Katedra Awioniki i Sterowania

POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Awioniki i Sterowania
Laboratorium Podstaw Elektroniki
Sterowanie silnikami elektrycznymi.
1
1. Wstęp teoretyczny :
PWM - Pulse Width Modulation - modulacja szerokości impulsu - jest to najbardziej
popularna metoda sterowania silnikami elektrycznymi, polegająca na regulacji sygnału
napięciowego lub prądowego przez zmianę szerokości impulsu o stałej amplitudzie.
Sterowanie PWM jest typowym przykładem sterowania dwupołożeniowego
(dwuwartościowego), gdzie steruje się obiektem za pomocą 2 stanów logicznych 0 i 1,
odpowiadających podaniu odpowiednich wartości napięć.
Przeanalizujmy jak zmienia się prędkość obrotowa silnika elektrycznego przy
sterowaniu PWM :
Rys. 1 Sterowanie prędkością obrotową silnika elektrycznego przez podanie
stałego napięcia oraz sterowanie PWM
W przypadku, gdy na silnik zostanie podane stałe napięcie U=const., silnik rozpocznie
pracę i po pewnym czasie osiągnie pewną prędkość obrotową nmax, maksymalną dla danego
napięcia zasilającego. Przy utrzymaniu stałego napięcia, silnik będzie utrzymywał stałą
prędkość obrotową. Oczywiste jest, że im wyższe napięcie, tym wyższa prędkość obrotowa
silnika.
W przypadku sterowania PWM nie mamy do czynienia ze stałym napięciem,
ponieważ podane napięcie ma charakter przebiegu prostokątnego o stałej amplitudzie.
Prędkość obrotowa silnika zależy od :
- amplitudy napięcia wejściowego,
- okresu T,
- stałej czasowej obiektu τ,
- procentu wypełnienia D.
2
Aby silnik pracował poprawnie, okres przebiegu prostokątnego napięcia powinien być
dużo mniejszy od stałej czasowej obiektu : T << τ . Przyjmuje się, że dobrym rozwiązaniem
dla silników elektrycznych jest :
T ≈ 1/10 τ
T ≈ 2,5 ms
Wówczas częstotliwość wyniesie :
f = 400 Hz
Przyjmujemy, że przy sterowaniu PWM dobrą częstotliwością dla silników elektronicznych
jest częstotliwość 400Hz.
Wypełnienie D jest to stosunek szerokości impulsu b do okresu T. Wypełnienie podawane
jest w procentach :
D=b/T
[%]
Innym parametrem charakteryzującym sterowanie układami PWM jest napięcie
średnie. Z matematycznego punktu widzenia, napięcie średnie równe jest :
Uśr = A · b/T
Napięcie średnie jesteśmy w stanie zmierzyć za pomocą multimetru. Wynika to z tego, że
multimetr ma charakter całkujący – oblicza całkę (pole powierzchni), a następnie odnosi ją do
okresu T.
Rys.2 Napięcie średnie w układzie PWM przy wypełnieniu D = 25%.
3
Rys.3 Napięcie średnie w układzie PWM przy wypełnieniu D = 50%.
Rys.4 Napięcie średnie w układzie PWM przy wypełnieniu D = 75%.
Analizując zmiany prędkości obrotowej silnika w wyniku modulacji szerokością
impulsu dochodzimy do wniosku, że przy dużych częstotliwościach i co z tego wynika, przy
krótkich okresach T otrzymujemy dużą bezwładność, a praca silnika elektrycznego nie będzie
miała charakteru „impulsowego” włączania się i wyłączania.
Rys. 5 Poprawna praca silnika przy sterowaniu PWM.
4
Rys.6 Schemat układu PWM.
Długości impulsów są obliczane przez wbudowany mikroprocesor (na wyjściu
mikroprocesora są tylko dwa stany logiczne (0;1) odpowiadające podaniu napięcia
odpowiednio 0 i 5V lub prądu 0 i 5mA) lub też ustawiane są analogowo przez użytkownika.
Przebieg wymuszenia, czyli podane napięcie (natężenie) ma charakter przebiegu
prostokątnego. Charakter ten zapewnia występujący w układzie tranzystor, który pełni rolę
klucza elektronicznego (klucz załącz-wyłącz). Tranzystor przełącza się pomiędzy stanem
przewodzenia, a stanem zaporowym. W stanie zaporowym prąd praktycznie nie płynie (jest
rzędu mikro lub nanoamperów), co powoduje dużą rezystancję wejściową, a straty mocy są
pomijalnie małe, praktycznie nie występują. W stanie przewodzenia natomiast występuje
niewielki spadek napięcia na tranzystorze.
Spadek napięcia dla :
- tranzystorów polowych – 0,02÷0,1 V
- tranzystorów bipolarnych – 0,7 V
Bilans mocy :
Przykładowy tranzystor polowy :
Spadek napięcia na tym tranzystorze :
Moc strat na tranzystorze :
Moc przekazywana :
R = 0,01 Ω
U = I · R = 10A · 0,01 Ω = 0,1V
P = U · I· D = 0,1 V · 10 A · D% = 1W· D%
P = (100V-0,1V)· 10A· D% = 999W· D%
Tranzystor bipolarny :
Spadek napięcia na tranzystorze :
Moc strat na tranzystorze :
Moc przekazywana :
R = 0,07 Ω
U = I · R = 10A · 0,07 Ω = 0,7V
P = U · I · D = 0,7 V · 10 A· D% = 7W· D%
P = (100V-0,7V)· 10A· D% = 993W· D%
Jak wynika z bilansu mocy, spadek mocy jest minimalny w stosunku do mocy przekazywanej.
