Начнём с того, что у каждого программера должен быть токарный станок. Ну… Или, как минимум, у меня он должен быть. И пусть даже без ЧПУ. Это моя мечта.
И мечта сбылась. Станок куплен, привезён, поставлен на место парковки и… Надо бы его включить. А включить его не так и просто. И если не искать простых путей, то нужен «частотник», а по-научному: преобразователь частоты.
И пусть я в этом профан, но я его сделал.
И вот с подключения двигателя и начинаются интересности. Сам по себе я в таком профан, есть некоторые общие знания, но как оно реально работает — понятия не имел. А уж когда вместо ожидаемых 3-х выводов 3-х фазника я узрел 4, да ещё и не 3 обмотки с общей точкой, а отдельные 2, да ещё с разным сопротивлением… Ну, я, кхм, скажем так — «удивился».
Так вот, двигатели. Они бывают трёхфазные, трёхфазные, включенные треугольником через конденсаторы и… однофазные конденсаторные.
Трёхфазные — «полноценные» асинхронники. 3 обмотки, по-хорошему включённые звездой и повешенные на полноценные 3 фазы. Ну, или 3-х фазный частотник, коих валом на али.
Трёхфазные + треугольник + конденсаторы. Тут мы уже теряем в КПД, мощности и моменте, ну да если 3-х фаз нету, то вполне себе решение. Дёшево, просто, надёжно, сердито.
Однофазные конденсаторные.
Вот о них то и пойдёт речь. Вообще, такие двигатели очень распространены. Это и вентиляторы моторчиков проекторов и приводы некоторых часов, и моторчики для маленьких наждаков и остальные применения, где не надо большой мощности, но нужны плюсы асинхронников: огромная надёжность + обороты, зависящие только от частоты питающего напряжения.
Базовая схема включения (картинка не моя, честно найденная на просторах интернета):
В общем, грубо, принцип такой: Есть стартерная обмотка, она наводит ЭДС в короткозамкнутом роторе. Со смещением по фазе включается рабочая обмотка. Она «отталкивает» замагниченный якорь, начинается вращение. При повороте на некий угол, всё повторяется. Мотор начинает крутиться.
Итого — нужно 2 фазы, смещённые на некий угол. Обычно это 90 градусов. Это и обеспечивается пусковым конденсатором. Ну а после набора оборотов — якорь начинает работать от самой же рабочей обмотки и стартерную обмотку можно вообще даже отключить. Ну, или запитать от рабочего конденсатора, существенно меньшей ёмкости.
Но это всё теория. А на практике то чего хочется? Хочется частотник. Что б само разгонялось, тормозило, крутилось в обе стороны, ну и с разными оборотами, конечно!
И вот тут становится всё несколько сложнее. Дело в том, что таких частотников в продаже в разы меньше. И стоят они в разы больше. В общем — экзотика.
А ведь, если так задуматься, то разница от 3-х фазного не так и велика. И даже можно использовать ту же схемотехнику. При этом, есть те же 3 отвода: общий, стартерная обмотка, рабочая обмотка. И всё дело в прошивке. А значит — это можно сделать. И пусть это будет не векторное управление с кучай математики, а простое скалярное, но… как умею.
Итак — что требуется. Для начала посмотрим на графики синусойды и косинусойды (у нас же смещение 90 градусов) УСЛОВНО оно будет выглядеть так:
Т.е. задача элементарна: «притягиваем» к земле общий, подаём пачку положительных импульсов в стартерную обмотку, подаём пачку импульсов в рабочую. Затем подтягиваем общий к плюсу и подаём пачку отрицательных импульсов к стартерной, а затем и рабочей обмотке. Т.о. грубо получаем имитацию смены полярности и сдвиг фаз. От того, как часто мы это будем делать — будет зависеть «частота».
В общем — теория проста. В качестве контроллера ATMega 328 с бутлоадером ардуины (да по сути, сама ардуина, просто без лишней обвязки), в качестве драйвера IR2130 (старая, но с IR2136 не сложилось) и выходные ключи IRG4BC30. Дя моего 1.1КВт-го мотора этого более чем достаточно.
(Если повторять схему, то просто делается плата, в Arduino Duemilanove заливается скетч, затем Mega328 выдёргивается и впаивается в плату. Готово.)
