Avtosfera76.ru

Авто Сфера №76
48 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое скважность в двигателе

  1. Введение
  2. Принцип частотного регулирования
  3. Устройство преобразователя частоты
  4. Применение частотных преобразователей

Существует немало технологических операций, нуждающихся в регулировании угловых скоростей приводных валов механизмов. Традиционно эта задача решалась двумя путями:

  • применением механических многоскоростных редукторов для ступенчатого регулирования скорости, либо вариаторов для плавного регулирования;
  • использованием электродвигателей постоянного тока совместно с регуляторами уровня питающего напряжения.

Регулирование угловой скорости ротора, основанное на изменении передаточного числа механической трансмиссии, характеризуется снижением общего КПД передачи. Это объясняется высоким уровнем механических потерь в редукторе, подверженном к тому же, интенсивному износу.

Двигатели постоянного тока представляют собой достаточно сложные и дорогие машины. Наличие коллекторного механизма со щёточным аппаратом, предъявляет повышенные требования к их обслуживанию и снижает надёжность.

Компания Овердрайв-Электро предлагает частотно-регулируемые приводы ABB со склада в Минске:

Принцип действия

На рис. 4.3 приведена принципиальная схема платы управления скоростью. Схема состоит из трех основных частей: Двух независимых генераторов прямоугольных импульсов (fSLO и fMED), вентилей с выходами 2-6 и 2-8, а также выходного вентиля, осуществляющего логическое сложение управляющих сигналов и поступающих с генераторов импульсов. Выходной сигнал этого вентиля So является выходным сигналом всей платы.


Рис. 4.3. Схема платы управления скоростью. ИС1 — сдвоенный таймер 556, ИС2 — 4-2И-НЕ 7400, ИС3 — 3-3И-НЕ 7410

Генераторами, задающими среднюю и малую скорости, служат две половины сдвоенного таймера 556. Каждый из них работает в режиме автономного генератора прямоугольных импульсов с частотой порядка 100 Гц. Небольшие переменные сопротивления R2 и R5 устанавливаются на печатной плате и служат для задания величин скважности, соответствующих вашему двигателю.

Вентили на выходах генераторов пропускают импульсы или блокируют их в зависимости от логических уровней на входах GSLO и GMED. Пока на обоих входах низкий потенциал никакие импульсы не попадают на входы выходного вентиля. При подаче высокого потенциала на вход GSLO выходной сигнал генератора низкой скважности попадает на выходной вентиль. Аналогично при подаче высокого потенциала на вход GMED на выходной вентиль поступает сигнал с генератора fMED.

В зависимости от входного сигнала выходным сигналом So может быть постоянный высокий потенциал со входа GFAS (100%-ная скважность) или один из двух сигналов генераторов fSLO и fMED. Необходимо следить за тем, чтобы в каждый момент был подан лишь один управляющий сигнал, дабы избежать перекрытия сигналов на выходе. Логические схемы, которые в дальнейшем будут управлять скоростью, построены так, что в каждый момент подается только один управляющий сигнал.

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).

Что такое ШИМ

В ШИМ-сигнале время (период), и следовательно частота является всегда постоянной величиной. Изменяется только время включения и время выключения импульса (скважность). Используя данный метод модуляции, мы можем получить необходимое нам напряжение.

Читать еще:  Воздухозаборник холодного воздуха для двигателя

Единственное различие между меандром и ШИМ-сигналом заключается в том, что у меандра время включения и отключения равны и постоянны (50% скважность), в то время как ШИМ-сигнал имеет переменную скважность.

Меандр может рассматриваться как частный случай ШИМ сигнала, который имеет 50% рабочий цикл (период включения = период отключения).

Рассмотрим на примере использование ШИМ

Допустим, мы имеим напряжение питания 50 вольт и нам необходимо запитать какую-либо нагрузку, работающую от 40 вольт. В этом случае хороший способ получения 40В из 50В — это использовать так называемый понижающий чоппер (прерыватель).

ШИМ сигнал, генерируемый чеппером, поступает на силовой узел схемы (тиристор, полевой транзистор), который в свою очередь управляет нагрузкой. Этот ШИМ-сигнал может легко генерироваться микроконтроллером, имеющим таймер.

Требования к ШИМ-сигналу для получения с помощью тиристора 40В из 50В: подача питания, на время = 400мс и выключение на время = 100мс (с учетом периода ШИМ сигнала равного 500 мс).

В общих словах это можно легко объяснить следующим образом: в основном, тиристор работает как переключатель. Нагрузка получает напряжение питания от источника через тиристор. Когда тиристор находится в выключенном состоянии, нагрузка не подключена к источнику, а когда тиристор находится в открытом состоянии, нагрузка подключается к источнику.

Этот процесс включения и выключения тиристора осуществляется посредством ШИМ сигнала.

Соотношение периода ШИМ-сигнала к его длительности называется скважность сигнала, а обратная к скважности величина именуется коэффициентом заполнения.

Если коэффициент заполнения равен 100, то в этом случае у нас сигнал постоянный.

Таким образом, скважность импульсов (рабочий цикл) может быть вычислен с использованием следующей формулы:

Используя выше приведенные формулы, мы можем рассчитать время включения тиристора для получения необходимого нам напряжения.

