Thiết kế mạch điều khiển động cơ cầu H không bị dẫn chéo

Mạch cầu H trông có vẻ đơn giản trên sơ đồ: bốn công tắc điện tử đảo chiều điện áp đặt vào động cơ DC. Tuy nhiên, trong máy móc, bài toán thiết kế hữu ích không chỉ là đổi chiều. Đó là kiểm soát dòng điện an toàn trong quá trình khởi động, đảo chiều, phanh và khi xảy ra sự cố, đồng thời giữ nhiễu do chuyển mạch nhanh tránh xa các I/O của PLC và mạch bảo vệ. Vì vậy, một mạch cầu đáng tin cậy phụ thuộc nhiều vào việc định thời, các đường dẫn dòng điện, bảo vệ và quy trình chạy thử, chứ không chỉ vào bốn linh kiện công suất.

Bốn công tắc thực sự điều khiển điều gì

Động cơ được nối giữa các điểm giữa của hai nhánh chuyển mạch. Bật các linh kiện phía trên bên trái và phía dưới bên phải sẽ đặt một cực tính lên động cơ; cặp linh kiện chéo đối diện sẽ tạo ra cực tính ngược lại. Điều chế độ rộng xung thay đổi điện áp trung bình của động cơ và do đó ảnh hưởng đến tốc độ, trong khi mô-men động cơ vẫn liên quan chặt chẽ đến dòng điện phần ứng. Mạch cầu cũng có thể tạo ra các trạng thái chạy trôi và phanh, nhưng đặc tính chính xác phụ thuộc vào cấu trúc linh kiện, mạch điều khiển cổng, phương pháp PWM và đường suy giảm dòng điện.

Tải có tính cảm, vì vậy dòng điện không thể dừng ngay lập tức khi một transistor tắt. Dòng điện sẽ chuyển sang đi qua diode thân, diode ngoài hoặc các transistor được điều khiển chủ động. Đường tuần hoàn này quyết định ứng suất điện áp, tốc độ suy giảm dòng điện, nhiệt lượng và đáp ứng phanh. Nhà thiết kế nên phân tích chiều dòng điện trong mọi trạng thái được lệnh và trong từng quá trình chuyển mạch, thay vì chỉ dựa vào bảng chân trị.

Dòng xuyên mạch là lỗi định thời

Lệnh gây phá hủy nghiêm trọng nhất không phải là chạy thuận hay chạy ngược. Đó là bật đồng thời linh kiện phía trên và phía dưới trong cùng một nhánh. Việc này tạo ra một đường dẫn trở kháng thấp đi qua thanh cái DC, thường được gọi là dòng xuyên mạch. Ngay cả khoảng chồng lấn rất ngắn cũng có thể tạo ra dòng điện mà mức giới hạn chủ yếu do điện trở chất bán dẫn, trở kháng thanh cái và điện cảm dây dẫn quyết định.

Mạch điều khiển cổng thường chèn thời gian chết để một linh kiện tắt hoàn toàn trước khi linh kiện đối diện bật. Khoảng thời gian cần thiết không phải là một con số cố định cho mọi trường hợp. Nó phải bao quát độ lệch thời gian lan truyền, điện tích cổng, ảnh hưởng của nhiệt độ, khả năng điều khiển của mạch và đặc tính chuyển mạch của các MOSFET hoặc IGBT được chọn. Thời gian chết quá dài cũng không mong muốn vì dòng điện phải đi qua các đường diode lâu hơn, làm tăng tổn hao và gây méo điều khiển ở chu kỳ công tác thấp. Giá trị phù hợp phải được xác định từ dữ liệu linh kiện và các phép đo bằng máy hiện sóng tại điện áp thanh cái, dòng tải và nhiệt độ đại diện.

Các liên động trong phần mềm hữu ích, nhưng không nên chỉ dựa vào mã ứng dụng để bảo vệ. Thời gian chết được áp đặt bằng phần cứng, khóa thấp áp, điều khiển cổng có kiểm soát và phản hồi quá dòng nhanh sẽ tạo ra các lớp bảo vệ độc lập. PLC có thể phát lệnh cho phép, chiều quay và tham chiếu tốc độ, nhưng không nên trực tiếp điều khiển các cổng transistor công suất.

Chọn chiến lược chuyển mạch phù hợp với máy

Điều khiển biên độ-dấu sử dụng một tín hiệu cho chiều quay và một tín hiệu khác cho PWM. Điều khiển đối pha khóa liên tục đảo cực tính của mạch cầu và biểu diễn lệnh bằng không ở gần chu kỳ công tác 50 phần trăm. Mỗi phương pháp làm thay đổi dòng gợn, đặc tính âm thanh, đáp ứng phanh và hậu quả của lỗi lệnh. Tài liệu của bộ điều khiển và mạch cầu phải thống nhất về giao diện dự kiến.

Tần số PWM cũng là một sự cân đối về kỹ thuật. Tăng tần số có thể đưa tiếng ồn vào vùng cao hơn dải nhạy cảm nhất và giảm dòng gợn, nhưng làm tăng tổn hao chuyển mạch và yêu cầu đối với mạch điều khiển cổng. Tần số thấp hơn làm giảm tổn hao chuyển mạch nhưng có thể tăng độ gợn mô-men và tiếng ồn. Độ tự cảm động cơ, tổn hao của linh kiện chuyển mạch, khả năng làm mát, băng thông vòng điều khiển dòng điện và tính tương thích điện từ nên là cơ sở để lựa chọn.

Đối với máy lớn hơn hoặc động cơ AC, bộ truyền động công nghiệp tích hợp thường phù hợp hơn mạch cầu H rời. Bộ sưu tập bộ truyền động và điều khiển chuyển động của cửa hàng giới thiệu nhóm thiết bị rộng hơn, kết hợp chuyển đổi công suất, phản hồi, bảo vệ và chẩn đoán. Mạch cầu H vẫn hữu ích cho động cơ DC có chổi than, cơ cấu chấp hành, van, băng tải nhỏ và các cơ cấu trong phòng thí nghiệm khi đã hiểu rõ các giới hạn về điện và chức năng của nó.

Xây dựng hệ thống bảo vệ dựa trên các chế độ hỏng có thể đo lường

Giới hạn dòng điện phải tác động đủ nhanh để bảo vệ chất bán dẫn, chứ không chỉ báo cảnh báo PLC sau khi hư hỏng đã xảy ra. Điện trở shunt, cảm biến Hall hoặc bộ khuếch đại cảm biến dòng điện có thể hỗ trợ giới hạn theo từng chu kỳ và ngắt giám sát chậm hơn. Ngưỡng bảo vệ nên bao quát dòng kẹt của động cơ, thời gian khởi động, các tình huống kẹt cơ khí và vùng vận hành an toàn của các linh kiện chuyển mạch.

Thanh cái DC cũng cần có phương án xử lý rõ ràng đối với năng lượng tái sinh. Giảm tốc nhanh hoặc tải kéo ngược có thể trả năng lượng về nguồn và làm tăng điện áp thanh cái. Tùy hệ thống, giải pháp có thể là nguồn có khả năng hấp thụ năng lượng, phần tử phanh, mạch kẹp hoặc đường giảm tốc dài hơn. Chỉ riêng điện dung khối không chứng minh rằng thanh cái an toàn.

Bảo vệ nhiệt nên dựa trên các điểm có khả năng nóng nhất: các mối nối chuyển mạch, điện trở shunt dòng điện, đầu nối, đường mạch đồng và bản thân động cơ. Cảm biến nhiệt độ trên bo mạch có thể bỏ sót sự cố xảy ra nhanh ở chất bán dẫn, trong khi giới hạn dòng điện không thể phát hiện mọi lỗi làm mát. Ước tính nhiệt phải bao gồm tổn hao dẫn điện, tổn hao chuyển mạch, tổn hao dẫn diode trong thời gian chết và nhiệt độ môi trường bên trong tủ.

