Розробка трьохфазного інвертора двигуна

051614_1446_12.png

Трьохфазний інвертор двигуна

Короткий опис та призначення пристрою трьохфазного інвертору

Поточна версія пристрою трьохфазного інвертора (далі інвертор) являє собою удосконалений та модифікований варіант системи керування двигунами, що базується на попередніх подібних розробках кафедри Машин та апаратів Хмельницького національного університету. Зовнішній вигляд плати інвертора зображений на рисунку 1 та 2.

 -> Російська версія <-

 

 

Рисунок 1. Зовнішній вигляд плати трьохфазного інвертора (верхній шар)

 

 

Рисунок 2. Зовнішній вигляд плати трьохфазного інвертора (нижній шар)

 

Даний інвертор призначений для здійснення керування роботою електричними двигунами, такими як:

  • Трьохфазні асинхронні двигуни;
  • Однофазні асинхронні двигуни;
  • Колекторні двигуни;
  • Трьохфазні двигуни постійного струму з датчиками і без датчиків Холла.

В залежності від типу двигуна використовується різні режими керування, що забезпечуються відповідним програмним забезпеченням. Для двигунів, що містять одну або дві фази використовується два плеча драйвера з трьох – режим інверсного Н-моста (трьохфазний мостовий інвертор). Загалом можливе підключення двигунів, електрична обмотка яких містить від однієї до трьох фаз. Виняток складають двофазні (біполярні) крокові двигуни, електрична схема керування яких містить дві незалежні обмотки. Керування таким двигуном передбачає наявність драйвера, що давав би змогу здійснювати переполюсування струму в кожній з цих обмоток.

Пристрій даного інвертора являє собою комплектуючу частину для потрібної кінцевої системи керування, яка, крім поточної плати, має включати в себе джерело живлення та систему керування з інтерфейсом вводу-виводу даних. В якості системи керування та інтерфейсу вводу-виводу може слугувати комп’ютер, для підключення якого на платі інвертора передбачений роз’єм інтерфейсу RS232.
Можливий також робота плати інвертора в режимі демонстрації, з виконанням деяких основних функцій, наприклад, запуск двигуна, зупинка, реверс, зміна швидкості. Для здійснення керування цим режимом на платі інвертора передбачені чотири кнопки керування.
Також до додаткових функцій плати інвертора належать наступні, – це можливість підключення датчиків зворотного зв’язку, наприклад, для керування трьохфазними двигунами постійного струму з датчиками Холла, можливість підключення тахометра для контролю швидкості обертання двигуна та можливість підключення охолоджуючого вентилятора.

 

Опис конструкції та електричної частини друкованої плати керування інвертором

 

Друкована плата інвертора зроблена в двохшаровому виконанні з захисним покриттям (маскою). На верхньому шарі розміщено більшість електричних сигнальних провідників (рисунок 3) ізапаяні майже всі електричні компоненти (рисунок 4). На нижньому шарі розміщено в основному полігони живлення (рисунок 5) та запаяні силові транзистори для можливості зручного монтажу тепло відвідного радіатора (рисунок 6).

Рисунок 3. Верхній шар плати інвертора (електричні провідники)

Рисунок 4. Верхній шар плати інвертора (електричні компоненти)

Рисунок 5. Нижній шар плати інвертора (електричні провідники)

Рисунок 6. Нижній шар плати інвертора напруги (електричні компоненти)

 

Всю систему даного інвертора можна розділити на наступіосновні частини (вузли):

  • Вузол живлення;
  • Вузол контролю;
  • Вузол вводу-виводу;
  • Вузол моніторингу:
  • Вузол драйвера.

Розглянемо коротко окрему кожну із них.

Вузол живлення складається з чотирьох лінійних стабілізаторів напруги на 3.3В, 5.0В, 12.0В і 15.0В відповідно (Рисунок 7).

 

 Рисунок 7.  Вузол живлення інвертора

 

Стабілізатор напруги на 3.3В використовується для живлення керуючого контролера та всієї логіки схеми інвертора, на 5.0В – для живлення датчика струму, на 12.0В – живлення охолоджувального вентилятора і на 15.0В – живлення для драйвера силових ключів.

Вузол контролю – це власне програмований контролер (рисунок 8), що виконує усі функції вводу-виводу та керування самим драйвером двигуна. Для програмування останнього на платі передбачений спеціальний ISP роз’єм.

