Unidad de velocidad del motor de CC: 4 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Este instructivo detallará el diseño, la simulación, la construcción y la prueba de un convertidor de CC a CC de modo de conmutación y un controlador del sistema de control para un motor de CC. Luego, este convertidor se utilizará para el control digital de un motor de CC en derivación con carga. El circuito se desarrollará y probará en diferentes fases.

La primera fase será la de construir un convertidor para operar a 40V. Esto se hace para garantizar que no haya inductancia parásita de cables y otros componentes del circuito que puedan dañar el controlador a altos voltajes. En la segunda etapa, el convertidor hará funcionar el motor a 400 V con una carga máxima. La etapa final es controlar la velocidad del motor con una carga variable con el arduino controlando una onda pwm para ajustar el voltaje.

Los componentes no siempre son baratos y, por lo tanto, se intentó construir el sistema lo más barato posible. El resultado final de esta práctica será construir un convertidor dc-dc y un controlador del sistema de control para controlar la velocidad del motor dentro del 1% en un punto de ajuste en estado estable y para establecer la velocidad dentro de 2 s con una carga variable.

Paso 1: Selección y especificaciones de componentes

El motor que tenía disponible tenía las siguientes especificaciones.

Especificaciones del motor: Armadura: 380 V CC, 3,6 A

Excitación (derivación): 380 Vcc, 0,23 A

Velocidad nominal: 1500 r / min

Potencia: ≈ 1,1 kW

Fuente de alimentación del motor DC = 380V

Optoacoplador y fuente de alimentación del controlador = 21V

Esto implicaría que la clasificación máxima de corriente y voltaje de los componentes que están conectados o controlando el motor tendrían clasificaciones más altas o equivalentes.

El diodo de rueda libre, etiquetado como D1 en el diagrama del circuito, se usa para dar a la fem inversa del motor una ruta de flujo que evita que la corriente se invierta y dañe los componentes cuando se corta la energía y el motor aún está girando (modo generador Está clasificado para un voltaje inverso máximo de 600 V y una corriente CC directa máxima de 15 A. Por lo tanto, se puede suponer que el diodo del volante podrá operar a un nivel de voltaje y corriente suficiente para esta tarea.

El IGBT se usa para cambiar la energía al motor al recibir una señal de 5V pwm del Arduino a través del optoacoplador y el controlador IGBT para cambiar el voltaje de suministro del motor de 380V muy grande. El IGBT que se utiliza tiene una corriente de colector continua máxima de 4,5 A a una temperatura de unión de 100 ° C. El voltaje máximo del emisor del colector es de 600 V. Por lo tanto, se puede suponer que el diodo del volante podrá operar a un voltaje y nivel de corriente suficientes para la práctica. Es importante agregar un disipador de calor al IGBT, preferiblemente uno grande. Si los IGBT no están disponibles, se puede utilizar un MOSFET de conmutación rápida.

El IGBT tiene un voltaje de umbral de puerta de entre 3,75 V y 5,75 V y se necesita un controlador para entregar este voltaje. La frecuencia a la que se operará el circuito es de 10 kHz, por lo que los tiempos de conmutación del IGBT deben ser órdenes más rápidos que 100 us, el tiempo de una onda completa. El tiempo de conmutación del IGBT es de 15 ns, que es suficiente.

El controlador TC4421 que se seleccionó tiene tiempos de conmutación de al menos 3000 veces la onda PWM. Esto asegura que el controlador pueda cambiar lo suficientemente rápido para la operación del circuito. El controlador es necesario para proporcionar más corriente de la que puede proporcionar Arduino. El controlador obtiene la corriente necesaria para operar el IGBT de la fuente de alimentación en lugar de extraerlo del Arduino. Esto es para proteger el Arduino porque consumir mucha energía sobrecalentará el Arduino y saldrá humo y el Arduino se destruirá (intentado y probado).

El controlador se aislará del microcontrolador que proporciona la onda PWM mediante el uso de un optoacoplador. El optoacoplador aisló completamente el Arduino, que es la parte más importante y valiosa de su circuito.

Para motores con diferentes parámetros, solo el IGBT debe cambiarse a uno con características similares al motor que podrá manejar el voltaje inverso y la corriente de colector continua necesaria.

Se utiliza un condensador WIMA junto con un condensador electrolítico en la fuente de alimentación del motor. Esto almacena una carga para estabilizar la fuente de alimentación y, lo más importante, ayuda a eliminar las inductancias de los cables y conectores del sistema.

Paso 2: construcción y distribución

El diseño del circuito se estableció con el fin de minimizar la distancia entre los componentes para eliminar inductancias innecesarias. Esto se hizo especialmente en el bucle entre el controlador IGBT y el IGBT. Se intentó eliminar el ruido y el timbre con grandes resistencias conectadas a tierra entre Arduino, Optoacoplador, Driver e IGBT.

Los componentes están soldados a un Veroboard. Una manera fácil de construir el circuito es dibujar los componentes del diagrama del circuito en el veroboard antes de comenzar a soldar. Suelde en un área bien ventilada. Raspe la ruta conductora con una lima para crear un espacio entre los componentes que no deben conectarse. Utilice paquetes DIP para que los componentes se puedan reemplazar fácilmente. Esto ayuda cuando los componentes no tienen que soldarlos y volver a soldar la pieza de repuesto.

Utilicé enchufes banana (enchufes negros y rojos) para conectar fácilmente mis fuentes de alimentación al veroboard, esto se puede omitir y los cables se pueden soldar directamente a la placa de circuito.

Paso 3: Programando el Arduino

La onda pwm se genera al incluir la biblioteca Arduino PWM (adjunta como un archivo ZIP). Se utiliza un controlador PI (controlador PI proporcional) para controlar la velocidad del rotor. La ganancia proporcional e integral se puede calcular o estimar hasta que se obtengan suficientes tiempos de asentamiento y sobreimpulsos.

El controlador PI se implementa en el bucle while () de Arduino. El tacómetro mide la velocidad del rotor. Esta medición ingresa al arduino en una de las entradas analógicas usando analogRead. El error se calcula restando la velocidad actual del rotor de la velocidad del rotor del punto de ajuste y se establece igual al error. La integración de tiempo se realizó agregando tiempo de muestra a tiempo en cada ciclo y configurándolo igual al tiempo y, por lo tanto, aumentando con cada iteración del ciclo. El ciclo de trabajo que el arduino puede emitir varía de 0 a 255. El ciclo de trabajo se calcula y se envía al pin PWM de salida digital seleccionado con pwmWrite de la biblioteca PWM.

Implementación de controlador PI

doble error = ref - rpm;

Hora = Hora + 20e-6;

pwm doble = inicial + kp * error + ki * tiempo * error;

Implementación de PWM

sensor doble = analogRead (A1);

pwmWrite (3, pwm-255);

El código completo del proyecto se puede ver en el archivo ArduinoCode.rar. El código del archivo se ajustó para un controlador de inversión. El controlador inversor tuvo el siguiente efecto en el ciclo de trabajo del circuito, lo que significa new_dutycycle = 255 -dutycycle. Esto se puede cambiar para los controladores que no invierten invirtiendo la ecuación anterior.

Paso 4: prueba y conclusión

Finalmente, se probó el circuito y se tomaron medidas para determinar si se había logrado el resultado deseado. El controlador se configuró en dos velocidades diferentes y se cargó en el arduino. Se encendieron las fuentes de alimentación. El motor acelera rápidamente más allá de la velocidad deseada y luego se estabiliza a la velocidad seleccionada.

Esta técnica de controlar un motor es muy eficaz y funcionaría en todos los motores de CC.