Простейший электропривод на драйвере IR2131

Схема управления асинхронным двигателем


Рис.1.



Для генерации сигналов управления мостом можно использовать недорогой микроконтроллер фирмы Microchip PIC16C62 (если необходимо дополнительно обрабатывать аналоговый сигнал, то рекомендуется PIC16C73).

При небольшой номинальной мощности электропривод запитывается от сети переменного тока 220В через разъем Х1, при этом рекомендуется использовать в трехфазном мосте транзисторы IRF740 (VT2-VT7). Через эти транзисторы можно пропустить мощность до 5КВт. При больших мощностях надо переходить на питание от трехфазной сети 380В, и использовать IGBT транзисторы. Наш опыт работы показал целесообразность шунтирования затворных резисторов R13- R18 обратными диодами VD7- VD12. Это позволяет значительно снизить динамические потери на выключении. Сформированное напряжение подается на двигатель через разъем Х2.

Если емкость фильтра С12 велика и нет элемента, ограничивающего ток заряда этой емкости, то при каждом включении будут постепенно разрушаться диоды моста. Для предотвращения броска тока через выпрямитель необходимо включение терморезистора R19. При работе от однофазной сети 220В может возникнуть необходимость введения модуля коррекции потребляемого тока (это особенно актуально при больших мощностях привода). Для некоторых разработок, где 100Гц пульсации момента на валу двигателя не приводят к нежелательным последствиям, можно вообще отказаться от использования конденсатора С12.

Конденсатор С11 (керамический или полипропиленовый) необходимо располагать максимально ближе к транзисторам моста, поскольку полевые и IGBT транзисторы «не любят» перенапряжений, которые будут возникать при коммутациях на паразитных индуктивностях схемы.

Питание на драйвер DD2 подается от стабилитрона VD2 через гасящий резистор R12. При небольших частотах инвертора (до 3кГц) достаточно 40кОм для нормального питания системы управления. Для увеличения КПД системы можно применить стандартный импульсный понижающий регулятор, используя в качестве ШИМ-контроллера ресурсы PIC16C73.



Бутстреповые емкости С7- С9 заряжаются через диоды VD4-VD6 при включении соответствующего нижнего ключа. Напряжение питания IR2131 выбирается в зависимости от желаемой степени насыщения силового транзистора. Рекомендуемая величина 15- 20В. Уменьшение питающего напряжения какого-нибудь из каналов ниже 8В вызывает немедленное запирание ключа.

Величина резистивного датчика тока R10 выбирается в зависимости от номинальной мощности электропривода и допустимой перегрузки по току (R10=0,5В/Iдоп.). Интегрирующее звено R11-C10 предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций, достаточная величина постоянной времени- 0,5мкс. При превышении сигналом на входе ITRIP уровня 0,5В все ключи запираются и выдается сигнал ошибки FAULT (выход с открытым коллектором).

Обработкой сигнала ошибки и общим управление занимается микроконтроллер DD1. На это место удачно подходят PIC микроконтроллеры фирмы Microchip. Это RISC контроллеры с гарвардской архитектурой, они просты в изучении и имеют значительные преимущества перед другими контроллерами в подобных схемах. Диапазон рабочих напряжений питания PIC процессоров 4-6В, максимальный потребляемый ток при тактировании от RC генератора 5мА, ток в режиме пониженного энергопотребления 20мкА. Большое удобство создает повышенная нагрузочная способность портов- 25мА, что позволяет напрямую управлять светодиодами (включая светодиоды оптронов). Наличие разнообразной периферии (АЦП, компараторы, последовательные порты, таймеры, модуль ШИМ и пр.) предоставляет разработчику широкие возможности для построения гибких и дешевых систем управления. Все микроконтроллеры PIC16/17 имеют встроенную схему сброса, сторожевой таймер и защиту кода от считывания. Microchip свободно распространяет ассемблер MPASM, симулятор MPSIM, интегрированную систему отладки для Windows MPLAB. Имеющиеся для этих контроллеров Си-компиляторы (например, компилятор фирмы HI-TECH) ускоряют процесс написания и отладки программ.

В нашей схеме процессор PIC16C62 питается от стабилитрона VD3.


При несложных задачах управления электроприводом можно тактировать микроконтроллер от RC генератора (R6- C1). Максимально допустимая частота при этом 4МГц. Поскольку почти все команды выполняются этим процессором за один такт (в данном случае за 1 мкс), то этого оказывается достаточным даже для выдачи на двигатель синусоидально-центрированной ШИМ с частотой несущей 3кГц.

Наиболее просто организуется управление со 1800 (или 1200) коммутацией. Использование ресурсов микроконтроллера для этой задачи приводится в табл.1. Осциллограммы тока и напряжения в этом режиме показаны на рис.2.


Осциллограммы тока и напряжения при 1800 коммутации


Фазный ток


Линейное напряжение
Рис.2


С помощью переключателей J1- J4 осуществляются следующие функции управления:

  • Пуск- остановка двигателя (можно дистанционно через оптрон VT1);

  • Выбор скорости вращения двигателя;

  • Изменение направления вращения двигателя;

Кроме этого легко осуществить пуск двигателя с требуемой кратностью пускового момента, по срабатыванию токовой защиты, вырабатывая перед сигналом сброса ошибки нулевую паузу.

Для демонстрации возможностей системы покажем реализацию широтно-импульсной модуляции базовых векторов. Основываясь на базовых векторах 1800 коммутации (см рис.3), формируется синусоидально-центрированная ШИМ. Некоторые алгоритмы формирования синусоидального напряжения были показаны в [1], в данном случае длительность каждого вектора вычисляется из условия равенства площади генерируемого напряжения и площади синусоиды на периоде ШИМ.


Базовые вектора 6 тактной коммутации
Рис.3


Программой осуществляется переключение между двумя соседними векторами таким образом, что результирующий вектор плавно движется по траектории шестиугольника. Вырабатывая определенные длительности для каждого вектора получаем напряжение близкое к синусоидальному. Если ввести нулевой вектор, то можно заставить результирующий вектор напряжения двигаться по любой окружности внутри базового шестиугольника.



Для случая, когда на двигателе формируется синусоидальное напряжение 100 Гц с частотой ШИМа 3кГц, осциллограммы имеют вид, как показано на рис.4.


Осциллограммы тока и напряжения при синусоидальной ШИМ


Фазный ток


Линейное напряжение
Рис.4


Для некоторых двигателей такая форма тока может оказаться неприемлемой из-за высокочастотных пульсаций потока, что приводит к увеличению потерь в стали и в демпферных системах двигателя. В этом случае нужно увеличивать частоту тактирования процессора и переходить на более высокие частоты ШИМ.

В таблице 1 приведены данные по использованию некоторых ресурсов микроконтроллера PIC16C62 для случая выдачи синусоидально-центрированной ШИМ с модуляцией базовых векторов.

Таблица 1.

Ресурсы контроллера Память данных, байт Память программ, слов Линии ввода-вывода


    Содержание раздела