Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Как определиться с частотой ШИМ? – Электропривод

Vadym, не нужно говорить за всех. Кто надо, тот прекрасно понимает. И при чем здесь тактовые импульсы? Частота ШИМ определяется как и все частоты, по периоду между одинаковыми фронтами. А разрешение коэффициента заполнения определяется частотой тактовых импульсов таймеров, которая может за мегагерц переваливать. Но это кроме разрешения по длительности ни на что не влияет.

 

И это, не примешивайте регулируемые выпрямители к инверторам работающим от шины постоянного тока после выпрямителя. Это очень разные оперы. Частота ШИМ 100Гц для инвертора, равноценно перегрев и проблемы в приводе.

 

Регулируемые выпрямители только обрезают синусоиду поступающую на двигатель, уже сформированную в генераторе электростанции, а не формируют ее. На них не ложится во первых тепловая нагрузка от потерь переключений. Во вторых не ложится постоянная импульсная нагрузка из-за питания от шины постоянного тока. Регулируемые выпрямители имеют в основном активные потери на сопротивлениях вентилей. Потерь переключения как у инверторов у них нет. Синусоида нарастает плавно с частотой сети, высоких импульсных токов нет. Но это выпрямитель. Он им и останется. Он может давать только постоянный ток. Вернее пульсирующий. При чем с большими искажениями при малых величинах.

 

 

Задача инвертора из постоянного тока сформировать переменный. На 100Гц ничего не получится, кроме как питать ДПТ. И то желательно поставить перед двигателем силовой дроссель, чтобы убрать гул и поднять уровень постоянной составляющей. Если на обычный инвертор питающийся от +310В подать частоту ШИМ 100Гц и подключить на вход не меньше 1кВт, то импульсные токи на порядки будут превышать средние токи. Частота ШИМ 100Гц – нонсенс. Это не управляемый выпрямитель. это инвертор. Процессы происходят разные.

 

Вы правы только в одном случае. Если стоит цель регулировать только ДПТ с довольно большими пульсациями напряжения на двигателе, или же улучшенной формой тока, но с довольно тяжелым дросселем перед двигателем.

 

Низкочастотное управление – пережиток прошлого. Хотя до сих пор используется например китайцами для регулирования ДПТ, но это все потихоньку вытесняется бесколлекторным приводом. А там ШИМ обычно выше 10кГц.

 

 

Автору. Если хочется получить гул с частотой 100Гц и пульсации момента, можно и тиристорный регулируемый выпрямитель использовать. Если требуется подобие постоянного тока,то нужно разжиться еще и тяжеленным дросселем, эдак на 10кг для мощности от 1кВт. Но все это прошлый век. Использование ШИМ на частоте 20-50кГц и современных ключей, позволит получить регулируемый привод при минимальном весе и повышенном КПД регулятора.

Изменено пользователем T-Duke

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) | Класс робототехники

Как нам уже известно из первых уроков, любой микроконтроллер умеет хорошо работать с цифровыми сигналами. Он легко справляется с арифметическими операциями над цифровыми данными, принимает и передаёт цифровые сигналы по линиям связи. А что значит «цифровые» в данном случае?

В самом первом уроке мы зажигали и гасили светодиод с помощью Ардуино. Для того, чтобы зажечь светодиод, мы подавали на его анод высокий уровень сигнала. А чтобы погасить — низкий уровень. Получается, для управления мы использовали только два уровня напряжения: высокий и низкий. Светодиод либо будет гореть, либо не будет. Третьего — не дано. Оперируя только двумя состояниями означает, что мы работаем с цифровым сигналом.

Но что делать, если нам нужно зажечь этот самый светодиод только на половину яркости? Или запустить двигатель, на 30% его мощности? Для решения этой задачи используют подход, называемый широтно-импульсной модуляцией сигнала. О том, что такое ШИМ и как это работает, мы узнаем на сегодняшнем уроке.

Широтно-импульсная модуляция — ШИМ

Разберем понятие ШИМ на примере управления скоростью вращения двигателя постоянного тока. Поставим своей целью запустить мотор на 50% от его максимальной скорости. Пусть наш двигатель идеальный и чтобы достичь заданной скорости, нам нужно в единицу времени передавать на мотор в два раза меньше мощности. Как это сделать, не меняя источник питания?

Проведем мысленный эксперимент (а кто-то может и натуральный — ничего сложного). Возьмём мотор постоянного тока с массивным маховиком, закрепленным на валу (таким маховиком может служить колесо). Подадим питание от аккумулятора и мотор начнет набирать обороты. Через какое-то время, мотор достигнет номинальной мощности, а его ротор максимальной скорости вращения. Отключим питание, и мотор постепенно начнет замедляться вплоть до полной остановки.

Следующий опыт. Снова включим мотор, и когда его скорость достигнет половины от максимальной — выключим. Заметив, что скорость падает — снова включим. И так далее. Включая и выключая питание мотора, мы заставим ротор вращаться со скоростью, близкой к половине от максимальной!

Разумеется, в силу человеческой медлительности, мотор будет удерживать заданную скорость с некоторой погрешностью. Другими словами, скорость будет «плавать» вокруг заданного значения. Чтобы минимизировать эти отклонения, нам потребуется увеличить частоту переключений. Тут уже не обойтись без автоматики.

А как заставить мотор вращаться медленнее или быстрее? Количество переданной мотору энергии будет зависеть от отношения времени когда мотор включен — tвкл к времени когда он выключен — tвыкл.

Так, для передачи мотору 50% мощности, tвкл будет равно tвыкл. Такой случай как раз изображен на графике. Чтобы мотор вращался еще медленнее, скажем с мощностью 25% от номинальной, придется время включения мотора уменьшить до этих самых 25% от общего периода управления T

.

Таким образом, имея возможность менять ширину импульсов, мы можем достаточно точно управлять скоростью вращения мотора.

Собственно, рассмотренный способ управления мощностью и называется широтно-импульсной модуляцией сигнала, а сокращённо — ШИМ. Теперь рассмотрим параметры которые характеризуют ШИМ сигнал и которые следует учитывать при написании программ для микроконтроллеров.

Коэффициент заполнения (duty cycle)

Начнем с самого главного параметра — коэффициента заполнения D (он же duty cycle). Этот коэффициент равен отношению периода ШИМ сигнала к ширине импульса:

D = T / tвкл

Пример ШИМ сигнала для разных значений D:

Чем больше D, тем больше мощности мы передаем управляемому устройству, например, двигателю. Так, при D = 1 двигатель работает на 100% мощности, при D = 0,5 — наполовину мощности, при D = 0 — двигатель полностью отключен.

Кстати, кроме коэффициента заполнения для характеризации ШИМ применяют и другой параметр —

скважность S. Эти два параметра связаны выражением:

S = 1/T  

Скважность, как и коэффициент заполнения — величина безразмерная. В отличие от D, она может принимать значения от 1 до бесконечности. Но чаще всего, особенно в англоязычных источниках, используют именно D.

Частота ШИМ

Частота ШИМ определяет период импульса — T (см картинку выше). Требования к этой частоте диктуются несколькими факторами, в зависимости от типа управляемого устройства.

В случае управления светодиодами одним из главных факторов становится видимость мерцания. Чем выше частота, тем менее заметно мерцание излучаемого света. Высокая частота также помогает снизить влияние температурных скачков, которые светодиоды не любят. На практике для светодиодов достаточно иметь частоту ШИМ в пределах 100-300 Гц.

С моторами постоянного тока дела обстоят немного иначе. С одной стороны, чем больше частота, тем более плавно и менее шумно работает мотор. С другой — на высоких частотах падает крутящий момент. Нужен баланс. Более подробно о моторах мы поговорим в одной из будущих статей, а пока рекомендуем для большинства DIY задач использовать частоту ШИМ 2кГц.

Плюс, общая проблема для всех случаев управления силовой нагрузкой — потери в цепях силовой коммутации (в транзисторах, и не только), которые увеличиваются с ростом частоты ШИМ. Чем больше частота, тем большее время транзисторы находятся в переходных состояниях, активно выделяя тепло и снижая эффективность системы.

Разрешение ШИМ

Ещё один важный параметр — разрешение ШИМ сигнала. Этот параметр показывает, с какой точностью мы можем менять коэффициент заполнения. Чем больше разрешение, тем плавнее будет меняться мощность на управляемом устройстве.

Например, у платы Ардуино с базовыми настройками, разрешение ШИМ — 256. То есть мы можем изменять сигнал от 0 до 255 — не густо, но для большинства DIY задач хватает.

ШИМ и микроконтроллеры

Простейший генератор ШИМ можно собрать и без всяких микроконтроллеров, только лишь с микросхемой таймера 555. Разумеется, любой микроконтроллер тоже умеет работать с ШИМ сигналом.

Например, у платы Ардуино имеется 6 контактов: 3, 5, 6, 9, 10 и 11, которые можно настроить для генерации аппаратного ШИМ. По-умолчанию, на контактах 5 и 6 частота сигнала будет 1кГц, на остальных — скромные 500Гц. Как ими пользоваться ШИМ на Ардуино подробно рассказывается на уроке «Ардуино: ШИМ» (скоро будет).

STM32F103 — гораздо более серьёзный микроконтроллер. У него целых 20 контактов имеют возможность генерации ШИМ. Частота этого микроконтроллера — 72МГц, что делает возможным плавное и точное управление моторами постоянного тока, не говоря уже о светодиодах. Узнаём подробности в уроке про STM32 и ШИМ.

Кстати, микроконтроллеры умеют не только генерировать ШИМ, но и детектировать подобные сигналы. Про это можно почитать в соответствующей статье на нашем портале (скоро будет).

