DCモータースピードドライブ

このマニュアルでは、DC モーター スイッチング モード用の DC-DC コンバーターと制御システム コントローラーの設計、シミュレーション、構築、テストについて詳しく説明します。
このコンバータは、負荷シャント DC モーターのデジタル制御に使用されます。
回路はさまざまな段階で開発およびテストされます。
最初のフェーズでは、40 V で動作するコンバータを構築します。
これは、高電圧でドライバに損傷を与えるワイヤやその他の回路コンポーネントからの寄生インダクタンスが存在しないことを保証するために行われます。
第 2 段階では、コンバータは最大負荷時に 400 V の電圧でモーターを動作させます。
最後の段階では、Arduino を使用して pwm 波を制御し、電圧を調整し、可変負荷でモーターの速度を制御します。
コンポーネントは必ずしも安いわけではないので、できるだけ安くシステムを構築するようにしてください。
このユーティリティの最終結果は、DC-
DC コンバータと制御システム コントローラを構築し、モータ速度が定常状態設定点で 1% 以内に制御され、変動負荷下で速度が 2 秒以内に設定されることになります。
私の既存のモーターは次の仕様です。
モーター仕様: アーマチュア: 380 Vdc、3.6 A 励起 (シャント): 380 Vdc、0.
速度: 1500 r/min 電力: 約 1.1
kWDC モーター電源 = 380 V フォトカプラーおよびドライバー電源 = 21 V これは、モーターに接続または制御されるコンポーネントの最大電流および電圧定格が、それより高いまたは同等の定格を持つことを意味します。
回路図で D1 とマークされているドライ ホイール ダイオードは、モーターの逆逆電位への流路を提供するために使用され、電源がオフになったときに電流が逆流してアセンブリが損傷するのを防ぎます。
モーターはまだ回転しています (発電機モード)。
定格最大逆電圧は 600 V、最大順 DC 電流は 15 です。
したがって、フライホイール ダイオードは、このタスクに十分な電圧および電流レベルで動作できると想定できます。
IGBT は、光カプラーと IGBT ドライバーを介して Arduino から 5 V pwm 信号を受信することで、モーターへの電源供給を切り替えるために使用され、非常に大きな 380 V モーター電源電圧を切り替えます。
使用される IGBT の最大連続コレクタ電流は、
ジャンクション温度 100 °C で 4.5Aです
。最大エミッタ電圧は 600 V です。
したがって、フライホイール ダイオードは実用化に十分な電圧および電流レベルで動作できると想定できます。
IGBT にラジエーターを追加することが重要であり、できれば大型のラジエーターを追加する必要があります。
高速スイッチ MOSFET は IGBT なしで使用できます。
IGBT のゲートしきい値電圧は 3.75 V ～ 5.75
V であり、この電圧を提供するにはドライブが必要です。
回路は 10 kHz の周波数で動作するため、IGBT のスイッチング時間は 100 us、つまり 1 つの全波の時間よりも高速である必要があります。
IGBTのスイッチング時間は15nsで十分です。
選択した TC4421 ドライバーのスイッチング時間は、PWM 波のスイッチング時間の少なくとも 3000 倍です。
これにより、ドライバーが回路動作に十分な速度でスイッチングできることが保証されます。
ドライバーは、Arduino が提供できる以上の電流を提供する必要があります。
ドライバーは、Arduino からではなく電源から IGBT の動作に必要な電流を取得します。
これは、停電によりArduinoが過熱し、煙が出てArduinoが壊れてしまうため、Arduinoを保護するためです（
試行済み）。
ドライバーは、光カプラーを使用して、PWM 波を提供するマイコンから分離されます。
光電カプラーは、回路の最も重要かつ価値のある部分である Arduino を完全に分離します。
異なるパラメータを持つモーターの場合、必要な逆電圧と連続収集電流を処理できる、モーターと同様の特性を持つ IGBT に IGBT を変更するだけで済みます。
WIMA コンデンサは、モーター電源の電解コンデンサと一緒に使用されます。
これにより、安定した電源の電荷が保存され、最も重要なことに、システム内のケーブルとコネクタのインダクタンスを除去するのに役立ちます。部品間の距離を最小限に抑えるため、回路レイアウト
上、特に IGBT ドライバと IGBT 間のループに不要なインダクタンスがリストされています。
Arduino、光カプラ、ドライバ、IGBT間のグランドからのノイズとリンギングを排除する試みが行われます。
アセンブリは Veroboard に溶接されます。
回路を構築する簡単な方法は、溶接を開始する前にベロボード上に回路図のコンポーネントを描画することです。
溶接は換気の良い場所で行ってください。
ファイル Scrath の導電パスを使用して、接続すべきではないコンポーネント間にギャップを作成します。
DIPパッケージにより部品交換が容易です。
これにより、コンポーネントを溶接したり、故障した場合に交換部品を解決したりする必要がなくなります。
私はバナナプラグ (
黒と赤のソケット)を使用しました
。電源をベロボードに簡単に接続するために、これを省略してワイヤーをボードに直接溶接することもできます。
Arduino pwm ライブラリを含めることによって (
ZIP ファイルとして添付されます)。
比例積分コントローラーの pi コントローラー
ローターの速度を制御するために使用されます。
比率と積分ゲインは、十分な整定時間とオーバーシュートが得られる前に計算または推定できます。
PI コントローラーは Arduino () ループと同時に実装されます。
タコメーターはローターの速度を測定します。
analogRead を使用して、Arduino の測定値をアナログ入力の 1 つに入力します。
誤差は、設定ローター速度から現在のローター速度を減算することによって計算され、誤差と等しくなるように設定されます。
時間積分は、サンプル時間を各ループに追加して等しい時間に設定することによって行われ、ループの反復ごとに増加します。
Arduino が出力できるデューティ サイクルの範囲は 0 ～ 255 です。PWM
ライブラリの pwmWrite を使用してデューティ サイクルを計算し、選択したデジタル出力 PWM ピンに出力します。
PI コントローラーの実装二重エラー = ref-rpm;
時間 = 時間 20e-6;
Double pwm = 初期 kp * エラー ki * 時間 * エラー;
PWMdouble センサーの実装 =analogRead (A1); pwmWrite(3, pwm-255);
完全なプロジェクト コードは ArduinoCode で確認できます。 rarファイル。
ファイル内のコードはドライバーを逆にするように調整されています。
逆駆動は、回路のデューティ サイクルに次のような影響を与えます。これは、new_dutycycle = 255-dutycycle を意味します。
非反転ドライブの場合、これは上記の式を逆にすることで変更できます。
最後に、回路がテストおよび測定され、望ましい結果が達成されたかどうかが判断されました。
コントローラーは 2 つの異なる速度に設定され、Arduino にアップロードされます。
電源は入っています。
モーターは予想よりも早く加速し、選択した速度で安定します。
この制御モーターの技術は非常に効果的であり、すべての DC モーターで動作します。