5
Aby zabezpieczyć μC, czyli aby uniknąć przebić do μC do układu wprowadza się
transoptor. Transoptor jest to element elektroniczny składający się z (co najmniej) jednego
fotoemitera i (co najmniej) jednego fotodetektora umieszczonych we wspólnej obudowie.
Fotoemiterem jest najczęściej dioda elektroluminescencyjna (dioda świecąca – LED),
natomiast fotodetektorem jest fototranzystor.
Fototranzystor działa analogicznie do tranzystora – jako klucz elektroniczny załączwyłącz, z tym, że tranzystor załącza pod wpływem napięcia (prądu), zaś fototranzystor pod
wpływem impulsu świetlnego.
Rys.7 Schemat transoptor.
Rys.8 Układ PWM z transoptorem.
Pomiędzy fotoemiterem, a fotodetektorem (pomiędzy diodą LED, a fototranzystorem)
znajduje się element przezroczysty – szkło, który zabezpiecza przed przebiciem. Dioda LED
sterowana jest przez μC. Sterowanie to odbywa się za pomocą tylko jednego bitu. Jest to duża
zaleta tego rozwiązania, ponieważ sterujemy dużymi mocami tylko jednym bitem.
Jak wiemy, silnikiem elektrycznym możemy sterować rewersyjnie, tzn. silnik może
obracać się w jedną lub drugą stronę w zależności od tego, czy podamy napięcie dodatnie, czy
też ujemne. Należy wówczas stworzyć następujący układ z dwiema szynami :
6
Rys.9 Schemat połączenia silnika dla sterowania rewersyjnego.
Jednocześnie zamknięte muszą być przełączniki czerwone lub jednocześnie zielone,
aby silnik obracał się odpowiednio w prawo lub w lewo.
Należy również pamiętać, że nie możemy „od razu” zmieniać kierunku obrotu silnika.
Wynika to z jego indukcyjności. Aby była możliwa zmiany kierunku, musimy odczekać
pewien okres czasu, nazywamy „dead time” – jest to czas potrzebny na zatrzymanie silnika.
Rys. 10 Zmiana kierunku obrotu w silnikach rewersyjnych.
Układ PWM wygładza przebieg napięcia bezpośrednio zasilając urządzenie (silnik
elektryczny), bądź też za pomocą filtru dolnoprzepustowego.
Rys. 11 Filtr dolnoprzepustowy.
Filtr dolnoprzepustowy ma jedno pasmo przewodzenia – przepuszcza częstotliwości sygnału
poniżej ustalonej częstotliwości granicznej, oraz jedno pasmo tłumiące – tłumi pozostałe
częstotliwości.
7
Zasilanie silników elektrycznych metodą PWM pozwala na uzyskanie dużej
dokładności i łatwości sterowania obiektem. Metoda sterowania szerokością impulsu
stosowana jest do zasilania i sterowania pracą urządzeń elektrycznych. PWM stosuje się w
falownikach (urządzeniach zmieniających prąd stały na przemienny) do zasilania urządzeń
pracujących pod napięciem przemiennym – wraz ze zmianą częstotliwości możemy
regulować wartość napięcia wyjściowego. Podobnie, układy PWM stosuje się w
przetwornicach częstotliwości (urządzenia służące do zmiany jednego rodzaju energii na
inny), których głównym celem jest regulacja prędkości obrotowej silników elektrycznych.
2. Wykonanie ćwiczenia :
2.1. Pomiar prądu, napięcia i czasu przejazdu samochodu dla zadawanego
zasilania zmiennego:
Schemat pomiarowy
W przypadku braku reakcji samochodu na podane zasilanie – w tabeli pomiarowej, w rubryce
„czas” wpisać „stoi”, w przypadku ślizgania się samochodu po stole, wpisać „ślizga się”.
Tabela pomiarowa 1
Nr pomiaru
I [A]
U [V]
Czas [ s ]
1
2
3
4
5
6
7
8
2.2. Regulacja prędkości samochodu metodą PWM :
Poprosić prowadzącego o ustawienie stałego napięcia oraz częstotliwości.
Studenci mierzą :
- wypełnienie - na oscyloskopie – zmieniając je dla każdego kolejnego pomiaru,
- prąd I [A],
- napięcie średnie – za pomocą multimetru (napięcie mierzyć na samochodzie – poprosić
prowadzącego
o
wskazanie
punktów
przyłożenia
końcówek
multimetru),
- czas przejazdu samochodu po stole na odcinku o długości L = 1 m.
Należy przeprowadzić minimum 8 pomiarów.
8
Te same czynności pomiarowe należy powtórzyć dla innej wartości napięcia (również
poprosić prowadzącego o zadanie napięcia oraz częstotliwości).
Tabela pomiarowa 2
Sterowanie PWM przy U =
Nr pomiaru Wypełnienie
D [%]
I [A]
[V]
Uśr [ V ]
Czas
przejazdu [ s ]
1
2
3
4
5
6
7
8
Tabela pomiarowa 3
Sterowanie PWM przy U =
Nr pomiaru Wypełnienie
D [%]
I [A]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
[V]
Uśr [ V ]
Czas
przejazdu [ s ]
3. Wykonanie sprawozdania :
Sprawozdanie powinno zawierać :
1. Stronę tytułową.
2. Wstęp teoretyczny.
3. Cel i przebieg ćwiczenia.
4. Tabele pomiarowe.
5. Wykresy :
- zależność czasu przejazdu samochodu od zadawanego napięcia (pierwsza część
ćwiczenia)
- zależność czasu przejazdu od wypełnienia (na wykresie zaznaczyć obszary, w jakich
samochód nie reagował i w jakich się ślizgał po stole),
- wykreślić charakter przebiegów prostokątnych dla dwóch różnych procentów
wypełnienia i nanieść na wykres wartość napięcia średniego.
6. Wnioski.
10