Truyền động tốc độ động cơ DC: 4 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Tài liệu hướng dẫn này sẽ trình bày chi tiết về thiết kế, mô phỏng, xây dựng và thử nghiệm bộ chuyển đổi chế độ từ một chiều sang một chiều và bộ điều khiển hệ thống điều khiển cho động cơ một chiều. Bộ chuyển đổi này sau đó sẽ được sử dụng để điều khiển kỹ thuật số cho động cơ một chiều shunt có tải. Mạch sẽ được phát triển và thử nghiệm trong các giai đoạn khác nhau.

Giai đoạn đầu tiên sẽ là xây dựng một bộ chuyển đổi để hoạt động ở 40V. Điều này được thực hiện để đảm bảo rằng chúng không có cảm ứng ký sinh từ dây dẫn và các thành phần mạch khác có thể làm hỏng trình điều khiển ở điện áp cao. Trong giai đoạn thứ hai, bộ chuyển đổi sẽ vận hành động cơ ở 400 V với tải tối đa. Giai đoạn cuối cùng là điều khiển tốc độ của động cơ với tải thay đổi với arduino điều khiển một sóng pwm để điều chỉnh điện áp.

Các thành phần không phải lúc nào cũng rẻ và do đó, một nỗ lực đã được thực hiện để xây dựng hệ thống càng rẻ càng tốt. Kết quả cuối cùng của thực tế này sẽ là xây dựng một bộ chuyển đổi một chiều-dc và một bộ điều khiển hệ thống điều khiển để điều khiển tốc độ của động cơ trong vòng 1% tại một điểm đặt ở trạng thái ổn định và đặt tốc độ trong vòng 2 giây với tải thay đổi.

Bước 1: Lựa chọn thành phần và thông số kỹ thuật

Động cơ tôi có sẵn có các thông số kỹ thuật sau.

Thông số kỹ thuật động cơ: Phần ứng: 380 Vdc, 3.6 A

Kích thích (Shunt): 380 Vdc, 0,23 A

Tốc độ định mức: 1500 vòng / phút

Công suất: ≈ 1,1 kW

Nguồn điện động cơ DC = 380V

Optocoupler và nguồn cung cấp trình điều khiển = 21V

Điều này có nghĩa là xếp hạng dòng điện và điện áp tối đa của các thành phần được kết nối với hoặc điều khiển động cơ sẽ có xếp hạng cao hơn hoặc tương đương.

Đi-ốt freewheel, có nhãn là D1 trong sơ đồ mạch, được sử dụng để cung cấp cho đường dẫn ngược dòng của động cơ để ngăn dòng điện đảo chiều và làm hỏng các bộ phận khi ngắt nguồn và động cơ vẫn quay (chế độ máy phát Nó được đánh giá cho điện áp ngược tối đa là 600V và dòng điện một chiều thuận tối đa là 15 A. Do đó, có thể giả định rằng diode bánh đà sẽ có thể hoạt động ở mức điện áp và dòng điện đủ cho nhiệm vụ này.

IGBT được sử dụng để chuyển nguồn cho động cơ bằng cách nhận tín hiệu 5V pwm từ Arduino thông qua optocoupler và trình điều khiển IGBT để chuyển đổi điện áp cung cấp rất lớn cho động cơ 380V. IGBT được sử dụng có dòng thu liên tục tối đa là 4,5A ở nhiệt độ đường giao nhau là 100 ° C. Điện áp cực đại của bộ phát cực đại là 600V. Do đó, có thể giả định rằng diode bánh đà sẽ có thể hoạt động ở mức điện áp và dòng điện đủ cho thực tế. Điều quan trọng là phải thêm một bộ tản nhiệt vào IGBT, tốt nhất là một bộ tản nhiệt lớn. Nếu không có IGBT, có thể sử dụng MOSFET chuyển mạch nhanh.

IGBT có điện áp ngưỡng cổng từ 3,75 V đến 5,75 V và cần có trình điều khiển để cung cấp điện áp này. Tần số mà mạch sẽ hoạt động là 10 kHz, do đó thời gian chuyển đổi của IGBT cần phải nhanh hơn 100 us, thời gian của một sóng đầy đủ. Thời gian chuyển đổi cho IGBT là 15ns là đủ.

Trình điều khiển TC4421 đã được chọn có thời gian chuyển đổi ít nhất 3000 lần so với sóng PWM. Điều này đảm bảo rằng trình điều khiển có thể chuyển đổi đủ nhanh cho hoạt động của mạch. Trình điều khiển là cần thiết để cung cấp dòng điện nhiều hơn mức Arduino có thể cung cấp. Trình điều khiển lấy dòng điện cần thiết để vận hành IGBT từ nguồn điện chứ không phải kéo nó từ Arduino. Điều này là để bảo vệ Arduino vì việc sử dụng nhiều điện năng sẽ làm Arduino quá nóng và khói sẽ thoát ra và Arduino sẽ bị phá hủy (đã thử và đã thử nghiệm).

