Geum.ru

Универсальный электронный модуль управления электродвигателями

Вид материалаДокументы
Подобный материал:

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ

Аннотация.

В практической электронике большое, если не решающее значение для коммерческого успеха имеет серийность электронного компонента. В области силовой электроники применяют электронные модули различного назначения, в частности, для управления электродвигателями – модули различного исполнения для разных типов электродвигателей. Предлагается электронный модуль, включающий в себя 4-х фазный инвертор и микроконтроллер, который обеспечивает управление всеми типами электродвигателей: постоянного тока, переменного тока – синхронных, асинхронных, индукторных, шаговых. Рассматриваются схемы модуля с различными типами электродвигателей.

Самый удобный и предпочтительный электропривод как комплектующий элемент приборных систем это завершенный по исполнению двигатель, т.е. собственно двигатель с устройством управления, возможно, с редуктором, согласованный по напряжению с источником напряжения питания. Такие электродвигатели российской промышленностью не производятся. Есть те или иные собственно двигатели разного исполнения и отдельно -устройства управления: импортные, например, [1,2], отечественные [3] или - собранные по индивидуальному проекту. Исторически машиностроение, в том числе электромашиностроение, развивалось отдельно от электроники. В настоящее время электроника развилась так, что позволяет создавать модульные устройства управления электродвигателями. Имеются отечественные кристаллы транзисторов (ОАО Ангстрем, ВЗПП), микроконтроллеры (ФГУП НИИЭТ, ЗАО ПКК Миландр), драйверы (ФГУП Пульсар), вторичные источники питания (ЗАО Ирбис), устройства памяти (ОАО НИИМЭ и Микрон), а также предприятия, имеющие технологию создания систем в корпусе. В практической электронике большое, если не решающее значение для коммерческого успеха имеет серийность электронного компонента. Предлагается вариант исполнения электронного модуля, пригодный по функциональным возможностям для любого из типов двигателей, применяемых в приборном электроприводе: коллекторных двигателей постоянного тока (ДПТ), 2-х и 3-х фазных асинхронных и синхронных двигатели (АД) и (СД), 2-х фазных индукторных двигателей (ИД) и шаговых двигателей (ШД). Разработка его позволяет создать самое массовое из возможных вариантов изделие для управления электродвигателями, лишенное при этом каких либо функциональных ограничений.

Электрическая схема универсального электронного модуля (ЭМ), с подключенным к нему электродвигателем, приведена на Рис.1. ЭМ представляет собой завершенное устройство, которое, будучи подключенным к источнику питания и к двигателю, обеспечивает регулировку скорости вращения двигателя по аналоговому сигналу Uу или коду Uу. ЭМ состоит из трех основных элементов: инвертора на четырех транзисторных стойках (полумостах) с драйверами, микроконтроллера МК и вторичного источника питания ВИП. Элементы обратных связей – датчики тока ДТ1 и ДТ2, шунт Rш, датчики угла, скорости и положения ротора зависят от типа двигателя и его функционального назначения. Универсальность ЭМ обеспечивается наличием четырех транзисторных полумостов, позволяющих подключать любой из перечисленных выше типов двигателей, и программируемого МК, который, программными средствами реализует преобразования сигнала управления и сигналов обратной связи в сигналы управления инвертора U1,2… U7,8, а также необходимые дополнительные функции – защиту от перегрузки, от перегрева и др. По своим функциональным возможностям такой ЭМ пригоден как для электродвигателей следящих систем (вооружение, прицелы, антенны, рули и т.д.), так и для электродвигателей систем автоматики и жизнеобеспечения (вентиляторы, насосы, механизмы люков, сцепки, запорных устройств, устройств заряжания и т.д.). Различие модулей будет определяться разрядностью МК, напряжением питания и мощностью транзисторов инвертора.




Рис.1.Функциональная схема универсального электронного модуля с электродвигателем


Для спецтехники предлагается разработать два типа ЭМ по напряжению питания - 27 В и 110 В и три - по мощности, табл.1. Для обеспечения динамических режимов (пуск, реверс)

Таблица 1

Напряжение питания, В

Потребляемые номинальные мощность/ток, не более, Вт/А

27
150/5; 500/20; 1500/50

110
150/1,3; 500/4,5; 1500/13,5



ЭМ должны допускать импульсную перегрузку по мощности/току не менее 8-кратной от номинальных значений. ЭМ могут быть использованы как самостоятельные комплектующие ЭРИ, а также как комплектующие для создания модульных конструкций электродвигателей, в которых собственно электродвигатель и его устройство управления представляют собой единый узел.

