Регулировка частоты вращения электродвигателя посредством потенциометра, подключенного к ATmega48
Питание от сети переменного тока, используемой в бытовом электрооборудовании
1. Введение
Трехфазные электродвигатели переменного тока эксплуатируются во всем мире десятками лет. Они характеризуются относительно простой конструкцией, малыми эксплуатационными затратами и высоким к.п.д. Многие из этих электродвигателей требуют минимум управляющей электроники, обычно только 3-фазный пускатель. Однако они имеют один существенный недостаток: вследствие асинхронной работы частота вращения меняется в зависимости от нагрузки и достаточно сложно регулируется.
С помощью дополнительного микроконтроллера в качестве управляющего устройства 3-фазные электродвигатели могут использоваться в гораздо большем числе приложений. Кроме того, электродвигатели мощность менее 750 Вт характеризуются малыми размерами и обладают эффективной регулируемостью скорости, ускорения и мощности. Это идеальная ситуация для пользовательских приложений и электробытовых приборов, например, стиральные машины. К дополнительным приложениям относятся инструменты с батарейным питанием, воздушные кондиционеры, вакуумные очистители и игровые устройства. Кроме этого, существует еще сотни дополнительных приложений, которые затруднительно описать в рамках данного документа.
Рисунок 1. Примеры трехфазных электродвигателей
2. Принцип действия
2.1 Определение положения ротора с помощью датчиков Холла
При микропроцессорном управлении электродвигателем положение ротора является очень важной деталью. Блоку управления для определения, какие напряжения и токи необходимо приложить к обмоткам, необходимо знать угловую позицию ротора. В электродвигатели обычно установлены датчики Холла. При питании такого датчика постоянным напряжением 5В он формирует цифровой сигнал, который меняет свое состояние при вращении ротора. В трехфазные электродвигатели встраивается три датчика Холла. Данный способ определения положения ротора прекрасно подходит для многих 3-фазных электродвигателей, особенно, с высокими пусковыми нагрузками.
Рисунок 2. Выходы датчика Холла по отношению к положению ротора
Рисунок 3. Схема соединения обмоток двигателя
2.2. Электрические требования со стороны 3-фазного бесколлекторного электродвигателя постоянного тока
В данных рекомендациях рассматривается электродвигатель на напряжение 120В, с токами 4А и со схемой соединения трехфазных обмоток "звезда". Двигатель содержит постоянный магнит в роторе и 3 обмотки в статоре. Следовательно, как и в случае со многими промышленными 3-фазными электродвигателями, для подключения к обмоткам данного электродвигателя требуется 3-проводное соединение.
Кроме того, имеется 5 дополнительных соединений с тремя датчиками Холла: питание 5В, общий питания GND и 3 выхода датчиков Холла. См. схему на рисунке 10.
2.3. Программа для ATmega48
Программа для ATmega48 написана на Си. Она выполняет считывание напряжения потенциометра, который используется в качестве рукоятки задания скорости. Считывание осуществляется через вывод ADC0 и 8-разр. аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
Выходы ATmega48 подключены к "интегрированному силовому модулю" (IPM) компании International Rectifier. Модуль преобразовывает логические сигналы ATmega48 до уровня 180В постоянного напряжения с нагрузочной способностью до 4А и прикладывает данное напряжение к обмоткам электродвигателя.
Рисунок 4. Интегрированный силовой модуль
Имеется множество алгоритмов управления 3-фазными электродвигателями с помощью микроконтроллера, из которых наиболее распространенными является 3 способа управления: трапециидальный, синусоидальный и пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД).
В данных рекомендациях по применению реализовано трапециидальное управление, т.к. оно является наиболее простым и при этом эффективным управлением частотой вращения и мощностью электродвигателя. Трапециидальный метод подразумевает прикладывание сигналов вкл/выкл к IPM. Данные сигналы являются широтно-импульсно модулированными от 0% до 100% на частоте 20 кГц. Частота 20 кГц является постоянной и выбрана из соображений невосприимчивости человеческим ухом.
Выходы датчика Холла используются программой для определения, какие уровни (высокий/низкий) установить на входах IPM. Широтно-импульсная модуляция сигналов на входе IPM обеспечивает простоту варьирования средними уровнями напряжений и токов в обмотках электродвигателя. Рассмотрим случай, когда напряжение прикладывается к электродвигателю при остановленном роторе. Только один H-вход и один L-вход будут активными; оставшиеся 4 IPM-входа будут в высоком состоянии (неактивны). Увидеть рассматриваемые 6 входов можно на схеме (см. рисунок 10).
