УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Обухов Д.Э., Стенин С.Л., Струнин Д.В.

Для некоторых, относительно простых задач управления электроприводом можно использовать неспециализированные микроконтроллеры, к которым разработчик привык, и которые свободно продаются на нашем рынке. В [1] были показаны  основные требования к микроконтроллерам и описан круг современных задач, где применение специализированных микросхем является наиболее разумным решением.

В этой статье мы показываем возможность использования микроконтроллера PIC16C62 фирмы Microchip для решения простых задачах управления приводом, которые часто встречаются в быту. В основном, предлагаемая схема предназначена для управления трехфазным асинхронным двигателем, когда в распоряжении  имеется однофазная сеть 220В. Схема, изображенная на рис. 1 состоит из силового трехфазного инвертора, генератора управляющих сигналов и сопрягающего элемента - драйвера для ключей инвертора. Рассмотрим эти элементы и опишем некоторые алгоритмы, которые можно реализовать в этой системе.

Рис .1. Схема управления асинхронным двигателем.

Привлекательная во всех отношениях микросхема IR2131 (или IR2130) фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER редко встречается в отечественных разработках. Одной из причин этого является ее относительно высокая стоимость, но если принять во внимание, что цена таких изделий на нашем рынке сильно зависит от спроса на них, то с определенным риском можно рекомендовать ее разработчику для применения в изделиях, где определяющим фактором является цена.

Микросхема IR2131 представляет собой драйвер 6-ти ключей (IGBT или MOSFET), имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления. В ней предусмотрена защита по току, которая выключает все ключи и выдает сигнал ошибки FAULT, когда сигнал на  выводе ITRIP превышает 0,5В. Это удобно для разработчика, поскольку организация такой защиты требует от него лишь правильного определения величины резистивного датчика. Входы драйвера согласуются с ТТЛ логикой, что позволяет управлять им с помощью микроконтроллеров с 5-ти вольтовым питанием без дополнительных преобразователей уровня. Кроме этого у IR2131 есть отдельный вход выключения всех ключей и вход сброса сигнала ошибки, а у IR2130 вместо них имеется встроенный усилитель тока нагрузки и сброс триггера ошибки осуществляется при подаче на все входы управления неактивного уровня. Допустимое напряжение на инверторе, с которым работает микросхема, составляет 600В. В настоящее время фирмой INTERNATIONAL RECTIFIER производятся аналогичные драйверы с рабочим напряжением 1200В.

На рис.1. изображена простейшая схема трехфазного моста на транзисторах IRF740, которые управляются от IR2131.

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 XI, 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 СИ (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 ЗкГц) 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 резистивнохю датчика тока R10 выбирается в зависимости от номинальной мощности электропривода и допустимой перегрузки по току (R10 = 0,5В / 1доп.). 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 ЗкГц.

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.

Таблица 1.

Рис.2. Осциллограммы тока и напряжения при 180° коммутации. Фазный ток (слева) и линейное напряжение (справа).

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 180о 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.

Рис.3. Базовые вектора 6-тактной коммутации.

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 ЗкГц, осциллограммы имеют вид, как показано на рис.4.

Рис.4. Осциллограммы тока и напряжения при синусоидальной ШИМ. Фазный ток (слева) и линейное напряжение (справа).

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.

Если использовать датчик положения ротора, и завести его сигналы на свободные выводы микроконтроллера, то с помощью этой системы можно управлять вентильным двигателем или синхронным реактивным двигателем.

Следует особо отметить возможность построения бездатчиковой схемы управления вентильным электродвигателем с постоянными магнитами (такая разработка нами сделана и имеет большие преимущества перед аналогами). При этом в исходную схему необходимо добавить регулятор напряжения подаваемого на инвертор, компаратор и некоторую обвязку из пассивных компонентов. Определением угла положения ротора занимается процессор PIC16C73. В бездатчиковой схеме с тактированием PIC16C73 от RC генератора можно управлять вентильным двигателем с частотой вращения до 100Гц. Для выхода на большие скорости вращения нужно увеличивать частоту тактирования процессора. Бездатчиковая схема усложняется для вентильных двигателей с большой индуктивностью, если коммутационные интервалы превышают 30°.

В [6] предлагался вариант бездатчикового привода для бесколлекторного двигателя постоянного тока на базе MC68HC908MR24. В качестве недостатков предложенного механизма определения угла положения ротора следует отнести невозможность работы схемы с высокоиндуктивными двигателями (длительный коммутационный интервал не отфильтруется и компараторы «поймают» ложный переход противо- ЭДС через ноль), второй существенный недостаток - это проблема пуска двигателя. В предложенной схеме потребуются значительные вычислительные ресурсы для определения первоначального положения ротора. Кроме этого, нужно учесть, что нормальный пуск двигателя происходит на низкой частоте при выполнении определенного соотношения U/f. Для сравнения, в табл.1 приводятся данные по использованию ресурсов PIC16C73 в бездатчиковой схеме управления вентильным двигателем с постоянными магнитами, когда коммутационные интервалы незначительны.

Внешний вид изделия, собранного по предложенной схеме показан на рис.5.

Габаритные размеры 135x80x33 мм.

В заключение отметим перспективность построения микропроцессорных систем управления электроприводом, даже в случае, когда определяющим фактором при разработке является цена. Стоимость микроконтроллеров уменьшается, а возможности, которые они предоставляют, делают систему гибкой и легко модернизируемой без изменения электрической схемы. Применение специализированных микросхем, как было показано на примере драйвера IR2131 избавляет разработчика от лишних затрат на проектирование, а изготовителя от лишних затрат на сборку и настройку. Данная схема имеет высокую надежность из-за минимального количества электронных компонентов. В результате симбиоза этих двух микросхем получается недорогой электропривод, с удобным и качественным управлением.

Печатную плату, программу и прошивку можно скачать здесь:

ftp://homelab.homelinuxserver.org/pub/arhiv/2014-06-al.zip

Литература:

1. В. Козаченко. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к контроллерам. // CHIIP NEWS. 1999. №1.-С.2-9.

2. Control Integrated Circuit Designers4 Manual. International Rectifier, 1996.

3. Power Semiconductors. Product Digest 47th Edition, 1995.

4. PIC16/17 MICROCONTROLLER DATA BOOK, 1997.

5. Однокристальные микроконтроллеры Microchip: PIC16C8X. Пер. с англ. Под ред. Владимирова А.Н. -Рига.: 0RMIX, 1996. - 120 с.

6. Radim Visinka, Leos Chalupa, Ivan Skalka. Системы управления электродвигателями на микроконтроллерах фирмы MOTOROLA. // CHIIP NEWS. 1999. №1.- С.14-16.