Съвременни тенденции в управлението на електродвигатели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2011

Съвременни тенденции в управлението на електродвигателиСъвременни тенденции в управлението на електродвигателиСъвременни тенденции в управлението на електродвигателиСъвременни тенденции в управлението на електродвигателиСъвременни тенденции в управлението на електродвигателиСъвременни тенденции в управлението на електродвигатели

Стремежът към икономия на електроенергия не отминава и електрозадвижванията, където една от съществените възможности за осъществяването й е чрез ефективно управление. Това означава с помощта на подходящи електронни схеми да се осигурява оптимален работен режим в зависимост от изпълняваните в момента функции и особено при промяна на товара. В статията “Концепции за управление на електродвигатели” в брой 4/2011 на списание Инженеринг ревю бяха разгледани основните методи за регулиране на скоростта на въртене, чието ефективно действие изисква усложняване на алгоритмите за осъществяването им при запазване и дори увеличаване на тяхното бързодействие. От друга страна е желателно техническите средства за управление да бъдат надеждни, с малка консумация на енергия и ниска цена. За постигане на тези цели непрекъснато се усъвършенстват структурите на управленията, а за реализацията им се използват нови или с подобрени параметри полупроводникови прибори, интегрални схеми (ИС) и модули.

Управление на постояннотокови колекторни електродвигатели
Съществува значително разнообразие в техническите реализации на управленията на тези електродвигатели в зависимост от техния тип (колекторни и безколекторни), тяхната мощност и работно напрежение, изискванията към параметрите им и вида на самото управление. Задължителен елемент във всички тях са ключовете, реализирани с MOS транзистори (най-често NMOS и по-рядко PMOS) или биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT). Основната причина за това е, че се управляват лесно и с нищожна консумация на енергия, като същевременно могат да осигуряват големи напрежения и токове. За електродвигатели с напрежение до около 300 V и токове до стотина А се предпочитат NMOS транзистори, но има и такива до 600 V и токове до 400 А. Основната причина за предпочитанието е малкото им съпротивление ron като затворен ключ (в някои съвременни модели то е под 1 милиом). Например за управляване на електродвигател 24 V/40 А (мощност около 1 kW) с един такъв транзистор с ron = 2 mW върху него ще се загуби напрежение 80 mV и дори да е непрекъснато затворен, ще се отдели мощност 3,2 W – и двете величини са нищожни спрямо тези на електродвигателя, т. е. транзисторът може да се счита за идеален ключ. За напрежения над около 300 V, т. е. за електродвигатели СН, се предпочитат IGBT, определени типове от които работят до 6 kV. Максималният ток на IGBT е между няколко А и 100 А. Продължават да се използват, макар и твърде рядко, биполярни транзистори.

Най-простите съвременни управления на колекторни електродвигатели са чрез ИС на мощни ключове (Power Switch), понякога наричани “интелигентни” (Smart Power Switch), които могат да се използват и за много други индуктивни, активни и капацитивни товари. Те съдържат един NMOS транзистор с необходимата допълнителна електроника и в зависимост от модела могат да управляват електродвигатели с напрежение между 5 и 60 V и ток от 1 до 60 А. Съдържат вградени защити срещу неправилна полярност на постоянното напрежение и недопустимо големи стойности на напрежението и тока на електродвигателя, както и на собствената им температура. При надхвърляне на определена граница от някоя от тези величини някои интегрални схеми изключват електродвигателя, а други подават напрежение на специален свой извод. Двата начина за свързване на електродвигателите са дадени на фиг. 1, като ключът SW на фиг. 1а е от вида High-Side Power Switch, а този на фиг. 1б – Low-Side Power Switch. Изборът на схемата става в зависимост от това кой възел на веригата на електродвигателя трябва да бъде свързан към маса.

И в двата случая регулирането на скоростта на електродвигателя се осигурява чрез подаване от цифров изход на микроконтролера МС на правоъгълни импулси с широчинноимпулсна модулация (ШИМ), каквато възможност имат голямата част от моделите. При наличие на импулс SW е затворен и двигателят се свързва към напрежението U, а при липса на импулс ключът е отворен. Така средната стойност на напрежението върху двигателя, което е правопропорционално на скоростта, е dxU, а d е коефициентът на запълване на импулсите. Неговата стойност се задава чрез постоянно напрежение или цифров сигнал на входа С на МС.

Сред голямото разнообразие на съвременни микроконтролери трябва да се избират препоръчваните от производителите им за управление на електродвигатели, като се има предвид наличието на твърде много модели с много малка постояннотокова консумация (дори под 1 uW) и ниска цена. Освен това, микроконтролерите чрез вградената си памет и възможност за програмиране позволяват автоматичното изпълняване на поредица от включвания и изключвания със задаване на времето на всяко от тях. Не по-малко важно е, че чрез допълнителни ИС може да се осигури управление чрез някой от стандартните жични интерфейси, както и безжично. Диодите на фиг. 1 са запушени при работа на двигателя и се отпушват при отваряне на SW от обратното е. д. н. на ротора, като го дават накъсо. Протичащият ток създава електромагнитно поле, което взаимодейства с това на статора и осигурява т. нар. бавно спиране (Slow Decay).