Trình điều khiển sẽ được cách ly khỏi bộ vi điều khiển cung cấp sóng PWM bằng cách sử dụng bộ ghép quang. Bộ ghép quang hoàn toàn Cách ly với Arduino, phần quan trọng và có giá trị nhất trong mạch của bạn.

Đối với động cơ có các thông số khác nhau, chỉ cần thay đổi IGBT thành một loại có đặc tính tương tự với động cơ sẽ có thể xử lý điện áp ngược và dòng điện cực thu liên tục cần thiết.

Tụ điện WIMA được sử dụng cùng với tụ điện điện phân trên nguồn điện động cơ. Điều này lưu trữ một khoản phí để ổn định nguồn điện và quan trọng nhất là giúp loại bỏ điện cảm từ cáp và đầu nối trong hệ thống

Bước 2: Xây dựng và bố trí

Bố cục của mạch được thiết lập để giảm thiểu khoảng cách giữa các thành phần để loại bỏ các điện cảm không cần thiết. Điều này đã được thực hiện đặc biệt trong vòng lặp giữa trình điều khiển IGBT và IGBT. Một nỗ lực đã được thực hiện để loại bỏ tiếng ồn và tiếng chuông có điện trở lớn được nối đất giữa Arduino, Optocoupler, Trình điều khiển và IGBT.

Các thành phần được hàn vào một tấm Veroboard. Một cách dễ dàng để xây dựng mạch là vẽ các thành phần của sơ đồ mạch trên bảng mạch trước khi bạn bắt đầu hàn. Hàn trong khu vực thông gió tốt. Xoá đường dẫn điện của một tệp để tạo khoảng cách giữa các thành phần không nên kết nối. Sử dụng gói DIP để các thành phần có thể dễ dàng thay thế. Điều này giúp khi các thành phần không bị lỗi sau đó phải hàn chúng ra và xử lý các bộ phận thay thế.

Tôi đã sử dụng phích cắm chuối (ổ cắm màu đen và đỏ) để dễ dàng kết nối nguồn điện của tôi với bảng mạch, điều này có thể được bỏ qua và các dây được hàn trực tiếp vào bảng mạch.

Bước 3: Lập trình Arduino

Sóng pwm được tạo ra bằng cách đưa vào thư viện Arduino PWM (được đính kèm dưới dạng tệp ZIP). Một bộ điều khiển tích phân tỷ lệ Bộ điều khiển PI) được sử dụng để điều khiển tốc độ của rôto. Độ lợi tỷ lệ và tích phân có thể được tính toán hoặc ước tính cho đến khi thu được đủ thời gian ổn định và quá độ.

Bộ điều khiển PI được thực hiện trong vòng lặp while () của Arduino. Máy đo tốc độ đo tốc độ của rôto. Phép đo này đưa đầu vào arduino thành một trong các đầu vào tương tự bằng cách sử dụng analogRead. Sai số được tính bằng cách lấy tốc độ rôto điểm đặt trừ đi tốc độ rôto hiện tại và được đặt bằng sai số. Tích hợp thời gian được thực hiện bằng cách thêm thời gian mẫu vào thời gian mỗi vòng lặp và đặt nó bằng thời gian và do đó tăng lên với mỗi lần lặp lại của vòng lặp. Chu kỳ nhiệm vụ mà arduino có thể xuất ra nằm trong khoảng từ 0 đến 255. Chu kỳ nhiệm vụ được tính toán và xuất ra chân PWM đầu ra kỹ thuật số đã chọn với pwmWrite từ thư viện PWM.

Thực hiện bộ điều khiển PI

lỗi kép = ref - rpm;

Thời gian = Thời gian + 20e-6;

double pwm = ban đầu + kp * error + ki * Time * error;

Thực hiện PWM

cảm biến kép = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Mã dự án đầy đủ có thể được nhìn thấy trong tệp ArduinoCode.rar. Mã trong tệp đã được điều chỉnh cho một trình điều khiển đảo ngược. Trình điều khiển đảo ngược có ảnh hưởng sau đây đối với chu kỳ nhiệm vụ mạch có nghĩa là new_dutycycle = 255 -dutycycle. Điều này có thể được thay đổi đối với trình điều khiển không đảo ngược bằng cách đảo ngược phương trình trên.

Bước 4: Kiểm tra và kết luận

Cuối cùng, mạch đã được kiểm tra và thực hiện các phép đo để xác định xem có đạt được kết quả mong muốn hay không. Bộ điều khiển được đặt ở hai tốc độ khác nhau và được tải lên arduino. Nguồn điện đã được bật. Động cơ tăng tốc nhanh chóng vượt qua tốc độ mong muốn sau đó chuyển sang tốc độ đã chọn.

Kỹ thuật điều khiển động cơ này rất hiệu quả và sẽ hoạt động trên tất cả các động cơ DC.