DC -motorhastighedsdrev: 4 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Denne instruktør vil uddybe design, simulering, opbygning og test af en switch mode dc til dc converter og kontrolsystem controller til en DC motor. Denne konverter vil derefter blive brugt til digital styring af en shunt DC -motor med en belastning. Kredsløbet vil blive udviklet og testet i forskellige faser.

Den første fase vil være at bygge en konverter til drift ved 40V. Dette gøres for at sikre, at de ikke er en parasitisk induktans fra ledninger og andre kredsløbskomponenter, der kan beskadige føreren ved høje spændinger. I det andet trin vil konverteren drive motoren ved 400 V med en maksimal belastning. Det sidste trin er at styre motorens hastighed med en variabel belastning med arduinoen, der styrer en pwm -bølge for at justere spændingen.

Komponenter er ikke altid billige, og der blev derfor forsøgt at bygge systemet så billigt som muligt. Slutresultatet af denne praktik vil være at bygge en dc-dc-omformer og en kontrolsystemcontroller til at styre motorens hastighed inden for 1% ved et setpunkt i steady state og at indstille hastigheden inden for 2s med en variabel belastning.

Trin 1: Valg af komponenter og specifikationer

Motoren, jeg havde til rådighed, havde følgende specifikationer.

Motorspecifikationer: Anker: 380 Vdc, 3,6 A

Excitation (Shunt): 380 Vdc, 0,23 A

Nominel hastighed: 1500 r/min

Effekt: ≈ 1,1 kW

DC motor strømforsyning = 380V

Optokobler og driver strømforsyning = 21V

Dette ville indebære, at den maksimale strøm- og spændingsværdi for komponenter, der er forbundet til eller styrer motoren, ville have højere eller tilsvarende værdier.

Frihjulsdioden, mærket som D1 i kredsløbsdiagrammet, bruges til at give motorens omvendte emf en strømningsvej, der forhindrer strømmen i at vende og beskadige komponenter, når strømmen slukkes, og motoren stadig drejer (generator-tilstand Det er klassificeret til en maksimal omvendt spænding på 600V og en maksimal fremadgående DC -strøm på 15 A. Derfor kan det antages, at svinghjulsdioden vil kunne fungere på et tilstrækkeligt spændings- og strømniveau til denne opgave.

IGBT bruges til at skifte strøm til motoren ved at modtage et 5V pwm -signal fra Arduino gennem optokobleren og IGBT -driveren til at skifte den meget store 380V motorforsyningsspænding. Den anvendte IGBT har en maksimal kontinuerlig kollektorstrøm på 4,5A ved en krydsetemperatur på 100 ° C. Den maksimale kollektoremitterspænding er 600V. Derfor kan det antages, at svinghjulsdioden vil være i stand til at fungere på et tilstrækkeligt spændings- og strømniveau til det praktiske. Det er vigtigt at tilføje en kølelegeme til IGBT helst en stor. Hvis IGBT'er ikke er tilgængelige, kan en hurtigt skiftende MOSFET bruges.

IGBT har en gate -tærskelspænding på mellem 3,75 V og 5,75 V, og en driver er nødvendig for at levere denne spænding. Frekvensen, hvormed kredsløbet skal drives, er 10 kHz, og derfor skal IGBT's omskiftningstider være ordrer hurtigere end 100 us, tiden for en fuld bølge. Skiftetiden for IGBT er 15ns, hvilket er tilstrækkeligt.

TC4421 -driveren, der blev valgt, har skiftetider på mindst 3000 gange PWM -bølgen. Dette sikrer, at føreren er i stand til at skifte hurtigt nok til kredsløbets drift. Chaufføren er nødvendig for at levere mere strøm, end Arduino kan give. Chaufføren opnår den nødvendige strøm for at betjene IGBT'en fra strømforsyningen frem for at trække den fra Arduino. Dette er for at beskytte Arduino, fordi trækning til meget strøm vil overophedes Arduino og røg vil komme ud og Arduino vil blive ødelagt (prøvet og testet).

