Двигатели постоянного тока и управление ими с помощью широтно-импульсной модуляции. Часть 2.

Электроника, электрика / Не разобранное - электрика
Alexsandrs
2 456
20-10-2015, 15:29
0

В первой части мы под общим ракурсом рассмотрели, что такое коллекторные двигатели постоянного тока, и как ими управляют с помощью модулированных по широте сигналов. Теперь самое время рассмотреть на довольно простом примере, как все это работает на практике.

Как-то понадобилось мне запустить движок Д21 У3. Это ДПТ средней мощности с независимым возбуждением. Вот его основные электрические параметры:

- номинальная мощность 4,5 кВт

- номинальное напряжение 220 В

- номинальный ток 26 А

- скорость 1030 оборотов в минуту.

В качестве силовых ключей были выбраны MOSFET-транзисторы IRF644, хотя сначала выбор пал на мощные IGBTIRG4PC50 с напряжением 600 В и током 39 А. Но поскольку согласно технологическому процессу не требовалась высокая скорость и работа двигателя под большими токами, то с экономической точки зрения MOSFETтипа IRF644 с напряжением 250 В и током 14 А оказался куда выгоднее (либо четыре штуки IRF644 за 32 рубля, либо столько же IRG4PC50 за 180 рублей, думаю, разница есть). В общем, при выборе оборудования нужно всегда учитывать различные условия тех.процесса, и при разработке критически важных приложений (если в случае аварии могут пострадать люди или дорогостоящее оборудование), следует выбирать элементы с запасом по параметрам, например, IRG4PC50 был бы хорошим выбором, а в случае систем с ограниченным бюджетом можно проанализировать «потолок» требуемых параметров и взять оптимальные с экономической точки зрения вещи. Но даже в этом случае нужно обязательно предусматривать защиты (по превышению напряжения, тока).

{banner_rca-news-1-1}

Для того, чтобы подавать на затворы транзисторов правильное напряжение в правильном порядке необходимы драйверы, на входы которых через опторазвязку будут поступать управляющие импульсы с контроллера. Драйверы IRS21094 и двухканальные оптопары HCPL-2231 оказались вполне подходящими для данной задачки. Схему с их участием можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1 – принципиальная схема системы ШИМ-управления ДПТ

Подробного описания принципа работы здесь заслуживают полумостовые драйверы. Полумостовые они потому, что имеют два канала –HO, управляющий затвором транзистора верхнего плеча и LO, управляющий затвором транзистора нижнего плеча. Зачем нужны вообще драйверы подобного рода? Разве нельзя просто подавать с управляющего устройства на транзисторы нужные импульсы? Для транзистора, что находится внизу, может быть и можно. Но для того, что уютно расположился в верхнем плече, нужно смещение управляющего напряжение на приличное количество вольт. Данный драйвер позволяет довести это напряжение (V_B) до 625 В, «накачав» его через диод. Землей для верхнего плеча здесь будет являться (V_S), относительно которой и будут подаваться управляющие импульсы. Землю же для нижнего плеча будет определять вывод COM.

Со стороны информационной системы драйвер имеет два входа для управляющих сигналов – INи SD. Диаграмма зависимости выходных сигналов от входных приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – пояснение принципа работы драйвера IRS21094

Во-первых, мы видим, что драйвер обеспечивает невозможность одновременной подачи импульсов на HOи LO, и это хорошо, иначе образовалась бы закоротка и, возможно, получился бы небольшой праздничный фейерверк. Теперь о том, как конкретно управляют выходом входы INи SD. SD решает всё – не будет логической «1» на этом контакте, значит не будет ничего и на выводах HOи LO. Если же на SD будет «1», а на INбудет «0», то на нижнее плечо будет подан импульс. Но если INбудет в состоянии «1», то импульс отправится на верхнее плечо. Внимательно проанализировав рисунок, всё станет понятно.

{banner_rca-news-1-2}

В обвязке драйвера также следует упомянуть резистор, подключаемый к выводу DT. Он необходим для установки «мертвого» времени, то есть промежутка, в котором гарантированно не будут подаваться импульсы, что позволит избежать одновременного открытия плечей моста, приводящего транзисторы в скоропостижной смерти. Этот резистор может отсутствовать (закоротка на землю), что гарантирует минимальное «мертвое» время 540 нс, максимальное время 5 мкс обеспечивается при 200 КОм.

Учитывая всё вышесказанное, можно изобразить диаграмму управляющих импульсов по входу и выходу драйверов, из которой будет ясен принцип программирования контроллера и работы устройства в целом.

На диаграмме показаны случаи движения в обоих направлениях с торможением и остановом в каждом случае.

Итак, теперь как это запрограммировать? Ниже будет приведен код, написанный на языке C для МК dsPIC30F6014A и реализующий диаграмму рисунка 3. Из него выкинуто все лишнее, связанное с инициализацией контроллера и прочими вспомогательными элементами. Данный код подойдет практически к любому контроллеру, так как в целях масштабируемости (планировался переход на более простые восьмиразрядники) здесь не используются модули ШИМ, а синтезируются сигналы требуемой ширины «вручную» с помощью прерываний. Это снижает требование к микроконтроллеру, у которого может быть меньше четырех ШИМ-выводов или вовсе их может не быть.