А вот дальше… Дальше я погрузился в удивительный мир индуктивностей и силовой электроники. И всё оказалось не так и просто, как думалось вначале:
1) Скорость открытия и закрытия ключей — это важно. Deadtime — это ОЧЕНЬ важно.
2) Включение балласта — обязательно с использованием диода, обращённого плюсом на силовой фильтрующий конденсатор. Иначе выбросы при снятии нагрузки с индуктивности на раз выводят из строя силовые IGBT.
3) Охлаждение. На плате маленькие радиаторы — плохо. Либо перегреется, либо надо обдувать. Но если обдувать, то вся металлическая взвесь от станка, рано или поздно, закоротит что-то и будет бах.
3+) Слюда, а точнее ОЧЕНЬ ТОНКАЯ слюда, это плохо. Она пробивается и получается то, что в заглавии статьи. В то же время силиконовые термопрокладки хуже по теплопроводности. Ну а керамика… У меня её нет.
4) Торможение методом длинной пачки импульсов одной полярности на одну обмотку, быстро перегревает транзисторы и они сгорают. А так же, очень весело прыгает мотор, раскрученный до 3-х тыс оборотов и остановленный за 0.3 сек до 0.
5) Когда у вас всё заработает и вы расслабитесь, включите схему без балласта и нажмёте пуск — будет бах. Это приводит ещё и к замене драйвера.
Скетч: Сейчас реализовано вращение в обе стороны с плавной перестройкой частоты 25-75Гц с шагом 0.25. Была идея с тормозом. Сейчас закомментировано и надо будет менять схему. А именно, идея такая: я правильно подавал импульсы одной полярности, НО. Это надо делать через балластное сопротивление отдельным ключом.
Силовая часть: схема ещё будет дорабатываться, но на данный момент станок стоит в не отапливаемом помещении и работать с ним крайне сложно из-за замерзания масла.
#define Hi_ST 10 //Стартерный #define Hi_WK 11 //Рабочий #define Hi_M 12 //Общий #define Lo_ST 7 #define Lo_WK 8 #define Lo_M 9 #define SoftStart 6 //реле мягкого старта конденсатора #define LedFwd 4 //Светодиод "туда" #define LedRew 5 //Светодиод "обратно" #define LedStp 13 //Светодиод стоп #define CmdFwd 2 //Кнопка "туда" #define CmdRew 3 //Кнопка "обратно" Обе вместе - стоп. #define ValFwd 4 //Крутилка "Туда" #define ValRew 5 //Крутилка "Обратно" #define RemoteFwd 1 //Тут должнен быть пультик... #define RemoteRew 0 //Тут должнен быть пультик... int nn = 0; byte WkState = 0; void setup() { //Serial.begin(9600); pinMode(CmdFwd, INPUT); pinMode(CmdRew, INPUT); pinMode(Hi_ST, OUTPUT); pinMode(Hi_WK, OUTPUT); pinMode(Hi_M, OUTPUT); pinMode(Lo_ST, OUTPUT); pinMode(Lo_WK, OUTPUT); pinMode(Lo_M, OUTPUT); pinMode(SoftStart, OUTPUT); pinMode(LedFwd, OUTPUT); pinMode(LedRew, OUTPUT); pinMode(LedStp, OUTPUT); delay(1500); digitalWrite(SoftStart, HIGH); Indicate(); } void loop() { //Управление bool cmdF = digitalRead(CmdFwd); bool cmdR = digitalRead(CmdRew); bool RemF = digitalRead(RemoteFwd); bool RemR = digitalRead(RemoteRew); if ((cmdF && !cmdR))// || ) //Кнопка или команда пультика. { if(WkState != 1 && nn > 0) { WkState = 1; //Это не Бангладеш. Это необходимость СРАЗУ переключить лампочку, а тока потом тормозить мотор. Indicate(); Brake(); //Тормоз } WkState = 1; //А это на случай если томозить не надобно. Например после стопа. Indicate(); } if (!cmdF && cmdR)// || ) //Тут должнен быть пультик... { if(WkState != 2 && nn > 0) { WkState = 2; Indicate(); Brake(); //Тормоз } Indicate(); WkState = 2; } if (cmdF && cmdR) { if(WkState != 0) { WkState = 0; Indicate(); Brake(); //Тормоз } Indicate(); WkState = 0; } //Исполнение if (WkState == 0) //Стоп { nn = 0; delay(50); return; } nn ++; //Стартерная задержка (циклы работы стартерной обмотки "на полную") if (nn > 30000) nn = 30000; if (WkState == 1) //Вперёд { int delays = GetDelayByVal(1024-analogRead(ValFwd)); //Ну наоборот я распаял. Бывает, чо... Инвертируем RotateFwd(delays-400); } else //Назад { int delays = GetDelayByVal(analogRead(ValRew)); RotateRew(delays-400); } } //Крутим вперёд. Тут оборот void RotateFwd(int delays) { digitalWrite(Lo_M, HIGH); //Включаем общий минус SendPosST(delays); SendPosWK(delays); digitalWrite(Lo_M, LOW); //Отключаем общий минус. delayMicroseconds(200); //Отрицательная полярность digitalWrite(Hi_M, HIGH); SendNegST(delays); SendNegWK(delays); digitalWrite(Hi_M, LOW); delayMicroseconds(120); } //Крутим назад. Тут оборот void RotateRew(int delays) { digitalWrite(Lo_M, HIGH); //Включаем общий минус SendPosST(delays); digitalWrite(Lo_M, LOW); //Отключаем общий минус. delayMicroseconds(133); digitalWrite(Hi_M, HIGH); SendNegWK(delays); SendNegST(delays); digitalWrite(Hi_M, LOW); delayMicroseconds(133); digitalWrite(Lo_M, HIGH); //Включаем общий минус SendPosWK(delays); digitalWrite(Lo_M, LOW); //Отключаем общий минус. delayMicroseconds(50); } //Отправка пачки импульсов void SendPulse(int pin, int delays) { byte pwrCycle = 0; while(delays > 0) //Крутимся в цикле, пока не закончится время на такт { pwrCycle ++; if (delays < 0) return; if (delays < 300) //Если осталось менее 300мкс, то проще запаузиться. { delayMicroseconds(delays); return; } if (pwrCycle < 5){ digitalWrite(pin, HIGH);} delayMicroseconds(min(1200,delays)); //Длина импульса. 1200мкс digitalWrite(pin, LOW); if (delays < 300)//Если осталось менее 300мкс, то проще запаузиться. { delayMicroseconds(delays); return; } delayMicroseconds(200); delays -= 1400; //Примерное время цикла } } void SendPosWK(int delays) { SendPulse(Hi_WK,delays); } void SendNegWK(int delays) { SendPulse(Lo_WK,delays); } void SendPosST(int delays) { if (nn < 100) //Включаем стартерную { SendPulse(Hi_ST,delays); } else { if (delays > 3000) //Если частота мала - уменьшаем импульс до 25% времени { delayMicroseconds(delays*0.37); SendPulse(Hi_ST,delays*0.25); delayMicroseconds(delays*0.37); } else { delayMicroseconds(delays); //Для коротких интервалов, можно и 100% гнать стартерную - всё равно импульс будет 1-2шт и короткий } } } void SendNegST(int delays) { if (nn < 100) //Включаем стартерную { SendPulse(Lo_ST,delays); } else { if (delays > 3000) { delayMicroseconds(delays*0.33); SendPulse(Lo_ST,delays*0.33); delayMicroseconds(delays*0.33); } else { delayMicroseconds(delays); } } } //Тут должен будет жить тормоз. По идее под него надо отдельнй транзистор, подающий постоянку на обмотки через резистор. void Brake() { AllOff(); delay(3000); return; //Serial.println("Brake"); //Тормозим тупо импульсами одной полярности. //ЗЫ, это убило 3 транзистора. Тогда я понял что так делать не надо. Но тормозит зверски. Мотор аж подпрыгивает. digitalWrite(Lo_M, HIGH); for (nn = 0; nn < 100; nn ++) { digitalWrite(Hi_ST, HIGH); delay(3); digitalWrite(Hi_ST, LOW); delayMicroseconds(250); digitalWrite(Hi_WK, HIGH); delay(1); digitalWrite(Hi_WK, LOW); delay(3); } AllOff(); } void AllOff() { digitalWrite(Hi_ST, LOW); digitalWrite(Hi_WK, LOW); digitalWrite(Hi_M, LOW); digitalWrite(Lo_ST, LOW); digitalWrite(Lo_WK, LOW); digitalWrite(Lo_M, LOW); delayMicroseconds(500); } void Indicate() { digitalWrite(LedStp, (WkState == 0 ? 1:0)); digitalWrite(LedFwd, (WkState == 1 ? 1:0)); digitalWrite(LedRew, (WkState == 2 ? 1:0)); } //от 25 до 75гц с шагом 0.25 и 511 (центр пегулятора) = 50гц int GetDelayByVal(int val) { if (val < 5) return 10000; if (val < 10) return 9900; if (val < 15) return 9803; if (val < 20) return 9708; if (val < 25) return 9615; if (val < 30) return 9523; if (val < 35) return 9433; if (val < 40) return 9345; if (val < 45) return 9259; if (val < 50) return 9174; if (val < 55) return 9090; if (val < 60) return 9009; if (val < 65) return 8928; if (val < 70) return 8849; if (val < 76) return 8771; if (val < 81) return 8695; if (val < 86) return 8620; if (val < 91) return 8547; if (val < 96) return 8474; if (val < 101) return 8403; if (val < 106) return 8333; if (val < 111) return 8264; if (val < 116) return 8196; if (val < 121) return 8130; if (val < 126) return 8064; if (val < 131) return 8000; if (val < 136) return 7936; if (val < 141) return 7874; if (val < 147) return 7812; if (val < 152) return 7751; if (val < 157) return 7692; if (val < 162) return 7633; if (val < 167) return 7575; if (val < 172) return 7518; if (val < 177) return 7462; if (val < 182) return 7407; if (val < 187) return 7352; if (val < 192) return 7299; if (val < 197) return 7246; if (val < 202) return 7194; if (val < 207) return 7142; if (val < 212) return 7092; if (val < 217) return 7042; if (val < 223) return 6993; if (val < 228) return 6944; if (val < 233) return 6896; if (val < 238) return 6849; if (val < 243) return 6802; if (val < 248) return 6756; if (val < 253) return 6711; if (val < 258) return 6666; if (val < 263) return 6622; if (val < 268) return 6578; if (val < 273) return 6535; if (val < 278) return 6493; if (val < 283) return 6451; if (val < 288) return 6410; if (val < 294) return 6369; if (val < 299) return 6329; if (val < 304) return 6289; if (val < 309) return 6250; if (val < 314) return 6211; if (val < 319) return 6172; if (val < 324) return 6134; if (val < 329) return 6097; if (val < 334) return 6060; if (val < 339) return 6024; if (val < 344) return 5988; if (val < 349) return 5952; if (val < 354) return 5917; if (val < 359) return 5882; if (val < 364) return 5847; if (val < 370) return 5813; if (val < 375) return 5780; if (val < 380) return 5747; if (val < 385) return 5714; if (val < 390) return 5681; if (val < 395) return 5649; if (val < 400) return 5617; if (val < 405) return 5586; if (val < 410) return 5555; if (val < 415) return 5524; if (val < 420) return 5494; if (val < 425) return 5464; if (val < 430) return 5434; if (val < 435) return 5405; if (val < 441) return 5376; if (val < 446) return 5347; if (val < 451) return 5319; if (val < 456) return 5291; if (val < 461) return 5263; if (val < 466) return 5235; if (val < 471) return 5208; if (val < 476) return 5181; if (val < 481) return 5154; if (val < 486) return 5128; if (val < 491) return 5102; if (val < 496) return 5076; if (val < 501) return 5050; if (val < 506) return 5025; if (val < 512) return 5000; if (val < 517) return 4975; if (val < 522) return 4950; if (val < 527) return 4926; if (val < 532) return 4901; if (val < 537) return 4878; if (val < 542) return 4854; if (val < 547) return 4830; if (val < 552) return 4807; if (val < 558) return 4784; if (val < 563) return 4761; if (val < 568) return 4739; if (val < 573) return 4716; if (val < 578) return 4694; if (val < 583) return 4672; if (val < 588) return 4651; if (val < 593) return 4629; if (val < 599) return 4608; if (val < 604) return 4587; if (val < 609) return 4566; if (val < 614) return 4545; if (val < 619) return 4524; if (val < 624) return 4504; if (val < 629) return 4484; if (val < 634) return 4464; if (val < 640) return 4444; if (val < 645) return 