Электропривод – просто, как «Раз, два, три». Часть 3. Модули управления вентильными электродвигателями без датчиков положения ротора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 3'2005

Привод - просто, как «раз, два, три»

Часть 3. Модули управления вентильными двигателями без датчиков положения ротора

Традиционно при управлении бесконтактными синхронными двигателями (так называемыми вентильными двигателями) используются датчики положения ротора, выполненные или на датчиках Холла, или на индуктивных датчиках, или с применением синусно-косинусных вращающихся трансформаторов. В зависимости от типа двигателя таких датчиков может быть два или три. Однако для очень многих применений, где важнейшим параметром является цена конечного изделия, наличие датчиков положения, существенно удорожающих двигатель, делает нецелесообразным применение таких двигателей по экономическим факторам, даже несмотря на то, что уникальные технические характеристики самих двигателей позволяют получать высокую эффективность приводных систем.

е-

Сергей Волошин, Николай Шурин

[email protected]

Д

ля решения задачи управления такими двигателями без использования датчиков положения специалистами предприятия «Электрум АВ» предложена серия модулей (табл. 1), которые могут быть использованы для решения различных приводных задач, таких как приводы вентиляторов, электроинструментов, бытовая техника, промышленные системы и т. д.

Модули МУВД(А) являются высокоинтегрированными гибридными схемами, состоящими из схемы управления, встроенного регулятора напряжения, драйверов силовых ключей, а также собственно управляемых электрическим полем силовых ключей, включенных по схеме трехфазного инвертора.

МУВД(А) позволяет управлять трехфазным вентильным двигателем постоянного тока без датчиков положения ротора, обеспечивая ввод в действие, регулирование и стабилизацию частоты вращения двигателя, измерение и ограничение уровня тока, потребляемого обмотками двигателя от внешнего источника, динамическое торможение двигателя, контроль снижения питающего напряжения.

Таблица 1. Типы модулей бездатчикового управления вентильными двигателями и их основные характеристики

к и s Тип МУВД(А)

Наименование параметров ие X & S Ф Ч S ш т и 3105 3110 3120 3150 3205 3210 3220 3235 3605 3610 3620 3630 3650 31205 31210 31220 31240

1. Пиковое значение коммутируемого напряжения, В не более В 100 200 600 1200

2. Ток выходной импульсный, ^ ma» А не менее А 20 30 60 150 20 30 60 105 20 30 60 90 150 20 30 60 120

3. Ток ограничения, Ьгр, А е е о б е н А 5 10 20 50 5 10 20 35 5 10 20 30 50 5 10 20 40

4. Напряжение остаточное силовых транзисторов, Uост.тр, В е е о б е н В 0,26 0,52 0,5 0,7 0,9 1,5 1,5 1,4 2,8 2,7 2,6 2,2 2,3 4,2 3,4 3,5 3,9

Структурная схема модуля представлена на рис. 1. Функциональное назначение выводов модуля отражено в таблице 2.

Управление коммутацией двигателя производится путем измерения величины противо-ЭДС обмоток двигателя. Схема контроля противо-ЭДС, генератор, управляемый напряжением, и схема управления коммутацией образуют замкнутый контур фазирования двигателя (ЗКФ). Схема управления коммутацией вырабатывает сигналы управления трехфазным инвертором. Последовательность режимов переключения для однонаправленного вращения ротора двигателя, составляющая полный цикл коммутации, отражена в таблице 3.

В соответствии с сигналом схемы управления коммутацией, схема контроля противо-ЭДС следит за фазой двигателя, не находящейся в режиме коммутации. Производится сравнение среднего значения напряжения всех фаз (нейтраль) с напряжением контролируемой фазы. Сигнал обратной связи, вырабатываемый усилителем схемы контроля проти-во-ЭДС, производит заряд или разряд фильтра ЗКФ в момент необходимости коммутации положительной или отрицательной полуволн. Напряжение, образованное на фильтре ЗКФ, поступает в генератор, управляемый напряжением, вырабатывающий сигнал, пропорциональный частоте вращения двигателя. Сигнал синхронизации режимов коммутации поступает в схему управления коммутацией.