Краткий пересказ алгоритма таков… С панели оператора, системы регулирования или откуда-либо еще поступает сигнал задания, который записывается в переменную Uz_pwm. Чтобы величина задания не превышала определенного максимального уровня, нужно предусмотреть ограничение как для работы в положительной полярности, так и в отрицательной (у меня эти величины 2000 и -2000, соответственно, при этом период таймера равен 0x07FF). Затем поведение программы зависит от того, какой полярности было подано задание, или вообще не подано (т.е. задание в нуле). Рассмотрим случай прихода положительного сигнала задания. С помощью конструкции switch-case «переключаем» переменную Phs_p_pwm1. Изначально она должна равняться 0, и в этом случае для порядка обнуляем «переключалки» других состояний: отрицательного задания Phs_n_pwm1 и задания в нуле Phs_z_pwm1. Здесь же обнуляем рабочий таймер (в данном случае TMR2), разрешаем от него прерывания и включаем его.

{banner_rca-news-1-3}

Выводы драйверов сидят на порту D в такой последовательности: IN1 – нулевой бит, SD1 – первый, IN2 – второй и SD2 – третий бит. Для формирования первого импульса в соответствии с рисунком 3 в порт запишем b1011 (0x0B). Затем присвоим Phs_p_pwm1 значение 1, чтобы дальше перейти на условие, которое присваивает порту b1111 (0x0F) при значении TMR2 больше или равном текущему заданию на ШИМ, что в итоге «закончит» этот импульс. Далее делаем Phs_p_pwm1 = 2 для перехода на следующий этап, который будет находиться в обработчике прерываний. В нем по окончанию счета таймера при заданном периоде в случае, если Phs_p_pwm1==2, на порт выдаемb1011 (0x0B), что начнет новый импульс, и Phs_p_pwm1 приравняем этапу номер 3, который будет уже в основном цикле программы.

В случае Phs_p_pwm1=3 на порт выводим b1010 (0x0A), это гасит очередной импульс, и задаем этап №4 (Phs_p_pwm1 = 4), который снова ищем в обработчике. Здесь мы снова генерируем импульс (PORTD=0x0B) и возвращаемся в основную программу, приравняв Phs_p_pwm1=1 для того, чтобы цикл формирования импульсов начался заново. Алгоритм работы в отрицательной полярности выполняется аналогичным образом с поправкой на выходные значения порта D.

Теперь все описанное изобразим в виде кода. Часть, выполняемая в основном цикле программы:


if (Uz_pwm>2000) Uz_pwm=2000; //верхняя граница положительного диапазона
if (Uz_pwm<-2000) Uz_pwm=-2000; ////верхняя граница отрицательного диапазона
 
if (Uz_pwm>0) //если задание положительно
{
 
switch (Phs_p_pwm1)
{
case 0:
Phs_n_pwm1 = 0;
Phs_z_pwm1 = 0;
 
 TMR2 = 0;
 IEC0 = (IEC0 | 0x0040); //разрешаем прерывание от TMR2
 T2CON = (T2CON | 0x8000); //запуск TMR2
 
 PORTD = 0x0B; //подаем «1» на IN1, SD1, SD2
 
Phs_p_pwm1 = 1;
break;
 
case 1:
if (TMR2>=Uz_pwm) //счетчик TMR2 превысил значение задания
{
 PORTD = 0x0F; // подаем «1» на IN1, SD1, IN2, SD2
Phs_p_pwm1 = 2;
}
 
break;
 
case 3:
if (TMR2>=Uz_pwm) // счетчик TMR2 превысил значение задания
{
 PORTD = 0x0A; // подаем «1» на SD1, SD2
Phs_p_pwm1 = 4;
}
break;
 
 
}
}
 
if (Uz_pwm==0) //если нет задания
{
switch (Phs_z_pwm1)
{
case 0:
Phs_n_pwm1 = 0;
Phs_p_pwm1 = 0;
 PORTD = 0x00;
 T2CON = (T2CON & 0x7FFF); //стоп TMR2
 TMR2 = 0;
 
Phs_z_pwm1=1;
break;
 
}
}
 
if (Uz_pwm<0) //если задание отрицательно
{
 
switch (Phs_n_pwm1)
{
case 0:
Phs_p_pwm1 = 0;
Phs_z_pwm1 = 0;
 
 TMR2 = 0;
 IEC0 = (IEC0 | 0x0040); //разрешаем прерывание от TMR2
 T2CON = (T2CON | 0x8000); //запуск TMR2
 
 PORTD = 0x0E; // подаем «1» на SD1, IN2, SD2
 
Phs_n_pwm1 = 1;
break;
 
case 2:
if (TMR2>=(0-Uz_pwm)) //счетчик TMR2 превысил значение задания
{
 PORTD = 0x0F; // подаем «1» на IN1, SD1, IN2, SD2
Phs_n_pwm1 = 2;
}
 
break;
 
case 3:
if (TMR2>=(0-Uz_pwm)) //счетчик TMR2 превысил значение задания
{
 PORTD = 0x0A; // подаем «1» на SD1, SD2
Phs_n_pwm1 = 4;
}
break;
}
}

Обработчик прерывания по таймеру:


void __attribute__((__interrupt__)) _T2Interrupt(void)
{
 
if (Phs_p_pwm1==2)
{
 PORTD = 0x0B; //подаем «1» на IN1, SD1, SD2
Phs_p_pwm1=3;
 
}
 
if (Phs_p_pwm1==4)
{
 PORTD = 0x0B; //подаем «1» на IN1, SD1, SD2
Phs_p_pwm1=1;
 
}
 
if (Phs_n_pwm1==2)
{
 PORTD = 0x0E; //подаем «1» на IN2, SD1, SD2
Phs_n_pwm1=3;
 
}
 
if (Phs_n_pwm1==4)
{
 PORTD = 0x0E; //подаем «1» на IN2, SD1, SD2
Phs_n_pwm1=1;
 
}
 
 IFS0bits.T2IF = 0; // сброс бита прерывания
}