Témakör:
Ajtót nyitunk
Megjelent: 2015. november 12.
Néha még egy motor megforgatása is kihívásokat tartogat, ha azt valamilyen specifikus cél elérésére akarjuk képessé tenni. A cikk a garázsajtó-mozgató hajtásnak egy költségtakarékos megoldását mutatja be egyfázisú, váltakozó áramú aszinkronmotorral és 8 bites mikrovezérlővel.
Garázsajtó-mozgatás 8 bites mikrovezérlővel
A kisméretű AC-aszinkronmotorokhoz – például garázsajtó-mozgató alkalmazásokban – kis költségek árán, háromfázisú inverterekkel társíthatunk sebességszabályozást és lágyindító funkciót. Ezek az egyfázisú, állandóan bekapcsolt kondenzátorral előállított segédfázisú (Permanent Split Capacitor – PSC) motorok a legegyszerűbbek és a legszélesebb körben használatosak ebben az alkalmazásban. Kicsi az indítónyomatékuk és az indulóáramuk, és előfordulhat, hogy nem túl költséghatékonyak a polarizálatlan segédfázis-kondenzátor miatt, amely ráadásul gyakran hamarabb tönkremegy, mint maga a motor. Ezeket az egyfázisú motorokat sokszor nevezik kétfázisúaknak, mivel csak akkor képesek működni, ha elegendően nagy fázistolás van a két tekercselésre kapcsolt feszültséghullám között. Ha kondenzátort kapcsolunk a betáplálási pont és az egyik tekercs kivezetése közé, a fázistolás közel 90° lesz.
A motor mozgását vezérlő kapcsoló helyett gyakran használnak relét, amely a fázistoló kondenzátor áthelyezésével – és ezáltal a fáziseltolás felcserélésével – a forgásirány megváltoztatását teszi lehetővé. A segédfázis-kondenzátor kapacitását rendszerint a motor gyártója specifikálja. Ez általában az 5…50 μF tartományba esik a 0,75 kW-nál kisebb teljesítményű motoroknál, amely a most tárgyalt alkalmazásra is jellemző. A kondenzátor kiválasztásánál a lehető legnagyobb teljesítménytényező megvalósítására kell törekedni a motor maximális hatásfoka érdekében. Az 1. ábra egy hagyományos váltakozó áramú aszinkronmotor áramkörét mutatja.
1. ábra Egy hagyományos, váltakozó áramú aszinkronmotor kapcsolása; kondenzátorral állítjuk elő azt a fázistolást, amely forgó mágneses teret hoz létre a motor állórészében
A kondenzátor feszültségtűrését általában a 220…450 V-os tartománynak megfelelően kell kiválasztani, a táplálásra használt hálózati váltakozó feszültség nagyságától függően. A kondenzátor nem lehet polarizált kivitelű, mivel váltakozó feszültség kapcsolódik rá. Ha ez a kondenzátor meghibásodik, a motor sem működik, ezért a megfelelő kondenzátor kiválasztása kritikus fontosságú. Egy reális kondenzátornak ellenállása is van, és hőt is termel a rajta átfolyó áram effektív értékétől függő mértékben. Egy az áramkörbe állandóan beépített segédfázis-kondenzátor[1] értékét az álló állapotban fellépő indítónyomaték és a nyomatéknak az üzemi fordulatszámnál fellépő csökkenése közötti kompromisszum határozza meg. Mivel a kondenzátort jelentős látszólagos teljesítményre (VA) kell méretezni, a leggyakrabban úgy tervezik, hogy teljesítse a minimális indítási követelményeket. Ez viszont a névleges fordulatszámnál alacsony hatásfokú működést eredményez.
Azoknál a motoroknál, amelyeknek a két tekercse különböző felépítésű, a két fázist különöző feszültséggel kell táplálni. Ezt az aszimmetriát a kondenzátor okozza, amely a motor induktivitásával rezonáns áramkört alkot. A rezonancia következtében megnő a feszültség az egyik tekercselésen, amely miatt a tekercseken különböző áram folyik.
Más megoldás is kínálkozik azonban az állandóan beépített segédfázis-kondenzátor helyettesítésére, amely a 2. ábrán látható. Ebben a megoldásban a motor fordulatszáma a feszültség szükséges mértékű változtatásával befolyásolható, és elkerülhető a vékonyabb huzalból készült állórésztekercsek túlterhelése. A motor a kondenzátor nélkül is forogni tud, ha két tekercsének feszültsége között fáziskülönbséget hozunk létre. Ez úgy is elérhető, ha a háromfázisú vezérlést – megfelelő szoftverrel – egy mikrokontroller hozza létre. Ezáltal a motor két tekercsére két – egymáshoz képest fázisban eltolt –feszültséget kapcsolunk. Ezek egyikét tekintjük referencia- (vagy „neutrális”) jelnek. A jelalakokat szoftvervezérléssel, impulzusszélesség-modulációval (Pulse Width Modulation – PWM) hozzuk létre.
