DC Motor Speed Drive: 4 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Denna instruerbara kommer att utarbeta design, simulering, byggande och testning av en switch -mode DC till DC -omvandlare och styrsystemstyrenhet för en DC -motor. Denna omvandlare kommer sedan att användas för digital styrning för en shunt likströmsmotor med en belastning. Kretsen kommer att utvecklas och testas i olika faser.

Den första fasen blir att bygga en omvandlare för att fungera vid 40V. Detta görs för att säkerställa att de inte har någon parasitisk induktans från ledningar och andra kretskomponenter som kan skada föraren vid höga spänningar. I det andra steget kommer omvandlaren att driva motorn vid 400 V med en maximal belastning. Det sista steget är att styra motorns varvtal med en variabel belastning med arduino som styr en pwm -våg för att justera spänningen.

Komponenter är inte alltid billiga och därför har man försökt bygga systemet så billigt som möjligt. Slutresultatet av denna praktik blir att bygga en likström-omvandlare och en styrsystemstyrenhet för att styra motorns varvtal inom 1% vid en inställd punkt i steady state och att ställa in hastigheten inom 2s med en variabel belastning.

Steg 1: Val av komponenter och specifikationer

Motorn jag hade hade följande specifikationer.

Motorspecifikationer: Armatur: 380 Vdc, 3,6 A

Excitation (Shunt): 380 Vdc, 0,23 A

Märkehastighet: 1500 r/min

Effekt: ≈ 1,1 kW

DC -motorns strömförsörjning = 380V

Optokopplare och drivrutins strömförsörjning = 21V

Detta skulle innebära att den maximala ström- och spänningsgraden för komponenter som är anslutna till eller styr motorn skulle ha högre eller motsvarande värden.

Frihjulsdioden, märkt som D1 i kretsschemat, används för att ge motorn motsatt emf en väg till flöde som förhindrar att strömmen vänder och skadar komponenter när strömmen stängs av och motorn fortfarande roterar (generatorläge Det är märkt för en maximal backspänning på 600V och en maximal framåt likström på 15 A. Därför kan det antas att svänghjulsdioden kommer att kunna fungera med tillräcklig spänning och strömnivå för denna uppgift.

IGBT används för att växla ström till motorn genom att ta emot en 5V pwm -signal från Arduino genom optokopplaren och IGBT -drivrutinen för att växla den mycket stora 380V motorns matningsspänning. IGBT som används har en maximal kontinuerlig kollektorström på 4,5A vid en övergångstemperatur på 100 ° C. Den maximala kollektoremitterspänningen är 600V. Därför kan det antas att svänghjulsdioden kommer att kunna arbeta vid en tillräcklig spännings- och strömnivå för det praktiska. Det är viktigt att lägga till en kylfläns till IGBT helst en stor. Om IGBT inte är tillgängliga kan en snabbväxlande MOSFET användas.

IGBT har en gränströskelspänning mellan 3,75 V och 5,75 V och en drivrutin behövs för att leverera denna spänning. Frekvensen vid vilken kretsen kommer att drivas är 10 kHz, så IGBT: s omkopplingstider måste vara order snabbare än 100 us, tiden för en helvåg. Växlingstiden för IGBT är 15ns vilket är tillräckligt.

TC4421 -drivrutinen som valdes har kopplingstider på minst 3000 gånger PWM -vågen. Detta säkerställer att föraren kan växla tillräckligt snabbt för kretsoperationen. Föraren behövs för att ge mer ström än Arduino kan ge. Föraren får den ström som behövs för att driva IGBT från strömförsörjningen snarare än att dra den från Arduino. Detta är för att skydda Arduino eftersom dragning till mycket kraft kommer att överhettas Arduino och rök kommer ut och Arduino kommer att förstöras (försökt och testad).

Drivrutinen kommer att isoleras från mikrokontrollern som tillhandahåller PWM -vågen med hjälp av en optokopplare. Optokopplaren isolerade helt Arduino som är den viktigaste och mest värdefulla delen av din krets.

För motorer med olika parametrar behöver endast IGBT ändras till en med liknande egenskaper som motorn som kommer att kunna hantera den omvända spänningen och den kontinuerliga kollektorströmmen som behövs.

En WIMA -kondensator används tillsammans med en elektrolytkondensator tvärs över motorns strömförsörjning. Detta lagrar en avgift för att stabilisera strömförsörjningen och viktigast av allt hjälper till att eliminera induktanserna från kablarna och kontakterna i systemet

Steg 2: Bygga och planera

Kretsens utformning fastställdes för att minimera avståndet mellan komponenter för att eliminera onödiga induktanser. Detta gjordes särskilt i slingan mellan IGBT -drivrutinen och IGBT. Ett försök gjordes för att eliminera buller och ringningar med stora motstånd som jordades mellan Arduino, Optocoupler, Driver och IGBT.

Komponenterna löds på ett Veroboard. Ett enkelt sätt att bygga kretsen är att rita komponenterna i kretsschemat på veroboardet innan du börjar lödning. Lödning i ett väl ventilerat område. Skrapa den ledande sökvägen med en fil för att skapa ett gap mellan komponenter som inte ska anslutas. Använd DIP -paket så att komponenter enkelt kan bytas ut. Detta hjälper när komponenter misslyckas med att inte behöva löda ut dem och lösa ut reservdelen.

Jag använde banankontakter (svarta och röda uttag) för att enkelt ansluta mina strömförsörjningar till verobordet, detta kan hoppas över och ledningarna lödas direkt på kretskortet.

Steg 3: Programmering av Arduino

Pwm -vågen genereras genom att inkludera Arduino PWM -biblioteket (bifogat som en ZIP -fil). En proportionell integrerad styrenhet PI -styrenhet) används för att styra rotorns hastighet. Proportionell och integrerad förstärkning kan beräknas eller uppskattas tills tillräckliga avräkningstider och överskott erhålls.

PI -styrenheten är implementerad i Arduinos while () loop. Varvräknaren mäter rotorns hastighet. Denna mätning matas in till arduinoen i en av de analoga ingångarna med analogRead. Felet beräknas genom att subtrahera den aktuella rotorhastigheten från börvärdet rotorhastighet och sättas lika med fel. Tidsintegrationen gjordes genom att lägga till prov varje gång för varje slinga och ställa in den lika med tiden och därmed öka med varje iteration av slingan. Arbetscykeln som arduino kan mata ut varierar från 0 till 255. Driftscykeln beräknas och matas ut till den valda digitala PWM -stiftet med pwmWrite från PWM -biblioteket.

Implementering av PI -styrenhet

dubbel fel = ref - rpm;

Tid = Tid + 20e-6;

dubbel pwm = initial + kp * fel + ki * Tid * fel;

Implementering av PWM

dubbel sensor = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

Hela projektkoden kan ses i filen ArduinoCode.rar. Koden i filen justerades för en inverterande drivrutin. Den inverterande föraren hade följande effekt på kretsens arbetscykel, vilket betyder new_dutycycle = 255 -dutycycle. Detta kan ändras för icke -inverterande drivrutiner genom att vända ovanstående ekvation.

Steg 4: Testning och slutsats

Kretsen testades slutligen och mätningar gjordes för att avgöra om önskat resultat har uppnåtts. Kontrollenheten var inställd på två olika hastigheter och laddades upp till arduino. Strömförsörjningen slogs på. Motorn accelererar snabbt förbi önskad varvtal och lägger sig sedan vid vald hastighet.

Denna teknik för att styra en motor är mycket effektiv och fungerar på alla likströmsmotorer.