Введение
В современном мире практически невозможно представить себе область человеческой деятельности, где бы не применялись электродвигатели. Даже в тех отраслях, где ранее повсеместно использовались бензиновые и дизельные агрегаты, например в автомобилестроении, происходит переход на электроприводы, как надёжные и экономичные варианты двигателей. В качестве основных преимуществ электродвигателей можно отметить относительную простоту их конструкции и эксплуатации, высокую надёжность и возможность применения в различных устройствах и климатических зонах.
В настоящее время наиболее популярны следующие четыре типа электроприводов:
- электроприводы с двигателем постоянного тока используются в промышленных системах, где необходима точная регулировка частоты вращения (в автомобилестроении, в ходовой части электротранспорта, в строительной технике, в морской и оборонной индустрии);
- электроприводы с асинхронным двигателем – наиболее распространённый тип двигателя, который применяется практически повсеместно: в маломощной бытовой технике, в кранах и лебёдках общепромышленного назначения, в электроприводах станков, в вентиляторах, насосах, лифтах, в ходовой части электрокаров и т.д.;
- электроприводы с синхронным двигателем. Данные приводы отличаются большой мощностью и полезной нагрузкой (20 000 кВт и более). Их применение целесообразно при мощностях более 100 кВт, а именно: в различных мощных станках и механизмах металлургической и металлообрабатывающей промышленности, в силовых машинах компрессорных и насосных установок большой производительности, в качестве мощных генераторов на гидроэлектростанциях в генераторном режиме работы;
- вентильно-индукторные приводы. Этот относительно новый тип приводов находит всё большее применение и сочетает в себе свойства электрической машины и интегрированной системы регулируемого электропривода. Вентильно-индукторные приводы применяются там, где, как правило, регулирование сочетается с тяжёлыми условиями применения: в электроприводах механизмов, в которых требуется регулировка в широком диапазоне частоты вращения (станки с ЧПУ и промышленные роботы), в металлургии, горнодобывающей промышленности, в ходовой части мощного электротранспорта, в мощных компрессорах, насосах, вентиляторах, а также в бытовой технике.
На текущий момент электродвигатели потребляют бо¢льшую часть всей вырабатываемой в мире энергии. В связи с этим эффективность работы электропривода определяет эффективность энергосбережения в целом. Стремительный прогресс в силовой электронике и микроконтроллерах ускорил переход с аналоговых систем управления приводами на системы с прямым цифровым управлением. Приводы, управляемые микроконтроллерами, обладают целым рядом преимуществ:
- высокой энергоэффективностью за счёт регулирования скорости вращения ротора электродвигателя, что уменьшает потери мощности;
- отсутствием сложных электромеханических преобразователей энергии, т.к. исчезает необходимость в трансмиссиях, редукторах и т.п.;
- возможностью использования сложных программ управления приводами, что благоприятно сказывается на эффективности их работы и увеличивает отказоустойчивость;
- возможностью обновления программного обеспечения микроконтроллеров без существенных стоимостных и временны¢х затрат.
В настоящее время процессорное управление электродвигателями играет большую роль в электроприводах автомобилей, электротранспорта, железнодорожного, подводного и надводного транспортов, начинает вытеснять аналоговое управление в электроприводах, используемых в добывающей и перерабатывающей промышленности, а также в бытовой технике.
Концепция системы управления электродвигателем
Электропривод с процессорным управлением включает в себя следующие составные части (см. рис. 1) [1]:
- Силовой модуль, представляющий собой 6- или 8-ключевой инвертор, функциональное назначение которого состоит в преобразовании сигнала от микроконтроллера в высоковольтные управляемые импульсы напряжения, питающие электродвигатель. Управление силовым модулем осуществляется в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с фиксированным по времени периодом ШИМ. В течение этого периода транзистор включается и выключается на заданное время. Для электроприводов с напряжением на шине постоянного тока свыше 300 В на сегодняшний день наибольшее распространение получили модули, выполненные на IGBT-транзисторах.
- Микроконтроллер, управляющий работой привода посредством установки скорости вращения и обработки сигналов датчиков обратной связи. Согласно заданному алгоритму микроконтроллер генерирует ШИМ-сигналы управления для силовых ключей, а также по необходимости сигналы индикации состояния для пользовательского интерфейса.
- Датчики обратной связи, контролирующие частоту (скорость) вращения ротора электродвигателя, напряжение и ток шины постоянного тока и передающие эти данные микроконтроллеру для обработки. Напряжение шины контролируется для защиты от повышенного напряжения, ток шины – для защиты от превышения тока, а также для реализации алгоритма управления силовым модулем. Датчик контроля скорости, как правило, формирует синусоидальный сигнал с частотой, соответствующей частоте вращения ротора электродвигателя. Затем синусоидальный сигнал преобразуется в прямоугольный и передаётся в микроконтроллер. Таким образом реализуется замкнутая система управления электроприводом. В целях повышения надёжности и безопасности, а также для устранения помех через заземлённые цепи все сигналы обратных связей оптически изолированы.
Управление двигателем происходит по следующему сценарию:
- на микроконтроллер поступают сигналы задания скорости и сигналы с датчика скорости вращения ротора, на основании которых контроллер вычисляет требуемый темп ускорения/замедления;
- на основании сигнала ошибки по скорости (разности между заданной и реальной скоростью) контроллер вычисляет необходимую частоту двигателя;
- управляющая часть контроллера преобразует вычисленную величину в соответствующее напряжение для модуля ШИМ, который в свою очередь генерирует шесть выходных сигналов с заданной частотой для силового модуля;
- скорость вращения ротора непрерывно фиксируется датчиком, поэтому в установившемся режиме реальная скорость вращения ротора будет равна заданной;
- в процессе работы постоянно контролируются напряжение и ток на силовой шине. В случае превышения/понижения напряжения, перегрузки по току двигателя контроллер следует заданному алгоритму вплоть до блокировки выходов ШИМ с целью защиты силового модуля.
Контроллеры управления электродвигателями
Для цифрового управления электродвигателями контроллер должен содержать блок ШИМ высокого разрешения, аналого-цифровой преобразователь, блок импульсного квадратурного декодера (QEI), таймеры и блоки коммутации с периферией, такие как I2C, SCI, SPI, CAN. Контроллер должен работать на высокой частоте и иметь на кристалле ОЗУ и флэш-память. Таким требованиям идеально удовлетворяют 16-битные процессоры цифровой обработки сигналов с фиксированной запятой типа TMS320F240 [2] от Texas Instruments и 32-разрядные микроконтроллеры на базе ядра ARM Cortex-M4F типа LM4F132 [3] того же производителя.
Интегральная схема 16-битного процессора цифровой обработки сигналов с фиксированной запятой, блок-схема которой показана на рисунке 2, оптимизирована для применения в системах цифрового управления двигателями. ИМС сочетает в себе центральный процессор с модернизированной архитектурой и широкими возможностями по обработке данных и набор периферийных устройств, предназначенных для управления мотором/двигателем. Периферийные устройства включают в себя модуль менеджера событий, который совместно с таймерами общего назначения и регистрами сравнения способен обслуживать до 12 выводов данных формата ШИМ (PWM), и два 12-битных аналого-цифровых преобразователя, позволяющих одновременно осуществлять два преобразования за 1,25 мкс.
Микросхема микроконтроллера состоит из трёх основных функциональных модулей:
- центрального процессора;
- внутренней памяти;
- периферийных устройств.
В дополнение к этим трём основным функциональным единицам в микроконтроллере реализованы поддержка карт памяти, устройство сброса, сигналы прерывания, устройство цифрового ввода-вывода, генератор синхронизации и функции энергосбережения.
Микросхема 32-разрядного микроконтроллера на базе ядра ARM CortexM4F включает в себя периферию, предназначенную для задач управления электроприводом. Микроконтроллерное ядро построено по RISC-архитектуре со встроенным модулем обработки команд с плавающей запятой производительностью не менее 125 млн инструкций в секунду. Для эффективного управления электромеханическими системами в контроллере реализованы: блоки ШИМ (в том числе ШИМ высокого разрешения), блок АЦП с интерфейсом к контроллеру прямого доступа к памяти, блок аналоговых компараторов, модуль захвата/сравнения, блоки импульсного квадратурного декодера, используемого для обработки сигналов датчиков положения ротора в высокопроизводительных системах для определения положения, направления и скорости вращения (см. рис. 3). Внутри микроконтроллера используются стандартные интерфейсы: AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture), AHB (Advanced High-performance Bus) и APB (Advanced Peripheral Bus).
Микроконтроллер имеет встроенную флэш-память программ размером 1 Мбайт, которую можно использовать для хранения и загрузки пользовательского программного обеспечения. Также во флэш-памяти существует особый защищённый раздел, который может быть использован для хранения начального загрузчика. Кроме этого реализована возможность загрузки из внешней памяти.
