหนี่ยวนำกาฝากจากสายไฟและส่วนประกอบวงจรอื่น ๆ ที่อาจสร้างความเสียหายให้กับไดรเวอร์ที่แรงดันไฟฟ้าสูง ในขั้นตอนที่สอง คอนเวอร์เตอร์จะทำงานที่มอเตอร์ 400 V โดยมีโหลดสูงสุด ขั้นตอนสุดท้ายคือการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ด้วยโหลดแบบแปรผันโดย Arduino ควบคุมคลื่น PWM เพื่อปรับแรงดันไฟฟ้า

ส่วนประกอบไม่ถูกเสมอไป ดังนั้นจึงพยายามสร้างระบบให้ถูกที่สุด ผลลัพธ์สุดท้ายของการปฏิบัตินี้คือการสร้างตัวแปลง dc-dc และตัวควบคุมระบบควบคุมเพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ภายใน 1% ที่จุดที่กำหนดไว้ในสถานะคงตัวและเพื่อตั้งค่าความเร็วภายใน 2 วินาทีพร้อมโหลดแบบแปรผัน

ขั้นตอนที่ 1: การเลือกส่วนประกอบและข้อมูลจำเพาะ

มอเตอร์ที่ฉันมีอยู่มีข้อกำหนดดังต่อไปนี้

ข้อมูลจำเพาะของมอเตอร์: กระดอง: 380 Vdc, 3.6 A

แรงกระตุ้น (ปัด): 380 Vdc, 0.23 A

ความเร็วสูงสุด: 1500 r/min

กำลังไฟฟ้า: ≈ 1.1 กิโลวัตต์

แหล่งจ่ายไฟ DC Motor = 380V

ออปโตคัปเปลอร์และแหล่งจ่ายไฟของไดรเวอร์ = 21V

นี่จะบ่งบอกว่าพิกัดกระแสและแรงดันสูงสุดของส่วนประกอบที่เชื่อมต่อหรือควบคุมมอเตอร์จะมีเรตติ้งที่สูงกว่าหรือเทียบเท่า

ไดโอดอิสระที่ติดฉลากเป็น D1 ในแผนภาพวงจร ใช้เพื่อให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับของมอเตอร์มีเส้นทางไหลเพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าย้อนกลับและสร้างความเสียหายต่อส่วนประกอบเมื่อไฟฟ้าดับและมอเตอร์ยังคงหมุนอยู่ (โหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า). ได้รับการจัดอันดับสำหรับแรงดันย้อนกลับสูงสุด 600V และกระแสตรงไปข้างหน้าสูงสุดที่ 15 A ดังนั้นจึงสามารถสันนิษฐานได้ว่าไดโอดมู่เล่จะสามารถทำงานได้ที่ระดับแรงดันและกระแสเพียงพอสำหรับงานนี้

IGBT ใช้เพื่อสลับพลังงานไปยังมอเตอร์โดยรับสัญญาณ 5V pwm จาก Arduino ผ่านออปโตคัปเปลอร์และไดรเวอร์ IGBT เพื่อเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ 380V ที่มีขนาดใหญ่มาก IGBT ที่ใช้มีกระแสสะสมต่อเนื่องสูงสุด 4.5A ที่อุณหภูมิทางแยก 100°C แรงดันอีซีแอลตัวสะสมสูงสุดคือ 600V ดังนั้นจึงสามารถสันนิษฐานได้ว่าไดโอดมู่เล่จะสามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟและระดับกระแสไฟที่เพียงพอสำหรับการใช้งานจริง สิ่งสำคัญคือต้องเพิ่มฮีทซิงค์ให้กับ IGBT โดยควรเป็นฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ หากไม่มี IGBT สามารถใช้ MOSFET แบบเปลี่ยนเร็วได้

IGBT มีแรงดันประตูเกตที่ระหว่าง 3.75 V ถึง 5.75 V และจำเป็นต้องใช้ไดรเวอร์เพื่อส่งแรงดันไฟฟ้านี้ ความถี่ที่วงจรจะทำงานคือ 10 kHz ดังนั้นเวลาเปลี่ยนของ IGBT จะต้องสั่งเร็วกว่า 100 เรา ซึ่งเป็นเวลาของคลื่นเต็มหนึ่งคลื่น เวลาเปลี่ยนสำหรับ IGBT คือ 15ns ซึ่งเพียงพอแล้ว

ไดรเวอร์ TC4421 ที่เลือกมีเวลาเปลี่ยนอย่างน้อย 3000 เท่าของคลื่น PWM เพื่อให้แน่ใจว่าคนขับสามารถสลับได้อย่างรวดเร็วเพียงพอสำหรับการทำงานของวงจร จำเป็นต้องมีไดรเวอร์เพื่อให้กระแสไฟมากกว่าที่ Arduino สามารถให้ได้ ไดรเวอร์ได้รับกระแสไฟที่จำเป็นในการใช้งาน IGBT จากแหล่งจ่ายไฟแทนที่จะดึงออกจาก Arduino เพื่อป้องกัน Arduino เพราะการดึงพลังงานมากเกินไปจะทำให้ Arduino ร้อนเกินไปและควันจะออกมาและ Arduino จะถูกทำลาย (ลอง) และทดสอบ)

ไดรเวอร์จะถูกแยกออกจากไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ให้คลื่น PWM โดยใช้ออปโตคัปเปลอร์ ออปโตคัปเปลอร์ได้แยก Arduino ซึ่งเป็นส่วนสำคัญและมีค่าที่สุดในวงจรของคุณอย่างสมบูรณ์

สำหรับมอเตอร์ที่มีพารามิเตอร์ต่างกัน จะต้องเปลี่ยน IGBT เป็นอันที่มีลักษณะคล้ายกับมอเตอร์ ซึ่งจะสามารถรองรับแรงดันย้อนกลับและกระแสสะสมต่อเนื่องที่ต้องการได้

