CC BY
45Компоненты и технологии, № 6'2003 Компоненты
Модули для управления
вентильными двигателями
Сергей Волошин
В современной технике достаточно широко встречаются задачи, требующие точного позиционирования тех или иных узлов или деталей машин или механизмов. Традиционно эти задачи решаются с помощью вентельных двигателей, способных совершать поворот оси ротора на заданный угол или обеспечивать контролируемые параметры вращения ротора, такие, как направление и скорость вращения, торможение и останов. До недавних пор для управления такими двигателями использовались дорогостоящие, громоздкие системы, управляемые процессорами или содержащие ПЗУ с жестким алгоритмом чередования подключений обмоток статора, обеспечивающим заданный режим работы. В случае необходимости управления мощными двигателями приходилось использовать усилительные каскады. Кроме этого
Таблица 1. Устройства управления вентильными двигателями производства IR и DDC
Фирмы Устройство Максимальное напряжение в сети (В) Коммутируемый ток, (А) Тип транзисторов Область применения
ОМС506 32 15 полевой промышл.
ОМС510 36 10 полевой промышл.
ОМ9371 SF 60 25 полевой воен.
ОМ9373 SF 100 25 полевой воен.
ОМ9375 SF 200 25 полевой воен.
IR ОМ9369 SF 500 25 IGBT воен.
ОМ9369 SP 200 25 IGBT промышл.
ОМ9371 SP 60 25 полевой промышл.
ОМ9373 SP 100 25 полевой промышл.
ОМ9375 SP 200 25 полевой промышл.
ОМ9391 SP 325 15 IGBT промышл.
ОМС507 30 5 полевой промышл.
PW82520 N1 100 1 полевой пром./воен.
N3 100 3 полевой пром./воен.
N0 100 10 полевой пром./воен.
PW82521 N0 200 10 полевой пром./воен.
R1 100 1 полевой воен. (рад.стойк.)
R3 100 3 полевой воен. (рад.стойк.)
R0 100 10 полевой воен. (рад.стойк.)
DDC PW83075 600 75 IGBT пром./воен.
PW83225 600 225 IGBT пром./воен.
PWR82330 100 5 полевой пром./воен.
PWR82331 140 30 полевой пром./воен.
PWR82333 350 30 IGBT пром./воен.
PWR82340 200 30 полевой пром./воен.
PWR82342 500 30 IGBT пром./воен.
PWR82341 100 5 полевой пром./воен.
в состав такой системы входит, как правило, дешифратор команд управления, обеспечивающий выбор соответствующих ячеек ПЗУ, набор источников питания, схемы оптронной развязки. Современные достижения микроэлектроники позволяют создать принципиально новую систему, являющуюся высокоинтегрированной гибридной сборкой, содержащей в своем составе все необходимые элементы для управления вентельным двигателем. В настоящее время на рынке достаточно широко представлены устройства многих зарубежных фирм (Hitachi, Fairchild, ST Microelectronics, Philips и т. д.), предназначенные для решения этой задачи. Они представляют собой интегральные схемы с рабочими напряжениями до 30 В, позволяющие непосредственно управлять двигателями, питаемыми напряжениями, не превышающими 30 В и с токами по обмоткам статора не более 0,5 А. Для многих применений (в частности, в бытовой РЭА, для которой они разрабатывались) этого вполне достаточно, однако часто требуется управлять двигателями с напряжениями до 220 В и с токами по обмоткам до 5 А, а в некоторых случаях и до 30 А. Устройство такого типа в силу своих функциональных особенностей требует сочетания различных элементов (мощные ключи на полевых, биполярных или IGBT-транзисторах, высоковольтные аналоговые схемы управления транзисторами, низковольтная цифровая логика управления, оптронные ключи, DC/DC-преобразователи с трансформаторными развязками), технологически несовместимых в интегральном исполнении. Из-за этого традиционно такие устройства выполнялись на дискретных элементах, что приводило к большой массе и габаритам устройств, а также к высокой цене изделий. Большая масса и габариты особенно неприемлемы для аэрокосмической аппаратуры. В связи с этим крупнейшие зарубежные фирмы, работающие в области силовой электроники для военных применений (IR, DDC) создали интегрированные устройства, объединяющие в одной гибридной сборке, выполненной в едином корпусе с габаритами 100x50 (80 с выводами), все элементы и узлы, необходимые для полнофункционального управления вентильными двигателями. Номенклатура этих устройств представлена в таблице 1.
