Ридван А., Юхендри М. - Реализация четырехквадрантного DC-чоппера для управления двигателем постоянного тока с использованием Arduino

Аннотация

Ридван А., Юхендри М. Реализация четырехквадрантного DC-чоппера для управления двигателем постоянного тока с использованием Arduino. Данное исследование направлено на проектирование и реализацию системы управления двигателем постоянного тока с использованием четырехквадрантного DC-чоппера для повышения гибкости и эффективности работы двигателя. Традиционные методы управления двигателями постоянного тока часто страдают от высоких пусковых токов и ограниченных возможностей регулирования скорости. Предлагаемая система использует схему Н-мостового чоппера, управляемую MOSFET с помощью ШИМ-сигналов, генерируемых Arduino Mega 2560 и программируемых через MATLAB Simulink. Четырехквадрантный чоппер позволяет двигателю работать в режимах прямого двигательного, прямого тормозного, обратного двигательного и обратного тормозного режимов. Экспериментальные результаты демонстрируют, что система эффективно регулирует скорость и направление вращения двигателя, одновременно минимизируя чрезмерный начальный ток. Результаты испытаний указывают на прямую корреляцию между скважностью ШИМ и выходным напряжением, подтверждая способность системы обеспечивать точное управление двигателем. Более того, интеграция рекуперативного торможения повышает энергоэффективность. Данное исследование предоставляет надежное решение для приложений управления двигателями постоянного тока, требующих двунаправленной работы и динамической регулировки скорости.

Введение

Двигатель постоянного тока — это электрическая машина, использующая постоянный ток (DC) для создания крутящего момента. Его преимущества включают простоту регулировки скорости и большой начальный крутящий момент, поэтому он широко используется в промышленности. Регулирование скорости двигателя постоянного тока может осуществляться тремя способами: управление с вставкой сопротивления в обмотку якоря, управление напряжением якоря двигателя и управление током возбуждения. Одним из эффективных методов является управление напряжением якоря с использованием DC-DC чоппера, который может увеличивать или уменьшать напряжение по мере необходимости. Применение двигателей постоянного тока может осуществляться методом включения/выключения, но это может вызвать очень большой пусковой ток двигателя, что приведет к перегрузке за короткое время или повреждению устройства; кроме того, методом включения/выключения скорость двигателя нельзя регулировать в соответствии с потребностями.

В предыдущих исследованиях использовался двухквадрантный DC-чоппер, который поддерживает только прямой двигательный и прямой тормозной режимы, не способный справляться с высокими пусковыми токами. Поэтому данное исследование направлено на проектирование системы управления двигателем постоянного тока с использованием четырехквадрантного DC-чоппера, который позволяет двигателю работать в четырех режимах: прямом двигательном, прямом тормозном, обратном двигательном и обратном тормозном режимах. При использовании четырехквадрантного DC-чоппера можно минимизировать пусковой ток двигателя, регулировать скорость двигателя и изменять направление вращения двигателя. Этот четырехквадрантный DC-чоппер управляется MOSFET с помощью ШИМ-сигнала, регулируемого Arduino Mega 2560 и программируемого в MATLAB Simulink. Эта схема спроектирована в конфигурации Н-моста, позволяя контролировать положительное и отрицательное напряжение по мере необходимости. Ожидается, что это исследование оптимизирует производительность двигателя постоянного тока за счет более гибкого и эффективного управления скоростью и направлением.

Метод

Управление двигателем постоянного тока с помощью четырехквадрантного DC-чоппера спроектировано с использованием Arduino Mega 2560 в качестве центрального процессора с датчиками напряжения и тока на входе, где управление двигателем постоянного тока использует Matlab Simulink путем настройки ШИМ-входа на Arduino Mega 2560. Система состоит из нескольких основных компонентов, которые совместно работают для управления двигателем постоянного тока. Источник питания 12В служит источником питания для таких компонентов, как Arduino Mega 2560 и драйвер затвора, в то время как источник питания 220В является основным источником питания для 4-квадрантного DC-чоппера. Arduino Mega 2560 действует как центр обработки данных в системе управления двигателем постоянного тока, управляет 4-квадрантным DC-чоппером и получает входные данные от потенциометра, используемого в качестве опорного выходного напряжения. Для управления MOSFET в схеме чоппера используется драйвер затвора, который функционирует как драйвер, повышая напряжение ШИМ-импульса, генерируемого Arduino в соответствии с потребностями модуляции затвора MOSFET.

Четырехквадрантный DC-чоппер или Н-мостовой чоппер играет основную роль в преобразовании постоянного напряжения постоянного тока в регулируемое постоянное напряжение. Концепция четырех квадрантов относится к способности системы регулировать направление тока и напряжения нагрузки как в условиях положительной, так и отрицательной полярности мощности или напряжения. Первый квадрант возникает, когда двигатель движется вперед, при этом энергия течет от источника к двигателю, где напряжение и ток положительны, поэтому двигатель работает с положительным крутящим моментом. Второй квадрант все еще находится в состоянии, когда двигатель движется вперед, но ток течет в противоположном направлении (отрицательном), что означает, что двигатель выполняет рекуперативное торможение, при котором энергия от двигателя возвращается к источнику, в то время как напряжение остается положительным. Третий квадрант возникает, когда двигатель вращается назад, при этом энергия поступает от источника к двигателю, где напряжение и ток отрицательны, поэтому двигатель работает с отрицательным крутящим моментом. Четвертый квадрант возникает, когда двигатель продолжает вращаться назад, но энергия возвращается к источнику из-за рекуперативного торможения, при котором напряжение отрицательно, а ток положителен.

Эти четыре квадранта позволяют системе управлять двигателем с полной гибкостью, будь то движение вперед, назад или рекуперативное торможение. Каждый квадрант активируется комбинацией соответствующих силовых ключей, таких как ключи S1 и S2 для управления прямым напряжением и токем, ключи S3 и S4 для управления обратным напряжением и токем, и обратный диод, который позволяет току протекать, когда ключ находится в выключенном состоянии. Для обеспечения точных измерений эта система оснащена датчиком тока и датчиком напряжения, которые служат для измерения тока и выходного напряжения DC-чоппера. Вход с датчика напряжения используется Arduino Mega 2560 в качестве обратной связи по управлению напряжением, в то время как вход с датчика тока используется Arduino Mega 2560 для измерения выходного тока DC-чоппера.

DC-чоппер работает для понижения или повышения напряжения 220В постоянного тока, подаваемого от источника питания постоянного тока с нагрузкой в виде резистивной нагрузки. Блок управления запрограммирован в MATLAB Simulink, в то время как Arduino Mega 2560 функционирует как интерфейс между MATLAB Simulink на ПК и аппаратным обеспечением. Выходное напряжение 4-квадрантного DC-чоппера определяется временем переключения силового ключа DC-чоппера, которое регулируется с использованием метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ), где ширина ШИМ-импульса определяется коэффициентом заполнения. Силовым ключом, используемым в этом DC-чоппере, является MOSFET IRFP460.

Результаты и обсуждение

Тестирование и измерение устройства проводится для обеспечения того, что все компоненты устройства функционируют должным образом. В этом исследовании был проведен тест проектирования DC-чоппера в качестве 4-квадрантного контроллера двигателя постоянного тока, эта система была протестирована в двух режимах работы, а именно прямом и обратном, где каждый режим работы был протестирован с двумя вариациями ШИМ-входа: для прямого состояния тестировались коэффициенты заполнения 0.6 и 0.9, а для обратного — 0.4 и 0.1.

**Таблица 1. Результаты тестирования системы**
№	Режим работы	Установка ШИМ	Входное напряжение	Выходное напряжение	Драйвер затвора 1	Драйвер затвора 2
1	Прямой	0.6	150	42.9	Низкий: Вкл, Высокий: Выкл	Низкий: Выкл, Высокий: Вкл
2	Прямой	0.9	150	109.1	Низкий: Вкл, Высокий: Выкл	Низкий: Выкл, Высокий: Вкл
3	Обратный	0.4	150	-12.6	Низкий: Выкл, Высокий: Вкл	Низкий: Выкл, Высокий: Выкл
4	Обратный	0.1	150	-108.6	Низкий: Выкл, Высокий: Вкл	Низкий: Выкл, Высокий: Выкл

На основании результатов тестирования системы DC-чоппера в качестве 4-квадрантного контроллера двигателя постоянного тока показывают, что система может работать в двух режимах: прямом и обратном. В прямом режиме увеличение коэффициента заполния ШИМ с 0.6 до 0.9 приводит к увеличению выходного напряжения с 42.9 В до 109.1 В при постоянном входном напряжении 150 В. Этот результат подтверждает, что система работает в соответствии с принципом ШИМ, где более высокий коэффициент заполнения увеличивает среднюю мощность, подаваемую на двигатель.

В обратном режиме выходное напряжение отрицательное, что указывает на вращение двигателя в противоположном направлении. При коэффициенте заполнения ШИМ 0.4 выходное напряжение составляет -12.6 В, в то время как при коэффициенте заполнения 0.1 выходное напряжение достигает -108.6 В. Эта закономерность показывает, что уменьшение коэффициента заполнения ШИМ в обратном режиме увеличивает отрицательное выходное напряжение, что соответствует более высокой мощности, подаваемой в противоположном направлении.

В целом, результаты тестирования показывают, что спроектированная система DC-чоппера эффективно функционирует при управлении 4-квадрантным двигателем постоянного тока. Система способна регулировать как направление вращения, так и величину выходного напряжения в соответствии с применяемым коэффициентом заполнения ШИМ. Это демонстрирует, что предлагаемый метод эффективен в обеспечении точного управления скоростью и направлением двигателя в соответствии с требованиями применения.

Заключение

Данное исследование успешно спроектировало и протестировало DC-DC чоппер в качестве четырехквадрантного контроллера двигателя постоянного тока, в соответствии с заявленными целями построения и тестирования системы управления двигателем, способной регулировать как скорость, так и направление вращения. Результаты тестирования показывают, что система хорошо работает в режимах прямого и обратного двигательного движения, при этом MOSFET IRFP460 используется в качестве силового ключа, а Arduino Mega 2560 — в качестве основного контроллера. Тестирование с коэффициентами заполнения ШИМ 0.6 и 0.9 в прямом режиме привело к выходным напряжениям 42.9 В и 109.1 В соответственно, в то время как тестирование с коэффициентами заполнения 0.4 и 0.1 в обратном режиме привело к выходным напряжениям -12.6 В и -108.6 В. Эти результаты подтверждают, что выходное напряжение напрямую зависит от коэффициента заполнения ШИМ, что позволяет точно управлять скоростью двигателя. Кроме того, схема переключения указывает на стабильность сигнала и правильную работу системы в соответствии с принципом Н-мостового чоппера.

Список использованной литературы