2. ábra Egyfázisú inverter megoldása három félhidas kapcsoló segítségével. Hat PWM-jelet használunk a kalickás forgórészű PSC-motor meghajtására
A két megoldás összehasonlítása
Háromféle tesztet végezhetünk annak érdekében, hogy a segédfázis kondenzátoros megoldással elérhető eredményeket összehasonlítsuk a kondenzátor nélküli inverteres változatéval. Ezek a következők:
-
nyomatékmérés, amellyel meghatározható a motor változó frekvenciájú meghajtásának hatása,
-
szöggyorsulás- és fordulatszámmérés annak eldöntésére, melyik módszer képes nagyobb fordulatszámú működésre, és melyik képes rövidebb idő alatt felgyorsítani a terhelést, és végül
-
hatásfokmérés, amellyel összevethető a kimenőteljesítmény valós része a bemenőteljesítménnyel, mérhető a teljesítménytényező és a hatásfokot befolyásoló többi körülmény.
Ezek a tesztek a motorvezérlés legfontosabb tervezési szempontjait fedik le. Egyikük sem igényel a többitől eltérő, különleges összetevőket vagy megoldásokat. Mindegyik elemzés az adatoknak ugyanazt a halmazát dolgozza fel. A vizsgáló összeállítást a 3. ábra mutatja.
3. ábra Dinamométeres mérőelrendezés
Ezt a tesztet egy 0,18 kW-os egyfázisú, szimmetrikus tekercselésű motoron végeztük. Mindkét tekercsnek azonos az ellenállása és az induktivitása. A tengely fordulatszámát Hall-szondás érzékelővel mértük. A bemenőfeszültséget egyfázisú, kétvezetékes, 220 V-os, 60 Hz-es hálózatról nyertük, amelyet az inverter kapocspárjára vezettünk. A PC-interfészt a Magtrol cég M-Test 7 szoftverével kezeltük. A programozható vezérlő e szoftverrel vezérelve olvasta be a dinamométerről a nyomatékadatokat. Az összes többi adatot a teljesítményfelvétel-elemző szolgáltatta.
A nyomatékteszt során láthatóvá vált, hogy a motor maximális (0,75 Nm) indítónyomatékát – a motor rendeltetésének megfelelően – az 50…60 Hz-es hálózati frekvenciatartományban adta le. E sávon kívül alacsonyabb volt a mért nyomaték. A kisfrekvenciás gerjesztéseknél nem volt lehetséges állandó nyomatékdiagramot rögzíteni.
A 60 Hz alatti frekvenciákon finoman be kellett állítani a frekvencia és a feszültség összetartozó értékeit a motor veszteségei és a hajtás pontatlanságai miatt. Ha ugyanis 60 Hz alatt maximális értéken tartjuk a feszültséget, az alacsony frekvencián a csökkenő induktív impedanciára kapcsolt magas feszültség miatt megnövekszik az állórész árama, amely nagyobb nyomatékot eredményez. A finomhangolásra azért volt szükség, hogy megtarthassuk a nyomatékgörbe linearitását.
A kondenzátoros és az inverteres segédfázis-előállítással felvett görbék alakja jelentősen eltér egymástól. A kondenzátoros módszernél kissé nagyobb az indítónyomaték, és nagyobb a szöggyorsulása, mint amit az inverterkártyával mértünk 60 Hz-en. Az inverterkártyával egy D-osztályú motorhoz hasonló nyomatékgörbét mérhettünk, míg az állandóan beépített kondenzátorral előállított segédfázissal inkább egy A-osztályú motor görbéjéhez hasonlít az eredmény. Az állandóan beépített kondenzátor különbséget hoz létre a tekercsek feszültsége között, amely az állórész mágnesterében eltérő fluxust eredményez. Az inverterkártya viszont „igyekszik” egyforma áramot előállítani mindkét tekercselésen, mivel a vizsgált motor tekercsimpedanciái azonosak. Ezzel a különbséggel magyarázható a motor nyomatékgörbéinek eltérése a kétféle meghajtás esetén.
Ha az álló motornál, terhelés alatt mérhető indítónyomatékokat hasonlítjuk össze, az inverteres megoldás kisebb terhelést képes csak megforgatni a kondenzátoros, segédfázisú motornál, ha az invertert úgy programoztuk, hogy egyszerűen csak 60 Hz-el forgassa meg a motort. Ha viszont az inverter változó frekvenciájú gerjesztőjelet képes előállítani, megfelelő frekvenciájú vezérléssel az inverteres megoldással megforgatható terhelés nagysága még meg is haladja a kondenzátoros megoldásét. A tervezőnek ezt a nagy indítónyomaték, illetve a hatásfok és fordulatszám közötti kompromisszumot figyelembe kell vennie.
A feszültség és a frekvencia szabályozhatóságának a leginkább magától értetődő előnye, hogy a tervező befolyásolni tudja a motor tengelyének fordulatszámát. Minél nagyobb a fordulatszám, annál hamarabb mozgatható a terhelés a működés által megkívánt rendeltetési helyére. Ez döntő tervezési szempont lehet egy garázskaput vagy más nyílászárót működtető alkalmazásnál.
