DC Motor Speed Drive: 4 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Denne instruksen vil utdype design, simulering, bygging og testing av en brytermodus dc til dc -omformer og kontrollsystemkontroller for en likestrømsmotor. Denne omformeren vil da bli brukt til digital kontroll for en shunt likestrømsmotor med belastning. Kretsen vil bli utviklet og testet i forskjellige faser.

Den første fasen vil være å bygge en omformer for drift på 40V. Dette er gjort for å sikre at det ikke er noen parasittisk induktans fra ledninger og andre kretskomponenter som kan skade driveren ved høye spenninger. I det andre trinnet vil omformeren drive motoren på 400 V med maksimal belastning. Det siste trinnet er å kontrollere hastigheten til motoren med en variabel belastning med arduinoen som styrer en pwm -bølge for å justere spenningen.

Komponenter er ikke alltid billige, og derfor ble det forsøkt å bygge systemet så billig som mulig. Sluttresultatet av denne praktikken vil være å bygge en DC-DC-omformer og en kontrollsystemkontroller for å kontrollere motorens turtall innen 1% ved et settpunkt i steady state og å sette hastigheten innen 2s med en variabel belastning.

Trinn 1: Valg av komponenter og spesifikasjoner

Motoren jeg hadde tilgjengelig hadde følgende spesifikasjoner.

Motorspesifikasjoner: Armatur: 380 Vdc, 3,6 A

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

Nominell hastighet: 1500 r/min

Effekt: ≈ 1,1 kW

DC motor strømforsyning = 380V

Optokobler og driver strømforsyning = 21V

Dette vil antyde at maksimal strøm- og spenningsvurdering for komponenter som er koblet til eller styrer motoren vil ha høyere eller tilsvarende karakter.

Frihjulsdioden, merket som D1 i kretsdiagrammet, brukes til å gi motsatt emf til motoren en strømningsbane som forhindrer at strømmen reverserer og skader komponenter når strømmen slås av og motoren fortsatt snur (generatormodus Det er vurdert for en maksimal revers spenning på 600V og en maksimal fremover likestrøm på 15 A. Derfor kan det antas at svinghjulsdioden vil kunne fungere på et tilstrekkelig spennings- og strømnivå for denne oppgaven.

IGBT brukes til å bytte strøm til motoren ved å motta et 5V pwm -signal fra Arduino gjennom optokobleren og IGBT -driveren for å bytte den veldig store 380V motorforsyningsspenningen. IGBT som brukes har en maksimal kontinuerlig kollektorstrøm på 4,5A ved en kryssstemperatur på 100 ° C. Maksimal kollektoremitterspenning er 600V. Derfor kan det antas at svinghjulsdioden vil kunne operere på et tilstrekkelig spennings- og strømnivå for det praktiske. Det er viktig å legge til en kjøleribbe til IGBT, helst en stor. Hvis IGBT -er ikke er tilgjengelige, kan en MOSFET med rask bytte brukes.

IGBT har en grense terskelspenning på mellom 3,75 V og 5,75 V, og en driver er nødvendig for å levere denne spenningen. Frekvensen som kretsen skal drives med er 10 kHz, og derfor må koblingstidene til IGBT være ordrer raskere enn 100 us, tiden for en fullbølge. Byttetiden for IGBT er 15ns, noe som er tilstrekkelig.

TC4421 -driveren som ble valgt har byttetider på minst 3000 ganger PWM -bølgen. Dette sikrer at sjåføren er i stand til å bytte raskt nok for kretsoperasjonen. Sjåføren er nødvendig for å gi mer strøm enn Arduino kan gi. Sjåføren får den nødvendige strømmen for å betjene IGBT fra strømforsyningen i stedet for å trekke den fra Arduino. Dette er for å beskytte Arduino fordi å trekke for mye strøm vil overopphetes Arduino og røyk vil komme ut og Arduino vil bli ødelagt (prøvd og testet).

