Ανάπτυξη και υλοποίηση ελεγκτή PWM για οδήγηση DC κινητήρων.

Abstract

Από την εποχή της ανακάλυψης των κινητήρων ανεξαρτήτως του είδους της τροφοδοσίας τους , για την επίτευξη ορισμένων εργασιών υπήρχε η ανάγκη ελέγχου των στροφών τους. Αυτή η ανάγκη οδήγησε τους ερευνητές στην ανακάλυψη διαφόρων τρόπων οδήγησης και ελέγχου. Αυτοί οι τρόποι δεν ήταν πάντα οι καλύτεροι όσων αναφορά την κατανάλωση ενέργειας. Παραδειγματικά αναφέρεται ο τρόπος εκκίνησης και ρύθμισης των στροφών των κινητήρων συνεχούς ρεύματος με παράλληλη και σύνθετη διέγερση ο οποίος γινόταν με την βοήθεια αντιστάσεων. Με τον τρόπο αυτό ρύθμιζαν τις στροφές αλλά με μεγάλη κατανάλωση ισχύος πάνω στις αντιστάσεις. Αργότερα με την εφεύρεση των ηλεκτρονικών και την ανάπτυξη των ψηφιακών και αναλογικών κυκλωμάτων η εκκίνηση και ο έλεγχος των στροφών των κινητήρων γίνεται με περισσότερη ακρίβεια και πάνω από όλα με μεγαλύτερη οικονομία και απόδοση. Στην παρούσα μελέτη θα υλοποιηθεί και θα περιγραφεί ένας ελεγκτής PWM για την οδήγηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος ο οποίος θα κάνει χρήση σύγχρονων ηλεκτρονικών, λογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων . Ο σκοπός της κατασκευής είναι ο έλεγχος τις εκκίνησης και των στροφών ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος με μόνιμους μαγνήτες. Οι στροφές του κινητήρα πρέπει να διατηρούνται σταθερές ανεξάρτητα από την μεταβολή του φορτίου στον άξονά του. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάδραση, η οποία πραγματοποιείται με την χρήση μιας ταχομετρικής γεννήτριας η οποία πληροφορεί την καρδιά του ελέγχου για την κατάσταση των στροφών του κινητήρα. Η καρδιά του ελέγχου είναι ένας AVR μικροελεγκτής της ATMEL. Ο μικροελεγκτής όμως από μόνος του δεν μπορεί να διαχειριστεί την ισχύ που χρειάζεται ο κινητήρας για να δουλέψει. Οπότε η χρήση ενός DC-DC μετατροπέα με πλήρη γέφυρα είναι επιβεβλημένη όχι μόνο για να διαχειριστεί την ισχύ αλλά και να μπορεί να αντιστρέψει την φορά περιστροφής . Ο DC- DC μετατροπέας ελέγχεται με μια τεχνική η οποία ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM). Όλα καλά ως εδώ αλλά ακόμα δεν είδαμε ποιος αναλαμβάνει το βάρος της διαχείρισης του ρεύματος και της διακοπτικής συμπεριφοράς που συνεπάγεται το PWM. Αυτό το βάρος το αναλαμβάνουν τα ημιαγωγικά στοιχεία που στην παρούσα μελέτη έχουν επιλεγεί και είναι τα MOSFET. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους και στα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους. Εν συνεχεία στο κεφάλαιο 2 αναπτύσσεται η θεωρία των τοπολογιών οδήγησης οι τεχνικές ελέγχου των τοπολογιών και ο τρόπος επιλογής αυτών των τοπολογιών. Μετά από τις τοπολογίες γίνεται αναφορά στα είδη των ημιαγωγικών στοιχείων στα χαρακτηριστικά τους και στον τρόπο επιλογής τους. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται και περιγράφεται ο τρόπος και το μέσο με το οποίο υλοποιείται η τεχνική ελέγχου της τοπολογίας οδήγησης. Η Λογική της τεχνικής PWM παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 2 εδώ θα περιγραφεί ο τρόπος με τον οποίο γίνεται ο έλεγχος . Ο μικροελεγκτής για να προγραμματιστεί με τον επιθυμητό κώδικα ώστε να εκτελεί τις εντολές μας συνοδεύεται από το απαιτούμενο hardware αλλά και από software. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά και στα δύο. Στο κεφάλαιο 4 που είναι και το πιο σημαντικό παρουσιάζονται οι μετρήσεις και τα παλμογραφήματα της παρούσας κατασκευής τα οποία σχολιάζονται και αξιολογούνται. Επίσης γίνεται και οικονομοτεχνική μελέτη της κατασκευής. Τέλος γίνεται γενική αξιολόγηση της παρούσας μελέτης.