Управление двигателями постоянного тока

Одним из наиболее применяемых в автоматике типов электродвигателей яв­ляется двигатель постоянного тока (ДПТ), характеризующийся простотой управления, удобством аналитической модели, линейностью характеристик в широком диапазоне условий эксплуатации. Рассмотрим реализацию управле­ния ДПТ, обеспечивающую управление частотой вращения двигателя с воз­можностью смены направления вращения (реверсом).

Достаточно высокая по сравнению с быстродействием управляющего мик­роконтроллера инерционность электродвигателей, в основном определяемая механическими и конструктивными особенностями и составляющая, как пра­вило, десятки (и более) миллисекунд, позволяет использовать для управления не аналоговый сигнал, от амплитуды которого линейно зависит желаемая частота вращения, а широтно-импульсно-модулированный сигнал, в кото­ром для изменения со соответствующим образом изменяется соотношение Тимпульса/Тпаузы. В сущности, изменение этого соотношения (соответственно и мощности, передаваемой на двигатель за период действия ШИМ-сигнала) эквивалентно изменению уровня аналогового напряжения управления (рис.). Сглаживание импульсов ШИМ происходит за счет инерционности объекта управления.

Схемотехническая реализация устройства сопряжения микроконтроллера с ДПТ показана на рис..

ШИМ-сигнал необходимой скважности снимаемся с контакта Р1.1, представ­ляющего собой выход канала блока быстрого ввода-вывода, обсспсчивающего при соответствующей программной настройке формирование ШИМ. Знак, определяющий направление протекания тока через обмотку ДПТ, задается контактом Р3.5 микроконтроллера MCU. На вентилях "НЕ" и "2И" реализо­ван узел, обеспечивающий наложение знака на ШИМ-сигнал, а микросхема КР1128КТЗА предназначена для усиления мощности управляющих сигналов. Временные диаграммы работы узла показаны на рис.

Рис Сигналы ШИМ-управления

Рис. Временные диаграммы работы устройства сопряжения с ДТП

Микросхема КР1128КТЗА идентична по цоколевке и параметрам микросхеме КР1128КТ4, но, в отличие от нее, коммутирует большие токи (до 1 А постоянного тока на фазу) и требует при подключении индуктивной нагрузки применения внешних диодов, что и вы­полнено в примере.

Отметим, что возможен вариант аппаратной реализации, в котором для управления используются не один, а два канала ШИМ, при этом операции наложения знака на ШИМ-сигнал выполняются программно: на одном канале осуществляется генерация ШИМ, на другом такая генерация блокируется (формируется логический ноль). Такая организация позволяет исключить из схемы вентили "НЕ" и "2И", однако расходует важный ресурс МК— каналы ШИМ. Степень оптимальности вариантов решений должна определяться в каждом случае применения индивидуально.

Положим, что переменная управления, формируемая извне (например, под­программой-регулятором), определена в следующем формате: младшие 7 бит переменной управления кодируют интенсивность ШИМ-сигнала, а стар­ший - его знак.

Поскольку ограничение сверху на частоту ШИМ-сигнала не накладывается (имеется лишь ограничение снизу: важно, чтобы она была на порядок выше собственный частоты объекта управления), выберем частоту максимальной из удобных. Для этого проинициализируем регистр перезагрузки таймера ко­дом FF80h. Таким образом, для корректной отработки ШИМ-сигналов ре­гистр данных канала должен содержать значения в диапазоне FF80h—FFFFh, т. е., управление скважностью производится значениями младшими семью битами младшего байта регистра данных (и только ими). Удобство реализа­ции очевидно — отделив из кода управления знаковый разряд и передав его на разряд Р3.5, оставшиеся 7 бит (кодируют диапазон 00-—7Fh) необходимо добавить к коду 80h (минимальное значение младшего байта регистра каната) и занести результирующее значение в младший байт регистра данных канала.

Управление вентильными двигателя

Вентильные двигатели (ВД)— иное название "бесконтактные" — принципиально отличаются от последних отсутствием механического уст­ройства распределения токов по частям обмоток ротора (коллектора): ее роль выполняют транзисторные ключи соотвегстующей мощности, пере­ ключающиеся по командам устройства управления, определяющего текущее положение ротора. Достоинства данного решения очевидны: увеличиваются надежность и долговечность работы двигателя за счет уменьшения количест­ва трущихся деталей, снижаются взрыво- и пожароопасность за счет отсутст­вия искрения при коммутации (в ДПТ больших мощностей искрение на щет­ках весьма велико, что исключает их применение в атмосфере, насыщенной кислородом, водородом и другими взрывоопасными газами и парами без громоздких приспособлений, снижающих риск взрыва).

Рассмотрим вариант построения системы управления ВД с ротором в виде восьмиполюсного постоянного магнита, оборудованного фотоэлектрическим датчиком положения (рис). Обмотки А, В, С расположены на статоре со сдвигом на 30°. Выходной код, считываемый с датчика положения ротора, однозначно определяет для внешнего наблюдателя номер текущей фазы — положения ротора ВД.

Для формирования магнитного поля, обеспечивающего вращение ВД, сигна­лы датчиков k, l, m в парафазном виде поступают на коммутатор, состоящий из шести транзисторных ключей. Каждый цикл работы коммутатора обеспе­чивает поворот ротора на 90° и состоит из шести фаз, в каждую из которых включены два параллельных и один последовательный ключ. Временные диаграммы работы ключей и результирующие фазные напряжения обмоток показаны на рис..

Крыльчатка датчика положения ротора

Фаза	k I m
б

Прототип схемотехнической реализации устройства сопряжения с ВД пока­зан на рис.. В качестве усилителя используется аналог коммутатора микросхема L298N, обладающая более высокими порогами переключения по входным сигналам, что позволяет использовать сигналы, непосредственно сформированные выходами оптопар фотоэлектрического датчика.

Коммутация производится так, чтобы угол между потоками якоря и возбуж­дения составлял 15°. В результате взаимодействия этих потоков создается вращающим момент, стремящийся развернуть ротор в согласованное поло­жение, но при повороте ротора коммутатор по сигналам с фотоэлементов вы­полняет переключение обмоток, и поток якоря поворачивается на следующий шаг Изменением амплитуды питания обеспечивается различная скорость движения ротора к очередному согласованному положению. Таким образом, используя широтную модуляцию, можно управлять частотой вращения двигателя. Схе­ма программы-драйвера и ее текст аналогичны рассмотренным для двигателя постоянного тока; отличие заключается лишь в отсутствии задания и анализа направления вращения, т. к. этот параметр системы в данной схеме задан аппаратно и не изменяется.

Дата добавления: 2014-12-10