Эта задача актуальна и для современной военной техники в системах автоматизированного управления стрельбой, наведения, позиционирования локаторов
-Q-
Компоненты и технологии, № 6'2003
Модуль управления щеточными двигателями постоянного тока
Рис. 1. МОУД1
Модуль управления двигателями постоянного тока с датчиками Хоппа
4xi.Uxi.Ux2.Ux3
Вп/Наз ^ 607120° Тормоз
Рис. 2. МОУД3
РЛС и т. д., и для систем автоматики нефте-и газопроводов, систем тепло- и водоснабжения, где требуется управлять вентилями трубопроводов большого диаметра, особенно в условиях Крайнего Севера, где особенно велики пусковые нагрузки на двигатель. Это требует применения в усилительных каскадах транзисторов с большими значениями предельно допустимых напряжений (до 600 В). Этим требованиям удовлетворяют современные мощные полевые и ЮБТ-транзисторы.
Отечественная микроэлектроника в настоящее время также обладает возможностями создания таких устройств, как специального (военного), так и общепромышленного назначения. При этом существенно улучшаются массогабаритные показатели аппаратуры, а цена устройства управления двигателем снижается на порядок по сравнению с традиционным вариантом исполнения на дискретных элементах.
Данная статья посвящена рассмотрению особенностей конструкции и применения
выходные ключи на полевых или ЮБТ-тран-зисторах с оптронными схемами управления затворами транзисторов, обеспечивающих гальваническую развязку не менее 4000 В. Приборы позволяют управлять как трехфазными двигателями постоянного тока с датчиками Холла (МОУД3), так и щеточными двигателями постоянного тока (МОУД1), обеспечивая изменение скорости вращения двигателя, торможение двигателя, контроль тока через двигатель, контроль температуры самого модуля и двигателя, выдачу сигнала «авария» в критических режимах. Структурная схема МОУД1 и МОУД3 показана на рис. 1 и 2.
МОУД содержит в своем составе следующие функциональные блоки: декодер положения ротора, логику управления (направление вращения, система фазирования, динамическое торможение, разрешение/останов), драйверы управления затворами выходных полевых или ЮБТ-транзисторов, выходные транзисторы, включенные по схеме 3-фазного инвертора или по схеме Н-моста, генератор пилообразного сигнала с изменяемой частотой, схему регулировки (изменения и стабилизации) скорости вращения ротора двигателя, содержащую усилитель сигнала рассогласования для систем с обратной связью и компаратор ШИМ, схему контроля и ограничения тока двигателя, источники изолированного питания для элементов и узлов прибора, в том числе источник опорного напряжения с высокой температурной стабильностью, схемы контроля температуры прибора, а также необходимых уровней питающих напряжений для обеспечения безотказной работы прибора. Кроме того, в состав МОУД входит гальванически изолированный формирователь сигнала аварии в управляемом двигателе.
Таблица 2. Назначение выводов прибора
модуля управления вентильными двигателями фирмы «Электрум АВ», аналогичного по системе параметров и функциональным возможностям приборам фирм Ж и БОС. Представленные приборы могут использоваться как в промышленности, так и в военной технике. При этом элементная база, применяемая в данных модулях, позволяет выпускать как «военный», так и «гражданский» вариант прибора. Конструктивно и по системе параметров оба типа приборов аналогичны и отличаются только стойкостью к специальным внешним воздействующим факторам. Конструкция прибора и применяемые материалы обеспечивают возможность его эксплуатации в самых жестких климатических условиях при температурах от -60 до +125 °С.
Модули управления двигателями постоянного тока являются высокоинтегрированными гибридными сборками, включающими цифро-аналоговую монолитную схему управления, встроенный источник питания с гальванической развязкой не менее 1000 В, мощные
Вывод Наимено- вание Назначение
1 2 +им -им Рабочее напряжение двигателя
3 4 +5 В +15 В Изолированные источники питания
5 Общ. Общий вывод
6 иоп Источник опорного питания
7 8 9 их1 иХ2 их3 Входы для подключения датчиков Холла
10 ВП/НАЗ Управление направлением вращения
11 60°/120° Режим фазирования
12 ТОРМ Торможение двигателя
13 РАЗР Разрешение (аварийный останов)
14 Частота ШИМ управления скоростью/
*ШИМ неинвертирующий вход компаратора ШИМ
15 ШИМ1 Сигнал управления скоростью/ неинвертирующий вход входного усилителя ШИМ
16 ШИМ2 Инвертирующий вход входного усилителя ШИМ
17 ШИМ3 Выход входного усилителя ШИМ/ инвертирующий вход компаратора ШИМ
18 ТОК Сигнал с токоизмерительного шунта
19 БЛОК Вход регулировки длительности блокировки защиты при токовой перегрузке
20 21 22 иА ив ис Выходы для подключения обмоток двигателя
23 24 АВАРИЯ+ АВАРИЯ- Сигналы аварии
Компоненты и технологии, № 6'2003
Таблица 3. Классификационные параметры МОУД
Тип прибора UМ МАКС и МАКС и МАКСИМП и МАКС ^АКС^Н МАКС ®П-К
МОУД3101 100 1 3 2 0,1 Ом 25
МОУД3105 100 5 10 8 0,1 Ом 8
МОУД3110 100 10 20 15 0,1 Ом 4
МОУД3230 200 30 50 50 0,1 Ом 0,8
МОУД3420 400 20 50 40 0,2 Ом 0,8
МОУД3630 600 30 300 100 3,5 В 0,5
МОУД1105 100 5 10 8 0,1 Ом 8
МОУД1230 200 30 50 35 0,1 Ом 0,8
МОУД1630 600 30 50 35 0,1 Ом 0,8
МОУД1650 600 50 500 150 3,5 В 0,5
МОУД16150 600 150 1200 300 3,5 В 0,2
Таблица 4. Основные параметры (предельные значения в диапазоне температур -60 ... +125 °С)
Таблица 5. Основные электрические параметры (предельно-допустимые значения)
Наименование Величина
1 Максимальное напряжение на обмотках двигателя им мдко В см. табл. 3
Изолированные источники
+5 В 5±10%
+15 В 15±10%
2 КПД преобразования, % 90
Напряжение изоляции, В 1500
Мощность Р «+5 В», Вт 1
Р «+15 В», Вт 1
3 Минимальное напряжение опорного источника, В 5,82
4 Максимальное напряжение на входах управления (Х1, Х2,Х3 ВП/НАЗ, 607120°, ТОРМ, ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3, f ШИМ), В иОП
5 Минимальное напряжение на входах ШИМ1, ШИМ2, В -0,3
6 Максимальный выходной ток входного усилителя ШИМ, мА 10
7 Максимальный входной ток по входной ^ШИМ, мА 30
8 Максимальное напряжение на выходах «АВАРИЯ» ,В 30
9 Максимальный ток на выходах «АВАРИЯ», мА 20
10 Напряжение изоляции сигналов «АВАРИЯ», В 4000
11 Максимальный постоянный выходной ток при Т=85 °С, 1м мдкс, А см. табл. 3
12 Максимальный импульсный выходной ток при Т=85 °С, 1м макс ИМП, А см. табл. 3
13 Максимальный ток защиты при Т=85 °С, !з МАКС, А см. табл. 3
14 Максимальное сопротивление (падение напряжения) канала управления обмоткой д^^теля ^д^ им МдШ мОм см. табл. 3
15 Максимальный ток утечки закрытого канала управления обмоткой двигателя, мкА 1
16 Сопротивление токоизмерительного резистора, 1?Ш , мОм см. табл. 3
17 Тепловое сопротивление переход-корпус, ©П-К, °С/Вт см. табл. 3
18 Максимальная температура перехода транзисторов, °С 150
19 Минимальная температура эксплуатации, °С -60
20 Максимальная температура эксплуатации, °С 125
Величина
МИН МАКС
Источник опорного напряжения
Выходное напряжение (I = 1 мА) при 25 °С, В 5,9 6,5
1. Выходное напряжение (I = 1 мА) при -60. +125 °С, В 5,82 6,57
Ток короткого замыкания, мА 40,0
Порог срабатывания защиты, В 4,0 5,0
Источник +5 В
2. Выходное напряжение, В 4,5 5,5
Ток короткого замыкания мА 200
Источник +15 В
3. Выходное напряжение, В 13,5 16,5
Ток короткого замыкания мА 60
Входы управления (Х1, Х2, Х3, ВП/НАЗ, 60°/120°, ТОРМ, РАЗР)
4. Напряжение низкого уровня, В 0,8
Напряжение высокого уровня, В 2,0
Напряжение на выходе «ТОК», мВ 100
Генератор пилы ШИМ
Частота (1?г = 4,7 кОм, Сг = 10 пФ), кГц 22 28
5. Напряжение высокого уровня пилы, В 4,5
Напряжение низкого уровня пилы, В 1,2
Изменение частоты в диапазоне температур, % 3
Описание функционирования
С помощью 3 входов (Х1; Х2; Х3), подключенных к датчикам Холла или оптическим датчикам с открытым коллектором, отслеживающим положение ротора двигателя, в МОУД поступает информация о направлении и скорости движения двигателя в каждый момент времени. Эти входы являются ТТЛ-совместимыми. Необходимые согласующие резисторы с номиналом 20 кОм уже установлены в МОУД.