Вконтакте

Facebook

Twitter

Как управлять мотором постоянного тока

Двигатель постоянного тока

Для начала рассмотрим повнимательней обычный двигатель постоянного тока. Любой двигатель имеет две основные части – ротор и статор. В коллекторном двигателе статор — неподвижная часть, состоит из постоянных магнитов (или в более мощных двигателях электромагнитов). Ротор (якорь) — вращается, совмещён с валом двигателя и состоит из многих катушек (как минимум трех). Коллектор (щёточно-коллекторный узел) отвечает за переключение выводов катушек ротора. Ток в таком двигателе подводится к катушкам ротора через скользящие контакты (или щётки). В один момент времени подключена только одна катушка, она и создаёт момент вращения двигателя за счет проходящего тока.

С точки зрения базовых элементов схемотехники любой двигатель можно представить в виде следующей эквивалентной схемы:


Когда мотор подключён источнику постоянного тока и еще не начал вращаться, то он представляет из себя обычное сопротивление. То есть через него течет ток согласно закону Ома и сопротивлению его обмотки. Преобладает компонента R. Индуктивность начинает влиять когда напряжение не постоянное, например, если мотор питается от ШИМ (PWM) сигнала.

Сопротивление ротора и индуктивность, как правило, очень малы. Его можно померить обычным мультиметром. Небольшие модельные моторы имеют сопротивление 1-10 Ом. Поэтому, при старте мотора (когда он ещё не начал вращаться), ток сильно превышает рабочий ток мотора и если мотор долго будет неподвижен (его заклинило), то такой высокий ток может привести к перегреву мотора и выходу из строя.

Индуктивность катушек ротора пытается поддерживать ток протекающий через обмотки постоянным. Ее влияние заметно только когда напряжение меняется. Когда мотор начинает вращаться, то коллектор начинает переключать катушки ротора, что вызывает изменение напряжения. Индуктивность пытается в эти моменты поддерживать ток протекающий через мотор на постоянном уровне за счет напряжения.

Во время вращения катушки ротора начинают вырабатывать ток (как генератор) – возникает обратная ЭДС. Чем быстрее вращается ротор, тем выше обратная ЭДС возникающая в катушках, а так как она направлена против напряжения питания, то ток потребляемый мотором снижается.

В дальнейшем нам понадобятся следующие выводы:

  • пока мотор не начал вращаться он является сопротивлением

  • если приложить к мотору изменяющееся напряжение (например PWM), то индуктивность будет иметь большое влияние, она будет сопротивляться изменению тока через мотор

  • когда мотор вращается, то он является генератором, и за счет этого потребляемый ток снижается (итоговое напряжение равно V — Vbemf).

Как подключить мотор к МК

В данной статье мы будем разбираться как управлять с помощью МК скоростью и направлением вращения обычным двигателем постоянного тока.

Для того чтобы коллекторный мотор постоянного тока начал вращаться, достаточно подать на него определённое напряжение. Полярность данного напряжения будет определять направление его вращения, а величина напряжения — скорость вращения. Напряжение нельзя менять безгранично. Каждый мотор рассчитан на определённый диапазон напряжений. При повышении напряжения ток через мотор будет расти, и он начнётся перегреваться и может сгореть. На следующем графике некоего мотора хорошо видна взаимосвязь его основных показателей.


Максимальной мощности (Torque — крутящий момент) мотор достигает при максимальном токе. И зависимость тока и момента — линейная. Максимальной скорости двигатель достигает при отсутствии нагрузки (на холостых оборотах), при увеличении нагрузки скорость вращения падает. Номинальное рабочее напряжение указано в паспорте на двигатель и именно для него и приведён и этот график. Если же снижать напряжение, то скорость вращения, и все остальные показатели будут тоже падать. Как правило, ниже 30-50% от номинального напряжения мотор перестанет вращаться. Если же мотор не сможет прокрутить вал (его заклинило), то по сути станет сопротивлением и потребляемый ток достигает максимальной величины, зависящей от внутреннего сопротивления его обмоток. Обычный мотор не рассчитан на работу в таком режиме и может сгореть.

Посмотрим как меняется ток от нагрузки на реальном моторе R380-2580.


Мы видим, что рабочее напряжение данного мотора — 12В, потребляемый ток под нагрузкой — 1.5А. Ток останова мотора вырастает до 8А, а в холостом же вращении, потребляемый ток равен всего 0.8А.

Как мы знаем, порт микроконтроллера не может выдать ток больше 50мА, и напряжение питания 12В для него слишком большое. Для управления моторами нам понадобится электронный ключ — транзистор, возьмём обычный биполярный транзистор NPN и подключим его по следующей неправильной схеме.


Чтобы мотор начал вращаться, на базу транзистора необходимо подать небольшой ток, далее транзистор откроется и сможет пропустить через себя гораздо больший ток и напряжение — мотор будет вращаться. Стоит отметить что, если мы соберём такую схему, то транзистор очень скоро, если не сразу, выйдет из строя. Чтобы этого не произошло, его необходимо защитить.

Как мы уже знаем одна из компонент мотора — индуктивность – сопротивляется изменению тока. Поэтому, когда мы закроем транзистор, чтобы выключить мотор, то сопротивление транзистора резко увеличится и он перестанет пропускать через себя ток. Однако индуктивность будет сопротивляться этому, и для того, чтобы удержать ток на прежнем уровне, по закону Ома, напряжение на коллекторе транзистора начнёт резко повышаться (может достигнуть даже 1000В, правда очень на малое время) и транзистор сгорит. Чтобы этого не произошло необходимо параллельно обмоткам мотора поставить диод, который откроет путь для обратного напряжения и замкнёт его на обмотке мотора, тем самым защитит транзистор.

Также, все постоянные моторы имеют еще одну неприятность — при вращении механический контакт в коллекторе не идеален, щётки искрят в процессе работы, создавая помехи, что может привести к сбою микроконтроллера. Чтобы снизить эти помехи, необходимо использовать конденсаторы небольшой ёмкости, подключенный параллельно выводам мотора (как можно ближе к самому мотору). Вот окончательная правильная схема (диод может быть не обязательно Шоттки, но он предпочтителен).


Биполярные транзисторы в открытом состоянии они ведут себя как диоды (на них падает около 0.7 В). А это, в свою очередь, вызывает их большой нагрев на больших токах и снижает КПД схемы управления мотором. Поэтому лучше управлять моторами с помощью полевых (MOSFET) транзисторов. В настоящее время они достаточно распространены и имеют невысокую цену. Их низкое сопротивление в открытом состоянии позволяет коммутировать очень высокие токи с минимальными потерями. Однако и у них есть свои недостатки. Так как MOSFET транзисторы управляются напряжением, а не током (и обычно оно составляет 10В), то нужно или выбирать специальные логические MOSFET, которые могут управляться низким напряжением — 1.8 .. 2.5В или использовать специальные схемы накачки напряжения (драйверы полевых транзисторов). Как выбирать MOSFET под вашу схему мы рассмотрим в других статьях, на конкретных приборах.

Теперь, подавая на выход микроконтроллера логическую единицу, мы заставим мотор вращаться, а логический ноль — остановится. Однако вращаться он будет с постоянной скоростью и только в одну сторону. Хотелось бы иметь возможность менять направление вращения мотора, а также его скорость. Рассмотрим, как этого можно добиться с помощью микроконтроллера.

H-Мост — меняем направление вращения мотора

Для управления направлением вращения мотора существует специальная схема, которая называется H-мост (схема выглядит как буква H).


Работает схема очень просто. Если открыть верхний правый и левый нижний транзистор, то на клемах мотора справа будет плюс, а слева будет минус. Мотор будет крутиться в одну сторону. Если открыть левый верхний и правый нижний, то справа будет минус, а слева плюс — полярность тока сменится, и мотор будет крутиться в другую сторону. Паразитные диоды внутри MOSFET транзисторов будут защищать всю схему (параметры этих диодов не очень хорошие и в реальных схемах могут понадобиться более быстродействующие диоды Шотке параллельно паразитным диодам, для снижения нагрева полевого транзистора), так что лишние компоненты не понадобятся, кроме искрогасящего конденсатора.


В схеме H-моста в качестве нижних транзисторов всегда используются N-канальные, а вот верхние могут быть как N-канальные, так и P-канальные. P-канальными транзисторами в верхнем ключе проще управлять, достаточно сделать схему смещения уровня напряжения на затворе. Для этого можно использовать маломощный N-канальный полевой или биполярный транзистор. Нижним транзистором можно управлять напрямую от МК, если выбрать специальный логический полевой транзистор.

Если в вашей схеме будет использоваться высоковольтный мотор постоянного тока (больше 24В) или мощный мотор с токами более 10А, то лучше использовать специальные микросхемы — драйверы MOSFET транзисторов. Драйверы управляются, как правило, сигналами микроконтроллера от 2 до 5В, а на выходе создают напряжение необходимое для полного открытия MOSFET транзисторов — обычно это 10-15В. Также драйверы обеспечивают большой импульсный ток необходимый для ускорения открытия полевых транзисторов. С помощью драйверов легко организовать управление верхним N-канальным транзистором. Очень хорошим драйвером является микросхема L6387D от компании ST. Данная микросхема хороша тем, что не требует диода для схемы накачки напряжения. Вот так она подключается для управления H-мостом на 2-х N-канальных транзисторах.


N-канальные полевые транзисторы, стоят дешевле P-канальных, а также имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии, что позволяет коммутировать большие токи. Но ими сложнее управлять в верхнем положении. Проблема использования N-канального транзистора в верхнем ключе состоит в том, что для его открытия нужно подать напряжение 10В относительно Истока, а как вы видите на схеме там может быть все напряжение питания мотора, а не 0 вольт. Таким образом, на базу необходимо подать 10В + напряжение питания мотора. Нужна специальная bootstrap схема для повышения напряжения. Обычно, для этих целей используется схема накачки напряжения на конденсаторе и диоде. Однако такая схема работает только, если вы постоянно подзаряжаете конденсатор — открывая, закрывая нижний транзистор (в ШИМ управлении). Для возможности поддерживания верхнего транзистора постоянно открытым нужно еще усложнять схему — добавлять схему внешней подпитки конденсатора. Вот пример схемы управления N-канальными транзисторами без использования микросхем драйверов.


Перейдём к управлению скоростью вращения мотора.

ШИМ сигнал — управляем скоростью вращения мотора

Моторы постоянного тока имеют линейную зависимость скорости вращения от приложенного напряжения. Таким образом, чтобы снизить скорость вращения, надо подать меньше напряжения. Но надо помнить, что с падением напряжения, у мотора падает мощность. Поэтому, на практике, можно управлять скоростью мотора только в пределах 30%-50% от полной скорости вращения мотора. Для управления скоростью мотора без потери мощности, необходима обратная связь от мотора по оборотам вращения, например как в электрическом шуруповерте. Такой режим управления, требует более сложной схемы. Мы же будет рассматривать простой вариант — управление скоростью мотора без обратной связи.

Итак, нам необходимо менять напряжение подаваемое на мотор. В нашем распоряжении есть MOSFET транзистор. Мы помним, что наш мотор имеет индуктивность. Индуктивность сопротивляется изменению тока. И если быстро включать и выключать напряжение на моторе, то в момент выключения ток будет продолжать течь благодаря индуктивности. А мотор будет продолжать вращаться по инерции, а не остановится. Но естественно, вращаться он будет медленнее, среднее напряжение на его обмотках будет меньшее.

Микроконтроллер, как раз, отлично умеет генерировать импульсный ШИМ (PWM) сигнал. А мотор умеет интегрировать данный сигнал (усреднять) за счёт индуктивности обмоток и инерции ротора. От коэффициента заполнения (скважности) ШИМ сигнала как раз и будет зависеть полученное мотором среднее напряжение, а значит и скорость.

Какая же частота ШИМ нужна для лучшего управления мотором? Ответ очень простой, чем больше, тем лучше. Минимальная частота зависит от индуктивности мотора, а также массы ротора и нагрузки на вал мотора. Если смоделировать в электрическом симуляторе (например, PROTEUS) ШИМ управление мотором, то будет видно, что чем больше частота ШИМ, тем более ровный ток протекает через мотор (ripple current — снижается при увеличении частоты). Низкая частота:


высокая частота:


Если же частота упадёт ниже определённого уровня, ток станет разрывным (будет падать до нуля) и в итоге мотор не сможет крутиться.


Отлично, все просто! Делаем частоту ШИМ побольше, например 1 МГц, и любому мотору хватит. В жизни же, все не так просто. Для понимания всех возможных проблем можно упрощенно принять затвор MOSFET транзистора за идеальный конденсатор. Для того чтобы транзистор полностью открылся, конденсатор необходимо зарядить до 10В (на самом деле меньше). Чем больше ток, который мы можем вкачать в конденсатор, тем быстрее он зарядится, а значит быстрее откроется транзистор. В процессе открытия транзистора, ток и напряжение на нем будут максимальными, и чем больше это время, тем сильнее нагреется транзистор. В datasheet обычно есть такой параметр как Qgate — полный заряд, который надо передать транзистору, чтобы он открылся полностью.


Чем меньше эта величина, тем меньшей ток нужен для управления данным транзистором. Естественно, такой ток нужен только на очень короткое время — какое, опять же написано в datasheet — tr, обычно оно измеряется в наносекундах. Чтобы выдать такой ток, нужны специальные драйверы, если же мы управляем логическим MOSFET напрямую от микроконтроллера, то мы не сможем обеспечить такой ток. Поэтому для защиты микроконтроллера необходимо перед базой MOSFET ставить резистор, а это сильно замедляет время открытия. В итоге, микроконтроллер в прямом управлении не может обеспечить более 1-2 мкc на открытие и закрытие транзистора. Время открытия и закрытия должно занимать не более 10% длительности ШИМ сигнала. Таким образом, мы сразу получаем ограничение в частоте — 50 000 Гц. Дополнительно, сам микроконтроллер должен иметь возможность генерировать ШИМ сигнал с возможностью хотя бы 8 битного управления шириной ШИМ (для этого требуется большая рабочая частота МК). В итоге, обеспечить большую частоту ШИМ не так просто. Так же, на высоких частотах, начитает мешать паразитные ёмкости и индуктивности. На плате, которую можно сделать дома, получить частоту ШИМ больше 300 кГц, очень сложно. Трассировка платы должна быть сделана идеально. Для снижения требований к плате, в настоящее время выпускаются специальные MOSFET, объединённые с драйверами управления, они позволяют на заводских, многослойных платах получить частоту управления MOSFET в 2МГц.

Индуктивность моторов не такая уж маленькая, и такие большие частоты не нужны. Для управления моторами постоянного тока вполне достаточно 8 кГц, лучше около 20кГц (за звуковым диапазоном).

Дополнительно стоит отметить, что для снижения стартового тока необходимо плавно поднимать на старте частоту ШИМ. А еще – лучше контролировать стартовый ток мотора с помощью датчиков тока.

ШИМ управление мотором предполагает очень быстрое изменение напряжение от 0 для максимального, что порождает большие проблемы при трассировке платы. Перечислим коротко правила, которые необходимо соблюдать при трассировке платы.

  • Земли управления моторами и микроконтроллера обязательно должны быть разделены, соединение в одной точке тонким проводником, например 0.3мм, как можно ближе к проводам питания всей схемы

  • Драйвера управления MOSFET должны быть как можно ближе к самим MOSFET транзисторам

  • Исполнение управляющей области обязательно двухсторонее, желательно с земляным слоем с одной стороны. При импульсном управлении возникают электромагнитные помехи, чтобы снизить их, земляной слой должен быть рядом.

  • Обязательно наличие конденсатора как можно ближе к зоне прохождения больших импульсных токов. Если такого конденсатора не будет, то напряжение на линии питания будет сильно проседать и микроконтроллер будет постоянно сбрасываться. Также без такого конденсатора, за счёт индуктивности проводов питания, напряжения на линии питания может увеличиться в несколько раз и компоненты выйдут из строя!

Более подробно мы рассмотрим как работают эти правила на конкретных приборах.

ШИМ сигнал в H-мосте

Чтобы можно было менять направление вращения и скорость — нужна схема H-моста, а для регулирование скорости нужно управлять транзисторами ШИМ сигналом. В схеме H-моста четыре транзистора. Как лучше ими управлять? На какой транзистор подавать ШИМ сигнал? Разберёмся в этом вопросе (рекомендуем прочитать очень подробную статью на эту тему).

Рассмотрим нашу схему с точки зрения нагрева транзисторов. Это один из основных критериев, по которому наш прибор может выйти из строя. Полевой транзистор состоит из двух элементов — собственно транзистор и паразитный диод. В схеме управления мотором оба элемента работают. Нагрев полевого транзистора происходит в следующие моменты времени:

  • когда транзистор открыт, нагрев идёт из-за сопротивления в открытом состоянии Rdson, пропорционально времени открытия транзистора выделяется мощность P = I * I * Rdson

  • когда транзистор закрыт, то ток ЭДС мотора идёт через диод, то есть нагрев идет из-за диода P = I * U diode forward (как правило 1В)

  • когда транзистор переключается из открытого состояния в закрытое, то нагрев пропорционален времени открытия и закрытия транзистора

Посмотрим, как влияет схема управления на нагрев нашим электронных ключей. Допустим, что мы управляем мотором ШИМ сигналом со скважностью 50% и мотор крутится в одну сторону.

Самый простой вариант — применить ШИМ сигнал к одному из двух транзисторов, а второй оставить все время открытым. Обычно, ШИМ в этом случае подаётся на нижний транзистор (N типа), который обычно быстрее. В этом случае нагрев нижнего будет больше верхнего на величину тепла выделяемого при переключениях транзистора. Чтобы сравнять счёт, можно попеременно подавать ШИМ сигнал то на верхний (если они одинаковые), то на нижний транзистор. Также можно подавать ШИМ на оба транзистора одновременно, но из-за разницы в транзисторах это будет не эффективно, а также будет увеличивать нагрев за счёт переключения транзисторов. При такой схеме управления, два других транзистора работают как диоды. К счастью, наибольший ток через диод будет при наибольшей скважности ШИМ, при этом диод будет задействован очень малое время.

Для исключения тока через диоды, которые дают существенный нагрев, можно мотор никогда не отключать от напряжения, а вместо этого, крутить его в обратную сторону. Таким образом, мы должны, например 70% ШИМ сигнала крутить вправо, а 30% влево. Это даст в итоге 70%-30%=40% скорости вправо. Но при этом не будут задействованы диоды. Такой метод управления называется комплиментарным. Такая схема требует большого конденсатора на линии питания, а также источника питания, который может потреблять ток (например аккумулятора).

Вместо вращения мотора в разные стороны, можно помогать диодам — а именно тормозить мотор, открывать два верхних транзистора в момент низкого уровня ШИМ сигнала. На практике, все эти методы не дают существенного изменения скорости вращения двигателя, но позволяют эффективно управлять нагревом полевых транзисторов. Более подробно про особенности различных схем управления можно в этой статье.

На этом мы закончим нашу статью про моторы. Теперь можно перейти к практике — будем делать плату управления 4-мя моторами для робота.