Умножая скважность импульсов на 100, мы можем представить это в процентном соотношении. Таким образом, процент скважность импульсов прямо пропорционален величине напряжения от исходного. В приведенном выше примере, если мы хотим получить 40 вольт от 50 вольт источника питания, то это может быть достигнуто путем генерации сигнала со скважность 80%. Поскольку 80% из 50 вместо 40.

Для закрепления материала, решим следующую задачу:

  • рассчитаем длительность включения и выключения сигнала, имеющего частоту 50 Гц и скважность 60%.

Полученный ШИМ волны будет иметь следующий вид:

Один из лучших примеров применения широтно-импульсной модуляции является использование ШИМ для регулировки скорости двигателя или яркости свечения светодиода.

Этот прием изменения ширины импульса, чтобы получить необходимый рабочий цикл называется “широтно-импульсная модуляция”.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T. D = t/T. Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t.

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

Читать еще:  Двигатель ваз 2130 от чего гбц

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку электродвигатель обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством компаратора с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.

Читать еще:  141 лошадиная сила какой объем двигателя

Управление нагрузкой в режиме ШИМ

Для управления двигателями широко применяются широтно-импульсные транзисторные преобразователи различного типа, например, реверсивный широтно-импульсный преобразователь представленный на рис. 3.

Рис.3

C появлением полупроводниковых приборов нового поколения ( MOSFET , IGBT ), транзисторные преобразователи стали применять в электроприводах мощностью от долей ватта до сотен киловатт, с полосой пропускания более 100Гц и диапазоном регулирования скорости до 100000.

Транзисторы в преобразователях работают в ключевом режиме с целью максимального использования допустимой мощности вентиля.

Питание преобразователя часто осуществляется от неуправляемого выпрямителя, на выходе которого устанавливается фильтр (в простейшем случае — конденсатор). При неуправляемом выпрямителе рекуперация энергии в сеть переменного тока невозможна. При наличии фильтра возможна частичная рекуперация энергии в конденсатор фильтра.

Возможны два варианта управления транзисторным мостом: симметричное и несимметричное.

В первом случае к нагрузке прикладывается разнополярное напряжение, во втором — знакопостоянное .

Многие из микроконтроллеров семейства MSP430 имеют или модуль таймера Timer_A, или модули двух таймеров Timer_A и Timer_B. Эти модули содержат 16-разрядный счетчик, который может увеличиваться от различных источников синхросигнала. Они могут работать даже в режиме пониженного потребления. Также эти таймеры имеют регистры захвата/сравнения, которые могут применяться по-разному в разных приложениях. Одним из таких приложений является автоматическое формирование сигнала с ШИМ для управления двигателем постоянного тока. В данном примере применения описывается управление при помощи модулей таймеров Timer_A и/или Timer_B одной из множества существующих схем управления двигателем постоянного тока.

При работе демонстрационная схема, приведенная на рисунке 1, постоянно опрашивает кнопки управления на двух входах и при нажатии на них увеличивает или уменьшает содержимое регистра захвата/сравнения CCR1 таймера Timer_A. Для того чтобы не произошла инверсия назначения кнопок, управляющая программа проверяет регистр на максимальное и минимальное значение. Timer_A настроен на увеличение по сигналу MCLK, а выход модуля Out1 в режиме 7 подключен к выводу P1.2/TA1 микроконтроллера, на котором и формируется сигнал с ШИМ. В регистр CCR0 записано значение 255, которое и определяет период таймера Timer_A. Изменение значения регистра CCR1 изменяет длительность рабочего импульса (скважность сигнала), сформированного модулем таймера Timer_A. Сигнал с ШИМ используется для коммутации составного транзистора, включенного по схеме Дарлингтона. В свою очередь этот транзистор подключает двигатель постоянного тока. Так как изменяется скважность сигнала управления, то будет изменяться и средняя мощность, подаваемая на двигатель. А средняя мощность, в свою очередь, и определяет скорость вращения двигателя. Частота вращения двигателя изменяется дискретно 256 шагами в пределах от 0 до максимального значения. Встроенный в микроконтроллер автогенератор с цифровым управлением (DCO) работает на частоте приблизительно 5 МГц, обеспечивая частоту ШИМ сигнала приблизительно 20 кГц, что позволяет двигателю работать не производя акустических шумов.

Обратите внимание, что к MSP430 не подключен никакой кварцевый резонатор. Частота DCO использованного микроконтроллера MSP430x11x (1) зависит от температуры и напряжения питания. Поэтому изменяется и частота ШИМ сигнала. Так как длительность рабочего цикла ШИМ сигнала также зависит от частоты DCO, то скважность сигнала не изменится. Поэтому средняя мощность, подаваемая на двигатель, не изменится. Если же требуется стабильная частота сигнала с ШИМ, то к микроконтроллеру необходимо подключить кварцевый резонатор.

Показанный на схеме прибор TPS77133 производства компании TI, формирует стабилизированное напряжение VCC для питания микроконтроллера MSP430 и формирование сигнала сброса. Если необходимо формировать и сигнал установки напряжения питания (Power Good), то можно использовать прибор TPS77233, который также производится компанией TI.


Рисунок 1. Демонстрационная схема управления двигателем постоянного тока при помоши сигнала с ШИМ

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector