Гибридное микроконтроллерное управление бесконтактным электродвигателем с постоянными магнитами

В [1] показана целесообразность повышения энергоэффективности электромехатронного преобразователя (ЭМТП) форм энергии и информации. Одним из перспективных вариантов решения этой задачи является комплексное совершенствование структурного, алгоритмического [2] и информационного [3] обеспечения процесса управления бесконтактным электродвигателем с постоянными магнитами (БЭПМ).

Наибольший интерес, с точки зрения построения самоорганизующихся ЭМТП, представляет вариант гибридного ЭМТП, в котором БЭПМ может работать поочередно в режиме шагового электродвигателя (ШЭД) и вентильного электродвигателя (ВЭД). При этом энергоэффективность БЭПМ в режиме ВЭД возрастет.

Если достигнутый уровень энергоэффективности достаточен, то возможно использование аппаратного подхода к проектированию. Аппаратный вариант формирования алгоритмического обеспечения гибридного управления при однополярной коммутации реализуется на основе поли-режимного распределителя импульсов (РИ) (рис. 1, а) [4], обеспечивающего шеститактную коммутацию ШЭД [5].

Такой РИ включает в себя три базовых элемента и обеспечивает на выходных шинах 4–6 чередование логических состояний при пошаговом управлении ...–100–110–010–011–001–101–100–..., соответствующее прямой коммутации, либо ...– 100–101–001–011–010–110–100–..., соответствующее обратной коммутации в зависимости от сигналов направления, поданных по шинам 2 и 3. В состав РИ включен корректирующий элемент ИНЕ, запрещающий появление на выходных шинах комбинации 111 и обеспечивающий автоматиче- ский переход от комбинации 000 к комбинации 011, т. е. в любом случае происходит переход к 6тактной коммутации.

В режиме пошагового управления по входу 1 поступают импульсы, количество которых определяет величину перемещения, а частота их следования – его скорость. В режиме самокоммутации сигнал от импульсно-потенциального датчика положения ротора на основе элементов Холла поступает по шинам 7–9 на S -входы D -триггеров РИ. Такое структурное построение позволяет осуществить путем тактирования по шинам 7–9 контроль информации пошагового управления, поступающей по шине 1 .

В отличие от самоорганизующейся информа-ционно-управляющей системы [6], предусматривающей вариации алгоритма управления БЭПМ, гибридная структура предусматривает изменение способа управления электродвигателем в зависимости от величины рассогласования. Она формируется на основе сравнения информации, запрограммированной в МК и полученной по каналу местной обратной связи (МОС). В режиме само-коммутации БЭПМ функционирует как самоорганизующееся устройство благодаря наличию МОС, которая содержит информацию о величине перемещения и его скорости. На основе анализа этой информации, ЭМТП самостоятельно, перед каждым единичным перемещением, принимает решение о выборе последующего способа управления и направления движения ротора.

Поскольку синхронизация движения ротора происходит в пределах одного полюсного деления многополюсного БЭПМ, то, набрав высокую скорость, ротор не может остановиться внезапно после подачи команды на останов, если он находится

а)

Рис. 1. Полирежимный распределитель импульсов (а) и диаграмма его работы (б)

в режиме самокоммутации. Для остановки его следует перевести в режим пошагового управления посредством предварительного торможения. Его траектория программируется в МК обычно в функции скорости движения ротора, которая определяется частотой следования импульсов по каналу МОС. При использовании единого информационного обеспечения ЭМТП на основе СКДУ цифровой эквивалент скорости формируется МК. Окончательное торможение ротора производится в пределах последнего пошагового перемещения.

Такой алгоритм функционирования ЭМТП позволяет не только существенно снизить время отработки больших рассогласований, но и обеспечить устойчивую работу релейной мехатронной системы. Мехатронный подход позволяет одновременно повысить энергоэффективность ЭМТП переводом БЭПМ в зоне устойчивого равновесия на элементарный алгоритм коммутации по команде, сформированной ЭМТП [6].

Повышение энергоэффективности БЭПМ как в режиме пошагового управления, так и самоком-мутации достигается за счет совершенствования микроэлектронной компоненты ЭМТП, обеспечивающей переход к разнополярной коммутации (рис. 1, б) обмоток управления (ОУ) БЭПМ. В отличие от аппаратной реализации (рис. 1, а) алгоритм управления 3-фазным БЭПМ с разнополярной коммутацией формируется МК в составе универсальной платы управления (УПУ). При этом применяется мостовое включение усилителей мощности, обеспечивающее изменение направления тока в соответствующих ОУ электродвигателя. Достоинством такого варианта повышения энергоэффективности является возможность реализации логической части УПУ БЭПМ на основе МК общего применения [7].

