Умный модуль питания для моторов: схемы, печатные платы

Рассматриваемая плата модуля питания была разработана с применением инвертора FSBS5CH60 от популярной компании Fairchild Semiconductor. Данная плата обеспечивает производительный выходной инверторный каскад для двигателей различных типов: BLDC, PMSM, AC Induction. Модули питания подобного типа способны устранять или минимизировать электромагнитные помехи, а также потери производительной мощности. Более того, умные модули питания обладают рядом защитных функций, обеспечивающих бесперебойную работу всего механизма. В частности, есть блокировка по напряжению, отключение подачи тока, передача отчета о сбоях.

Архитектура платы устроена так, что входное напряжение преобразуется в высоковольтные сигналы, которые нужны для корректного управления встроенным инвертором. Отдельные отрицательные клеммы подключаются к шунтирующему резистору, что обеспечивает обратную связь с микроконтроллером. Благодаря своей конструкции, описываемый модуль может использоваться при проектировании самых разных систем питания, включая так называемый H-мост (схему, позволяющую приложить напряжение к уже имеющейся нагрузке по разным направлениям). Этот модуль помогает владельцу управлять двигателями на основе датчика Холла либо энкодера. Единственным существенным изъяном платы является то, что она не поддерживает алгоритм под названием FOC (хотя данный недостаток в скором времени может быть устранен).

Описываемый технический продукт содержит специальный элемент под названием SPM. Он устанавливается на плату в качестве модуля мощности двигателя. Благодаря данному компоненту возможно управление трёхфазными асинхронными двигателями переменного тока (сокращенно ACIM), бесщёточными двигателями постоянного тока (BLDC), бесщёточными двигателями переменного тока (или BLAC), синхронными постоянными магнитными двигателями (или PMSM). Архитектура платы включает интегрированные конденсаторы и микроконтроллёр. Так как схема предназначена для управления самыми разными типами двигателей, в работе могут задействоваться не все её компоненты. В некоторых случаях можно отключать функциональные модули; иногда может потребоваться установка дополнительного модуля. Здесь всё зависит от применяемых алгоритмов управления.

Основная роль рассматриваемой платы — передача электропитания от источника постоянного тока к двигателю. Такие трёхфазные выходные клеммы двигателя, как U-M1, V-M2 и W-M3, должны подключаться к обмоткам двигателя. Плата имеет свой интегрированный бутстрап (особый набор инструментов для создания электронных приложений). В свою очередь, для бутстрапа предусмотрены сразу три схемы питания. Если говорить более точно, то эти схемы представлены контейнером начальной загрузки, зарядным резистором конденсатора, а также блокирующим диодом для высоковольтной изоляции. Соединение встроенного микроконтроллёра и платы IPM осуществляется через специальный 16-контактный разъём. Описываемый модуль питания оснащен 6-ю фильтрами нижних частот. Надёжную защиту от короткого замыкания гарантируют фильтр нижних частот, операционный усилитель и шунтирующий резистор. Имеется вспомогательная схема разделения резисторов. Она необходима для того, чтобы контролировать напряжение шины, ток фазы инвертора, а также рабочую температуру модуля.

Изначально рассматриваемая плата предназначается для двигателей, функционирующих при напряжении до 90 В постоянного тока (при силе тока 5 А и ниже). Однако есть один приятный момент: плату можно применять с двигателями, работающими даже при 400- Вольтах постоянного тока. Чтобы настолько повысить её функциональность, необходимо произвести замену объёмного конденсатора. На плате предусмотрено место для радиатора. Более того, есть даже пара 4-миллиметровых отверстий, позволяющих осуществить крепление. Описываемый технический продукт оснащен микроконтроллерами типа PIC и DSpic. Данные контроллёры содержат от 28-ми до 40-ка контактов. Благодаря такому большому количеству контактов, плату можно подключать к различным системам и другим микроконтроллерам аналогичного типа. Имеющийся 16-контактный разъем может подключаться к портам контроллеров PIC и DSpic при помощи жгута проводов типа female.

Необходимые меры предосторожности!

Для функционирования платы требуются колоссальные напряжения, которые представляют опасность для человеческой жизни. Более того, имеющиеся объёмные конденсаторы тоже хранят немалый заряд. Неправильный контакт с рабочими компонентами модуля может привести к повреждению окружающего оборудования, спровоцировать получение травм и даже убить стоящего рядом человека. Работая с данной платой, надо соблюдать крайнюю осторожность. Присутствие посторонних лиц во время работы категорически запрещено.

Важные заметки

Заметка 1. Изначально модуль поддерживает питание до 90 В постоянного тока, хотя возможно значительное повышение граничного барьера.

Заметка 2. Дабы повысить максимальный показатель поддерживаемого напряжения, необходимо заменить объемный конденсатор C6 на другой аналог в соответствии с более высокими требованиями к электропитанию.

Заметка 3. Модуль оснащен потенциометром триммера, устанавливающим граничную перегрузку по току. Схема детектирования тока построена на основе компаратора.

Заметка 4. Обязательно подробное изучение технического паспорта конкретной платы. Это позволит досконально понять принцип её работы.

Заметка 5. Чтобы осуществлять подачу напряжения по шине, надо выбрать резисторы R5 и R6, опираясь на требования конкретного приложения.

Ключевые особенности платы: