[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt die Anwendung eines PWM-Kommutators, der von einem 8098-Mikrocontroller gesteuert wird, in einem Drehzahlregelungssystem für bürstenlose Gleichstrommotoren. Der Fokus liegt dabei auf den Ansteuer- und Treiberschaltungen des IGBT-Wechselrichters. Der Entwurf ist einfach, wirtschaftlich und praxisnah. [Schlüsselwörter] Mikrocontroller, Ansteuerschaltung, IGBT, Treiberschaltung, Bürstenloser Gleichstrommotor. Die Leistungselektronik umfasst drei Bereiche: leistungselektronische Bauelemente, Wandlerschaltungen und Steuerschaltungen. Leistungselektronische Wandler finden breite Anwendung in der Industrie. Beispielsweise werden sie in Motorantrieben und deren Drehzahlregelungssystemen eingesetzt. Daher sind einfache, praxisnahe und präzise gesteuerte Ansteuer- und Treiberschaltungen von besonderer Bedeutung. Dieser Artikel beschreibt die Anwendung eines elektronischen Kommutators, der von einem 8098-Mikrocontroller gesteuert wird, in einem IGBT-Wechselrichter für ein Drehzahlregelungssystem für bürstenlose Gleichstrommotoren. 1. Systemhardware und Funktionsprinzip: Das System ist ein duales Regelungssystem mit geschlossenem Regelkreis für Drehzahl und Stromstärke. Das geregelte Objekt ist ein bürstenloser Gleichstrommotor (siehe Abbildung 1). Dieser besteht aus mehreren Umrichtern, einem Synchronmotor und einem Rotorpositionssensor. Der Hauptstromkreis umfasst eine Batterie, einen Kondensator und einen IGBT-Wechselrichter (siehe Abbildung 2). Der Wechselrichter eines bürstenlosen Gleichstrommotors unterscheidet sich jedoch von dem eines herkömmlichen Wechselrichters. Er wird vom Rotorpositionssensor gesteuert und ist ein sogenannter „selbstgesteuerter Wechselrichter“. Der Stromfluss durch die Wicklungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors unterscheidet sich von dem eines herkömmlichen Motors. Am Beispiel einer dreiphasigen, in Sternschaltung geschalteten, vollgesteuerten Brückenschaltung mit jeweils zwei leitenden Leistungstransistoren bedeutet dies, dass zu jedem Zeitpunkt nur zwei Leistungstransistoren aktiv sind. Sie kommutieren alle 1/6 Periode (60 elektrische Grad), wobei ein Leistungstransistor 120 elektrische Grad lang leitet. Der Positionssignalgenerator erzeugt Positionssignale, die auch dem 8098-Mikrocontroller zur Drehzahlmessung und Richtungsbestimmung zugeführt werden können. Die Steuerschaltung besteht aus dem Mikrocontroller 8098 und seinen Peripherieschaltungen. Das Steuerungssystem wandelt Gleichstrom in dreiphasigen, einstellbaren Wechselstrom um und regelt so Spannung und Drehzahl. Der Stromregelkreis verwendet einen Hysteresekomparator zur Stromverfolgung und -regelung. Der Drehzahlregelkreis nutzt den Mikrocontroller 8098 zur digitalen PI-Regelung der Drehzahl und zur Bestimmung des Betriebszustands des Motors. Die Peripherieschaltung besteht im Wesentlichen aus einer Tastaturschaltung, einem Digital-Analog-Wandler, einem EPROM (2764) und einer Ansteuerschaltung. Wie oben dargestellt, ist das Motordrehzahlregelungssystem ein vollständiges und relativ komplexes System. Aus Platzgründen werden im Folgenden nur die Trigger- und Ansteuerschaltungen des Wechselrichters detaillierter beschrieben. 