Схема МОУД выполнена таким образом, что может отрабатывать различные алгоритмы фазирования ротора двигателя (60°/120°) путем выбора соответствующего режима при подаче сигнала «0» или «1» на соответствующий вход управления. Эти алгоритмы соответствуют 6 из 8 возможных комбинаций, определяемых 3 входами Х1, Х2, Х3.
В зависимости от расположения датчиков Холла возможны четыре алгоритма управления позиционированием ротора (60°, 120°, 240°, 300°).
Состояние датчиков Холла в зависимости от положения ротора изменяется в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 3.
Из диаграммы видно, что алгоритмы 60°, 300° и 120°, 240° являются полностью симметричными, только направления вращения ротора противоположны. Таким образом, МОУД, используя команды 60°/120° и ВП/НАЗ, позволяет реализовать любой алгоритм. Для пересчета электрических градусов в механические используется следующее соотношение:
Электрические _ механические градусы градусы - 2
Обычно трехфазные двигатели содержат четырехполюсные роторы. Таким образом, двигатель совершает один механический оборот за два электрических.
Входы ВП/НАЗ позволяют изменять направление вращения ротора двигателя, ре-
Компоненты и технологии, № 6'2003
Таблица 6. Диаграмма состояний МОУД
Входы Выходы
«60°/120° >=«1» «60°/120°> =«1» ВП/ а. 3 а. Е а. о 1— ТОК (М= 100 мВ) С С' АВАРИЯ Прим.
Х1 Х2 Х3 Х1 Х2 Х3 НАЗ
1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 Т т ~т II ПЭ < с? со
1 1 1 0 1 0 1 1 0 <и 1 0 1 1 Т ~0~ ~г
0 1 1 0 1 1 1 1 0 <и 1 1 0 1 Т ~0~ ~г
0 0 1 0 0 1 1 1 0 <и 1 1 0 0 Т т "Г
0 0 0 1 0 1 1 1 0 <и 1 1 0 Т "б" ~г
1 0 0 1 0 0 0 1 0 <и 1 1 0 1 Т "0" ~г
1 1 0 1 1 0 0 1 0 <и 1 1 0 0 Т "0" ~г 0 II 52 с= со
1 1 1 0 1 0 0 1 0 <и 1 1 0 Т "0" ~г
0 1 1 0 1 1 0 1 0 <и 1 1 0 Т т ~г
0 0 1 0 0 1 0 1 0 <и 1 1 0 Т т ~г
0 0 0 1 0 1 0 1 0 <и 1 1 1 Т ~0~ ~г
_л 0 1 1 1 1 X X т X т Т т Т Т ~0~ т Т0РМ=0
~ 1 0 0 0 0 X X т X т Т Т Т Т ~0~ т
0 1 1 1 1 X X ~г X т Т Т Т т т т Т0РМ=1
1 0 0 0 0 X X ~Г X т Т Т Т т т т
X X X X X X ~г ~Г X т Т Т Т т т ~т
— X X X X X X "0” "Г X т Т Т Т т т ~
X X X X X X ~б~ ”б~ X Т Т Т Т т "0" т
~ X X X X X X ~г "б” Т Т Т Т т "0" т
О 60 120180 240300360420480540600660720
Вход в обрыве <
Вход
подключен к «земле»
Х1
Х2
ХЗ
.Код
Х1
Х2
ХЗ
Код
А
В
С
Пары проводящих транзисторов^ +
Ток через двигатель і ВО
І І I
и
-I--------------и
т
1---г
І I
100І110 І111 I 0111 0011 000І 100І110 1111 .1_| І І 1ІІІ І I_____________I____I_____І І І I—
1-І
X
гг
І__I
011I001IоооI І І I
—I—I—I —І І I
І І І І І І І I
І I І I
1001110 |010 |011 |001 I 101|100|110 |010| 0111001 1101
І І I
Ч---1—ь
с
І І I
ч—ь
-I—I—I
І І I
і г —і— \\т ІПП =М1
—і— і 1 1 1ПП 1ППІ шицииц | 1 1 1J
Скважность 2
8 I 8 'З 13 1 ¡3 !8 !8
Полная ВП/НА31 Уменьшенная скорость скорость 750
Рис. 4. Функциональная диаграмма работы МОУД