Практическое устройство универсального ЭМ и схемы его подключения к различным электродвигателям приведены на Рис.2 [4]. Управляемый ЭМ (Фиг.1) содержит последовательно соединенные МК 1, драйвер четырех полумостов 2 и инвертор 3, имеющий выводы 4-14; контроллер имеет пять используемых в устройстве выводов 15-19, число которых в реальных МК больше. Каждый полумост инвертора состоит из последовательно включенных транзисторов: 20-21, 22-23, 24-25 и 26-27, изображенных условно в виде разомкнутого контакта, шунтированного встречно включенным диодом. Транзисторы могут быть любого типа – биполярные, полевые или биполярные с изолированным затвором. Стоки (коллекторы) верхних транзисторов 20, 21 и 24 соединены с положительной шиной источника питания 4, сток транзистора 26 имеет отдельный вывод 5. Выход инвертора – средние точки полумостов имеют выводы 6, 7, 8 и 9. Отрицательная шина источника питания 10 и истоки (эмиттеры) транзисторов 21, 23, 25 и 27 имеют отдельные выводы 14, 13, 12, и 11 соответственно. Верхние транзисторы полумостов 20, 22, 24 и 26 соединены цепями управления 28…31, а нижние 21, 23, 25 и 27 – цепями 32…35 соответственно с выходами драйвера 2. МК 1 восемью цепями 36-43 соединен с соответствующими входами драйвера 2, обеспечивающего по цепям 28-31 и 35-39 соответственно импульсное управление восемью транзисторами 20-27.

Работа модуля заключается в преобразовании аналоговых и цифровых сигналов, поступающих на входы 15-19 МК 1, в импульсные напряжения, снимаемые со средних точек полумостов 6-9 инвертора 3. МК 1 в соответствии с текущими входными сигналами Uу1…Uу5 и заложенной в него программой вырабатывает импульсные и широтно-имппульсные (ШИМ) сигналы U36…U43, которые преобразуются драйвером 2 в сигналы управления 28…35 полумостов, образованных парами транзисторов 20-21, 22-23, 24-25, 26-27 инвертора 3. Алгоритм преобразования сигналов управления каждым из полумостов идентичен, поэтому достаточно показать принцип управления одного полумоста, например, образованного транзисторами 20 и 21, фиг.3, где приведены временные диаграммы напряжений МК– U36, U40, драйвера - U28, , U32 и выходного напряжения инвертора – U6. Наличие программируемого МК в предлагаемом модуле позволяет использовать его для управления разомкнутых и замкнутых обратной связью электроприводов и преобразователей напряжения.

Применение модуля поясняют чертежи, фиг.4-16, на которых показаны схемы включения модуля в различных устройствах и диаграммы напряжений, поясняющие их работу. На фиг.4 приведена схема подключения двухфазных двигателей – асинхронных, синхронных, индукторных и шаговых. МК в соответствии с сигналом управления Uу (код Uу) вырабатывает требуемый закон изменения напряжения на обмотках двигателя или требуемое число импульсов напряжения на обмотках шагового двигателя. Синусоидальное управление двухфазных двигателей (фиг.5) обеспечивается ШИМ напряжения питания, так что огибающие выходных напряжений модуля изменяются по законам Ud = Um sinωt, Uq = Um cosωt, где ω = 2π/Т – круговая частота, Um = tи(max)/Tш – амплитуда огибающих напряжений; tи(max) – максимальное значение ширины импульса tи, изменяющейся по закону синуса, Тш – период ШИМ (Тш<<Т). Значения указанных переменных определяются и задаются МК в соответствии с его программой и входными сигналами. Шаговый режим (фиг.6) создается чередующимся изменением полярности напряжения питания, прикладываемого к обмоткам d и q. Напряжения Ud и Uq изменяются либо по сигналу Uу, поступающему на МК, либо вырабатываются МК в соответствии с заложенной в него программой.

Модуль с четырьмя выходами позволяет подключать и управлять двумя двигателями постоянного тока (фиг.7) либо одним двигателем вдвое большей мощности (фиг.10), где две пары полумостов инвертора 3 (фиг.1) объединяются в одну, образуя мост вдвое большей мощности. В схеме с двумя двигателями управление каждым из них происходит идентично, поэтому достаточно показать работу одного двигателя, например, М1, которую поясняют фиг.8 и 9. Управление модулем и соответственно двигателем осуществляется аналоговым сигналом Uу или цифровым последовательным кодом – «код Uу», поступающим на выводы 19 и 18 МК соответственно, под действием которого происходит ШИМ сигналов МК - U36, U40, U37, U41, драйвера - U28, U32,U29, U33 и выходного напряжения Uя1, прикладываемого к двигателю М1 (фиг.8,9).