Thiết kế mạch là một phần của mạch công suất. Hãy giữ vòng chuyển mạch dòng lớn ngắn, đặt tụ khử ghép cục bộ gần mạch cầu, tách đường hồi công suất khỏi đường hồi đo lường nhạy cảm và đi dây tín hiệu cổng tránh xa các nút có dv/dt cao. Cần chú ý đến che chắn cáp, các đường dòng chế độ chung và nối đất bất cứ khi nào dây động cơ đi ra ngoài vỏ máy. Thư viện kiến thức cung cấp các thực hành chạy thử liên quan, nhưng trước hết vòng công suất cục bộ của mạch cầu phải tự ổn định.

Chạy thử theo các giai đoạn có kiểm soát

1. Kiểm tra logic mà không cấp năng lượng cho động cơ

Kiểm tra cực tính cho phép, lệnh chiều quay, giới hạn PWM và việc chốt lỗi khi tầng công suất bị vô hiệu hóa hoặc được cấp từ nguồn điện áp thấp có giới hạn dòng. Xác nhận rằng quá trình khởi động, hết thời gian cơ quan giám sát, mất liên lạc và khởi động lại bộ điều khiển đều tạo ra trạng thái an toàn như dự kiến.

2. Quan sát cả hai cổng trong một nhánh

Sử dụng đầu đo vi sai có định mức phù hợp và các biện pháp cách ly thích hợp. Xác nhận thời gian chết khi bật và tắt, bao gồm cả lúc đổi chiều và khôi phục sau lỗi. Không bao giờ giả định rằng hai tín hiệu logic sạch sẽ bảo đảm dạng sóng cổng transistor an toàn.

3. Kết nối động cơ với các giới hạn thận trọng

Bắt đầu với điện áp thanh cái thấp, chu kỳ công tác bị giới hạn và giới hạn dòng thấp hơn định mức liên tục của linh kiện. Ghi lại điện áp thanh cái, dòng động cơ, dạng sóng tại nút chuyển mạch và nhiệt độ. Kiểm tra khi không tải trước khi đưa tải cơ khí vào.

4. Chủ động kiểm tra các trạng thái bất thường

Chỉ mô phỏng trục bị kẹt trong kế hoạch kiểm tra có kiểm soát; ngắt nguồn lệnh, làm gián đoạn phản hồi và kiểm tra hoạt động dừng khẩn cấp. Xác minh rằng mạch cầu không thể tự khởi động ngoài ý muốn khi nguồn điện hoặc liên lạc trở lại. Đảo chiều nên sử dụng quá trình giảm tốc hoặc ngưỡng dòng điện đã xác định, thay vì đảo cực tính tức thời khi động cơ đang chạy.

5. Xác nhận vỏ tủ hoàn thiện

Lặp lại các kiểm tra nhiệt và điện từ với hệ thống dây, chiều dài cáp, nguồn cấp và thông gió của sản phẩm hoàn thiện. Việc chạy thử thành công trên bàn với dây ngắn và luồng khí thông thoáng không đại diện cho một tủ công nghiệp kín.

Dùng phép đo để hoàn thiện thiết kế

Một thiết kế mạch cầu H tốt biến các trạng thái chuyển mạch thành bằng chứng: thời gian chết đã đo, dòng điện được giới hạn, đặc tính điện áp thanh cái đã biết, đáp ứng lỗi có thể dự đoán và mức tăng nhiệt chấp nhận được. Tài liệu hướng dẫn ứng dụng về mạch điều khiển động cơ cầu H chính thức của Texas Instruments là tài liệu tham khảo hữu ích về các đường dẫn dòng điện và đặc tính điều khiển, nhưng các giới hạn cụ thể của linh kiện vẫn phải lấy từ tài liệu của bộ điều khiển và transistor được chọn.

Ranh giới thực tế rất rõ ràng. Mạch cầu H là một tầng công suất, không phải chức năng an toàn hoàn chỉnh, bộ điều khiển chuyển động hay hệ thống bảo vệ động cơ hoàn chỉnh. Khi kỹ sư phân tách các trách nhiệm đó, liên động lệnh bằng cả phần cứng và phần mềm, đồng thời chạy thử với năng lượng giới hạn, một mạch tưởng như đơn giản sẽ trở thành một phân hệ công nghiệp có thể kiểm soát.