ШИМ регулятор скорости двигателя постоянного тока

Регулировать скорость вращения небольших двигателей постоянного тока очень удобно посредством широтно-импульсной модуляции — ШИМ или PWM (pulse-width modulation). Предлагаемая схема управления очень проста и собрана всего на одном распространенном и дешевом чипе LM324. Эта микросхема содержит четыре одинаковых операционных усилителя в одном корпусе. Для реализации схемы ШИМ в общем случае необходим генератор напряжения треугольной формы и компаратор. два из четырех ОУ микросхемы LM324 работают в генераторе, третий ОУ включен как компаратор. Четвёртый ОУ не используется. Никто не мешает вам использовать в этой схеме три одиночных операционных усилителя общего применения, например TL071 или один сдвоенный и один одинарный ОУ, к примеру, TL072 + TL071. В этом случае размер устройства, конечно, будет больше, чем в случае использования одно счетверенного ОУ.

Генератор напряжения треугольной формы собран на ОУ N1 и N2 по известной схеме «интегратор-компаратор». На выходе компаратора на N2 (14) формируются прямоугольные импульсы частотой около 1.6 кГц, которые по цепи обратной связи подаются на инвертирующий вход (2) интегратора, собранного на ОУ N1 через резистор R1. С выхода интегратора (1) снимается сигнал треугольной формы с той же частотой 1.6 кГц. Треугольная волна поступает на неинвертирующий вход (5) компаратора, реализованного на ОУ N3. Одновременно на инвертирующий вход N3 поступает образцовое напряжение с движка потенциометра VR1, который входит в делитель напряжения R4, R5, VR1. При указанных номиналах делителя напряжения и напряжении питания ∓12В, образцовое напряжение может принимать значения от -6 до +6 вольт, в зависимости от угла поворота оси потенциометра VR1. Компаратор N3 сравнивает треугольный сигнал на выводе 5 N3 с образцовым напряжением на выводе 6. если напряжение на выводе 5 больше напряжения на выводе 6, то на выходе N3 (7) появится высокий уровень напряжения около +12В. Когда напряжение на выводе 5 N3 станет меньше образцового на выводе 6, на выходе 7 N3 появится низкий уровень около -12В. Таким образом, при поступлении на вход 5 напряжения треугольной формы на выходе 7 будут формироваться прямоугольные импульсы с длительностью, зависящей от образцового напряжения на выводе 6 N3. Иными словами, мы сможем регулировать скважность прямоугольного сигнала на выходе N3, поворачивая движок потенциометра VR1.



Наглядно процесс показан на графике ниже. Зеленая линия — это образцовое напряжение. Прямоугольный сигнал синего цвета — это выходной сигнал компаратора.

ШИМ сигнал с выхода N3 подается га затвор MOSFET транзистора Т1. двигатель постоянного тока включен в цепь стока этого транзистора. Во время действия высокого уровня напряжения полевой транзистор открывается и подключает двигатель к источнику питания. Во время действия напряжения низкого уровня транзистор закрыт и мотор обесточен. Поскольку это происходит со сравнительно высокой частотой, средний ток, протекающий через мотор зависит от скважности (длительности) прямоугольных импульсов. поступающих на затвор транзистора. Чем больше длительность импульса, тем больше будет средний ток, проходящий через двигатель и наоборот. таким образом происходит регулировка частоты вращения мотора.

Для работы схемы требуется двухполярный источник питания напряжением ∓12В. Схема может быть модифицированна для использования с двигателями постоянного тока, рассчитанными на напряжение от 6 до 24 вольт.


Регулирование скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока и мотор-редукторы, созданные на их основе, нуждаются в надежной системе управления скоростью вращения вала. Простым и удобным методом решения проблемы является применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Способ основан на преобразовании постоянного напряжения в импульсное. При этом управление частотой вращения осуществляют путем изменения длительности подающегося импульса.

Например, по такому же принципу используют ШИМ схему в осветительных приборах для регулировки яркости свечения светодиодных ламп. Так как у светодиода небольшое время затухания частота работы устройства регулирования имеет большое значение. Качественные приборы должны полностью исключать мерцание при пониженной яркости свечения.

Управление двигателями постоянного тока методом ШИМ стало возможным благодаря силе инерции. После прекращения подачи напряжения на обмотки вал электродвигателя останавливается не сразу, продолжая движение по инерции. Путем кратковременной подачи напряжения с определенным периодом можно добиться плавного регулирования скорости вращения вала. При этом главным регулирующим параметром является размер паузы между импульсами.

Применение устройства управления для двигателя постоянного тока

Этот метод управления двигателем постоянного тока позволяет плавно изменять скорость вращения вала в широких пределах. ШИМ делает возможным изменение параметров работы двигателя в автоматическом режиме в соответствии с установленными данными. Необходимую информацию регулятор оборотов коллекторного двигателя получает от пользователя или специального датчика, который определяет, температуру, скорость вращения или любой другой параметр. Например, в воздушных системах охлаждения регулятор оборотов изменяет скорость вращения вентилятора на основе данных, полученных от датчика температуры. Это позволяет автоматически замедлять скорость потока воздуха при низкой температуре и увеличивать при высокой.

Схема управления коллекторным двигателем постоянного тока

Простую схему управления двигателем постоянного тока можно собирать из полевого транзистора. Он играет роль электронного ключа, который переключает схему питания двигателя после подачи напряжения на базу. Электронный ключ остается открытым на время, соответствующее длительности импульса.

ШИМ сигнал характеризуют коэффициентом заполнения, который равен обратной величие скважности. Коэффициент заполнения равен отношению продолжительности импульса к периоду его подачи. Скорость движения вала двигателя будет пропорциональна значению коэффициента заполнения. Поэтому, если частота ШИМ сигнала слишком низкая для обеспечения стабильной работы, то вал двигателя будет вращаться заметными рывками. Чтобы гарантировать плавное регулирование и стабильную работу частота должна превышать сотни герц.

Оптимальные значения частоты ШИМ сигнала

Частота может варьироваться в широких пределах от нескольких десятков до нескольких сотен герц. Благодаря емкостной нагрузке происходит сглаживание импульсов. В итоге на двигатель подается «постоянное» напряжение средней величины в зависимости от параметров управляющей системы. Например, если двигатель получает питание от сети напряжением 10В, и к нему подключить регулятор с длительностью импульса равной половине периода подачи, то эффект будет таким же, как при подаче 5В на двигатель напрямую.

Сложности при ШИМ регулировании скорости двигателя постоянного тока

ШИМ является популярным методом регулирования аналоговым напряжением в различных схемах. При использовании этого способа регулирования пользователь может столкнуться с непредсказуемым поведением двигателя. Например, вал может начать вращение в обратную сторону. Это происходит при низких емкостных нагрузках. В коллекторных двигателях в процессе работы происходит постоянное переключение обмоток якоря. Когда подключают регулятор, начинает происходить отключение и включение питание с определенной частотой. Дополнительная коммутация в сочетании с коллекторной может привести к проблемам с эксплуатацией двигателя. Поэтому устройства управления с ШИМ регулированием двигателя должны быть тщательно продуманы и проработаны.

Также причиной нестабильной работы электродвигателя может стать факт влияния силы тока на скорость вращения ротора, которая находится в зависимости от уровня приложенного напряжения. Проблемы могут возникнуть при эксплуатации двигателей на малой скорости по отношению к номинальному значению.

Например, у пользователя есть двигатель, который при номинальном напряжение вращает ротор со скоростью 10об/сек. Чтобы понизить скорость до 1 об/сек недостаточно просто снизить напряжение до 1В. Подобрать подходящее значение подаваемого напряжения сложно и если пользователю и удастся, то при незначительном изменении условий эксплуатации скорость снова изменится.

Решением проблемы является применение системы автоматического регулирования или кратковременное включение электродвигателя на полную мощность. Движение ротора будет происходить рывками, но при правильно подобранной частоте и длительности подаваемых импульсов можно сделать вращение более стабильным. Так, добиваются устойчивого движения вала электродвигателя с любой скоростью, которая не будет меняться в зависимости от нагрузки.

Реализация ШИМ

Многие модели современных ПЛК контроллеров предоставляют возможность организации ШИМ. Но иногда доступных каналов оказывается недостаточно и приходится использовать программу обработки прерывай.

Алгоритм реализации ШИМ:

  1. В начале каждого импульса ставим единицу и ждем повышения значения до заданного уровня.
  2. Сбрасываем линию на ноль.

Длительность импульса легче отследить с определенной периодичностью или ступенями. Например, десять регулировочных ступеней соответствуют 10% от максимального значения. Прежде всего необходимо определиться с частотой импульсов и количеств ступеней регулирования. Далее, умножают полученные значения. Результат произведения даст необходимую частоту прерываний таймера.

При желании можно выбрать подходящую частоту таймера или количество ступеней регулирования и путем расчетов находят необходимую частоту импульсов.

Так же по теме регулирования скорости коллекторного двигателя предлагаем статью “Управление коллекторным двигателем постоянного тока методом ШИМ”

Частотные преобразователи – структура, принцип работы

Внимание! Приведенная ниже информация носит теоретический характер. Если Вам необходимо решить конкретную задачу или разобраться как и какое оборудование следует применить в Вашем случае, воспользуйтесь бесплатной консультацией связавшись с нами одним из указанных вверху данной страницы или на странице “Контакты” способов, либо заполните опросный лист. Инженер службы технической поддержки направит Вам рекомендации на указанный Вами адрес электронной почты. 

 

Частотные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

 

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

 

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

 

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

    1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
    2. С с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
      • Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше).
      • Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах, относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

 

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

 

 

 

 

  

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

 

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

 

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

 

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

 

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

 

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

 

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

 

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

 

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

 

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая не энергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

 

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

 

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

 

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

 

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

 

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

 

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

 

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

 

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

 

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

 

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

 

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

 

 

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

 

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

 

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

 

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

 

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

 


Сделать заказ на частотный преобразователь

Понимание эффекта ШИМ при управлении бесщеточным двигателем постоянного тока

Разработчики систем управления движением могут столкнуться с проблемами при выборе или разработке электроники ШИМ для управления бесщеточными двигателями постоянного тока. Матье Буа обсуждает параметры, которые следует учитывать при разработке аспекта электронного управления системой движения, особенно в тех случаях, когда такие факторы, как срок службы батареи, общий размер и вес упаковки, являются ключевыми проблемами

Схематическое изображение в разрезе бесщеточного двигателя постоянного тока с плавным ходом. начальный шаг 3.

