МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ТРЕХФАЗНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Абрамов Сергей г.Оренбург
В настоящее время практически 60 % всей вырабатываемой электроэнергии потребляется электродвигателями. Поэтому достаточно остро стоит задача экономии электроэнергии и уменьшения стоимости электродвигателей. Трехфазные асинхронные двигатели считаются достаточно универсальными и наиболее дешевыми, но в то же самое время подключать их к однофазной сети и управлять частотой вращения достаточно сложно.
Заманчива перспектива, увеличения номинальной частоты вращения двигателя, в двое и более раз или использование малогабаритных двигателей рассчитанных на частоту питающей сети 400-1000 Гц и имеющие меньшую массу и стоимость. В данной радиолюбительской конструкции предпринята попытка решения проблемы.
Предлагаемая система управления работает от однофазной сети 220вольт и позволяет плавно менять обороты двигателя и отображать частоту инвертора на двухразрядном цифровом индикаторе. Дискретность изменения частоты инвертора составляет 1 Гц и регулируется в пределах от 1 до 99 Гц. В предлагаемой схеме используется число-импульсный метод управления асинхронным двигателем с частотой модуляции 10 кГц Рис1. позволяющий получать синусоидальный ток на обмотках двигателя. Существует также более перспективный, ШИРОТНО ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД (ШИМ, PWM – англ.) использующий управление с обратными связями и без них. С частотами модуляции от 3 до 20 кГц и всевозможные методы коммутации, позволяющие увеличить выходное напряжение инвертора на 15-27% по сравнению с питающей сетью т.е. до 354-390 вольт.
Рис1.
Схема, изображённая на рис2, состоит из управляющего устройства D2, применен микроконтроллер PIC16F628-20/P работающий на частоте 20 мГц, кнопок управления Пуск (SA1), Стоп (SA2), кнопки увеличения и уменьшения частоты соответственно SA3.SA4. Двоично-семисегментного дешифратора D1, светодиодных матриц HG1,HG2. Узла торможения VT9,VT10,K1. В силовой цепи используется трехфазный мостовой драйвер D4 IR2130 фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER имеющий три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления. Данная микросхема имеет систему защиты по току которая в случае перегрузки выключает все ключи а также предотвращает одновременное открывание верхних и нижних транзисторов и тем самым предотвращает протекание сквозных токов. Для сброса защиты необходимо установить все единицы на входах HNx, LNx. В качестве силовых ключей применены МОП транзисторы IRF740. Цепь перегрузки состоит из датчика тока R10 делителя напряжения R7-R9 позволяющего точно установить ток срабатывания защиты, и интегрирующей цепочки R6-C3 которая предотвращает ложное срабатывание токовой защиты в моменты коммутаций. Напряжение срабатывания защиты составляет 0,5 вольт по входу ITRP (D4). После срабатывания защиты на выходе FAULT (открытый коллектор) появляется логический ноль, зажигается светодиод HL1, и закрываются все силовые ключи. Для более быстрой разрядки емкостей затворов силовых транзисторов можно установить параллельно резисторам, включенным в цепь затвора, диодов в обратном направлении. Двигатель необходимо включить по схеме звезды.
Источник питания состоит из мощных диодов VD11-VD14, токоограничительного резистора R20, фильтрующей емкости C10, емкость C11 предотвращает всплески, которые будут возникать при коммутациях на паразитных индуктивностях схемы. А также маломощного трансформатора T1, стабилизатора напряжения 15 вольт D5 для питания схемы драйвера, и стабилизатора напряжения 5 вольт D3 для питания микроконтроллера и схемы индикации.
рис2.
При использовании более мощного двигателя вместо транзисторов IRF740 можно использовать IGBT транзисторы типа IRGBC20KD2-S, IRGBC30KD2-S при этом диоды VD7-VD10, VD15,VD16 следует выпаять. Конденсатор C11 должен быть типа К78-2 на 600-1000 Вольт. Вместо VD1-VD6 желательно применить сверх быстрые диоды типа 10DF6, а емкости С15-С17 уменьшить до 2,2-4,7 микрофарад, которые должны быть рассчитаны на напряжение 50 вольт. Трансформатор T1 мощностью 0,5-2 Вт от калькулятора с перемотанной вторичной обмоткой. Обмотка намотана проводом диаметром 0,2 и должна выдавать 19-20 вольт.
Печатная плата Рис3. выполнена на одностороннем стеклотекстолите, для того чтобы можно было воспользоваться утюго-лазерной технологией изготовления. Светодиод HL1, матрицы HG1,HG2, кнопки SA1-SA4 установлены со стороны дорожек. По вашим просьбам печатная плата в формате PCAD2000 -здесь
Рис3.
HEX формат программы находится в таблице 1. В момент записи в нулевую ячейку ОЗУ необходимо поместить шестнадцатеричное число от 1 до 63, начальная частота инвертора.