В течение первой миллисекунды ротор может вращаться незначительно. Наиболее вероятно, что выходы датчиков Холла останутся неизменными, что приводит к выполнению программы с сохранением прежних уровней на H- и L-входах. За счет относительно длительного приложения полного питания вероятно срабатывание предохранителя или другого защитного устройства. Во избежание этого, необходимо ограничить пусковые токи путем установки коэффициента заполнения импульсов 20-30% (на частоте 20 кГц).
Как только ротор начинает вращаться, датчики Холла изменяют состояние своих выходов, а программа соответственно реагирует на эти изменения путем выбора различных пар H- и L-входов модуля IPM. При разгоне от 0 до 10000 об./мин. данный электродвигатель демонстрирует хороший пусковой момент вращения, плавное ускорение и избыточный момент вращения. Регулировка скорости и высокие скорости достигаются путем регулирования частоты поля возбуждения под программным управлением с учетом обратной связи по положению ротора.
Предлагаемая программа демонстрирует считывание напряжения с потенциометра и регулировку мощности 3-фазного электродвигателя. Результирующая частота вращения не стабилизируется. Иначе говоря, в данной программе не выполняется измерение частоты вращения и, соответственно, не учитывается в алгоритме управления. Диапазон управления скоростью с разомкнутым контуром составляет от 0 до >>5000 об./мин., при этом, необходимо уделить особое внимание возможности повреждения электродвигателя под влиянием избыточной скорости или тока.
2.3.1. Основной цикл программы
По завершении сброса микроконтроллера выполняется инициализация портов ввода-вывода, АЦП и таймеров. После этого, начинается основной цикл программы. Основной цикл - очень короткая, быстро выполняемая часть программы, которая в цикле считывает состояние ШИМ-выхода на линии 3 порта C и устанавливает в переменной IPM_B4_PWM все единичные значения или значение, назначенное в процедуре обработки прерывания по изменению состояния вывода.
Рисунок 5. Блок-схема основного цикла
2.3.2. Обработчик прерывания по изменению состояния вывода
Вызов данной процедуры происходит при изменении состояния вывода во время работы основной программы. Вначале данной процедуры выполняется считывание состояние входов ATmega48, связанных с датчиками Холла, и на основании данной информации определяется начальное положение ротора. Ранее, в программе была определена переменная Clockwise (CW), которая определяет направление вращения. С учетом направления вращения и состояния датчиков Холла определяется, какие сигналы необходимо установить на входах IPM через порт B. Значения этих сигналов определяются с помощью таблицы преобразования, а приложение их к IPM приводит к повороту ротора на 60 градусов.
Процедура выполняется 12 раз за оборот ротора. При работе электродвигателя на скорости 6000 об./мин., которую иначе можно выразить как 100 об./сек. или 1 оборот за 10 мс или за 10000 мкс, периодичность вызова обработчика прерывания составляет 10000 мкс/12 = 833 мкс.
Рисунок 6. Процедура обработки прерывания по изменению вывода
2.3.3. Аналогово-цифровой преобразователь
С помощью АЦП выполняется оцифровка напряжения потенциометра. Полученный цифровой код используется в процедуре обработки прерывания по изменению состояния вывода. Полученное 10-разр. значение преобразовывается к 8-разрядному и под программным управлением ограничивается до 200. Результирующее значение отправляется в регистр сравнения для установки коэффициента заполнения ШИМ-импульсов. Если в регистр OCR2B записан 0, то это приводит к установке 0% ШИМ или к снятию напряжения с электродвигателя. При записи противоположного значения 200d = 0xC8 в регистр OCR2B устанавливается коэффициент заполнения ШИМ равный 200/255 = 78.4% или 78.4% от всего напряжения.
3. Принципиальная электрическая схема
На принципиальной электрической схеме приведена схема демонстрационной платы, в состав которой входят необходимые источники питания, ATmega48, IPM и 3-фазный электродвигатель.
3.1. Меры безопасности по использованию сетевого питания
Источник питания разработан для работы от сети переменного тока 120В, 50-60Гц. Обращаем внимание, что отрицательные выводы двух мостовых выпрямителей подключены к общей цепи. Эта цепь НЕ является корпусом блока и НЕ является заземлением. НЕ подключайте данную общую цепь к общим проводникам Вашего осциллографа! Для этого необходимо применить изолирующий трансформатор. Регулируемый трансформатор настоятельно рекомендуется применить в процессе отладки, т.к. в результате программной ошибки вероятно приложение к электродвигателю максимального напряжения и, как следствие, повреждение некоторых компонентов.