версируя напряжение на статоре. При этом происходит инвертирование сигналов на затворах выходных транзисторов и изменяется состояние каждого выходного транзистора. Также изменяется необходимым образом вся последовательность включения и выключения транзисторов.
Вход РАЗР подключен к внутреннему источнику 25 мА. При подаче на этот вход низкого уровня выходные транзисторы закрываются, мотор останавливается и выдается сигнал «АВАРИЯ».
Вход «ТОРМ» высоким уровнем обеспечивает динамическое торможение двигателя. При этом «верхние» транзисторы, подключенные к «плюсу» источника питания мотора, закрываются, а «нижние» транзисторы, подключенные к «минусу» источника питания мотора, открываются, создавая тормозящую электромагнитную силу.
Вход «ТОРМ» имеет приоритет перед другими входами управления. Схема управления затворами «верхних» и «нижних» транзисторов формирует необходимые уровни сигналов, обеспечивает отсутствие сквозных токов во всех режимах работы. Диаграмма состояний МОУД приведена в таблице 6.
Функциональная диаграмма работы МОУД показана на рис. 4.
Генератор МОУД настраивается с помощью внешних элементов ИГ и СГ (рис. 5).
Конденсатор СГ заряжается от источника опорного напряжения иОП через резистор ИГ и разряжается через внутренний транзистор.
Размах колебаний генератора от 1,5 до 4,1 В. Оптимальная частота генератора должна быть в диапазоне 20-30 кГц. Зависимость частоты от ИГ и СГ показана на рис. 6.
Внутренний источник опорного напряжения, который обеспечивает ток заряда конденсатора генератора Сг, питание схемы ШИМ и датчиков положения ротора может выдавать ток до 20 мА.
1 1)оп
їшим
Ні о “і
Рис. 5. Настройка генератора МОУД
МОУД содержит 2 встроенных компаратора, обеспечивающих контроль напряжения иОП (по порогу 4,5 В) и напряжений питания цепей управления затворами транзисторов (по порогу 9,1 В). Выполнение этих условий обеспечивает правильную работу устройства (необходимый уровень напряжения питания датчиков пропорционального ротора и полное открытие каналов выходных транзисторов, что обеспечивает малую величину сопротивления в открытом состоянии). Срабатывание компараторов приводит к закрытию выходных транзисторов и выдаче сигнала «АВАРИЯ». Оба эти компаратора имеют необходимый уровень гистерезиса, что исключает генерацию в точках, близких к пороговым.
Выход «АВАРИЯ» выполнен по схеме с открытым коллектором с максимальным напряжением 30 В и током 20 мА и имеет оп-тронную развязку от силовых цепей с напряжением изоляции 4 кВ. Выход «АВАРИЯ» становится активным в следующих случаях:
1. Неправильный код от датчиков положения ротора.
2. Срабатывание компараторов контроля питания.
3. Протекание тока через выходные транзисторы при состоянии входов управления, запирающих транзисторы.