Программа выполнена таким образом что двигатель стартует с плавным набором скорости от 0 до установленной частоты примерно за 2 секунды, эта константа находится в ячейках 0207 и 0158 таблицы. Если необходимо увеличить скорость нарастания в два раза то вместо кодов 3005 необходимо записать 300A.
Табл1.
:020000040000FA
:02000000EA29EB
:08000800C200030EC3000B1936
:100010000E28430E8300C20E420E09000B308100F1
:100020000B116400230800258A01A1002308002683
:100030008A01A200331842282108A607031C37288A
:100040000630A607A70A2708FA3C03193228220817
:10005000A707031832282708FA3C031C3228031983
:1000600032287228FA30A700A60133147228260815
:10007000FA3C031C3F28031D2728A6012228FA303A
:10008000A6022228A708031960282108A60203183F
:100090004F280630A602A703A708031955282208EF
:1000A000A70203185928A7016428A6080319652880
:1000B0004F28A708031D7228A6080319652872286F
:1000C0002108A60203184F28A60133100030A8000B
:1000D000AA00A730A900AB00AF01B21A7128B2166E
:1000E0007228B212B3189A282108A807031C8F2877
:1000F0000630A807A90A2908FA3C03198A28220809
:10010000A90703188A282908FA3C031C8A2803191E
:100110008A28CA28FA30A900A801B314CA282808D6
:10012000FA3C031C9728031D7F28A8017A28FA307F
:10013000A8027A28A9080319B8282108A8020318D8
:10014000A7280630A802A903A9080319AD28220888
:10015000A9020318B128A901BC28A8080319BD28C1
:10016000A728A908031DCA28A8080319BD28CA285A
:100170002108A8020318A728A801B3100030A60080
:10018000AA00A730A700AB00B001321BC928321764
:10019000CA2832133319F2282108AA07031CE728BA
:1001A0000630AA07AB0A2B08FA3C0319E2282208FA
:1001B000AB070318E2282B08FA3C031CE2280319BA
:1001C000E2282229FA30AB00AA01331522292A0895
:1001D000FA3C031CEF28031DD728AA01D228FA30C5
:1001E000AA02D228AB08031910292108AA02031871
:1001F000FF280630AA02AB03AB0803190529220821
:10020000AB0203180929AB011429AA0803191529FF
:10021000FF28AB08031D2229AA0803191529222942
:100220002108AA020318FF28AA0133110030A600F2
:10023000A800A730A700A900B101B21B2129B2175D
:100240002229B213B21C3529851E922906083F388F
:100250008600B21A9621B21EA421321BB221321F8F
:10026000C021B21BCE21B21FDC21B70B7A2964302A
:10027000B700321A75290613850105140000000025
:1002800000000000051AB21485018514000000006A
:1002900000000000051A7B29B908031D5B2923080B
:1002A000200203195C29031C5729A30A5829A30318
:1002B0000530B9005C29B903B80B70293230B80099
:1002C000850105150000000000000000051A321528
:1002D000850185150000000000000000051AB21518
:1002E00034088500861732167A298613350885006A
:1002F0000617321209283F308604B2100130A300DD
:1003000006178617FF30BB00FF30BA003C30BC0038
:100310006400BB0B8C29BA0B8829BC0B88290613F7
:1003200086134C29B2103F30860435292708F03C4B
:10033000031CA029270800248A01AF07031CA22957
:1003400006100800061408002708F03C031CAE291C
:10035000270800248A01AF07031CB0298611080072
:10036000861508002908F03C031CBC292908002434
:100370008A01B007031CBE298610080086140800F5
:100380002908F03C031CCA29290800248A01B00767
:10039000031CCC2906120800061608002B08F03CA6
:1003A000031CD8292B0800248A01B107031CDA2971
:1003B00006110800061508002B08F03C031CE6296E
:1003C0002B0800248A01B107031CE82986120800C3
:1003D0008616080083120313850107309F003F3003
:1003E00086000B308100831603139F138030810039
:1003F0003030850000308600A0308B00831203135C
:10040000A0144F30840080018403A018032A053013
:10041000B9000130A3002030B2000230B300003038
:10042000A600A800A730A700A9006430B7003230AA
:10043000B80000305622A000362264003219232270
:10044000B2192A221D2A63302002031DA00A362277
:100450003211302A01302002031DA0033622B211CE
:100460002008C100003042226400080020088B13DD
:1004700000238A018B17B6000F39B400360E0F39EE
:10048000B50008008B13831603139B00831203131C
:100490004108831603139A001C1555309D00AA309D
:1004A0009D009C14831203138B1708008B13831673
:1004B00003139B001C141A08831203138B170800E4
:100600000A148A1482070034013402340334043497
:1006100005340634073408340934103411341234E4
:100620001334143415341634173418341934203470
:1006300021342234233424342534263427342834F6
:10064000293430343134323433343434353436347C
:100650003734383439344034413442344334443408
:100660004534463447344834493450345134523494
:100670005334543455345634573458345934603420
:1006800061346234633464346534663467346834A6
