Varomieji varikliai su H-tilte: struktūra, funkcionalumas ir praktiniai pritaikymai

H-tilto grandinė yra pagrindinis variklio valdymo ir galios konvertavimo programų komponentas, plačiai naudojamas robotikos, automatikos ir elektros energijos sistemose.Įgalindamas dvikryptį nuolatinės srovės variklių valdymą ir palengvindamas kintamosios srovės galios konversiją, H-tiltas tapo esmine šiuolaikinės elektronikos dalimi.Jos struktūra, primenanti raidę „H“, sudaro keturi jungikliai, kurie reguliuoja srovės srautą, leidžiant tiksliai valdyti variklio greitį ir kryptį.„H-tilto dizainas“, įgyvendintas su atskirais komponentais, ar integruotos grandinės, yra optimizuoti efektyvumui ir patikimumui.Savo veikimo ir praktinio pritaikymo supratimas yra raktas į variklio ir galios elektronikos įsisavinimą.

Katalogas

Įvadas į H-tilto grandinę

H-tiltas yra elektroninė grandinė, skirta panaikinti įtampos ir srovės poliškumą abiejuose sujungtos apkrovos galuose.Jis plačiai naudojamas nuolatinės srovės variklio valdyme, įskaitant krypties pakeitimą ir greičio reguliavimą, taip pat laipteliuose varikliuose (bipoliniams Stepper varikliams reikia dviejų H tilto grandinių).Be to, „H-tiltai“ vaidina pagrindinį vaidmenį energijos konvertavimo programose, tokiose kaip DC-AC keitikliai, „Push-Pull DC-DC“ keitikliai ir kitos galios elektronikos sistemos.

Pavadinimas „H-tiltas“ kilęs iš jo struktūrinio panašumo į raidę „H“, kai jis pavaizduotas grandinės diagramoje.Keturias vertikalias „H“ šakas sudaro keturi tranzistoriai, o horizontali juosta žymi variklį.Kontroliuojant šių tranzistorių perjungimą, dabartinę kryptį per variklį galima pakeisti, leidžiančios naudoti dvikryptį variklio veikimą.

H-tilto grandinės gali būti sukonstruotos naudojant atskiras komponentus arba integruotas į skirtą IC.Vienas įprastas taikymas yra DC-AC konvertavimas, kai grandinė greitai perjungia skirtingų tranzistorių porų, kad DC įtampa būtų apverčiama į kintamos srovės išėjimą su fiksuotu ar kintamu dažniu.Tai yra būtina norint vairuoti kintamosios srovės variklius, tokius kaip asinchroniniai varikliai.

Žemiau yra tipinė H-tilto grandinės schema:

H-tilto grandinės struktūra ir veikimas

Pagrindinį H tiltą sudaro keturi perjungimo komponentai: Q1, Q2, Q3 ir Q4.Paprastai tai yra tranzistoriai arba mosfetai.Grandinėje taip pat yra nuolatinės srovės variklis (M) kaip apkrova, ir keturi laisvai besisukantys diodai D1, D2, D3 ir D4, kurie paprastai yra integruoti su MOSFET, kad būtų galima valdyti trumpalaikes sroves, kai jungikliai išsijungia.

Kai Q1 ir Q4 įjungiami (uždaryti), o Q2 ir Q3 yra išjungti (atidaryti), srovė teka viena kryptimi per variklį, todėl jis sukosi į priekį.

Kai Q2 ir Q3 įjungiami, o Q1 ir Q4 išjungtas, dabartinė kryptis yra atvirkštinė, todėl variklis sukosi priešinga kryptimi.

Jei abi Q1/Q3 arba Q2/Q4 poros yra vienu metu, tai sukelia trumpą jungimą, kuris gali smarkiai sugadinti komponentus.Norėdami to išvengti, „Control Logic“ užtikrina, kad bet kuriuo metu įjungs tik teisingos poros.

Realaus pasaulio programose šie tranzistoriai nėra perjungiami rankiniu būdu, tačiau juos kontroliuoja mikrovaldiklis arba specialus variklio tvarkyklės IC.Impulsų pločio moduliacija (PWM) dažnai naudojama greičiui reguliuoti reguliuojant taikomos įtampos darbo ciklą.

Vienfazio H-tilto keitiklio darbo principas

Vieno fazės H-tilto keitiklis konvertuoja nuolatinės srovės įtampą į kintamosios srovės išėjimą, perjungdamas galios įtaisus tam tikra seka.Žemiau esanti grandinės schema iliustruoja pagrindinę vieno fazės tilto keitiklio struktūrą.