В любой системе с бесщеточным двигателем постоянного тока роль управляющей электроники, усилителя, состоит в том, чтобы изменять напряжение питания или ток, или и то, и другое, для достижения желаемого выхода движения двигателя. Есть несколько вариантов усилителя. Линейный усилитель адаптирует мощность, подаваемую на двигатель, путем линейного изменения напряжения или тока. Он рассеивает мощность, которая не передается двигателю, что приводит к необходимости использования большого радиатора для рассеивания мощности, что увеличивает размер усилителя и затрудняет интеграцию в приложение.

Напротив, чоппер-усилитель модулирует напряжение (и ток) путем включения и выключения силовых транзисторов. Основное преимущество – экономия энергии при выключенном транзисторе. Это помогает сэкономить время автономной работы приложения, вызывает меньший нагрев и позволяет уменьшить размер электроники.

Чаще всего в усилителях-прерывателях используется метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции), изменяющий рабочий цикл на фиксированной частоте для регулировки напряжения или тока в пределах желаемого целевого значения.

Частота коммутации – это фиксированный параметр, позволяющий разработчикам электроники легко фильтровать генерируемый акустический и электромагнитный шум. Однако полезно понимать некоторые другие основные физические явления, чтобы избежать неожиданных проблем с производительностью. В частности, включение и выключение транзисторов приводит к нарастанию и падению тока в каждом цикле, что может быть проблематичным.

В то время как средний ток, установленный рабочим циклом переключающей электроники, определяет крутящий момент двигателя, пульсирующий ток приводит к дополнительным потерям в Джоулях (тепло) и может иметь огромное влияние на среднеквадратичный (среднеквадратичный) ток без какого-либо соответствующего увеличения. в крутящем моменте.Поскольку щеток нет, пульсирующий ток не снижает срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока, как это было бы в щеточном двигателе постоянного тока, но он тратит впустую энергию (потенциально снижая срок службы батареи в портативных приложениях) и может потребовать радиатора, увеличивая размер и вес к приложению.

Пульсации тока также вызывают потери в стали, образуя циркуляционные вихревые токи, которые пропорциональны квадрату скорости двигателя и квадрату тока двигателя. Потери в стали оказывают прямое влияние на мощность двигателя, и, будучи возведенным в квадрат зависимость, легко увидеть, как высокий пульсирующий ток может быстро вызвать значительные потери в стали.

Уменьшение пульсаций тока

Поэтому важно, чтобы пульсации тока были как можно ниже, и есть несколько способов сделать это.

Первый – рассмотреть возможность уменьшения или адаптации напряжения источника питания, учитывая, что пульсации тока прямо пропорциональны этому напряжению. Высокое напряжение может быть полезно, когда приложение требует высокой скорости или высокой мощности, но если эти крайние значения не нужны, то более низкое напряжение питания будет полезным для уменьшения пульсаций тока.

Кроме того, работа в той же точке нагрузки с более низким напряжением источника питания также увеличит рабочий цикл, что еще больше снизит пульсации тока. Как правило, важно поддерживать рабочий цикл ШИМ как можно дальше от 50%, что является наихудшим случаем.

Второй вариант – увеличить частоту ШИМ. При более коротком времени цикла у тока будет меньше времени для повышения, что означает меньшую пульсацию. Portescap рекомендует использовать частоты ШИМ не менее 50 кГц для бесщеточных двигателей постоянного тока.Частоты ШИМ 80 кГц или более будут даже более подходящими для двигателей с очень малой электрической постоянной времени.

Наконец, мы можем рассмотреть вопрос об увеличении индуктивности, добавив внешние компоненты индуктивности, чтобы замедлить рост и падение тока и, следовательно, уменьшить пульсации тока. Однако, хотя добавление индуктивностей, например, в несколько десятков мкГн может работать на бумаге, на практике может не хватить места для интеграции этих компонентов, особенно в приложениях, где пространство ограничено.Поэтому обычно разумнее сначала изучить два других варианта.

PWM имеет много преимуществ по сравнению с другими формами управления, и легко понять, почему это наиболее широко используемое решение для управления бесщеточными драйверами постоянного тока. Доступность и доступность электронных компонентов позволяют легко установить адекватное напряжение ШИМ и использовать высокую частоту ШИМ, уменьшая пульсации и избегая необходимости использовать дополнительные индуктивности. Это сводит к минимуму дополнительную энергию, рассеиваемую за счет потерь в Джоулях, помогая максимизировать срок службы батареи, позволяя конструкторам минимизировать размер, вес и электронику, что является ключевым фактором, например, в портативных устройствах со встроенной электроникой.

Как всегда, сотрудничество со знающим поставщиком на самых ранних этапах проектирования может принести дивиденды. Инженеры Portescap всегда готовы помочь вам определить подходящую электронику для работы с бесщеточными двигателями постоянного тока даже в самых сложных приложениях.

Матье Буа, инженер по применению в Portescap

http://www.portescap.com

Как перестать управлять двигателем постоянного тока: поменяйте роли местами! | Саймона БДИ | luos

Первая часть этого раздела была посвящена управлению направлением вашего двигателя постоянного тока.Сегодня пора взглянуть на контроль скорости. Этот пост может прочитать каждый, кому интересны основы роботизированной моторизации, но я предлагаю вам начать с руководства по двигателям в робототехнике, а также с первой части этого поста.

Есть также небольшой пост, который я написал, чтобы резюмировать различные темы, в которых я обсуждаю двигатели.

Далее все слова «двигатель» относятся к «щеточному двигателю постоянного тока».

Вот и все. Вы можете выбрать направление вращения двигателя , когда захотите .Какое сладкое ощущение. Вы чувствуете, что почти полностью контролируете ситуацию… но вы уже хотите большего.
Ок. Давайте посмотрим, как вы можете контролировать скорость своего двигателя.

Напряжение

Электродвигатель работает с помощью электроэнергии, то есть напряжения и тока, которые поступают на вход через провода. Хотя инвертирование этих проводов приводит к изменению направления вращения, мы также можем регулировать напряжение и ток, чтобы увидеть изменения на выходе двигателя.

Напряжение на выводах, в частности, , пропорционально скорости двигателя.Это означает, что чем больше напряжения на входе, тем быстрее двигатель будет вращаться на выходе.

Примечание: Если вы попытаетесь увеличить напряжение в высоких диапазонах, не проверяя его техническое описание, вы, скорее всего, сожжете его. Каждый двигатель имеет определенное напряжение и ток, которые он может выдерживать в зависимости от его частей, и снижение этих значений не является хорошей идеей.

Позже мы увидим, что делает ток.

Итак, теперь вы можете управлять скоростью вращения двигателя.Конечно, придется менять напряжение на входе. Вручную.

Мы могли бы использовать последовательный переменный резистор (R1), чтобы мы могли регулировать напряжение, то есть скорость двигателя.

Технически это работает, но…

Но:

  • Это не автоматизировано – это не робототехника!
  • Резистор рассеивает мощность, когда через него протекает ток, и выделяет тепло. Это означает меньшую мощность и меньшую эффективность.
  • Поскольку ток изменяется в зависимости от нагрузки двигателя (мы увидим это позже), и поскольку падение напряжения зависит от тока в резисторе, регулирование скорости не будет линейным, если нагрузка двигателя изменяется.

Это действительно контроль? Нет, это не так.

Что касается изменения направления, мы хотим контролировать скорость, то есть напряжение, через микроконтроллер, запрограммированный нашим собственным кодом.

Но сначала давайте углубимся в новую концепцию:

PWM – Что это такое?

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) – это способ подачи напряжения, но вместо того, чтобы быть фиксированным значением, много маленьких ступеней напряжения.

Плоское напряжение в зависимости от напряжения ШИМ

Применительно к двигателю это все равно, что включать и выключать его много раз и очень быстро.

  • Фазы включения называются импульсами .
  • Короткое время одного импульса HIGH называется рабочим циклом (в секундах – пока).
  • Один импульс HIGH и одна часть времени LOW называется периодом (также в секундах).
  • Высокое значение импульса называется амплитудой (в вольтах).
  • Частота (f) в Герцах, является инверсией периода (T).
Отлично. Математика сейчас.Что еще дальше?

Давайте посмотрим на иллюстрацию сигнала ШИМ:

Что касается шкалы времени, частота ШИМ, выбранная для управления двигателем, может варьироваться ( очень ) примерно от нескольких герц до нескольких килогерц. Применение последней формулы означает, что для частоты ШИМ f = 10 кГц мы имеем период T = 1 / 10,000 = 0,0001 с . Итак, в этом примере каждый импульс длится менее 0,1 миллисекунды. Это немного.

При генерации сигнала ШИМ он будет определяться только его частотой в герцах и рабочим циклом в% от периода.

Как создается ШИМ?

Вы можете использовать различные электронные компоненты для создания схемы, обеспечивающей сигнал ШИМ, но вам будет проще с микроконтроллером. Микроконтроллер оснащен крошечными внутренними часами, которые, по сути, контролируют систему в соответствии с ее частотой. Это часы. Как оригинал . И все же внутри находятся некоторые другие часы – на этот раз они называются таймерами – которые можно использовать для генерации сигнала ШИМ.

При написании программы для вашего микроконтроллера вы можете выбрать характеристики вашего ШИМ: частоту и рабочий цикл.Амплитуда определяется напряжением внутри микропроцессора, это ВЫСОКОЕ значение.

В конце, ШИМ будет выходить из выходного контакта вашего микроконтроллера, а, если вы используете проявляющую плату, из одного из его выходных контактов.

Как работает ШИМ на двигателях?

Поскольку мы на самом деле не выбираем амплитуду, напомню, что PWM не используется для питания двигателя. Это командный сигнал , а не сигнал питания. Чтобы использовать сигнал ШИМ, вы должны отправить его через транзистор (маленькая дверца, о которой мы говорили в части 1), который пропускает сигнал питания:

Да, но нет.Стоп. Слишком много электроники.

Итак, что происходит на этой картинке:

  • Источник питания – Vcc (положительный провод вашей батареи).
  • Q1 – транзистор («дверь»).
  • Когда сигнал ШИМ понижен (НИЗКОЕ значение), Q1 открывается. Через мотор не течет ток, он не крутится.
  • Когда сигнал ШИМ повышается (ВЫСОКОЕ значение), Q1 замкнут, ток может течь через двигатель от Vcc к земле, заставляя его вращаться.
  • Резистор R2 предотвращает протекание слишком большого тока внутри транзистора Q1.
  • Когда транзистор открывается, на двигатель не подается питание в течение короткого времени, прежде чем транзистор снова закроется. В это время он может находиться в режиме генератора, и генерируемый ток может повредить транзистор. Вот почему D1 здесь: ток течет в D1, а не в Q1. Диод D1 называется безынерционным диодом.

Примечание: Сказать, что транзистор или кнопка закрыты, – это то же самое, что сказать, что дверь открыта; Поскольку открытая дверь пропускает все, что хочет пройти, закрытый транзистор или кнопка пропускают ток.

Конечно, двигатель не останавливается после каждого импульса, когда сигнал ШИМ НИЗКИЙ.Все происходит так быстро, что свободный ротор, толкаемый своей инерцией, не успевает остановиться, прежде чем снова включится со следующим импульсом.

Вот как вы используете ШИМ. Но, может быть, вы можете сначала поспать на нем, прежде чем закончить читать этот пост, это много для обработки. Тогда до завтра. Спи сладко.

PWM – широтно-импульсная модуляция для скорости двигателя постоянного тока и яркости светодиода, стр. 5

(продолжение статьи на предыдущей странице)

Широтно-импульсная модуляция – это эффективный метод регулировки мощности, подаваемой на электрическую нагрузку.Простая схема, содержащая инверторный чип, диоды, подстроечный резистор и конденсатор, создает ШИМ с регулируемой скважностью. Резистор и транзистор переключают более тяжелые нагрузки, чем микросхема 74AC14 может управлять сама по себе.

Допустим, у вас есть хороший мотор-редуктор постоянного тока для вашего робота. Проблема в том, что этот мотор-редуктор немного слишком быстр для отладки робота или, возможно, даже слишком быстр для окончательного использования. Для отладки вы хотите, чтобы двигатель работал на 1/3 или 1/4 полной скорости.Но замена мотор-редуктора обойдется дорого, и вы уже установили его с помощью самодельных монтажных кронштейнов.

Вы измеряете ток двигателя без нагрузки при 5 В и получаете 88 мА. Вы полагаете, что это кажущееся сопротивление 56 Ом (5 В / 0,088 А). Можно ли снизить скорость двигателя до 1/3, если вы вставите резистор на 112 Ом, который забирает 2/3 мощности?

Чтобы поэкспериментировать с разными сопротивлениями, вы вставляете потенциометр 200 Ом (переменный резистор) между двигателем и GND.

Вы начинаете с включения переменного резистора, установленного на 0 Ом. Затем вы набираете его примерно до 112 Ом. Мотор немного тормозит, но вроде работает и определенно медленнее. Затем вы выключаете схему.

Когда вы снова включаете схему (все еще установлено на 112 Ом), двигатель вообще не включается!

Проблема в том, что электродвигатель представляет собой переменную электрическую нагрузку.

При запуске двигателю требуется намного больше мощности, чем при работе. Сопротивление 112 Ом слишком велико для запуска двигателя при включении питания. Двигатели также потребляют гораздо больше энергии, когда робот поднимается в гору или что-то толкает.

Есть еще одна причина, по которой резистор не является хорошим выбором для управления мощностью, подаваемой на большую нагрузку. По мере увеличения требований к мощности она быстро превысит номинальную мощность резистора или потенциометра.Электронный компонент сильно нагреется и, скорее всего, выйдет из строя навсегда.

Кроме того, резистор расходует избыточную мощность в виде тепла. В роботе с батарейным питанием мы предпочли бы не тратить энергию зря.

На помощь приходит широтно-импульсная модуляция!

Схема широтно-импульсного модулятора (ШИМ), регулирующего скорость двигателя.

Заменив потенциометр на транзистор, скорость двигателя можно контролировать с помощью рабочего цикла прямоугольной волны.

Есть два различия между драйверной частью этой схемы и схемой светодиода:

  • Транзистор Q3 должен быть мощнее 2N3904. 2N2222 подходит для двигателей меньшего размера, но лучше всего подходит ZTX1049A.
  • Диод D3 был добавлен для перенаправления всплесков индуктивного двигателя. 1N914 или 1N4001 подходят для двигателей меньшего размера, но я предпочитаю 1N5817.

(Для получения дополнительной информации о приводных двигателях см. Биполярный Н-мост.И да, вы можете подавать импульсы на R3 и R1 H-моста для управления скоростью.)

На приведенной выше схеме обратите внимание, что двигатель может получать 12 В, хотя логическая микросхема 74AC14 питается только от 5 В. Это возможно, потому что выход логической микросхемы подается на резистор транзистора, а не непосредственно на двигатель. Резистор, транзистор и диод помогают изолировать логические напряжения от напряжений двигателя.

В печатную плату я добавил стабилизатор напряжения (VR10).Это дает вам возможность подключить источник питания от 6 до 12 вольт, который будет управлять всей цепью. Стабилизатор напряжения понижает напряжение до 5 В для микросхемы и светодиода, но по-прежнему обеспечивает полное напряжение на двигатель.

Практические ограничения ШИМ-управления двигателем

Используя эту схему ШИМ, я смог изменить скорость мотор-редуктора Solarbotics GM6 со 145 об / мин при 5 В до 0,18 об / мин при 5 В. Как вы понимаете, потребление энергии также снизилось, поскольку мотор большую часть времени был выключен.

Однако я сомневаюсь, что двигатель сможет выдерживать нагрузку (перемещать робота) при таком значительном изменении скорости двигателя. Если вам действительно нужно резко изменить скорость двигателя, используйте шестеренки или выберите другой двигатель.

Для двигателей ниже 25% широтно-импульсная модуляция затруднена, поскольку они не обладают такой же инерцией вращения по сравнению со статическим сопротивлением смазки, зубчатой ​​передачи и зазоров между коммутаторами.

Фактически, чтобы заставить GM6 работать так медленно, мне пришлось снизить частоту ШИМ до 100 Гц, заменив конденсатор C2 на 1 мкФ. Это давало каждому импульсу включения достаточно времени для включения двигателя для небольшого движения перед остановкой на время выключения. Подлый, а?

Еще одна интересная уловка для управления двигателем с ШИМ – это подача на двигатель двойного напряжения, превышающего стандартное. Обычно вы запускаете ШИМ с рабочим циклом 50%, чтобы общая скорость двигателя не изменилась (вдвое больше напряжения, но вдвое меньше времени включения).Но, с добавленным напряжением, производитель роботов теперь может регулировать скорость двигателя выше (или ниже) нормальной скорости.

Странным аспектом ШИМ на двигателях является то, что он может издавать слышимое нытье. Обычно, если вы выбираете частоту ШИМ в диапазоне, который слышит человек, механическое устройство, скорее всего, будет колебаться на слух.

Увеличение частоты выше 20 кГц может заставить всех замолчать моторное нытье, кроме молодежи и собак (сравнение не подразумевается).Но некоторые двигатели, транзисторы или микросхемы драйверов двигателей не могут включаться и выключаться так быстро.

Вам нужно будет поэкспериментировать, чтобы выбрать правильную частоту для вашего конкретного двигателя, системы крепления, полупроводников и нагрузки. Я выбрал 1 кГц, потому что он, вероятно, будет работать с большинством двигателей считывателей, даже если он не является тихим или электрически неоптимальным.

Преимущества широтно-импульсной модуляции

Я надеюсь, что эта статья показала вам, насколько легко можно контролировать скорость, яркость и мощность электрического устройства с помощью всего лишь нескольких готовых электронных компонентов.Эта схема лучше, чем использование постоянного или переменного резистора для тяжелых или переменных электрических нагрузок, таких как двигатели и светодиодные дисплеи.

Решение PWM на основе микроконтроллера использует меньше компонентов и обладает гибкостью, позволяющей изменять рабочий цикл и частоту на лету с помощью программного обеспечения. Это может быть преимуществом в битве в мини-сумо, где поиск может выполняться с меньшей скоростью двигателя, но рабочий цикл должен быть увеличен до 100% «включено», чтобы толкнуть противника.

Однако вы можете добавить микросхемы в эту схему, если хотите иметь возможность выбирать из различных скоростей. Например, используя демультиплексор или другую микросхему выбора пути, вы можете подключить путь между выходом 74AC14 и потенциометром для перехода к разным потенциометрам, настроенным на разные настройки для разных случаев.

Наслаждаться!


Ошибка 404


или «Вы достигли конца Интернета; не паникуйте»


Разве вы просто не ненавидите числовые ошибки? Если вы прибыли сюда, это означает, что введенный вами URL (адрес веб-страницы) вел на мой сайт, но не на действующую страницу внутри него.

Наиболее вероятная причина в том, что изменение привело к изменению структуры сайта. Я пытаюсь установить перенаправления для таких перестановок, но, вероятно, не помню, чтобы сделать их все. Другая возможность заключается в том, что вы использовали URL-адрес из закладки для страницы, которая включала расширение «.hmtl» в конце. Некоторые из этих страниц были изменены с html на php. У меня были некоторые правила, чтобы попытаться скрыть это, но в конце февраля 2012 года они сломались, и пока я не смогу их исправить, вам может потребоваться исправить URL самостоятельно (или просто перейти на домашнюю страницу и перейти к текущей).Вот что происходит:

В конце ноября 2011 года я начал менять страницы, чтобы использовать ссылки без расширения (за исключением страницы размышлений), и негласно менял расширение с «.html» на «.php». Для страниц за пределами раздела Musings вы можете повторить попытку URL-адреса без какого-либо расширения (удалите всю часть index.html и закончите ее знаком «/») или для размышлений повторите попытку с «.php» вместо «. html ».

Другие причины
Вы также можете попасть сюда, если опечатали URL-адрес или если по какой-то причине я удалил страницу и не смог удалить все старые ссылки на нее (но я стараюсь избегать удаления страниц именно по этой причине ).Вы также можете попасть сюда, щелкнув ссылку, которая была повреждена или опечатана.

В любом случае то, что вы ищете, вероятно, где-то здесь.

Примечание: этот сайт изначально был в iWeb от Apple, хотя он перешел в текущую систему в 2011 году, а некоторые из старых и (я думаю) менее интересных страниц iWeb еще не преобразованы, так что вы ищете ибо может и не быть здесь. Контент этих страниц, как правило, нуждался в серьезном обновлении (или реорганизации), и я буду работать над этим с течением времени и, как и я, добавляю больше страниц для этого материала.

Вы можете использовать поле поиска выше, чтобы искать объекты, или щелкните одно из имен на панели слева, которые являются страницами верхнего уровня, многие из которых имеют один или несколько уровней других страниц под ними.

Что изменилось по сравнению с iWeb?


Старые разделы (например, Модели поездов) были реорганизованы и превращены в каталоги со страницами, расположенными под ними. В основном это не выглядит снаружи. Однако в некоторых случаях теперь вещи состоят из двух или более уровней, и вам нужно заглянуть внутрь более широкой категории, чтобы найти более конкретную.

Это должно облегчить новым людям поиск вещей (а всем остальным – найти то, о чем они не знали), но это будет проблемой для любого, у кого есть закладки на любимую страницу. Мне очень жаль, но это изменение действительно к лучшему.

А если сомневаетесь, напишите мне письмо. Адрес находится на странице О сайте . Если материал еще не преобразован, я перенесу его в начало списка дел, если кто-то его ищет. Включите URL-адрес, по которому вы перешли на эту страницу, если можете, так как это поможет мне найти старую страницу в моих файлах.

настраиваемая частота ШИМ на оборудовании на базе samd21

В этом документе раскрывается интеграция библиотеки SAMD21_turbo_PWM в Arduino_TB6612FNG для поддержки приводных двигателей с использованием настраиваемой частоты ШИМ.

При управлении двигателями постоянного тока с ШИМ тщательная настройка частоты значительно улучшает как производительность, так и срок службы двигателя (1). Желательны частоты в диапазоне килогерц, особенно выше человеческого звукового предела (20 кГц).

Хотя частоту ШИМ на Arduinos можно настроить, для этого требуются глубокие знания о каждой конкретной аппаратной платформе Arduino.Это подразумевает использование конкретных аппаратно-зависимых библиотек при настройке частоты ШИМ.

Частота ШИМ по умолчанию на Arduinos на базе SAMD21 зафиксирована на 732 Гц, тогда как максимальная частота переключения драйвера Toshiba TB6612FNG составляет 100 кГц. Следовательно, существует важная разница (99,3 кГц) между частотой ШИМ генератора и абсолютным максимальным значением переключения драйвера.

Исходя из вышеизложенного, поддержка настройки частоты ШИМ на уровне класса Motor и возможна, и желательна.Для этой цели существуют определенные аппаратные библиотеки, которые могут использоваться, хотя в рамках этого документа рассматривается только настройка частоты на Arduinos на базе SAMD21 с использованием библиотеки SAMD21_turbo_PWM.

Настройка частоты

Библиотека SAMD21_turbo_PWM использует общие часы процессора в качестве источника ШИМ, что означает использование базовой частоты 48 МГц. Как показано в пунктах 2 и 3, этот источник может быть подключен к различным таймерам / счетчикам управления (TCC), которые отвечают за создание желаемой частоты ШИМ и рабочего цикла на основе конфигурации пользователя.В частности, частота ШИМ в кГц определяется по формуле:

Где:

  • GCLK – общая тактовая частота в кГц. Поскольку SAMD21_turbo_PWM использует в качестве источника общие часы процессора (48 МГц), это значение составляет 48000 кГц.
  • N – значение предварительного делителя.
  • PER – значение регистра ПЕРИОД. В зависимости от конкретных условий, выходящих за рамки этого документа, регистр PER может иметь размер от 16 до 24 бит, что означает, что в худшем случае (16 бит) он может принимать значения от 0 до 65535.

Для конкретной потребности в настройке частоты для привода двигателя через Toshiba TB6612FNG, N может быть установлен постоянным на минимальное значение (1), а PER может находиться в диапазоне от 240 (частота ШИМ = 100 кГц, т. Е. максимальная частота переключения TB6612FNG) до 32768 (частота ШИМ = 732 Гц, т. е. частота Arduino по умолчанию). Это значение может храниться в 16 битах, то есть меньшем размере для регистра PER , поэтому нет необходимости ограничивать его размером регистра.

Разрешение рабочего цикла ШИМ

Значение PER также определяет разрешение рабочего цикла ШИМ. Стандартное разрешение ШИМ на Arduinos составляет 256 шагов, что означает, что оно может принимать значения от 0 до 255. С другой стороны, максимальное разрешение, управляемое библиотекой SAMD21_turbo_PWM, составляет 1000. Поэтому мы должны выбрать PER значений, которые находятся в диапазоне между Стандартное разрешение PWM Arduino (256) и, как минимум, разрешение библиотеки SAMD21_turbo_PWM (1000).

Пользовательское разрешение рабочего цикла ШИМ на SAMD21 Arduinos основано на формуле:

При указанном выше диапазоне значений PER (240-32768) разрешение ШИМ будет варьироваться от 256 шагов при 100 кГц (разрешение ШИМ Arduino по умолчанию) до более 1024 шагов для частот ниже 23,4 кГц (выше максимальной библиотеки SAMD21_turbo_PWM), как показано в этой таблице:

Разрешение Выше частота (кГц) Нижняя частота (кГц)
256 100 96,1
512 95,7 47
1024 46,9 23,5
> = 2048 23,4 0,7

Расчет PER с учетом пользовательской частоты

Приведенная выше формула вычисляет частоту ШИМ с учетом значения PER.Если значение PER должно быть рассчитано с учетом частоты ШИМ, необходимо использовать эту формулу:

PWMFreq желаемая частота ШИМ в кГц. Результат необходимо округлить, чтобы получить целое число PER . Используя эту формулу, вычисление частоты ШИМ может быть абстрагировано для пользователя, и вместо того, чтобы устанавливать его на основе значения PER , значение PER может быть вычислено из частоты ШИМ.

Контакты ШИМ

Как было сказано ранее относительно настраиваемой ШИМ, источник частоты может быть подключен к разным таймерам / счетчикам для управления (TCC), которые отвечают за генерацию желаемой частоты ШИМ и рабочего цикла на основе конфигурации пользователя.На практике используемый TCC также определяет, какие выводы Arduino можно использовать в качестве источника ШИМ.

Библиотека SAMD21_turbo_PWM может работать с TCC0, TCC1 и TCC2, что определяет потенциальные выводы источника ШИМ в зависимости от платы Arduino (4):

Доска ТСС Выводы источника ШИМ
Нано 33 IoT 0 5, 6, 8, 12
1 4, 7
2 11, 13
Ноль 0 3, 4, 10, 12
1 8, 9
2 11, 13
MKR серии 0 4, 5, 6, 7
1 2, 3
2 8, 9

Следовательно, с учетом вывода ШИМ и конкретной модели платы Arduino можно установить TCC.Это позволяет запретить пользователю устанавливать желаемый TCC и вместо этого просто запрашивать исходный вывод PWM, а затем устанавливать TCC, используя приведенную выше таблицу.

  1. Управление щеточными двигателями постоянного тока с помощью ШИМ
  2. Arduino Zero (SAMD21) Raw PWM с использованием CMSIS
  3. Изменение нулевой частоты ШИМ Arduino (форум Arduino)
  4. SAMD21_turbo_PWM Библиотека

Краткое введение tb6612fng и его конструкция системы управления двигателем постоянного тока с однокристальным микрокомпьютером

TB6612FNG, производимый Toshiba Semiconductor, представляет собой привод двигателя постоянного тока.Он имеет сильноточную мостовую структуру MOSFET-H, двухканальный выход схемы и может одновременно управлять двумя двигателями. В частности, использование L298N и TB6612FNG в основном одинаково.

Функция контактов TB6612FNG

Ссылка: Функция контакта
  • AIN1 / AIN2, BIN1 / BIN2, PWMA / PWMB являются входными клеммами управляющий сигнал, то есть управляющий сигнал вводится отсюда. .
  • AO1 / A02, B01 / B02 – это 2 выходные клеммы управления двигателем, то есть выходные сигналы для управления двигателем.
  • Функция STBY – управлять чипом в нормальном рабочем или состояние ожидания.
  • VM (4,5 15 В) и VCC (2,7 ~ 5,5 В) – входные клеммы напряжения привода двигателя и входные клеммы логического уровня. соответственно.

Рабочий режим TB6612FNG

На рисунке изображен блок управления двигателем. состоит из TB6612FNG и микроконтроллера AVR.

