Микроконтроллерная система управления асинхронным трехфазным двигателем

В настоящее время практически 60% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется электродвигателями. Поэтому достаточно остро стоит задача экономии электроэнергии и уменьшения стоимости электродвигателей.

Трехфазные асинхронные двигатели считаются достаточно универсальными и наиболее дешевыми, но подключать их к однофазной сети и управлять частотой вращения достаточно сложно.

Рис. 1. Числоимпульсный метод управления асинхронным двигателем с частотой модуляции 10 кГц.

Заманчива перспектива увеличения номинальной частоты вращения двигателя в двое и более раз или использование малогабаритных двигателей, рассчитанных на частоту питающей сети 400. 1000 Гц и имеющихменьшую массу и стоимость. В данной радиолюбительской конструкции предпринята попытка решения проблемы.

Предлагаемая система управления работает от однофазной сети 220 В и позволяет плавно менять обороты двигателя и отображать частоту инвертора на двухразрядном цифровом индикаторе.

Дискретность изменения частоты инвертора составляет 1 Гц и регулируется в пределах от 1 до 99 Гц. В предлагаемой схеме используется числоимпульсный метод управления асинхронным двигателем с частотой модуляции 10 кГц (рис.1), позволяющий получать синусоидальный ток на обмотках двигателя.

Существует более перспективный, широтно-импульсный метод (ШИМ, PWM — англ.), использующий управление с обратными связями и без них, с частотами модуляции от 3 до 20 кГц и всевозможные методы коммутации, позволяющие увеличить выходное напряжение инвертора на 15.27% по сравнению с питающей сетью, т.е. до 354.390 В.

Принципиальная схема

Схема, показанная на рис.2, состоит из: управляющего устройства D2 (применен микроконтроллер PIC16F628-20/P, работающий на частоте 20 МГц), кнопок управления «Пуск» (SA1), «Стоп» (SA2), кнопок увеличения и уменьшения частоты SA3 и SA4 соответственно, двоично-семисегментного дешифратора D1, светодиодных матриц HG1 и HG2, узла торможения VT9, VT10, K1.

В силовой цепи используется трехфазный мостовой драйвер D4 IR2130 фирмы International Rectifier, имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления.

Рис. 2. Принципиальная схема микроконтроллерного управления асинхронным трехфазным двигателем.

Рис. 2. Принципиальная схема микроконтроллерного управления асинхронным трехфазным двигателем (продолжение).

Данная микросхема имеет систему защиты по току, которая в случае перегрузки выключает все ключи, а также предотвращает одновременное открывание верхних и нижних транзисторов, тем самым предотвращает протекание сквозных токов. Для сброса защиты необходимо установить все единицы на входах HNx, LNx. В качестве силовых ключей применены МОП-транзисторы IRF740.

Цепь перегрузки состоит из датчика тока R10, делителя напряжения R7R9, позволяющего точно установить ток срабатывания защиты, и интегрирующей цепочки R6C3, которая предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций. Напряжение срабатывания защиты составляет 0,5 В по входу ITRP (D4).

После срабатывания защиты на выходе FAULT (открытый коллектор) появляется лог.»0″, зажигается светодиод HL1 и закрываются все силовые ключи.

Для более быстрой разрядки емкостей затворов силовых транзисторов можно установить параллельно резисторам, включенным в цепь затвора, диоды в обратном направлении. Двигатель необходимо включить по схеме звезды.

Источник питания состоит из мощных диодов VD11-VD14, токоограничительного резистора R20, фильтрующей емкости C10, емкости C11, предотвращающей всплески, которые возникают при коммутациях на паразитных индуктивностях схемы, а также маломощного трансформатора T1, стабилизатора напряжения 15 В D5 для питания схемы драйвера, стабилизатора напряжения 5 В D3 для питания микроконтроллера и схемы индикации.

При использовании более мощного двигателя вместо транзисторов IRF740 можно использовать IGBT-транзисторы типов IRGBC20KD2-S, IRGBC30KD2-S, при этом диоды VD7-VD10, VD15, VD16 следует выпаять. Конденсатор C11 типа К78-2 на напряжение 600. 1000 В. Вместо VD1-VD6 желательно применить сверхбыстрые диоды типа 10DF6, а емкости С15-С17 уменьшить до 2,2. 4,7 мкФ, которые должны быть рассчитаны на напряжение 50 В. Трансформатор T1 мощностью 0,5.2 Вт от калькулятора с перемотанной вторичной обмоткой. Обмотка намотана проводом 00,2 и должна выдавать 19.20 В.

Печатная плата и прошивка МК

Печатная плата (рис.3) выполнена из одностороннего стеклотекстолита, для того чтобы можно было воспользоваться утюго-лазерной технологией изготовления. Светодиод HL1, матрицы HG1, HG2, кнопки SA1-SA4 установлены со стороны дорожек.

Рис. 3. Печатная плата.