Az inverterkártya
A fentiek értelmében tehát egy inverterrel vezérelt motor jobb eredményeket szolgáltathat, mint egy ugyanolyan motor kondenzátoros segédfázis-előállítással. Az utóbbi módszer mindig csak egyetlen frekvencián működhet, ezért a szinkron fordulatszámot nem lépheti túl (sőt, el sem érheti azt – A szerk. megj.).
Az inverterkártyát célszerűbb alkalmazásspecifikus platformként kivitelezni, mint általános célú bemutatókártyákból összeállítani. Az előbbi is számos be- és kimenetet (I/O) kínál a felhasználónak, amellyel kapcsolatba léphet a rendszerrel, és módosíthatja annak beállításait. Az inverterrel az egyfázisú motoron kívül háromfázisú, váltakozó áramú aszinkronmotor is meghajtható. A Microchip PIC16F1509 mikrokontrollerével vezérelt kártya tömbvázlata a 4. ábrán látható.
4. ábra A teljes rendszer áttekintő tömbvázlata
A kártyát a rugalmas használatot szem előtt tartva terveztük. Ezért nem minden funkciója van kihasználva, és optimalizáltnak sem nevezhető. A legtöbb I/O-hozzáférési pontot már a programkód első változata is kihasználja, de továbbra is jelentős tere marad az egyedi továbbfejlesztési elképzeléseknek is. Az I2C-kivezetések is hozzáférhetők és felhasználhatók további eszközök csatlakoztatására. Néhány I/O-vezetéket többszörösen vezettünk ki a jobb hozzáférés és a szélesebb körű használhatóság érdekében. Az összes felhasználói interfészelemet a biztonságos, szigetelt csatlakoztatás érdekében két négycsatornás és egy egycsatornás optikai leválasztón át csatlakoztattuk. Külön csatlakozósort építettünk be a külső áramkörök (például a garázskapu mozgását követő érzékelők) csatlakoztatására. A kártyán két nyomógomb és két beállító potenciométer is helyet kapott. Ez utóbbiak egy-egy lineáris munkapontban működő tranzisztoron keresztül csatlakoznak az optikai leválasztóhoz. Az átvitel azonban csak közelítőleg lineáris, mert az optikai csatolókba épített ledek áram/feszültség-karakterisztikája nem lineáris. A potenciométerek egyenként aránylag nagy, 30 mA körüli áramot vesznek fel. A digitális bemenetre kapcsolódó nyomógombok és a járulékos bemenetek úgy vannak beállítva, hogy a jel megváltozásakor okozzanak programmegszakítást (Interrupt-on-Change – IoC) a processzorban. Ez a megoldás felszabadítja a CPU-t, hogy állandóan figyelnie kelljen a megszakításbemenetek állapotára. Valahányszor egy IoC-t érzékel a processzor, egy AD-átalakító mérést kell kezdeményezni annak eldöntésére, melyik bemenet okozta a megszakítást.
Működés
A motor mindaddig nyugalmi helyzetben van, amíg a PIC16F1509 mikrokontroller inicializálja a be-kimeneti pontjait. Az indítógomb megnyomásakor a motor lágyindítással forogni kezd. Ennek során a feszültség és a frekvencia az idő lineáris függvényeként változik annak érdekében, hogy a motor lassan, egyenletesen érje el a specifikált üzemi fordulatszámot. Ezt követően – a lágyindítási folyamat végeztével – a motor az üzemi fordulatszámmal forog tovább.
A motor sebességét és a mechanika által bejárt út ellenőrzőpontjain való áthaladást a program fő ciklusa ismételt lekérdezésekkel ellenőrzi. Ha az áramfelvétel meghaladja a beállított maximális értéket, a vezérlőprogram a motort leállítja, és az állapotjelző led villogása jelzi a hibaállapotot. Normális körülmények között a vezérlés a nyomógomb ismételt megnyomását érzékelve fékezi le a motort, és az lágy leállítással tér vissza nyugalmi helyzetébe.
Összefoglalás
Az egyfázisú AC-aszinkronmotorok – mint amit például a garázsajtók mozgatására is használunk – nemcsak kondenzátoros segédfázis-előállítással, hanem inverteres elektronikus meghajtással is üzemeltethetők. Ez utóbbi lehetővé teszi a fordulatszám változtatását, és azt, hogy a lágyindítást aránylag kis költséggel valósíthassuk meg. Az inverterkártya vezérlésére a Microchip 8 bites, PIC16F1509 mikrovezérlőjét használtuk.
Szerző: Justin Bauer
[1] Az „állandóan beépített” kifejezést itt (és a továbbiakban többször is) azért használjuk, hogy megkülönböztessük attól az „indítófázisos” megoldástól, amelyben a segédfázis-kondenzátornak csak az indításkor van szerepe, és annak áramkörét a motor felpörgése után egy – gyakran centrifugális működtetésű – kapcsoló megszakítja. Az „állandóan beépített segédfázis-kondenzátor” a motor felpörgése után is az áramkörben marad. – A ford. megj.
www.microchip.com
Még több Microchip
Címkék: garázsajtó hajtás | egyfázisú aszinkron motor | inverteres hajtás