В режиме ввода в действие, в начальный момент, когда ротор не вращается, противо-ЭДС равна нулю. Ротор двигателя должен начать вращение, для того чтобы схема контроля противо-ЭДС замкнула контур фазирования двигателя, и началась коммутация фаз. Для ввода в действие используется метод разомкнутого контура фазирования, чтобы привести ротор из состояния покоя к вращению, достаточному для контроля противо-ЭДС. Ввод в действие состоит из трех стадий: совмещение, разгон (линейное на-------www.finestreet.ru-----------------------

Компоненты и технологии, № 3'2005

Таблица 2. Функциональное назначение выводов МУВД(А)

Таблица 3. Цикл коммутации МУВД(А)

Наименование Назначение

ипит Напряжение питания модуля

^пониж Выход сигнала контроля питания

^опорн Источник опорного напряжения для формирования иуПР

иУПР Вход сигнала управления частотой вращения

КОМП.ШИМ Выход усилителя ошибки, вход компаратора ШИМ, подключение элементов Ces, І^скоррекции контура регулирования частоты вращения

ОСЦ Подключение времязадающего конденсатора Ст генератора ШИМ

ЗКФ Подключение элементов С$рі, С2р2, RSp фильтра замкнутого контура фазирования двигателя

Сскор Подключение конденсатора Сусо, определяющего отклонения напряжения к частоте генератора, управляемого напряжением

ТАХ Выход сигнала, частота которого пропорциональна частоте вращения двигателя

РАЗГОН Подключение конденсатора Сц, определяющего время линейного нарастания частоты вращения в режиме ввода в действие (пуск)

Совм. Подключение конденсатора Сат, определяющего время удержания ротора двигателя в положении совмещения в режиме ввода в действие (пуск)

ТОРМ Вход сигнала режима динамического торможения

УСТ.ВР.Т Подключение конденсатора Qos, определяющего время отключения нижних ключей при превышении током заданного предела

УСТ.Т Подключение резистора RLjM, устанавливающего уровень тока ограничения (включение модуля без подключения резистора RLjM может вызвать неограниченный рост тока в цепи трехфазного инвертора, что приведет к отказу модуля)

ТС+ Сенсорный вход схемы контроля тока

Наименование Назначение

RC+ Входы сигнала токоизмерительного шунта, подключение элементов 1^, Ср цепи контроля тока

Фаза А, Фаза В, Фаза С Входы сигналов контроля противо-ЭДС двигателя

Изм А, Изм В, Изм С Подключение делительных резисторов 1^21, 1^22, 1^23

+иком Рабочее напряжение двигателя

ВыхА, Вых В, Вых С Выходы подключения обмоток двигателя

ОБЩ. МИНУС Минусовая шина цепей питания двигателя и модуля

растание частоты вращения), вращение. ления коммутацией выдает сигналы переклю-

Для перевода модуля в стадию совмещения чения трехфазного инвертора, соответствую-

требуется подать сигнал сброса, соединив вы- щие режиму И (табл. 2). При этом двигатель

вод «СОВМ» с «ОБЩ». При этом схема управ- совмещается в положение 30 эл. градусов

Режим Выходы Входы

<1 X 2 В Вых.В о X ы В контроля противо-ЭДС

R 1 0 -

A 1 - 0 Фаза В

B _ 0 Фаза А

"C" т - Фаза С

"d" т - Фаза В

E _ 0 Фаза А

F 1 0 Фаза С

Примечание

Совмещение при вводе в действие

На выходах «А», «В», «С» высокий уровень (1) означает подключение к +икш, низкий уровень (0) означает подключение к -икш (общий минус)

перед центром первой коммутации. Длительность стадии совмещения устанавливается емкостью САТ; она должна быть достаточной для перехода ротора в указанную позицию. В конце стадии совмещения начинается стадия разгона. При этом схема управления коммутацией подает сигналы управления на трехфазный инвертор в соответствии с таблицей 2, от А до Б, с возрастающей частотой коммутации за фиксированный период времени, устанавливаемый емкостью Скт. В конце стадии разгона начинается стадия вращения, при этом частота вращения достигает величины, достаточной для создания противо-ЭДС. Разрешается работа схемы контроля противо-ЭДС, и коммутация находится под контролем замкнутого контура фазирования.