 

 

Рисунок 8. Вузол контролю інвертора

 

Вузол вводу-виводу включає в себе наступні елементи, такі як кнопки управління (рисунок 9), інтерфейс RS232 (рисунок 10), світло діоди, логіку управління вентилятором та тахометром, клеми для підключення вхідних сигналів.

 

 

Рисунок 9. Вузол вводу-виводу інвертора (кнопки управління)

 

Рисунок 10. Вузол вводу-виводу (інтерфейс RS232)

 

Вузол моніторингу включає в себе датчик струму (рисунок 11) та температури (рисунок 12). Перший і другий аналогового принципу дії, зчитування і конвертування в значення струму і температури виконує контролер за допомогою інтерфейсів АЦП.

 

 

Рисунок 11. Вузол моніторингу інвертора(датчик струму)

 

 

Рисунок 12. Вузол моніторингу інвертора (датчик температури)

 

Вузол драйвера включає в себе всю логіку керування власне двигуном. До неї належить гальванічна розв’язка (рисунок 13), драйвер силових транзисторів (рисунок 14) та самі силові транзистори (рисунок 15).

 

 Рисунок 13. Вузол драйвера інвертора (гальванічна розв’язка)

 

 Рисунок 14. Вузол драйвера інвертора (драйвер силових транзисторів)

 

 Рисунок 15. Вузол драйвера інвертора (силові транзистори)

 

Для живлення всієї схеми інвертора потрібно три незалежні (гальванічно розв’язані) джерела живлення.

Перше – живлення всієї логіки схеми керування не включаючи драйвер силових транзисторів. Останнє джерело має бути з вихідною напругою в рекомендованому діапазоні 17-20В, струм споживання схеми інвертора по поточному живленню не більше 40 мА.

Друге – живлення драйвера силових транзисторів, має бути з вихідною напругою в рекомендованому діапазоні 17-20В, струм споживання схеми інвертора по поточному живленню не більше 10 мА.

Третє – живлення для власне двигуна, яким потрібно керувати. Напруга та струм, які мають бути забезпечені поточним джерелом залежать від потужності двигуна. В електричній схемі інвертора закладені силові IGBT транзистори, що забезпечують максимальне падіння напруги між колектором та емітером – 600В, і тривалий струм колектора при кімнатній температурі – 60А.

 

Опис роботи програми керування трьохфазним інвертором напруги

 Програма розроблена для поточного контролера інвертора передбачає можливість вибору типу двигуна яким потрібно керувати за допомогою наступних директив компіляції.

[code language=”cpp”]

//#define MOTOR_STEP_3PH

//#define MOTOR_VENT_3PH_HALL

//#define MOTOR_DC

//#define MOTOR_STEP_3PH_N

#define MOTOR_AC_3PH

//#define MOTOR_AC_1PH

[/code]

 

В залежності від обраної директиви компілятор налаштовує програму під певний тип двигуна, видаляючи непотрібні або вставляючи потрібні функції та окремі частини програми. Відповідно контролер плати інвертора відразу прошивається для керування відповідним типом двигуна. Щоб змінити програму керування для роботи в іншій системі з іншим типом двигуна потрібне наступне перепрограмування інвертора.

На рисунку 16 показаний зовнішній вигляд комп’ютерної програми, що була розроблена для керування роботою асинхронними двигунами.

 

Рисунок 16. Зовнішній вигляд комп’ютерної програми керування асинхронними двигунами

 

Дана програма дозволяє здійснювати демонстрацію керування асинхронним двигуном з завданням частити синусоїди, яку генерує драйвер, частоту самого ШІМ сигналу, вмикати / вимикати захист по перевищенню допустимого струму та температури з завданням критичних значень та періоду зчитування, час розгону / гальмування та напрямок обертання. Також можна передавати окремі незалежні команди з завданням кількості байт, що передаються для можливості тестування програми контролера, зчитувати струм та температуру з датчиків.

 

Застосування розробленої системи інвертора із трьома фазами

 

На момент написання поточної статті розроблена система інвертора не була застосована с складі кінцевої системи керування або стенда.

Поточна розроблена електрична плата інвертора призначається для керування трьохфазними асинхронними двигунами в системі відкритого виконання з метою дослідження частотних та споживаних характеристик двигуна в лабораторіях Хмельницького національного університету. Для таких досліджень використовується окрема система з АЦП пристроєм під контролем середовища програмування LabView від National Instruments.

Автор: Сергій Корсун, ХНУ (2010 р. вип.), місто Хмельницький.