Perjungimo operacija ir išėjimo bangos forma

Inverterio grandinę sudaro keturi jungikliai: T1, T2, T3 ir T4.Tai yra puslaidininkių perjungimo įtaisai, tokie kaip „Mosfets“, „IGBTS“ ar „Fast Thyristors“.Jų veikimas atitinka konkretų modelį, kad būtų sukurta kintama išėjimo įtampa:

T1 ir T4 ON, T2 ir T3 OFF → Išėjimo įtampa U₀ = UD (teigiama nuolatinės srovės tiekimo įtampa).

T1 ir T4 OFF, T2 ir T3 ON → Išėjimo įtampa u₀ = -ud (neigiama nuolatinės srovės tiekimo įtampa).

Perjungus T1/T4 ir T2/T3, pakaitomis esant dažniui Fₛ, visame apkrovos rezistoriuje sukuriamas kvadratinių bangų kintamosios srovės išėjimas R. Šios bangos formos laikotarpis yra Tₛ = 1/fₛ.

Šis procesas efektyviai paverčia nuolatinės srovės įvesties įtampą (E) į kintamos srovės išėjimo įtampą (U₀).Tačiau gautoje bangos formoje yra aukšto dažnio harmonikų.Jei reikalingas sinusoidinis kintamosios srovės išėjimas, norint išlyginti bangos formą, galima pridėti žemo dažnio filtrą.

Perjungimo įtaisų pasirinkimas

Jungikliai T1 į T4 paprastai įgyvendinami naudojant įvairių tipų galios puslaidininkių įrenginius, atsižvelgiant į programą ir norimas našumo charakteristikas.Įprasti pasirinkimai apima:

Greiti tiristoriai-naudojami didelės galios programose, tačiau reikalauja išorinių komisijos grandinių.

Vartų išjungimo tiristoriai (GTOS)-gali išjungti be išorinės komutacijos grandinės, todėl jie yra tinkami naudoti vidutinio ir didelio galios naudojimui.

Maitinimo tranzistoriai (GTR) - siūlo vidutinio sunkumo perjungimo greitį ir efektyvumą, tačiau juos daugiausia pakeičia naujesni įrenginiai.

„MOSFET“-užtikrina greitą perjungimo greitį ir mažus laidumo nuostolius, idealiai tinkančius nuo mažo iki vidutinio galios keitiklių.

IGBTS-sujunkite MOSFET efektyvumą su bipolinių tranzistorių didelės galios galimybėmis, todėl jie yra tinkami vidutinio ir didelio galios keitikliams.

Galios praradimo sumetimai

Realaus pasaulio programose perjungimo įrenginiai nėra idealūs ir operacijos metu patiria galios nuostolius.Šiuos nuostolius galima suskirstyti į:

Laidumo nuostoliai - įvyksta, kai įjungtas jungiklis ir srovė teka per jį.Tai daro įtaką įrenginio varža arba įtampos kritimas.

Perjungimo nuostoliai (komutavimo nuostoliai) - įvyksta pereinant tarp būsenų įjungimo ir išjungimo.Didesni perjungimo dažniai padidina nuostolius.

Vartų pavaros nuostoliai - atsiranda dėl energijos, reikalingos perjungimo būsenai valdyti.Paprastai jie yra maži, palyginti su laidumo ir perjungimo nuostoliais.

Pažangios H-tilto valdymo požiūriai

Apytikslis kvadratinių bangų metodas

Šis požiūris pabrėžia tiesmukiškumą ir lengvumą įgyvendinant, įsitvirtindamas kaip tradicinę H-tilto kontrolės techniką.Nepaisant to, tai yra pastebimi trūkumai, visų pirma dėl aukštesnių harmonikų generavimo, o tai dažnai lemia brangių filtravimo sprendimų būtinybę patenkinti įvairių programų kokybės standartus.Lauko patirtis rodo, kad nors pradinė sąranka gali būti nesudėtinga, ilgalaikės eksploatavimo išlaidos ir potencialo neveiksmingumas dažnai skatina vartotojus ieškoti alternatyvių metodų.Todėl biudžeto svarstymų ir veiklos sąveika yra svarbus veiksnys profesionalams, vertinantiems šio metodo gyvybingumą projektuose, turinčiuose ribotus finansinius išteklius.