:10069000693470347134723473347434753476342C
:1006A00077347834793480348134823483348434B8
:1006B0008534863487348834893490349134923444
:0E06C0009334943495349634973498349934A6
:100800000A158207003402340334053406340834F0
:100810000A340B340D340E341034123413341534BE
:10082000163418341A341B341D341E342034223448
:1008300023342534263428342A342B342D342E34D2
:1008400030343234333435343634383439343B345C
:100850003D343E34403441344334443446344734E8
:1008600049344B344C344E344F3451345234543474
:100870005534573458345A345B345D345E34603404
:100880006134633464346634673469346A346C3494
:100890006D346E3470347134733474347634773428
:1008A00079347A347B347D347E34803481348234BC
:1008B000843485348634883489348B348C348D3454
:1008C0008F349034913493349434953496349834EE
:1008D00099349A349C349D349E349F34A134A2348C
:1008E000A334A434A634A734A834A934AA34AC342D
:1008F000AD34AE34AF34B034B234B334B434B534D0
:10090000B634B734B834BA34BB34BC34BD34BE3476
:10091000BF34C034C134C234C334C434C534C63423
:10092000C734C834C934CA34CB34CC34CD34CE34D3
:10093000CF34D034D134D234D334D434D534D63483
:10094000D634D734D834D934DA34DB34DC34DC343C
:10095000DD34DE34DF34E034E034E134E234E334F7
:10096000E334E434E534E634E634E734E834E834B8
:10097000E934EA34EA34EB34EC34EC34ED34ED347D
:10098000EE34EF34EF34F034F034F134F134F23447
:10099000F234F334F334F434F434F534F534F63417
:1009A000F634F734F734F834F834F834F934F934E9
:1009B000F934FA34FA34FB34FB34FB34FB34FC34C2
:1009C000FC34FC34FD34FD34FD34FD34FE34FE349F
:1009D000FE34FE34FE34FF34FF34FF34FF34FF3482
:0609E000FF34FF34FF3478
:100A00000A140A1582070034193432344B34643422
:100A10007D349634AF34C834E13400341934323480
:100A20004B3464347D349634AF34C834E13400340C
:100A3000193432344B3464347D349634AF34C83492
:100A4000E1340034193432344B3464347D34963418
:100A5000AF34C834E1340034193432344B346434A4
:100A60007D349634AF34C834E13400341934323430
:100A70004B3464347D349634AF34C834E1340034BC
:100A8000193432344B3464347D349634AF34C83442
:100A9000E1340034193432344B3464347D349634C8
:100AA000AF34C834E1340034193432344B34643454
:100AB0007D349634AF34C834E134003419343234E0
:0E0AC0004B3464347D349634AF34C834E134A2
:100C00008A140A158207003400340034003400349A
:100C10000034003400340034003401340134013431
:100C2000013401340134013401340134013402341B
:100C30000234023402340234023402340234023404
:100C400002340334033403340334033403340334ED
:100C500003340334033404340434043404340434D7
:100C600004340434043404340434053405340534C1
:100C700005340534053405340534053405340634AB
:100C80000634063406340634063406340634063494
:100C9000063407340734073407340734073407347D
:100CA0000734073407340834083408340834083467
:100CB0000834083408340834083409340934093451
:0E0CC00009340934093409340934093409347B
:02400E00463F2B
:00000001FF
Если Вы решили повторить конструкцию, то повторяю для устойчивой работы двигателя настоятельно рекомендую переписать программу. С прошивкой которая приведена в статье двигатель крутиться будет но мощность на валу будет маленькая. (Посмотреть демонстрационный ролик-1,9мв) Необходимо написать новую программу не с число-импульсной, а с ШИМ-модуляцией. И для этого желательно использовать более мощный процессор с 6-ШИМ модулями, что нибудь из разряда PIC18Fxxxx и хорошо подумать над программой.
Наверное все же придется выложить исходник на сайт так как слишком много просьб поступило. Хотя я писал что как рабочая эта программа не подойдет, ее надо переделывать. Эта работа достаточно сложная и так просто ее не сделать, необходимо учитывать массу факторов, ну например в зависимости от нагрузки на валу в процессе вращения менять ширину импульсов, то есть необходим достаточно мощный процессор, или сразу делать двухпроцессорную систему один обсчитывает второй управляет. Мою схему можно без проблем использовать в управлении 3х фазным двигателем который может работать от прямоугольных импульсов.
Текс программы на ассемблере для MPLAB
ЛИТЕРАТУРА:
В. Козаченко, Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам, CipNews №1-99г.
Д. Обухов, С. Стенин, Д. Струнин, А. Фрадкин, Модуль управления электроприводом на микроконтроллере PIC16C62 и драйвере IR2131 , CipNews №6-99г.