Друг тип управление на колекторни електродвигатели е с обобщената структура на фиг. 2, като ключовете S1 и S2 образуват полумост (Half Bridge). За показаните на фигурата техни положения електродвигателят е свързан към напрежението U, а при смяната им (S1 затворен и S2 отворен) ключът S1 действа както диодите на фиг. 1, но върху него се отделя поне десетина пъти по-малка мощност (това е предимство). При смяна на положението на ключовете задължително най-напред единият се отваря и след т. нар. мъртво време (Dead Time) другият се затваря. В противен случай може за кратко време двата да се окажат затворени и източникът на напрежението U да се даде накъсо. Диодите успоредно на ключовете са задължителни, например D1 има същото действие при отваряне на S1, както диодите на фиг. 1. Описаното действие се осигурява от драйвера DR, управляван от своя страна от микроконтролера МС, чиито ШИМ импулси определят скоростта на въртене както при схемите на фиг. 1. Три са основните практически начини за реализация на схемата – с два дискретни транзистора за S1 и S2, ИС на полумост с ключовете и диодите и ИС, съдържаща и DR.
Схемите на фиг. 1 и 2 не осигуряват реверсиране на електродвигателя, което се постига чрез използване на мостова схема (H-Bridge) от ключовете S1-S4 на фиг. 3. Те могат да се реализират с две ИС на полумостове, но по-често са една ИС. Всеки от тях се управлява от един извод на DR, който очевидно е по-сложен. При показаното положение на S1 токът през електродвигателя е с посока от А към В, а за регулиране на оборотите S3 и S4 трябва да са през част от периода на импулсите в показаното положение, а през останалата част S3 да е затворен и S4-отворен. Въртенето в обратна посока се осигурява чрез ток от В към А, като постоянно затворен е S4, а състоянието на S1 и S2 се променя за регулиране на скоростта на въртене.

За спиране на електродвигателя съществуват два начина, като споменатото бавно спиране се осъществява чрез едновременното затваряне на S1 и S2 или на S3 и S4, които дават накъсо електродвигателя. За бързо спиране (Fast Decay) четирите ключа се отварят едновременно и обратното е. д. н. запазва посоката на тока през електродвигателя, който протича през успоредните диоди на ключовете и механичната енергия на въртящия се ротор се преобразува в електрическа и се връща в източника на U. Например, ако токът е бил в посока от А към В, обратното е. д. н. осигурява т. B да е положителна спрямо т. A, а при преобладаване на второто – т. A е положителна спрямо т. B и токът протича през диодите на S2 и S3.

В случаи на честа смяна на посоката на въртене се предпочита ШИМ с наименование Locked-antiphase. При нея във всеки момент от времето са затворени само ключовете в единия диагонал на моста. Ако затвореното състояние на S1 и S2 трае колкото това на S3 и S4, средната стойност на напрежението върху електродвигателя е 0. Когато първото време преобладава, т. А е положителна спрямо т. В, което означава не само реверсиране, а и промяна на скоростта на въртене в зависимост от съотношението на двете напрежения.

Схемата на фиг. 3 има още две допълнителни възможности. Едната е безсензорно измерване на оборотите, на които е пропорционално обратното е. д. н. (Open Loop Voltage Control). Обратното е. д. н. (или част от него чрез делител) се подава на вграден в МС аналоговоцифров преобразувател (АЦП), чието изходно число съответства на оборотите. Това измерване е особено необходимо в сервоуправления. Токът на електродвигателя може да се измерва чрез поставяне на нискоомен резистор между точки С и D, като неговото напрежение отново се преобразува от АЦП.
Полезно е да се има предвид, че в техническата документация на микроконтролерите и в предлаганите от повечето производители приложни примери (Application Notes) към тях се дават подробни сведения за приложението им в управление на електродвигатели, включително начинът на програмиране.

Относителната грешка в установяване на скоростта на въртене в описаните дотук управления е не по-малка от няколко % и за нейното намаляване се използва обратна връзка. Това е показано в обобщената структура на фиг. 4, в която ВВ е една от схемите на фиг. 2 и 3 (рядко се прилага обратна връзка в схемата на фиг. 1). Блокът Comm е за осъществяване на едно- или двупосочна жична или/и безжична връзка с други устройства или системи, докато Contr осигурява сигнала на вход С в схемите на фиг. 2 и 3. Обратната връзка се създава от блока S/M, който измерва скоростта, формираща сигнала на вход v и тока на електродвигателя (напрежението на вход I).
Съществуват голям брой съвременни модули за управление на постояннотокови колекторни електродвигатели, обикновено с блоковата схема на фиг. 4 или подобна на нея. Така например един типичен модул за управление на 12-волтови и 24-волтови колекторни електродвигатели с ток до 40 А ползва 32-разреден микроконтролер, може да следи оборотите чрез енкодер и тока чрез отделна ИС, има приемопредаватели за работа с интерфейсите RS-232 и CAN и ИС за блока за постояннотоково захранване. Възможна е и непосредствена връзка с компютър.