На фиг.11 показана схема подключения 3-х фазного двигателя переменного тока, в которой четвертый полумост инвертора 3 используется для регулировки напряжения питания трех других полумостов, образующих инвертор трехфазного двигателя. Регулятор напряжения образован полумостом транзисторов 26, 27 (фиг.1) и LC – цепью, выход которой – Uи подключен к стокам трехфазного инвертора. Напряжение Uи изменяется посредством ШИМ по сигналу Uу (код Uу). На фиг.12 показана диаграмма импульсных напряжений трехфазного двигателя при 120о коммутации, при изменении амплитуды которых Uи в схеме, фиг.11, изменяется скорость двигателя.

На фиг.13 приведена схема подключения к модулю трехфазного СВД с синусоидальным трехфазным датчиком положения ротора (ДПР), обеспечивающая изменение амплитуды трехфазного переменного напряжения Uab, Ubc, Uac (фиг.14), подаваемого на двигатель, пропорционально входному сигналу управления модуля Uу. С изменением напряжения двигателя изменяется частота его вращения и период Т. Четвертый полумост, свободный от управления двигателем, используется здесь для подключения электромагнита или муфты К, обеспечивающей стопорение или торможение двигателя при обесточенном модуле.

Схема, фиг.15, отличается от предыдущей тем, что в ней вместо ДПР элементами обратной связи служат шунты Rш, включенные в цепи истоков транзисторов 21, 23, 25 инвертора 3 (фиг.1). Данная схема, с учетом возможностей обратной связи, реализуемой в контроллере, обеспечивает управление током трехфазного двигателя переменного тока. Данное управление по току (по моменту) может быть применено и во всех предыдущих схемах управления двигателями – двухфазных и трехфазных.

На фиг.16 показано использование модуля в качестве активного выпрямителя или корректора коэффициента мощности. Входным напряжением устройства здесь является трехфазное напряжение Ua, Ub, Uc, подаваемое на его выводы 6, 7 и 8, выходным – напряжение Uп или – регулируемое Uи, снимаемое с выхода LС-фильтра, которое изменяется под действием сигнала управления Uу.

По исполнению и условиям применения в спецтехнике ЭМ должны соответствовать ОСТ В11 1009-2001 «Многокристальные модули, Микросборки. Общие технические условия». Стойкость к ВВФ - по ГОСТ РВ 20.39.414.1, группа 4У. Требования стойкости электронных модулей к воздействию спецфакторов – по ГОСТ РВ 20.39.414.2, группа 2Ус. Удовлетворение этим требованиям обеспечивает возможность межотраслевого применения ЭМ - в наземной, морской, авиационной и космической технике. Для обеспечения указанных требований необходимы дополнительные испытания и разработка некоторых электронных компонентов на соответствие требованиям спецстойкости.

В заключение отметим, что основные ожидаемые результаты от разработки ЭМ следующие: повышение удельных характеристик и надежности (за счет замены рассыпных комплектующих модулем); обеспечение возможности создания модульных конструкций электродвигателей; снижение стоимости электродвигателей и разработки систем с электроприводами; развитие функциональных возможностей электродвигателей, которые мо гут поставляться с запрограммированным МК под характеристики объекта.

Рис.2. Электрическая схема ЭМ (Фиг.1) и схемы его применения (Фиг.4-16)


Литература


1. electrum-av.com, модули управления вентильными двигателями МУВД, МУКД, МУАД.

2. Б. Кричевский. Интеллектуальный мост IR3220 для управления двигателями постоянного тока. Электронные компоненты, №6, 2004.

3. Владимир Башкиров. IRAMSxx – интеллектуальные силовые IGBT – модули для электропривода широкого применения. Новости электроники. 2007, №7, с.14.(прототип)

4. Управляемый электронный модуль. Патент на полезную модель 86813 от 16.04.2009 г.

5. ГОСТ 12139-84. Машины электрические вращающиеся. Ряды номинальных мощностей, напряжений и частоты.

6. ГОСТ РВ 50726.0-94. Машины электрические малой мощности. Электродвигатели постоянного тока бесконтактные.


19 октября 2010 г.


Автор: Ст. науч. сотрудник ФГУП «ВНИИМЭМ», к.т.н. В.В. Кочергин