ตัวเก็บประจุ WIMA ใช้ร่วมกับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าในแหล่งจ่ายไฟของมอเตอร์ เก็บประจุเพื่อรักษาเสถียรภาพของแหล่งจ่ายไฟและที่สำคัญที่สุดช่วยขจัดความเหนี่ยวนำจากสายเคเบิลและขั้วต่อในระบบ

ขั้นตอนที่ 2: การสร้างและเลย์เอาต์

โครงร่างของวงจรถูกกำหนดขึ้นเพื่อลดระยะห่างระหว่างส่วนประกอบต่างๆ เพื่อกำจัดการเหนี่ยวนำที่ไม่จำเป็น สิ่งนี้ทำโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวนรอบระหว่างไดรเวอร์ IGBT และ IGBT มีความพยายามในการกำจัดเสียงรบกวนและเสียงเรียกเข้าที่มีความต้านทานสูงซึ่งมีการต่อสายดินระหว่าง Arduino, Optocoupler, Driver และ IGBT

ส่วนประกอบถูกบัดกรีบน Veroboard วิธีง่ายๆ ในการสร้างวงจรคือการวาดส่วนประกอบของแผนภาพวงจรบนเวโรบอร์ดก่อนที่คุณจะเริ่มบัดกรี บัดกรีในบริเวณที่มีอากาศถ่ายเทได้ดี ขูดเส้นทางนำไฟฟ้าของไฟล์เพื่อสร้างช่องว่างระหว่างส่วนประกอบที่ไม่ควรเชื่อมต่อ ใช้แพ็คเกจ DIP เพื่อให้สามารถเปลี่ยนส่วนประกอบได้อย่างง่ายดาย วิธีนี้ช่วยเมื่อส่วนประกอบล้มเหลวไม่ต้องบัดกรีและจำหน่ายชิ้นส่วนทดแทน

ฉันใช้ปลั๊กกล้วย (ซ็อกเก็ตสีดำและสีแดง) เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์จ่ายไฟของฉันกับ veroboard อย่างง่ายดาย ซึ่งคุณสามารถข้ามไปและต่อสายไฟเข้ากับแผงวงจรโดยตรง

ขั้นตอนที่ 3: การเขียนโปรแกรม Arduino

คลื่น pwm ถูกสร้างขึ้นโดยการรวมไลบรารี Arduino PWM (แนบเป็นไฟล์ ZIP) ตัวควบคุม PI คอนโทรลเลอร์แบบรวมสัดส่วนตามสัดส่วน) ใช้เพื่อควบคุมความเร็วของโรเตอร์ อัตราขยายตามสัดส่วนและจำนวนเต็มสามารถคำนวณหรือประมาณการได้จนกว่าจะได้เวลาการตกตะกอนและส่วนเกินที่เพียงพอ

คอนโทรลเลอร์ PI ถูกใช้งานในลูป while() ของ Arduino เครื่องวัดวามเร็วจะวัดความเร็วของโรเตอร์ อินพุตการวัดนี้ไปยัง Arduino ให้เป็นอินพุตอนาล็อกตัวใดตัวหนึ่งโดยใช้ analogRead ข้อผิดพลาดนี้คำนวณโดยการลบความเร็วของโรเตอร์ปัจจุบันออกจากความเร็วของโรเตอร์ที่ตั้งไว้และตั้งค่าเท่ากับข้อผิดพลาด การรวมเวลาทำได้โดยการเพิ่มตัวอย่างครั้งแล้วครั้งเล่าทุก ๆ วงและตั้งค่าให้เท่ากับเวลาและเพิ่มขึ้นทุกครั้งที่วนซ้ำของลูป รอบการทำงานที่ Arduino สามารถส่งออกได้ตั้งแต่ 0 ถึง 255 รอบการทำงานจะถูกคำนวณและส่งออกไปยังพิน PWM เอาต์พุตดิจิตอลที่เลือกด้วย pwmWrite จากไลบรารี PWM

การใช้งานคอนโทรลเลอร์ PI

ข้อผิดพลาดสองครั้ง = อ้างอิง - รอบต่อนาที;

เวลา = เวลา + 20e-6;

double pwm = ค่าเริ่มต้น + kp * ข้อผิดพลาด + ki * เวลา * ข้อผิดพลาด;

การใช้งาน PWM

เซ็นเซอร์คู่ = analogRead (A1);

pwmWrite(3, pwm-255);

รหัสโครงการแบบเต็มสามารถดูได้ในไฟล์ ArduinoCode.rar โค้ดในไฟล์ได้รับการปรับสำหรับไดรเวอร์ที่กลับด้าน ตัวขับกลับด้านมีผลดังต่อไปนี้ในวงจรหน้าที่ซึ่งหมายถึง new_dutycycle = 255 -dutycycle ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้สำหรับไดรเวอร์ที่ไม่กลับด้านโดยการกลับสมการข้างต้น

ขั้นตอนที่ 4: การทดสอบและสรุปผล

ในที่สุด วงจรก็ได้รับการทดสอบและทำการวัดเพื่อตรวจสอบว่าได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการหรือไม่ คอนโทรลเลอร์ถูกตั้งค่าเป็นสองความเร็วที่แตกต่างกันและอัปโหลดไปยัง Arduino แหล่งจ่ายไฟเปิดอยู่ มอเตอร์เร่งความเร็วอย่างรวดเร็วผ่านความเร็วที่ต้องการ จากนั้นจะตกลงที่ความเร็วที่เลือก

เทคนิคการควบคุมมอเตอร์นี้มีประสิทธิภาพมากและใช้ได้กับมอเตอร์กระแสตรงทั้งหมด