Рисунок 7. Прецизионный источник переменного тока
Рисунок 8. Прецизионный изолирующий трансформатор
Имеется множество доступных устройств, которые облегчают проектирование и увеличивают уровень безопасности. Рассмотренное выше оборудование рассчитано на работу от сети ~120В. Для работы от сети переменного напряжения 220-240В может быть найдено аналогичное оборудование с соответствующим диапазоном питания.
Если необходимо перевести данную демонстрационную разработку на напряжение 220-240В, то в источнике питания необходимо применить более высоковольтные компоненты. Используемый IPM рассчитан на работу до 600В постоянного напряжения. При проектировании на разработчика возлагается соблюдение мер, которые бы предотвратили электрическое повреждение оборудования и удар человека электрическим током.
Обратите внимание, что в состав схемы входит трансформатор. Он понижает сетевое напряжение до 15В, которое затем выпрямляется и сглаживается перед подключением к линейным стабилизаторам напряжения 15В и 5В.
Подключение ATmega48 показано упрощенно, в демонстрационных целях. Он содержит множество дополнительных линий ввода-вывода и входов АЦП, а также других особенностей, которые не использовались в данных "Рекомендациях…".
Используемый IPM позволяет регулировать скорость от 0 до 5000 об./мин. IPM содержит схему защиты собственной электроники и электродвигателя. Однако, в результате ошибки в программе к электродвигателю может быть приложено все напряжение, что может вывести из строя электродвигатель или IPM. Собственно поэтому и РЕКОМЕНДОВАНО использовать регулируемый источник переменного напряжения. Разработку программы необходимо начать при пониженном напряжении, например, 25-50В постоянного напряжения для питания высоковольтной части IPM. Кроме того, трансформатор, показанный на схеме, должен быть связан с сетевым напряжением 120В, минуя регулируемый источник переменного напряжения. Это необходимо для поддержания стабильных уровней 5В и 15В во время регулирования источника переменного напряжения.
Датчики Холла работают от источника постоянного напряжения 5В. Их три цифровых выхода подключены непосредственно к порту С микроконтроллера ATmega48.
Atmel предлагает средство для отладки и программирования JTAG ICE mk II. Оно идеально для разработки и отладки программы. При использовании данного средства совместно с микроконтроллером ATmega48/88/168 отладчик использует только один вывод: вывод сброса. JTAG ICE mk II разработан с учетом совместной работы с Atmel AVR Studio 4.
4. Альтернативные решения
Рассмотренные выше рекомендации указывали на наличие замкнутого цикла, в котором выполняется опрос ШИМ-выхода и установка сигналов IPM. Такой подход исключает возможность выполнения других задач для ЦПУ, например, передача данных внешнему устройству или выполнение функций защиты (например, термозащита). В таких приложениях могут быть применены альтернативные решения, рассматриваемые далее.
4.1. Внешние логические элементы ИЛИ
Готовый ШИМ-сигнал уже присутствует на выводе OC2B (PC3). Вместо программного опроса этого бита его необходимо подключить к нескольким внешним логическим элементам ИЛИ. Для логических элементов ШИМ-выход является инверсным сигналом разрешения, который управляет пропускать сигнал IPM или нет. Если ШИМ-выход низкий, то IPM сигнал пропускается через элемент ИЛИ без изменения. Если ШИМ-выход высокий, то на выходе ИЛИ будет всегда высокий уровень, устанавливая неактивный уровень на входе IPM. Такой подход требует, чтобы выход OC2 был инвертирован, что достигается путем соответствующей установки бит в регистре управления таймером-счетчиком.
Рисунок 9. Использование внешних логических элементов ИЛИ
4.2. Использование большего количества ШИМ-каналов
В данном применении IPM используется таким образом, что у него всегда активны один H-вход и один L-вход. За счет выбора широтно-импульсной модуляции только входами управления нижними ключами, три ШИМ-канала достаточно для непосредственного управления L-входами. 8-разрядный таймер может генерировать 2 ШИМ-сигнала, а третий может быть генерирован программно с помощью прерывания по достижению вершины таймера. Этим обеспечивается разрыв бесконечного цикла в программе.