4424; if (val < 650) return 4405; if (val < 655) return 4385; if (val < 660) return 4366; if (val < 665) return 4347; if (val < 670) return 4329; if (val < 675) return 4310; if (val < 680) return 4291; if (val < 686) return 4273; if (val < 691) return 4255; if (val < 696) return 4237; if (val < 701) return 4219; if (val < 706) return 4201; if (val < 711) return 4184; if (val < 716) return 4166; if (val < 721) return 4149; if (val < 727) return 4132; if (val < 732) return 4115; if (val < 737) return 4098; if (val < 742) return 4081; if (val < 747) return 4065; if (val < 752) return 4048; if (val < 757) return 4032; if (val < 762) return 4016; if (val < 768) return 4000; if (val < 773) return 3984; if (val < 778) return 3968; if (val < 783) return 3952; if (val < 788) return 3937; if (val < 793) return 3921; if (val < 798) return 3906; if (val < 803) return 3891; if (val < 808) return 3875; if (val < 814) return 3861; if (val < 819) return 3846; if (val < 824) return 3831; if (val < 829) return 3816; if (val < 834) return 3802; if (val < 839) return 3787; if (val < 844) return 3773; if (val < 849) return 3759; if (val < 855) return 3745; if (val < 860) return 3731; if (val < 865) return 3717; if (val < 870) return 3703; if (val < 875) return 3690; if (val < 880) return 3676; if (val < 885) return 3663; if (val < 890) return 3649; if (val < 896) return 3636; if (val < 901) return 3623; if (val < 906) return 3610; if (val < 911) return 3597; if (val < 916) return 3584; if (val < 921) return 3571; if (val < 926) return 3558; if (val < 931) return 3546; if (val < 936) return 3533; if (val < 942) return 3521; if (val < 947) return 3508; if (val < 952) return 3496; if (val < 957) return 3484; if (val < 962) return 3472; if (val < 967) return 3460; if (val < 972) return 3448; if (val < 977) return 3436; if (val < 983) return 3424; if (val < 988) return 3412; if (val < 993) return 3401; if (val < 998) return 3389; if (val < 1003) return 3378; if (val < 1008) return 3367; if (val < 1013) return 3355; if (val < 1018) return 3344; if (val < 1024) return 3333; }
Схема:
В общем-то почти классик, но собранная из 5-и разных схем. Диоды по «высоким» плечам в общем-то при применении IGBT транзисторов и не обязательны, но я сначала сделал, а потом только подумал
В итоге: оно работает. Многое ещё стоит доделать, например выносной «пультик», тормоз. Может стоит поэкспериментировать с длительностью импульсов или сделать таки полноценный ШИМ имитирующий синус, а не постоянную скважность. Но пока это так. Может кому пригодится.
И в окончание, хотелось бы спросить: вместо балласта я поставил дроссель, «зажатый» диодами. На сколько я не прав в таком решении? Дроссель, я даже не знаю какой индуктивности. Взят из БП ATX, где он стоял в блоке компенсации реактивной мощности.
Ну а опыт… Опыт очень интересный. Я никогда б не подумал что это может быть столь сложно. И что 30В и 300В это огромная разница. Очень зауважал людей, которые такие вещи проектируют.
А это цена моих ошибок:
Видео всего процесса можно посмотреть тут: 1 2 3
Вопросы более знающим, ответы хотелось бы в комментариях:
1) Дроссель что стоит по цепи +310. Стоит ли мне от него избавляться? Я поставил его в надежде что нарастание тока, в случае пробоя транзистора, будет медленней и драйвер успеет уйти в защиту по току.
2) У меня получаются импульсы одинаковой скважности. Критически ли это важно, или всё ж таки делать нечто «синусозависимое» по скважности?
ссылка на оригинал статьи https://geektimes.ru/post/282740/
Добавить комментарий