Impulsų pločio moduliacija (PWM)

PWM išskiria save paverčiant išėjimu į bangos formą, kuri labai primena sinuso bangą, taip žymiai sumažindama harmoninį turinį.Ši technika ištiesia subtilų pusiausvyrą tarp išvesties kokybės ir operatyvinio stabilumo, tiksliai valdant H-tilto perjungimo modelius.Tačiau tai kelia iššūkius, įskaitant padidėjusius perjungimo nuostolius ir veiksmingo šiluminio valdymo poreikį.Šios srities ekspertai dažnai sprendžia šias problemas įgyvendindami išplėstinius aušinimo sprendimus arba pasirinkdami komponentus, turinčius sustiprintas šilumines savybes, taip užtikrindami sistemos patikimumą.Grįžtamasis ryšys, surinktas iš realaus pasaulio programų, rodo, kad tinkamai valdyti šiuos iššūkius gali žymiai pagerinti bendrą sistemos efektyvumą ir ilgaamžiškumą.

Daugiapakopis kaskadinis metodas

Šis metodas efektyviai sumažina harmoninius iškraipymus nereikalaujant filtrų, naudojant sujungtų H-tilto modulių seriją, kad būtų galima atkartoti sinusoidinę bangos formą.Sudėtingas jo dizainas ne tik sumažina iškraipymus, bet ir išsaugo išėjimo tikslumą, netyčia palengvindama poreikius pasroviui.Realaus pasaulio programų įžvalgos rodo, kad sklandus šio metodo integracija gali sukelti reikšmingą patobulinimą elektros energijos ir atsinaujinančios energijos sistemų energijos kokybėje.Be to, naujausios modulinės projektavimo ir gamybos naujovės pabrėžia supaprastinto sudėtingumo ir sumažintų išlaidų potencialą, todėl ši technika tampa prieinamesnė platesnei programų įvairovei.

H-tilto perjungimo būsenos

H-tilto grandinė leidžia valdyti nuolatinės srovės variklio kryptį ir greitį, sureguliuodama jo keturių tranzistorių perjungimo būsenas.Šie skyriai kaip pavyzdį suskaido raktų perjungimo būsenas, naudojant nuolatinės srovės variklį.Sąvokos į priekį ir atvirkštinė yra santykinai, nes tikroji judesio kryptis priklauso nuo variklio laidų ir sistemos konfigūracijos.

Į priekį sukimasis

Važiuodamas nuolatinės srovės varikliu, H-tiltas paprastai veikia su indukcine apkrova.Į priekį rotacijos būsenoje:

Q1 ir Q4 įjungiami.

Q2 ir Q3 išjungiami.

Srovė teka iš teigiamo maitinimo šaltinio per Q1, variklį (m), ir išeina per Q4 į žemę.

Tai leidžia srovei praeiti pro variklį viena kryptimi, sukuriant judesį į priekį.Žemiau esanti grandinės schema iliustruoja šią būseną, o geltonos linijos segmentas žymi dabartinį kelią.

Atvirkštinė sukimasis

Norėdami pakeisti variklio kryptį:

Q1 ir Q4 išjungiami.

Q2 ir Q3 įjungiami.

Dabar srovė teka iš maitinimo šaltinio per Q2, tada variklį (m), ir išeina per Q3.

Tai pakeičia variklio poliškumą, todėl jis sukosi priešinga kryptimi.Žemiau esančioje diagramoje parodyta ši konfigūracija, geltona linija rodo naują srovės kelią.

Greičio valdymas

Variklio greitį galima valdyti naudojant impulsų pločio moduliaciją (PWM).Šis metodas koreguoja variklio įtampos darbo ciklą, efektyviai kontroliuodamas vidutinę gautą galią.

Vienas dažnas požiūris:

Q2 ir Q3 lieka išjungtas.

Q1 yra įjungtas.

Q4 gauna PWM signalą.

Pvz., Jei Q4 impulsuotas 50% darbo ciklu, variklis gauna galią tik pusę laiko, sumažindamas greitį.Norint padidinti greitį, padidėja darbo ciklas - 100% darbo ciklas leidžia visišką energijos tiekimą, o tai padidina greitį.

Ši schema iliustruoja šią operaciją:

Variklio sustabdymas

Perjungiant iš veikiančios būsenos prie stotelės, reikia atsižvelgti į variklio vidinį induktyvumą.Kadangi induktorius priešinasi staigiam srovės pokyčiams, jei abu aktyvūs jungikliai staiga išjungtos, variklis vis tiek akimirksniu sugeneruos srovę.Norėdami efektyviai sustabdyti variklį, dažniausiai naudojami du būdai.

1 metodas: Greitas srovės skilimas per trumpo jungimo stabdymą

Jei variklis veiktų į priekį (Q1 ir Q4), išjungę juos, variklio induktyvumas išlaikytų esamą srautą.