2. Elektronischer Kommutator: Gemäß den Anforderungen des dreiphasigen Brückenwechselrichters an die Triggerimpulse ist der PWM-Kommutator die Hauptkomponente. Er integriert das vom Stromregler ausgegebene PWM-Signal, die Motordrehrichtung, das Drehmoment und weitere Steuersignale, um das Schaltsignal des Wechselrichters zu erzeugen. Dieses System verwendet einen EPROM (2764) zur Implementierung der Steuerlogik. Die Adressleitungen des 2764 dienen als Eingangssignale, die Datenleitungen als Ausgangssignale. Die Schaltsignale für verschiedene Motorbetriebszustände sind im EPROM vorab gespeichert, und die entsprechenden Steuersignale werden je nach Eingangssignal ausgegeben. Das Schaltbild des elektronischen Kommutators ist in Abbildung 3 dargestellt. Tabelle 1 zeigt die Schaltzustandstabelle für den Vorwärtslauf des Motors unter normalen Betriebsbedingungen. Die an die EPROM-Adressleitungen angelegten Signale sind: A0: Schutzsignal, „1“: Normalbetrieb, „0“: Fehlerbetrieb. A1: PWM-Signal des Stromreglers. Der Stromregler dieses Systems verwendet einen Hystereseregler (Zwei-Zustands-Regler), um den Statorstrom des Motors direkt zu erfassen und zu regeln. Dazu werden der Stromsollwert und der in Echtzeit abgetastete Stromrückkopplungswert einem Komparator zugeführt. Der Hysteresekomparator passt die Ein- und Ausschaltzeiten der Schaltelemente an und regelt so die Stromstärke. "1": Hoher Pegel. "0": Niedriger Pegel. A2: Drehmomentsignal (Motor- und Bremssignal). "1": Motorbetrieb. "0": Bremsbetrieb. A3–A5: Rotorpositionssignale (PA, PB, PC). A6: Drehzahlbegrenzendes Bremssignal. "1": Normal. "0": Bremsen. A7: Not-Aus-Signal. "1": Normal. "0": Stopp. A8: Richtungssignal. "1": Vorwärtsdrehung. "0": Rückwärtsdrehung. Im Schaltplan dient die Schaltung aus NAND-Gatter 4049, NOT-Gatter 7406 und den angeschlossenen Widerständen zur Anpassung der Spannungspegel. 3. Die IGBT-Treiberschaltung vereint die Vorteile der MOSFET-Spannungsansteuerung mit dem hohen Strom und dem niedrigen Einschaltwiderstand des GTR. Die Treiberschaltung verwendet das dedizierte IGBT-Treibermodul EXB841 (siehe Abbildung 4). Im Normalbetrieb, wenn das PWM-Signal hoch ist, wird Pin 14 des EXB841 auf niedrig gesetzt, Strom fließt zwischen den Pins 15 und 14, und zwischen den Pins 3 und 11 wird eine Spannung von +15 V ausgegeben, wodurch der IGBT eingeschaltet wird. Bei Überstrom im IGBT detektiert Pin 6 des EXB841 über die schnelle Diode D1 einen Spannungsanstieg an Punkt C. Die Ausgangsspannung an Pin 3 sinkt daraufhin allmählich und schaltet den IGBT langsam ab. Verschwindet der Überstrom nach einer gewissen Verzögerung nicht, wird dies als Kurzschluss interpretiert. Pin 5 wird auf niedrig gesetzt, der Optokoppler aktiviert und gibt ein Sperrsignal aus, um den PWM-Impuls zu blockieren und den IGBT vollständig abzuschalten. „GND“ in der Treiberschaltung bezeichnet die Masse der Treiberschaltung. Aus Sicherheitsgründen sind Treiber- und Steuerschaltung durch den Optokoppler getrennt und haben daher keine gemeinsame Masse. Fazit: Experimente haben gezeigt, dass die Verwendung von EPROM zur Implementierung der elektronischen Kommutierung zu einer einfachen Schaltungsstruktur, hoher Integration, starker Störfestigkeit, zuverlässigem Betrieb, niedrigen Kosten und einfacher Anbindung an einen Mikrocontroller zur digitalen Steuerung führt.