Регулирование и стабилизация частоты вращения производится контуром контроля частоты вращения, состоящего из усилителя ошибки и ШИМ-компаратора. Напряжение ЗКФ, пропорциональное частоте вращения сравнивается усилителем ошибки с напряжением установки сигнала Иупр. Сигнал рассогласования усилителя ошибки преобразуется в напряжение внешними элементами цепи компенсации С5С, И5С и сравнивается компаратором ШИМ с пилообразным сигналом генератора ШИМ. Конденсатор Ст устанавливает длительность пилообразного сигнала и частоту ШИМ. Сформированный ШИМ-сигнал поступает в схему управления коммутацией, где вырабатываются сигналы включения-выключения нижнего ключа трехфазного инвертора. При этом верхний ключ трехфазного инвертора остается в проводящем состоянии.

Контроль величины тока, потребляемого двигателем от внешнего источника, производится на внутреннем токоизмерительном резисторе. Ограничение тока производится в контуре ограничения тока, где применен метод псевдо-ШИМ с постоянным временем выключения при превышении током заданного предела. Напряжение с токоизмерительного резистора через элементы внешнего ФНЧ Ср, Ир поступает в схему ограничения тока, где производится усиление сигнала в пять раз. Усиленный сигнал сравнивается с напряжением установки тока ограничения. При превышении сигналом уровня установки псевдо-ШИМ подает сигнал в схему управления коммутацией, где вырабатываются однократные сигналы выключения нижних ключей. Длительность выключенного состояния нижних ключей устанавливается конденсатором Иим.

В режиме динамического торможения верхние ключи трехфазного инвертора отключе-

Компоненты и технологии, № 3'2005

СуСО -

1,815x10"

МхЯРМ

Элементы схемы управления коммутацией

Сдт-

^ х7,5х10 1,5

Здесь

г к_

2к V

время совмещения;

постоянный восстанавливающий момент К: МхК(Х1 ьш

К =

Скт= 1,27x10

п

,-12

Сусо^хК/І!

Таблица 4

'им 0,2|ОГР 0,31огр 0,4|ОГР 0,5|ОГР 0,61огр 0,71огр 0,81огр 0,91огр 'огр /-і х7,5х 10

иим, мВ 100 150 200 250 300 350 400 450 500 С п і

Ким,кОм 0,42 0,53 0,65 0,78 0,93 1,08 1,24 1,41 1,5

ны, а нижние включены. Таким образом, обмотки двигателя оказываются замкнутыми между собой, и создается тормозящая электромагнитная сила. При этом ток в обмотках двигателя не ограничивается. Для перевода модуля в режим динамического торможения требуется подать на вывод «ТОРМ» сигнал низкого уровня.

Для обеспечения безотказной работы модуля при снижении питающего напряжения подается сигнал отключения трехфазного инвертора и сигнал «пониж и» низкого уровня.

Для правильного выбора компонентов настройки модуля требуется определить характеристики используемого двигателя:

• номинальное напряжение питания Им (В);

• номинальный ток (пост. ток) 1м (А);

• максимальный ток (пусковой по постоянному току) ¡млх (А);

• максимальная частота вращения ИРМмЛХ (об/мин);

• крутящий момент Ю (Н-м/А);

• число полюсов N

• электромеханическая постоянная ТМ (с);

• коэффициент противо-ЭДС Ке (В-с/рад);

• момент инерции 1м (кг-м2);

• декремент (г/2к) (коэффициент вязкого затухания двигателя и нагрузки в диапазоне от 0,1 — для двигателя с небольшим демпфированием до 0,9 — для двигателя с большим демпфированием).

Если одно или больше вышеприведенных значений неизвестно, то выбор оптимального значения можно произвести экспериментальным путем.

Все формулы для расчета элементов настройки модуля нужно рассматривать как отправную точку для оптимизации и первое приближение для отбора самого близкого стандартного значения.

Элементы схемы контроля противо-ЭДС ^1, ^2, К53:

где 1КАМР — требуемое время разгона. Элементы фильтра ЗКФ С5Р1, С5Р2, И5Р:

Ке

С бр1 — 0,25х ^— х

1п

СІ

100

Элементы предотвращения ограничения тока Ср, %, СЮ5, КР1м.