Dabartinė natūraliai tęsiasi per laisvai besisukančius tranzistorių diodus, sulėtindamas skilimo procesą.

Norėdami aktyviai sumažinti srovę, Q1 ir Q3 trumpai įjungiami, išjungus Q4.Tai suteikia kontroliuojamą iškrovos kelią, greitai išsklaidydamas kaupiamą energiją ir greitai sustabdant variklį.

Greito srovės skilimo grandinė:

2 metodas: lėtas skilimas per laisvai

Vietoj to, kad iš karto sutrumpintų variklį, Q1 išjungtas, o Q2 įjungiamas.

Esama srovė cirkuliuoja per Q2, variklį ir Q4, palaipsniui išsklaidydama energiją per vidinį MOSFET pasipriešinimą.

Šis metodas suteikia sklandesnę sustojimą, tačiau reikia stabdyti ilgesnį nei trumpo jungimo.

Laipsniško sustojimo grandinė:

Patobulintos praktinės programos

Integruotų grandinių sprendimų tyrimas

H-tilto sukūrimas naudojant atskiras komponentus gali sukelti didelių iššūkių, dažnai sukeldami nusivylimą.Norėdami palengvinti šią naštą, atsirado įvairios integruotos grandinės, tokios kaip L293D ir L298N, skirtos supaprastinti surinkimo procesą.Šie IC daro variklio valdymą prieinamą, reikalaujant tik pagrindinių galios, variklių ir valdymo įėjimų jungčių.L298N modulis išsiskiria su įmontuotu 5 V įtampos reguliatoriumi, kuris leidžia lanksčias jungtis, patenkinančias skirtingą variklio įtampos poreikius.Šis pritaikomumas yra ypač naudingas svyruojančioje aplinkoje, kur įtampos poreikiai gali netikėtai pasikeisti.

„Arduino“ integracija variklio valdymui

„Arduino“ integravimas į L298N sąranką atveria duris į pažangias variklio valdymo galimybes.Naudojant PWM signalus, galima tiksliai valdyti variklio greitį, paverčiant vartotojo patirtį kažkuo intuityvesniu.Variklio krypties keitimas gali būti taip paprastas, kaip paspausti mygtuką, todėl sistema yra patogi vartotojui.Šis susitarimas ne tik padidina eksploatacinį efektyvumą, bet ir robotikoje ir automatizime randa praktinių pritaikymų.Pridedamas kodas apibūdina šias funkcijas, išsamiai aprašydamas kiekvieno komponento sąranką ir manipuliavimą, kad būtų pasiektas norimas variklio elgesys.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. Kas yra visas H tiltas?

Visas H tiltas yra plačiai naudojama grandinės konfigūracija elektroninėse sistemose, specialiai sukurtas variklio valdymui.Jį sudaro keturi jungikliai, kurie harmoningai veikia kartu, kad palengvintų dvikrypčio srovės srautą per apkrovą, pavyzdžiui, variklį.Šie jungikliai paprastai išdėstomi „H“ forma, kai apkrova yra tilto centre.Šis išdėstymas ne tik optimizuoja galios konversiją, bet ir pagerina variklio veikimo valdymą.Projektas leidžia pakeisti dabartinę kryptį ir leidžia sklandžiai koreguoti įvairius variklio greičius.Realaus pasaulio programose perjungimo mechanizmų patikimumas ir laiko nustatymo tikslumas vaidina svarbų vaidmenį užtikrinant ilgalaikį našumą laikui bėgant.

2. Kaip veikia H-tilto tvarkyklės?

H-tilto tvarkyklė yra būtina norint valdyti dabartinę nukreiptą į prijungtą apkrovą strategiškai kontroliuojant keturis jungiklius.Selektyviai uždarant konkrečias šių jungiklių poras, jis suteikia tikslią dvikryptį srovės srauto valdymą.Šis metodas yra ypač svarbus scenarijuose, kuriems reikalingas kryptinis variklių valdymas, pavyzdžiui, robotikoje ir elektrinėse transporto priemonėse.Efektyvus H-tilto vairuotojo veikimas reikalauja kruopštaus koordinavimo ir problemų sprendimo įgūdžių, kad būtų patenkinti specifiniai technologijos ir apkrovos charakteristikų reikalavimai.Šis modernus valdymas yra daugelio šiuolaikinių elektromechaninių sistemų pagrindas, leidžiantis pritaikyti pritaikytus koregavimus, optimizuojančius tiek energijos naudojimą, tiek veiklos efektyvumą.