Структурная схема гибридного управления, состоящая из силового трехфазного инвертора ( ТИ ), генератора ( G ) сигналов управления, драйвера ( ДВ ) и БЭПМ представлена на рис. 2.

Элементом сопряжения МК с ТИ в УПУ является ИМС типа IR2131 , которая представляет собой 6-канальный ДВ управления ключами IGBT или MOSFET и имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для верхних ключей моста. В ней предусмотрена токовая защита, которая выключает все ключи и выдает сигнал ошибки FAULT , когда сигнал на входе ITRIP превышает 0,5 В. Организация такой защиты требует лишь правильного определения величины сопротивления резистивного датчика тока.

Входы драйвера ДВ согласуются с ТТЛ логикой, что позволяет управлять им с помощью микроконтроллеров с питанием +5 В без дополнительных преобразователей уровня. Микросхема IR2131 имеет отдельный вход выключения всех ключей и вход сброса сигнала ошибки FAULT . Допустимое напряжение на инверторе, с которым работает ИМС, составляет 600 В.

Транзисторы IRFZ24N ТИ управляются ИМС IR2131 , которая, в свою очередь, сигналы управления получает от МК типа ATTiny2313. МК осуществляет формирование управляющей последовательности сигналов и обработку сигнала ошибки. В качестве МК также могут использоваться другие микроконтроллеры фирмы Atmel [5]. Наличие разнообразных встроенных периферийных устройств (многоканальный аналого-цифровой преобразователь, компараторы, последовательные

Рис. 2. Структурная схема гибридного управления с МК

порты, таймеры, модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и прочее) предоставляет широкие возможности для построения гибких и дешевых систем управления. Все микроконтроллеры имеют встроенную схему сброса по включению и снижению напряжения питания, «сторожевой» таймер и защиту кода от считывания [7]. В задачах управления ЭМТП возможна работа микроконтроллера от встроенного источника тактовых импульсов, максимальная частота которых достигает 8 МГц.

При использовании в источнике питания (ИП) конденсатора фильтра С В с большой величиной емкости и отсутствии элемента, ограничивающего ток заряда этого конденсатора, при каждом включении будут перегружаться диоды выпрямительного моста, что приведет к выходу их из строя. Для предотвращения «броска» тока через диоды выпрямителя необходимо включение терморезистора R _Т. Для ЭМТП, в которых пульсациями момента на валу электродвигателя с частотой 100 Гц можно пренебречь, следует отказаться от использования конденсатора в мостовом выпрямителе, являющегося причиной появления «бросков» тока.

Демпфирующий конденсатор Сд (керамический или полипропиленовый) необходимо распо- лагать на минимальном расстоянии от транзисторов моста, поскольку IGBT и MOSFET транзисторы следует защищать от перенапряжений, которые будут возникать при коммутациях на индуктивностях схемы.

Питание МК , датчиков Холла ДХ1–ДХ3 и ДВ осуществляется от линейного стабилизатора ЛС , входящего в состав ИП . Бутстрепные емкости С1– С3 заряжаются через диоды VD1-VD3 при включении соответствующего нижнего ключа моста. Напряжение питания ИМС IR2131 лежит в диапазоне от 10 В до 20 В. Питающее напряжение меньше 8 В вызывает запирание ключей.

Сопротивление резистивного датчика тока R Д выбирается в зависимости от номинальной мощности БЭПМ и допустимой перегрузки по току. Интегрирующее звено ИЗ предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций. При превышении сигналом на входе ITRIP уровня 0,5 В все ключи запираются и выдается сигнал ошибки FAULT .

При мощности ЭМТП до 5 кВт комплекс запитывается от сети переменного тока 220В, при этом рекомендуется использовать в трехфазном мосте транзисторы MOSFET ( VT1-VT6 ). При больших мощностях следует переходить на пита-

Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения в схеме гибридного управления с МК

ние от трехфазной сети 380 В, и использовать IGBT транзисторы.

Структура ЭМТП с микроконтроллерным управлением (см. рис. 2) позволяет реализовать управление БЭПМ в формате пошагового управления или самокоммутации со 180- или 120градусной коммутацией (см. рис. 1б). Осциллограммы тока и напряжения для этого случая представлены на рис. 3.

УПУ позволяет осуществлять следующие функции управления БЭПМ:

– пуск и остановку;

– изменение скорости вращения ротора;

– выбор направления вращения ротора.

Также просто осуществить пуск БЭПМ с требуемым пусковым моментом, используя формирование паузы перед сигналом сброса ошибки FAULT.