Для предотвращения поступления импульсных помех на измерительный вход, связанных с действием токов восстановления обратных диодов, требуется установить ФНЧ с параметрами 1МИН = 300 нс, 1мАХ < 1...2 мкс:

Длительность времени выключения (10рр) при срабатывании схемы ограничения тока:

К8Р = 2Мх

ІПІ

: С8рі х(М 1)

а.

100.

N5 хКе(М-1)

С'юв х2,9

отр ЗОхЮ-6

1,11х10”6хим- 5x10"®

ШЬМАХ 4

Напряжение, пропорциональное току в звене постоянного тока, вырабатывается на токоизмерительном резисторе ИС и составляет 100 мВ при 1огрмлх (зависит от типа модуля, см. табл. 4), уменьшение уровня тока ограничения Иим устанавливается значением Иим:

где РУС0 = 0,05 х N х ИРМ — частота генератора, управляемого напряжением, М — распространение между нулем и полюсом в контуре фильтра (в диапазоне 10_20);

N5 — число циклов ЗКФ необходимых для установления процента d после шага фазы (порядка 20); d — процент установившейся величины в течении N циклов (3).

Элементы контура регулирования частоты вращения С5С, И5С, Ст:

С8С = 482,314хКх

____________12хСуС0______________

РРЕГ хКех д/2,5 + (98,696хТ^хррЕГ)

Я

10

ЭС"

2тгхС5СхРрЕ]

16x11

6,9-31^

Значения ИЬ1М для сниженного ограничения тока представлены в таблице 4.

Элементы генератора, управляемого напряжением:

где РРЕГ — диапазон рабочих частот контура (1-10 Гц);

СЕ=

^-шим х50х10

*шим— ■

2,4

период ШИМ.

1 осц

САТ, СЯТ

или

Компоненты и технологии, № 3'2005

Исполнение для токов до 20 А

11 1*1 ИГИИ ' ||

Исполнение для токов от 20 А и выше ^4

Пример расчета элементов для двигателя с параметрами: им = 300 В, N = 24, 1м < 1 А, Тм = 0,8 с, 1МАХ = 1,5 А, Ке = 0,6 В-с/рад, Ирм = 3000 об/мин, 1м = 4,86 х 10-4 кг-м2, К < 2 Н-м/А.

И5 > 162 кОм, РРАС = 0,45 Вт; принимаем И51 = И52= И53 = 200 кОм, РРАС = 0,5 Вт при т = 1 мкс, Ир = 1 кОм, Ср = 1 нФ.

С105 мАХ = 0,346 мкФ, принимаем С105 = 0,33 мкФ, при этом 10рр = 31,9 мс.

Для МУВД(А)3605 1ОГР = 5 А; принимаем 1им = 0,31ОГР, Яим = 530 Ом.

Сусо < 2,52 нФ, принимаем 2,2 нФ.

К = 22,91; ^ = 34,5 мс; САТ = 17,2 нФ, принимаем 18 нФ; СКТ = 3,89 нФ, принимаем 3,9 нФ, при этом 1КАмр = 7,8 мс, а если 1КАмр = 1 с (по требованию), то СИт = 0,5 мкФ. Принимаем М = 10, d = 3, N5 = 20. рус0 = 3600, С5р1 = 0,208 мкФ, С5р2 = 1,87 мкФ, И5р = 2337 Ом. Принимаем РРЕГ = 2 Гц.

С5с = 15,94 мкФ, И5С = 49 923 Ом.

Для Ршим = 25 кГц Ст = 1 нФ. Конструктивное исполнение модуля представлено на рис. 3. Назначение выводов:

Контакты ХР1 Контакты ХР2

1 - ОБЩ 10 - ОБЩ 1 - Фаза С

2 - |*С+ 11 - УСТ.ВР.Т. 2 - Фаза В

3 - ТС+ 12 - ТОРМ 3 - Фаза А

4 - ипит 13 - ЗКФ 4 - ИЗМ С

5 - РАЗГОН 14 - понижи 5 - ИЗМ В

6 - СОВМ 15 - ССКОР 6 - ИЗМ А

7 - КОМП.ШИМ 6 1 О о г=

8 - иопорн 17 - иУПР

9 - ТАХ 18 - УСТ.Т