Driveren vil bli isolert fra mikrokontrolleren som gir PWM -bølgen ved å bruke en optokobler. Optokobleren isolerte Arduino fullstendig, som er den viktigste og mest verdifulle delen av kretsen din.

For motorer med forskjellige parametere trenger bare IGBT endres til en med lignende egenskaper som motoren som vil kunne håndtere omvendt spenning og kontinuerlig kollektorstrøm som trengs.

En WIMA -kondensator brukes sammen med en elektrolytisk kondensator på tvers av motorens strømforsyning. Dette lagrer en kostnad for å stabilisere strømforsyningen, og viktigst av alt hjelper med å eliminere induktansene fra kablene og kontaktene i systemet

Trinn 2: Bygging og layout

Kretsoppsettet ble angitt for å minimere avstanden mellom komponenter for å eliminere unødvendige induktanser. Dette ble gjort spesielt i løkken mellom IGBT -driveren og IGBT. Det ble gjort et forsøk på å eliminere støy og ringing med store motstander som ble jordet mellom Arduino, Optocoupler, Driver og IGBT.

Komponentene er loddet på et Veroboard. En enkel måte å bygge kretsen på er å tegne komponentene i kretsdiagrammet på veroboardet før du begynner lodding. Loddetinn i et godt ventilert område. Scrath den ledende banen med en fil for å skape et gap mellom komponenter som ikke skal kobles til. Bruk DIP -pakker, slik at komponenter enkelt kan byttes ut. Dette hjelper når komponentene ikke trenger å lodde dem og løse opp reservedelen.

Jeg brukte bananplugger (svarte og røde stikkontakter) for å enkelt koble strømforsyningene til verobordet, dette kan hoppes over og ledningene loddes direkte på kretskortet.

Trinn 3: Programmering av Arduino

Pwm -bølgen genereres ved å inkludere Arduino PWM -biblioteket (vedlagt som en ZIP -fil). En proporsjonal integrert kontroller PI -kontroller) brukes til å kontrollere rotorens hastighet. Den proporsjonale og integrerte forsterkningen kan beregnes eller estimeres inntil tilstrekkelig avregningstid og overskridelser er oppnådd.

PI -kontrolleren er implementert i Arduino's while () loop. Turtelleren måler rotorens hastighet. Denne måleinngangen til arduinoen til en av de analoge inngangene ved hjelp av analogRead. Feilen beregnes ved å trekke den nåværende rotorhastigheten fra rotorhastigheten for settpunktet og settes som feil. Tidsintegrasjonen ble utført ved å legge til prøve tid for gang hver sløyfe og sette den lik tiden og dermed øke med hver iterasjon av løkken. Driftssyklusen som arduinoen kan sende ut varierer fra 0 til 255. Driftssyklusen beregnes og sendes ut til den valgte digitale PWM -pinnen med pwmWrite fra PWM -biblioteket.

Implementering av PI -kontroller

dobbel feil = ref - rpm;

Tid = Tid + 20e-6;

dobbel pwm = initial + kp * feil + ki * Tid * feil;

Implementering av PWM

dobbel sensor = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Den fulle prosjektkoden kan sees i filen ArduinoCode.rar. Koden i filen ble justert for en inverterende driver. Den inverterende sjåføren hadde følgende effekt på kretsens syklus som betyr new_dutycycle = 255 -dutycycle. Dette kan endres for ikke -inverterende drivere ved å reversere ligningen ovenfor.

Trinn 4: Testing og konklusjon

Kretsen ble til slutt testet og målinger ble tatt for å avgjøre om ønsket resultat er oppnådd. Kontrolleren ble satt til to forskjellige hastigheter og lastet opp til arduinoen. Strømforsyningene slått på. Motoren akselererer raskt forbi ønsket hastighet og legger seg deretter til den valgte hastigheten.

Denne teknikken for å kontrollere en motor er veldig effektiv og vil fungere på alle likestrømsmotorer.