HEX-формат программы приведен в таблице. В момент записи в нулевую ячейку ОЗУ необходимо поместить шестнадцатеричное число от 1 до 63, начальная частота инвертора.

Коды для прошивки в текстовом формате: Скачать

Программа выполнена таким образом, что двигатель стартует с плавным набором скорости от 0 до установленной частоты примерно за 2 с (эта константа находится в ячейках 0207 и 0158 таблицы). Если нужно увеличить скорость нарастания в два раза, то вместо кодов 3005 необходимо записать 300A.

С.М. Абрамов, г. Оренбург, Россия. Электрик-2004-08.

1. Козаченко В. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам//СЫр№ш -1999. — №1.
2. Обухов Д, Стенин С., Струнин Д, Фрадкин А. — Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC16C62 и драйвере IR2131//ChipNews. — 1999. -№6.

Регулятор оборотов коллекторного микроэлектродвигателя для РУ модели

Желание собрать радиоуправление у меня созрело достаточно давно. Но дальше поиска схем, с последующим пониманием, что прошивку автор не даст, дело не продвинулось. В итоге, затея была похоронена в стадии развития. Но недавно мне на глаза попались модули, именуемые NRF24L01+ (стоит 0.6$ на Ali), и уже позабытое желание собрать радиоуправление загорелось с новой силой.

В конечном счете, была разработана схема радиоуправления, а так же несколько сопутствующих устройств. Об одном из них и пойдет речь в данной статье. К слову, в следующих статьях будет описано само радиоуправление, а так же зарядное устройство для li-ion аккумуляторов.

Регулятор оборотов двигателя — это название слышал любой моделист, а в особенности те, кто собирал авиа- и судомодели. Это устройство незаменимо, так как оно обеспечивает плавное управление скорость двигателя.

Существует множество вариантов исполнения таких регуляторов: на микроконтроллерах, на жесткой логике и даже на дискретных компонентах. После просмотра уже готовых схем, я понял что придется делать что-то свое — на логике собирать не хотелось, на дискретных компонентах выходило уж очень громоздко. Найденные схемы на микроконтроллерах были в общем-то неплохими, да вот только вариант собирать то, принцип действия чего я не смогу объяснить, меня не привлекал (а прошивку авторы выкладывать не спешили).

После всего этого и была разработана и собрана схема.

Итак, краткие характеристики (при номиналах деталей, указанных на схеме):

• Диапазон питающих напряжений: 7 . 35В
• Максимальный ток: 3А
• Длительность управляющего импульса: 1 . 2мс
• Рекомендованный период импульсов: 20мс

Силовая часть представляет собой Н-мост с дополнительными маломощными управляющими транзисторами. Управление оборотами двигателя производится ШИМ сигналом, генерируемым МК. Скважность ШИМ зависит от длительности импульса, поступающего на вход устройства.

Обработку сигналов и управление транзисторами в этой схеме выполняет микроконтроллер ATtiny2313. Этот выбор ничем не обусловлен, кроме того, что он у меня валялся под рукой на момент проектировки устройства. Изначально, в схеме планировалось использование полевых транзисторов, но позже я от них отказался в пользу более доступных советских биполярников (которых практически у каждого целый ящик). Конечно, это наложило свой отпечаток на параметры: максимальный ток значительно снизился, как и цена девайса.

Как уже упоминалось, напряжение питания устройства может варьироваться от 6 до 30 вольт. Это обусловлено границами напряжения, которое может выдержать интегральный стабилизатор LM7805, а так же двигатель (на него подается напряжение, отличное от питающего примерно на 1 вольт).

Максимальный ток зависит от применяемых транзисторов. В моем варианте — это КТ816/817, максимальный ток коллектора которых равен трем амперам.

В качестве маломощных управляющих транзисторов использованы распространенные КТ315.

Для более точного измерения длительности управляющего (серво) импульса был применен кварцевый резонатор на частоту 8МГц.

Диоды D1 — D4 желательно монтировать. Будет работать и без них, но вопрос в том, как долго.

Печатная плата устройства выполнена на одностороннем фольгированном материале (стеклотекстолит, гетинакс). Дорожки выделенные красным — перемычки с лицевой стороны. В моем варианте транзисторы монтируются вне платы на радиаторе.

Печатная плата устройства (синие проводники — обратная сторона):

Принцип работы

При получении импульса, запускается 16 битный таймер, который останавливается по спаду импульса. Таймер настроен таким образом, что каждый его такт — это 1мкс, что позволяет упростить вычисления. После определения длительности импульса происходит сравнение с заданной величиной. Результат записывается в регистр OCR1A/B в зависимости от положения джампера и длительности импульса.

Исходный код приведен ниже. Так же его можно взять в приложении к статье.

В наладке устройство не нуждается, и должно работать сразу после правильной сборки и прошивки микроконтроллера. С последним будьте осторожны — не отключите ненароком бит RSTDISBL. Это может стоить вам нового микроконтроллера (если у вас конечно нет параллельного программатора).