Помимо флэш-памяти программ микроконтроллер содержит флэш-память данных размером 64 Кбайта, которая может использоваться для хранения пользовательских данных, и дополнительный информационный блок размером 512 байт, в котором записываются загрузочные настройки, а также настройки доступа к страницам флэш-памяти программ и флэш-памяти данных. Так, например, имеется возможность настройки постраничного запрета стирания флэш-памяти, а также выбора способа загрузки микроконтроллера. Данные меры позволяют повысить стойкость микроконтроллера к возможным попыткам загрузки постороннего программного обеспечения и к стиранию важных областей флэш-памяти.
Система тактирования микроконтроллера позволяет использовать различные источники тактового сигнала, что расширяет круг решаемых задач. Микроконтроллер может тактироваться от внутреннего RC-генератора с частотой от 3,5 до 6,5 МГц, внутреннего осциллятора с внешним кварцевым резонатором, тактовым сигналом, подаваемым на вход порта ввода-вывода, а также сигналом встроенного генератора PLL. Также существует возможность гибкой настройки тактовых сигналов для блоков периферии. Для снижения энергопотребления микросхемы предусмотрена возможность отключения тактовых сигналов отдельных блоков периферии в случае, если они не используются. При переходе процессора в режим пониженного энергопотребления возможно отключение тактового сигнала процессора.
В России работы по созданию микроконтроллеров для управления электроприводами ведутся в OAO «НИИЭТ» (г. Воронеж) [4, 5]. Программное обеспечение, предоставляемое предприятием, позволяет реализовать различные структуры управления электродвигателями. Кроме того, данное ПО содержит имитационные математические модели электродвигателей [6], которые могут быть подключены вместо реального объекта управления на время отладки. ПО может быть сконфигурировано перед компиляцией для различных аппаратных конфигураций (различных контроллеров и отладочных плат). Электропитание микроконтроллеров в основном осуществляется через распределённую систему питания [7] с размещением конечных преобразователей PoL DC/DC (Point of Load) в непосредственной близости от процессоров, что позволяет существенно снизить влияние возникающих в электроприводе помех на работу устройства.
Функциональные схемы электроприводов с процессорным управлением
Функциональная схема электропривода с двигателем постоянного тока, показанная на рисунке 4, включает в себя: звено постоянного тока с ёмкостным фильтром, стандартный 6-ключевой инвертор, датчики тока, напряжения и двигатель постоянного тока независимого возбуждения (или с постоянными магнитами) с тахогенератором на валу.
Между первыми двумя стойками инвертора подключён якорь двигателя постоянного тока, а между третьей стойкой и минусовой шиной подключена обмотка возбуждения (при её наличии).
Функциональная схема электропривода с асинхронным двигателем показана на рисунке 5. Схема содержит звено постоянного тока с ёмкостным фильтром, стандартный 6-ключевой инвертор, к которому подключены фазы статора асинхронного двигателя, датчики тока и напряжения.
Функциональная схема электропривода с синхронным двигателем с постоянными магнитами (см. рис. 6) содержит звено постоянного тока с ёмкостным фильтром, стандартный 6-ключевой инвертор, к которому подключены фазы статора синхронного двигателя, датчики тока и напряжения.
Для работы с синхронным двигателем с обмоткой возбуждения используется 8-ключевой инвертор (см. рис. 7), к трём стойкам которого подключаются фазы статора синхронного двигателя, а к четвёртой стойке – обмотка возбуждения.
Функциональная схема электропривода с вентильно-индукторным двигателем (см. рис. 8) содержит звено постоянного тока с ёмкостным фильтром, 6-ключевой полумостовой инвертор, к которому подключены фазы двигателя, датчики тока и напряжения.
Основные типы ИМС управления затворами IGBT
В настоящее время в качестве силовых ключей большой и средней мощности чаще всего применяются IGBT-транзисторы. Если рассматривать эти транзисторы как нагрузку для управляющей ими микросхемы (IGBT-драйвера), то они представляют собой конденсаторы с ёмкостью в тысячи пикофарад. Для открытия транзистора эту ёмкость необходимо зарядить, а при закрывании – разрядить. Сделать это необходимо как можно быстрее, чтобы транзистор мог работать на высоких частотах с минимальными потерями на переключение. Для облегчения задачи по разработке силовых модулей производители выпускают комплекты приборов: IGBT, FRD и ИМС управления верхними и нижними плечами IGBT-модуля. Такие комплекты, например, предлагают Микроника [8], Semikron [9], Infineon (International Rectifier) [10], IXYS [11], Mitsubishi Electric [12] и другие компании.
К ИМС управления затворами IGBT предъявляются следующие требования:
- напряжение затвора при отпирании должно быть на 10–15 В выше напряжения стока коллектора IGBT, то есть для транзистора верхнего плеча напряжение управления должно быть на 10–15 В выше напряжения шины питания;
- ИМС должна управляться логическим сигналом, связанным с сигнальной шиной общего провода, а драйвер верхнего плеча должен иметь высоковольтный каскад сдвига уровня;
- мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо малой по сравнению с общей мощностью рассеяния;
- ИМС управления должна обеспечивать токи перезаряда цепи затвора, гарантирующие динамические характеристики транзистора.
В схемотехнике драйверов верхнего плеча в основном используются схемы с питанием от бутстрапной ёмкости или от «плавающего» источника (см. рис. 9).
В первом случае получается простое и доступное решение, в котором длительность импульса управления ограничена номиналом бутстрапного конденсатора. При использовании изолированного «плавающего» источника, который необходим для каждого транзистора верхнего плеча, длительность импульса управления не ограничена.
ИМС драйвера верхнего ключа характеризуется наличием схемы высоковольтного (до 600 В) сдвига уровня управляющего напряжения и цепей вольтодобавки. Это позволяет использовать её для управления верхними ключами без применения дополнительных источников с гальванической развязкой и изолирующих каналов передачи сигналов. Обобщённая структурная схема драйверов верхнего ключа, таких как МСА2010 (Микроника) и IR2122, IR2127 (International Rectifier) приведена на рисунке 10.
Основные характеристики ИМС драйвера:
- максимальное напряжение питания (VVB-GND) 600 В;
- низкая потребляемая мощность;
- защита от пониженного напряжения питания (UVLO) для VVB;
- входной интерфейс: 3,3 В, 5 В CMOS/LSTTL с триггером Шмидта.
Для управления транзисторами нижнего плеча производится достаточно много микросхем, в частности MCA2020 (Микроника), IR2121 (International Rectifier), IXD*414 (IXYS), МС33153 (Motorola) и др. Обобщённая структурная схема драйверов нижних ключей приведена на рисунке 11.
Основные характеристики подобных драйверов:
- температурная защита;
- вход для срабатывания защиты от короткого замыкания;
- выход сигнала ошибки;
- вход для задания минимальной длительности сигнала ошибки;
- защита от пониженного напряжения питания (UVLO) для VСС;
- входной интерфейс 3,3 В, 5 В CMOS/LSTTL с триггером Шмидта.
Заключение
Использование процессорного управления электроприводами позволяет уменьшить потери мощности, увеличить эффективность двигателей, реализовать различные варианты их работы. Несмотря на то, что в России ведутся работы по созданию микроконтроллеров и программного обеспечения для управления электроприводами, их производство находится за рубежом, а используемые в силовых модулях мощные IGBT и FRD – импортные. Авторы статьи считают, что в РФ есть всё необходимое для изготовления электронных компонентов управления электроприводами на своих производствах.
Литература
- Chalupa L. Low Cost High Efficiency Sensor less Drive For Brushless DC Motor Using MC68HC(7)05MC4. Motorola Semiconductor Application Note. AN1627. 1998.
- Каталог компании Texas Instruments: https://www.ti.com/lit/ds/sprs042e/sprs042e.pdf.
- Каталог компании Texas Instruments: http://www.ti.com/lit/ml/spmt273a/spmt273a.pdf
- Техническое описание «Микросхема интегральная 1867ВЦ10Т». OAO «НИИЭТ». http://niiet.ru/product/brandnew/sloj16.
- Техническое описание «Микросхема интегральная К1921ВК01Т». OAO «НИИЭТ». http://niiet.ru/product/354-arm-cortex.
- Описание имитационных моделей электроприводов. Руководство программиста/пользователя. ООО «НПФ ВЕКТОР» по заказу АО «НИИЭТ». Москва. 2017.
- Рудаковский Д. Распределённая система электропитания на основе AC/DC- и DC/DC-преобразователей компании «Микроника» / Д. Рудаковский, В. Котов, Л. Битно // Силовая электроника. 2012. № 6. C. 8–11.
- Котов В. Комплект полупроводниковых дискретных приборов и ИМС для интеллектуальных силовых модулей управления электроприводами / В. Котов, А. Тарайкович, В. Токарев // Силовая электроника. 2013. № 1. C. 66–69.
- Каталог компании Semikron: https://www.semikron.com/ dl/service-support/downloads/download/semikron-shortform-catalogue-2017-05-01-en.
- Каталог компании Infineon: http://www.infineon.com/dgdl/ Infineon-Shortform+Catalog-PC-v03_00-EN.pdf?fileId=db3a30431a47d73d011a529661267822.
- Каталог компании IXYS: http://www.ixys.com/ProductPortfolio.
- Каталог компании Mitsubishi Electric: http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/products.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