4. Токовая перегрузка и перегрев.
МОУД содержит встроенные схемы контроля температуры и тока через выходные транзисторы. Схема контроля температуры отключает выходы модуля при достижении температуры 170 °С. Ток через выходные транзисторы контролируется в каждом цикле протекания тока компаратором с порогом 100 мВ. В качестве датчика служит специальный токоизмерительный резистор Иш, величина сопротивления и допустимая мощность которого определяется для каждого типа МОУД из параметров двигателя.
В некоторых случаях характер нагрузки таков, что в начальные пусковые моменты ток через двигатель превышает установленные в МОУД уровни защиты по току. Для обеспечения работы МОУД в таких ситуациях используется ИС-цепь блокировки, подключаемая ко входу «БЛОК» МОУД (рис. 7). Эта цепь запрещает срабатывание защиты по току на время 1бл:
^еп~^бл* Сел*
6,25-20x10 1,4-20x10“6Л„
Компоненты и технологии, № 6'2003
иоп
□
Рг
П<ШИо1 г
и о-
I і
шим 2 шим 3
-і- Сг і шим
а
усилитель ошибки
ІІшим
Компаратор шим
Генератор і шим
а)
Рис. 8. Структурная схема и диаграмма работы ШИМ
| 100
І 80
а
к 60
5* 40 -
пЗ 5
Ї 3 20 .
и 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Напряжение на входе ШИМ2 (линейность 1,5%)
ІІОП
ИСК
1*1
■о—и-
Увелич
скорости
Я2
—кн
шимі
ШИМ2
г-о-
25 ма
Усилитель ошибки
Комп. ШИМ
ШІ
имзГ
а. Контроль скорости с дифференциальными входами
б. Контролируемое ускорение и замедление
5В
§°
О п * и
16?
59 —о-уббк|—
08 -Щ)-|145к|-|
57 ■^о-ПЖЬ
0 12 рз А)-Ич
0 13 Р2 05 ■^-0-І92.3і^-і
14 О. Р1 2-741 5 0__[77^_н
0 15 Р0 §03 ■^■о—ЦзібіЗ—і
*53 ■^■О—|51,3к|—<
от ■^■О—|40,4к|—*
515 ¿о
Тв
ЮОк
РАЗР
о—
ШИМ1 -----о—
ШИМ2
ШИМЗ
в. Цифровое регулирование скорости Коды 0000-1001 изменяют скорость от 0 до 90% Коды 1010-1111 соответствуют скорости 100%
Рис. 9. Схемы управления скоростью двигателя
—|ЦопI
+
25 ма
ь
К
Усилитель ошибки
ШИМ
г. Регулирование скорости с помощью отрицательной обратной связи с выхода «ТОК» прибора
Регулирование скорости вращения мотора осуществляется встроенной ШИМ-схемой (рис. 8).
Эта схема изменяет среднее значение напряжения на статоре двигателя за счет изменения скважности выходного сигнала пропорционально изменению скорости двигателя. Схема содержит усилитель ошибки и компаратор ШИМ. Усилитель ошибки усиливает сигнал пропорционально скорости вращения двигателя, а компаратор ШИМ формирует сигнал управления затворами «нижних» транзисторов, длительность которого пропорциональна величине скорости. Все 4 входа (инвертирующие и не инвертирующие) усилителя и компаратора предназначены для внешнего управления. Это позволяет организовать любой алгоритм управления скоростью (без обратной связи, с положительной и отрицательной обратной связью, пропор-
циональный, интегральный, дифференциальный) в зависимости от решаемой задачи и особенностей применения конечного устройства. Примеры организации управления скоростью приведены на рис. 9.
Усилитель ошибки имеет полосу пропускания до 0,6 МГц, коэффициент усиления 80 дБ, входной сигнал может быть любой величины до иоп.
Конструктивно прибор выполнен в металлокерамическом или пластмассовом корпусе с изоляцией силовых выводов от корпуса на уровне не менее 4 кВ. Габаритный чертеж корпуса приведен на рис. 10.
Приборы могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур от -60 до +100 °С в самых жестких условиях эксплуатации, включая повышенную влажность, удары, вибрации и т. д., обеспечивая наработку не менее 100 тыс. часов.
б)