Управление на постояннотокови безколекторни електродвигатели
Този тип електродвигатели (BLDC) най-често са трифазни, т. е. статорът им е с три двойки намотки, обикновено управлявани от три полумоста (Triple Half-Bridge) в съответствие с фиг. 5а, където А, В и С са намотките. Ключовете S1-S6 са MOS транзистори, а при двигатели с повишено напрежение и мощност се предпочитат IGBT. Управляват се от контролер чрез драйвер аналогично на фиг. 3. Принципът на действие е във всеки момент две от намотките да са свързани последователно към напрежението U, а третата да е свободна – на фиг. 5а чрез S1 и S6 са свързани А и В. В съответствие с принципа на действие на BLDC, скоростта на въртене се определя от движещото се магнитно поле на статора, т. е. от това колко време всяка двойка намотки остава включена, а то се задава от контролера. Практически, за ръчно регулиране на вход на контролера се свързва потенциометър, а за цифрово му се подава изходното напрежение на АЦП. Подаването на опорно напрежение на входа означава фиксиране на скоростта на въртене, а на променливо с ниска честота – нейното бавно изменение. За спиране се отварят S1, S3 и S5, с което се прекъсва захранването на електродвигателя и се затварят останалите ключове за даване на намотките накъсо, което означава бавно спиране. Управлението според фиг. 5а е известно като Full Wave, докато това на фиг. 5б е Half Wave – във всеки момент е свързана само една от намотките чрез затваряне на съответния ключ, а спирането се осигурява само чрез отваряне на трите ключа – то е по-бавно за сметка на опростената схема.

За управление на 4-фазни BLDC се прибавят още два ключа на фиг. 5а и един на фиг. 5б. Най-простото управление е на 1-фазни BLDC (фиг. 5в), като във всеки момент от времето е затворен само един от ключовете, а за спиране те трябва да се затворят и да се отвори SB. Важна практическа особеност е, че чрез подходящо програмиране на един контролер и съответен силов драйвер могат да се реализират всички описани управления. Резисторът в схемите на фиг. 5 е за контрол на тока на електродвигателя. Не трябва да се забравя, че нормалната работа на BLDC двигателите изисква постоянно следене на положението на ротора чрез сензори, енкодер или обратното е. д. н. на неизползваната намотка, като получените сигнали се връщат на съответните входове на контролера. Важно е да се има предвид, че когато ключовете са MOS транзистори или IGBT, успоредно на тях има диоди, както в схемите на фиг. 2 и 3, но на фиг. 5 те не са начертани за простота.

Няколко са възможните съвременни практически реализации на управленията. Ключовете най-често са дискретни транзистори, а осигуряващият управлението им драйвер е по-често специализирана ИС, обща за всички ключове. Могат да се използват, макар че това се прави по-рядко, драйвери с изход за един MOS транзистор или IGBT, които освен за електродвигатели имат и други приложения. При електродвигатели с повишена мощност и, съответно, захранвани от по-високи напрежения, драйверът е високоволтова ИС, за да се избегне галваничното разделяне между него и транзисторите. Сред последните новости е серия от драйвери с максимално напрежение 1200 V и два изхода (управляват един полумост) за IGBT на електродвигатели с напрежение до 460 V. За токове и напрежения на електродвигателите, съответно, до около 1 А и около 40 V има нови ИС, съдържащи драйвера и мощните транзистори, с което цялото управление използва само две ИС и неголям брой пасивни елементи. Връзката между контролера и драйвера може да е директна или чрез някой от стандартните интерфейси, например SPI. Две са разновидностите за реализация на самия контролер. Едната е чрез универсални микроконтролери с възможност за осигуряване на необходимите управляващи сигнали за драйвера, а втората (все по-често използвана) е специализиран процесор. Вече има ИС от този тип с вграден генератор, флаш памет и интерфейс за връзка с външни устройства, например разработеният специално за автомобили LIN.

Аналогично на колекторните електродвигатели, съществува значително разнообразие на модули, съдържащи контролера, драйверите и изходното стъпало, често означавани като Power Stage. Нерядко те включват и токоизправител, за да могат непосредствено да се захранват от електрическата мрежа. Например един съвременен модул за електродвигател 460V/2kW заема площ 27 cm2 и има цена под 10 USD. За улеснение при разработката на управления производителите на елементи често предлагат готови конструктивни решения и развойни модули.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top