Driveren vil blive isoleret fra mikrokontrolleren, der leverer PWM -bølgen ved hjælp af en optokobler. Optokobleren isolerede Arduinoen fuldstændigt, som er den vigtigste og mest værdifulde del af dit kredsløb.

For motorer med forskellige parametre skal kun IGBT ændres til en med lignende egenskaber som motoren, der vil kunne håndtere den nødvendige omvendte spænding og kontinuerlige kollektorstrøm.

En WIMA -kondensator bruges sammen med en elektrolytisk kondensator på tværs af motorens strømforsyning. Dette gemmer en afgift for at stabilisere strømforsyningen og vigtigst af alt hjælper med at eliminere induktanserne fra kablerne og stikene i systemet

Trin 2: Bygning og layout

Kredsløbets layout blev fastsat for at minimere afstanden mellem komponenter for at eliminere unødvendige induktanser. Dette blev gjort især i sløjfen mellem IGBT -driveren og IGBT. Der blev gjort et forsøg på at eliminere støj og ringen med store modstande, der blev jordet mellem Arduino, Optocoupler, Driver og IGBT.

Komponenterne loddes på en Veroboard. En let måde at bygge kredsløbet på er at tegne komponenterne i kredsløbsdiagrammet på veroboardet, før du begynder at lodde. Lodde i et godt ventileret område. Skrab den ledende sti med en fil for at skabe et hul mellem komponenter, der ikke skal forbindes. Brug DIP -pakker, så komponenter let kan udskiftes. Dette hjælper, når komponenter undlader at blive nødt til at lodde dem og løse udskiftningsdelen.

Jeg brugte bananstik (sorte og røde stik) til let at tilslutte mine strømforsyninger til verobordet, dette kan springes over og ledningerne loddes direkte på kredsløbskortet.

Trin 3: Programmering af Arduino

Pwm -bølgen genereres ved at inkludere Arduino PWM -biblioteket (vedhæftet som en ZIP -fil). En proportional integreret controller PI -controller) bruges til at styre rotorens hastighed. Den proportionelle og integrerede forstærkning kan beregnes eller estimeres, indtil der opnås tilstrækkelige afregningstider og overskridelser.

PI -controlleren er implementeret i Arduino's while () loop. Omdrejningstælleren måler rotorens hastighed. Denne måleindgang til arduinoen i en af de analoge indgange ved hjælp af analogRead. Fejlen beregnes ved at trække den aktuelle rotorhastighed fra setpunktrotorhastigheden og sættes til fejl. Tidsintegrationen blev udført ved at tilføje prøve tid til anden hver loop og sætte den lig med tiden og dermed øge med hver iteration af sløjfen. Driftscyklussen, som arduinoen kan udsende, spænder fra 0 til 255. Driftscyklussen beregnes og sendes til den valgte digitale output PWM -pin med pwmWrite fra PWM -bibliotek.

Implementering af PI -controller

dobbelt fejl = ref - rpm;

Tid = Tid + 20e-6;

dobbelt pwm = initial + kp * fejl + ki * Tid * fejl;

Implementering af PWM

dobbelt sensor = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Den fulde projektkode kan ses i filen ArduinoCode.rar. Koden i filen blev justeret til en inverterende driver. Den omvendte chauffør havde følgende effekt på kredsløbets driftscyklus, hvilket betyder new_dutycycle = 255 -dutycycle. Dette kan ændres for ikke -inverterende drivere ved at vende ovenstående ligning.

Trin 4: Test og konklusion

Kredsløbet blev endelig testet, og der blev foretaget målinger for at afgøre, om det ønskede resultat er opnået. Controlleren blev indstillet til to forskellige hastigheder og uploadet til arduinoen. Strømforsyningerne er tændt. Motoren accelererer hurtigt forbi den ønskede hastighed og sætter sig derefter ved den valgte hastighed.

Denne teknik til styring af en motor er meget effektiv og vil fungere på alle jævnstrømsmotorer.