Одночиповый таймер генерирует 4 выхода ШИМ в качестве управляющих сигналов AIN1 / AIN2 и BIN1 / BIN2. Как показано на рисунке, OCxA и 0CxB управляют двигателями M1 и M2.Использование таймера для вывода аппаратных импульсов ШИМ позволяет ЦП микроконтроллера участвовать в вычислениях только при изменении рабочего цикла ШИМ, что значительно снижает нагрузку на системные вычисления и накладные расходы на программирование программного обеспечения ШИМ. Входные контакты PWMA, PWMB и STBY управляют состоянием работы двигателя или торможения, а также рабочим состоянием устройства по уровню ввода / вывода. В схеме используется электролитический конденсатор 10 мкФ с выдерживаемым напряжением 25 В и конденсатор 0,1 мкФ для фильтрации источника питания, а также силовой полевой МОП-транзистор для защиты от обратного подключения для VM и VCC.

Моторный рабочий модуль

TB6612FNG – H-мост на основе полевого МОП-транзистора интегральная схема, которая более эффективна, чем драйвер транзисторного Н-моста и имеет более высокую выходную нагрузку.

Метод широтно-импульсной модуляции генерирует сигнал ШИМ с изменяющимся рабочим циклом и реализует управление скоростью двигателя путем быстрого переключения выходного состояния драйвера. Размер рабочего цикла ШИМ определяет среднее значение выходного напряжения, которое, в свою очередь, определяет скорость двигателя.В этой статье используется метод униполярной модуляции с фиксированной частотой и широкой ШИМ-модуляцией для обеспечения стабильности управления скоростью двигателя. Таблица логической истинности TB6612FNG показана в таблице 1. Когда устройство работает, для вывода STBY устанавливается высокий уровень; IN1 и IN2 остаются неизменными, входной сигнал вывода PWM может регулироваться для управления однонаправленной скоростью двигателя; вывод ШИМ установлен на высокий уровень, а вход IN1 и IN2 регулируется. Сигнал может использоваться для двунаправленного управления скоростью двигателя.Логика управления для каналов A и B одинакова.

Ссылка: Широтно-импульсная модуляция

5 контактов в красной части изображения управляют одним двигателем, а контакты в синей части управляют другим двигателем. Здесь, анализируется только канал A. AO1 и AO2 подключены к + и – мотор соответственно. Затем управляйте двигателем через PWMAA, IN2, AIN1. Среди их, PWM подключает A к выводу PWM микроконтроллера, обычно 10 кГц PWM, и регулирует скорость двигателя, изменяя рабочий цикл (рабочий цикл это отношение времени положительного напряжения к циклу в цикле).

Тип работы можно разделить на три ситуации:

  • AIN1 = 0, AIN2 = 1: Двигатель вращается в обратном направлении.
  • AIN1 = 1, AIN2 = 0: Двигатель вращается в прямом направлении.
  • AIN1 = 0, AIN2 = 0: двигатель останавливается.

дюйм дополнение:

Подключите AIN1 к 3,3 ~ 5 В, AIN2 к GND и ШИМ на 3,3 ~ 5 В. Это эквивалентно контролю полного рабочего цикла мотор вращаться вперед.

Подключите AIN1 к GND, AIN2 к 3.3 ~ 5 В и ШИМ на 3,3 ~ 5 В. Это эквивалентно управлению обратным вращением двигателя при полном рабочем цикле.

Преимущества TB6612FNG

Независимый двустороннее управление 2 двигателями постоянного тока : Одновременно, он может обеспечить достаточную выходную мощность и имеет преимущества в эксплуатации производительность и потребление энергии.

Очень высокая степень интеграции: Следовательно, его можно использовать как идеальное моторное приводное устройство в интегрированной и миниатюрной системе управления двигателем система.

Высокая пусковой ток: Каждый канал выводит непрерывный ток привода до 1,2 А, а пусковой пиковый ток составляет 2 А / 3,2 А (непрерывный импульс / одиночный импульс).

Высокая частота поддержки: Его частота поддержки PWM увеличена до 100 кГц.

Широкий диапазон рабочих температур: встроенная схема обнаружения низкого напряжения и схема защиты от теплового отключения; рабочая температура: -20 ~ 85 ℃;

Некоторые предложения по TB6612FNG

1.Когда выходное состояние устройства переключение между движением / торможением, хорошее линейное соотношение может поддерживаться между скоростью двигателя и рабочим циклом ШИМ, и его операционным управлением эффект лучше, чем у устройства переключения между движением / остановкой.

2. Когда fPWM высокий, двигатель работает. непрерывно и плавно с низким уровнем шума, но потребляемая мощность прибор будет увеличиваться с увеличением частоты; когда fPWM низкий, это поможет снизить энергопотребление и улучшить линейность регулирования скорости, но это слишком низкая Частота может вызвать снижение непрерывности вращения двигателя.Обычно, когда fPWM> 1 кГц, устройство может стабильно управлять двигателем.

3. Чрезмерный рабочий цикл ШИМ повлияет на стабильность тока привода двигателя и выходная нагрузочная способность устройство. Диапазон рабочего цикла должен быть установлен в разумных пределах в соответствии с различными требования к скорости.

4. Слишком высокая рабочая температура устройства приведет к снижению его выходной мощности. В конструкции печатной платы схемы должна быть обеспечена достаточная площадь меди, которая помогает рассеивать тепло и способствует стабильной работе устройства в течение длительного времени.

Кстати, Seeed Fusion имеет богатую библиотеку компонентов, включая TB6612FNG.

Продолжить чтение

Преобразователь частоты

PWM Двигатели переменного тока, управляемые преобразователем частоты

PWM (широтно-импульсная модуляция), используются в большом количестве в широком диапазоне промышленных применений. Преимущества огромны, такие как улучшенное управление технологическим процессом, экономия энергии и небольшие пусковые токи и пульсации крутящего момента во время пускового периода, что обеспечивает более длительный срок службы водяных насосов и приложений с двигателями, лучшую надежность и производительность.Двигатели переменного тока с ШИМ-преобразователем частоты обычно более надежны, чем двигатели, поставляемые непосредственно в сеть. Например, проблема поломки стержней ротора, в основном из-за чрезмерного пускового момента, практически устраняется за счет плавного пуска с преобразователем частоты.

Асинхронный двигатель, работающий со скоростью выше номинальной, должен быть подтвержден производителем. Преобразователь частоты PWM может выдавать частоты до 400 Гц. Однако механическая конструкция асинхронного двигателя с точки зрения подшипников и балансировки ограничивает максимальную частоту, на которой он может работать в хорошем состоянии.Питание, подаваемое на асинхронный двигатель от преобразователя частоты с ШИМ, также имеет некоторые недостатки (повышенный нагрев, высокие пиковые напряжения и повышенный рабочий шум). В большинстве промышленных приложений в диапазоне мощности от менее 1 киловатта до нескольких сотен киловатт используются преобразователи типа инвертор источника напряжения (VSI).

Типичный инверторный преобразователь частоты источника напряжения состоит из трех силовых частей: преобразователя постоянного / переменного тока (выпрямителя), промежуточного звена и инвертора постоянного / переменного тока.

  • Выпрямитель берет трехфазный источник питания с фиксированным напряжением и фиксированной частотой от линий электропередачи переменного тока и преобразует его в напряжение постоянного тока.Очевидно, что он использует шесть силовых диодов в трехфазной двухполупериодной мостовой схеме.
  • Линия постоянного тока принимает напряжение постоянного тока от выпрямителя и фильтрует его, чтобы обеспечить более плавное фиксированное напряжение постоянного тока на инвертор. Это обычно называется напряжением шины постоянного тока. В показанной конфигурации используются конденсаторы фильтра.
  • Инвертор постоянного / переменного тока принимает отфильтрованное постоянное напряжение и создает трехфазное переменное напряжение и частоту для асинхронного двигателя.Он использует шесть переключателей питания в конфигурации трехфазного моста. Управление рабочим циклом включения / выключения каждого переключателя наряду с последовательностью и синхронизацией между переключателями создает переменную частоту, напряжение и чередование фаз.
Частота переключения для создания напряжения ШИМ, обычно называемая «несущей частотой», может иметь фиксированное значение, а в новых технологиях – переменное значение. Эта характеристика несущей частоты будет определять слышимый шум двигателя, а также то, насколько близко преобразователь частоты ШИМ к мощности замкнутой чистой синусоидальной волны.В общем, чем выше несущая частота, тем ближе форма выходного сигнала к чистой синусоиде.

Управление преобразователями частоты может осуществляться как с обратной связью, так и с обратной связью. Для преобразователей частоты с более высокими характеристиками последние упомянутые могут применять управление с ориентацией на поле.

Полупроводниковые технологии
Сегодняшние преобразователи частоты с ШИМ используют в инверторе несколько типов полупроводниковых устройств. Это:

  • Тиристоры плюс внешняя коммутационная сеть
  • Биполярные переходные транзисторы (BJT)
  • МОП-полевые транзисторы (МОП-транзисторы)
  • Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
  • Запорные тиристоры (GTO)
  • MOS-управляемые тиристоры (MCT)
В зависимости от мощности, силы тока, частоты и напряжения необходимо выбрать подходящий тип.

IGBT-транзистор представляет собой комбинацию BJT и MOSFET. Он имеет желаемые функции MOSFET на входе и лучшие функции BJT на выходе. IGBT хорошо подходят для преобразователей частоты VSI. Основными преимуществами являются диапазон мощности, хорошие токопроводящие характеристики, высокая частота переключения и простое управление.

Некоторые типичные параметры наиболее часто используемых устройств переключения мощности представлены в таблице ниже

Тип
Напряжение (UCE)
Текущий
Мощность
Частота переключения
Тиристор
4 кВ
3 кА
1-100 МВт
500 Гц
GTO
3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.