Транзисторы КТ315 можно заменить любыми маломощными кремниевыми транзисторами структуры n-p-n. КТ816/817 — аналогичными по параметрам (или более мощными). К примеру, КТ818/819 и т.д. Резисторы можно заменить на аналогичные по мощности с допуском 20-30% от номинального сопротивления. Линейный стабилизатор LM7805 можно заменить на отечественный аналог КРЕН5А, а так же применить импульсный стабилизатор, но придется переработать печатную плату.

Фото , а так же видео работы устройства можно увидеть ниже.

Извиняюсь за не очень презентабельный вид платы — изначально это был тестовый вариант «на первое время». Но так как устройство с первого раза заработало так как от него требовалось, то «временный вариант» перерос в постоянный.

Регулятор оборотов с обратной связью для коллекторных двигателей переменного тока

Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью.

С помощью таходатчика

На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена ка­тушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обес­печивает максимально точную стабилизацию оборотов дви­гателя при изменении нагрузки.

На основе измерения падения напряжения на электро­двигателе

В этом случае измеряется падение напряжения на дви­гателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно наст­роен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.

Все промышленные регуляторы, собранные на микро­контроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в ито­ге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от сто­имости самого электроинструмента.

В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на ми­кросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если исполь­зовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тог­да все наоборот.

Так как ИMC U2008B не может одновременно работать в режиме плавного пуска и обратной связи, она не подходит для нашей задачи. На рис.2 пока­зана схема регулятора на микросхеме U2010B, у которой есть обратная связь по току, защи­та от перегрузки и плавный старт одновре­менно. Светодиод D2 индицирует перегрузку электродвигателя. Переключатель SA1 «Mode» обеспечивает возможность выбора действий при перегрузке на двигателе в трех режимах: Положение А — индикация перегрузки и по­следующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.

Положение В — индикация перегрузки, по­следующий сброс на минимальные обороты, по­сле снятие нагрузки с инструмента, восста­навливаются установленные обороты, т.е. про­исходит авто старт.

Положение С — только индикация перегруз­ки, без остановки двигателя и защиты.

Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плав­ность пуска двигателя.

Настройка регулятора.

В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, ка­ким именно должен быть этот резистор.

Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощнос­ти двигателя по формуле:

где:
U_R6 — напряжение на R6 (250 мВ),
Р_двиг — мощность двигателя,
U_ПИТ — напряжение питания сети.

Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитыва­ем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.

Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощ­ности электродвигателя, приведены в таблице.

R11 Мощность, Вт	R6*, Ом	Нихром, D 1 мм	Нихром, D 0,8 мм	R11*, кОм
250	0,22	30	19	180-270
300	0,18	27	17	180-220
550	0,1	25	16	180
700	0,08	20	14	160
850	0,07	17	11	150
1000	0,055	15	10	100-120
1200	0,047	13	9	90-110
1500	0,04	12	8	80-100
1800	0,03	10	7	70-100
2000	0,028	8	6	65-90
2200	0,025	7	5	65-90

Главное правильно подбирать резистор R6 под мощность двигателя. Выше представленная формула правильная, но на практике может потребоваться некоторая коррекция по по­ведению двигателя под нагрузкой. Если резистор великоват, то двигатель довольно резко стартует (т.е. происходит боль­шая компенсация нагрузки, чем надо), а потом отключается, а если резистор будет мал, то не будет обеспечиваться ком­пенсация нагрузки.

В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдава­лось несколько импульсов управления. В итоге, обороты эле­ктродвигателя практически не регулировались и двигатель ра­ботал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нуж­но ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.

Первый пуск

Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону ре­зистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенса­ция нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить са­мые минимальные обороты двигателя.

Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель на­чинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на элек­тродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная за­висимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска.

Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном изме­рения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, что­бы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборота­ми, независимо от нагрузки.

И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм вы­паиваем и вместо него ставим подстроенный или перемен­ный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем из­мерьте сопротивление переменного резистора тестером и за­паяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11,

Детали регулятора

Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае с бесплатной до­ставкой на Украину, а далее посылка бесплатно отправляется через «Укрпочту» в любое почтовое отделение на тер­ритории Украины. Доставка на Украину производится на про­тяжении 25-40 дней. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.

Печатная плата устройства изготовлена из односторонне­го фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.

Симистор VS1 лучше использовать с изолированной пло­щадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощнос­ти двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на ра­диатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запа­ять обычным паяльником с тонким жалом.

Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой ма­логабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденса­торы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполне­нии. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегруз­ки, тогда вместо него можно установить перемычку.

Литература:

1. Бирюков С. Автомат плавного пуска коллекторных эле­ктродвигателей. // Радио. — 1997. — №7. — С.40-42.

Печатная плата для схемы показанной на рисунке 2:

Автор: Валентин Шипляк, г. Ужгород