Electric motor driver

Voltage Control DC output

     Secara sederhana kita akan mulai dengan menjajaki masalah pengontrolan tegangan pada beban resistif 2V, diumpankan dari sumber tegangan konstan 12 V seperti baterai. Tiga metode different ditunjukkan pada Gambar 1, di mana lingkaran di sebelah kiri mewakili ideal 12 V d.c. Sumber, ujung panah menunjukkan terminal positif.Meskipun ini tidak sama seperti jika beban adalah motor DC, kesimpulannya kurang lebih sama.

Metode (a) 

      Menggunakan resistor variabel (R) untuk menyerap fraksi apapun dari voltase baterai yang tidak diperlukan pada beban. Ini menyediakan kontrol halus (walaupun manual) dengan rentang penuh dari 0 sampai 12 V, namun halangannya adalah daya terbuang di resistor kontrol. Misalnya, jika tegangan beban dikurangi menjadi 6 V, resistor (R) harus diatur ke 2V, sehingga setengah dari voltase baterai dijatuhkan di R. Arus akan menjadi 3 A, daya bebannya akan menjadi 18 W, dan daya yang hilang dalam R juga akan 18 W. Dalam hal konversi daya secara keseluruhan eficiency (yaitu daya yang berguna yang dikirim ke beban dibagi dengan total daya dari sumbernya) efciency adalah 50% sangat buruk. Jika R meningkat lebih lanjut, eficiency turun masih lebih rendah, mendekati nol karena tegangan beban cenderung nol. Oleh karena itu metode kontrol ini tidak dapat diterima untuk kontrol motor, kecuali mungkin dalam aplikasi berdaya rendah.

Metode (b) 

       Sama dengan (a) kecuali transistor yang digunakan sebagai pengganti resistor variabel yang dioperasikan secara manual. Transistor pada Gambar 1 (b) dihubungkan dengan terminal kolektor dan emitornya secara seri dengan sumber tegangan dan resistor beban. Transistor adalah resistor variabel, tentu saja, tapi yang agak istimewa dimana resistansi emitor efektif efektif dapat dikendalikan pada rentang yang luas dengan menggunakan arus basis-emitor. Arus basis-emitor biasanya sangat kecil, sehingga bisa divariasikan dengan menggunakan sirkuit listrik berdaya rendah dengan kekuatan stantaneous yang selalu nol pada titik ini dalam siklus karena voltase itu sendiri nol..

      Akan lebih baik jika jumlah energi yang signifikan dapat disimpan di dalam konverter itu sendiri: permintaan energi jangka pendek kemudian dapat dipenuhi seketika, sehingga mengurangi fluktuasi yang cepat dalam daya yang ditarik dari listrik. Tapi sayangnya ini tidak ekonomis: kebanyakan konverter memiliki sedikit persediaan energi untuk induktor dan kapasitor penghalus mereka, namun jumlahnya tidak cukup untuk menyangga pasokan secukupnya untuk melindungi dari sesuatu yang lebih dari fluktuasi jangka pendek.

Switching control

     Ide dasar yang mendasari pengatur daya switching ditunjukkan oleh pengaturan pada Gambar 1 (c), yang menggunakan saklar mekanis. Dengan mengoperasikan saklar secara berulang dan memvariasikan rasio waktu pada / off, voltase beban rata-rata dapat bervariasi terus menerus antara 0 V (beralih off sepanjang waktu) sampai 6 V (beralih dan off selama setengah dari setiap siklus) menjadi 12 V (Aktifkan sepanjang waktu) high or low.

    Sirkuit yang ditunjukkan pada Gambar 1 (c) sering disebut sebagai 'pulse', karena persediaan baterai 'dicincang' dan oV. Bila frekuensi pengulangan konstan digunakan, dan lebar pulsa aktif bervariasi untuk mengendalikan tegangan keluaran rata-rata (lihat bentuk gelombang pada Gambar 1 ), pengaturannya dikenal sebagai 'pulse width modulation' (PWM). Pendekatan alternatif adalah menjaga lebar pulsa tetap konstan, namun memvariasikan tingkat pengulangannya: ini dikenal dengan modulasi frekuensi pulsa (PFM).

Gambar 1 Metode mendapatkan output tegangan variabel dari sumber tegangan konstan

    Keuntungan utama rangkaian chopper adalah tidak ada daya yang terbuang, dan efisiensinya 100%. Saat saklar menyala, arus mengalir melewatinya, namun voltase di atasnya nol karena resistannya dapat diabaikan. Daerah yang dihamburkan di saklar karena itu nol. Demikian juga, bila sakelar 'off' arus yang melewatinya nol, jadi walaupun voltase di saklar adalah 12 V, daya yang hilang di dalamnya kembali nol.

    Kerugian yang jelas adalah bahwa dengan tidak mengurangi imajinasi, voltase beban dapat dilihat sebagai 'baik'. C. Sebaliknya, ini terdiri dari tingkat rata-rata atau DC, dengan komponen 'a.c.' yang dilapiskan. Mengingat bahwa kita benar-benar ingin beban menjadi DC. Motor, bukan resistor, kita pasti bertanya apakah voltase berdenyut akan bisa diterima. Untungnya, jawabannya adalah ya, asalkan frekuensi potong cukup tinggi. Kita akan melihat kemudian bahwa induktansi motor menyebabkan arus menjadi jauh lebih mulus daripada voltase, yang berarti torsi motor berfluktuasi jauh lebih kecil dari yang kita kira, dan inersia mekanis motor Mengalami deru torsi sehingga kecepatan Tetap hampir konstan, pada nilai yang diatur oleh tingkat rata-rata (atau dc) dari bentuk gelombang cincang.

    Tentunya saklar mekanis tidak sesuai, dan tidak bisa diperkirakan berlangsung lama bila berdenyut pada frekuensi tinggi. Jadi, saklar tenaga elektronik digunakan sebagai gantinya. Yang pertama dari banyak perangkat yang akan digunakan untuk switching adalah transistor junction bipolar (BJT), jadi kita akan mulai dengan memeriksa bagaimana perangkat semacam itu digunakan dalam rangkaian helikopter. Jika kita memilih perangkat diVerent, seperti transistor efek semikonduktor oksida logam oksida (MOSFET) atau transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT), pengaturan rinci untuk menghidupkan perangkat dan off akan berbeda , namun Kesimpulan utama yang kami tarik adalah banyak yang sama.

Transistor chopper

    Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, transistor secara efektif adalah resistor yang dapat dikontrol, yaitu resistansi antara kolektor dan emitor bergantung pada arus di persimpangan base-emitor. Untuk meniru pengoperasian sakelar mekanis, transistor harus mampu memberikan resistansi tak terbatas (sesuai dengan saklar terbuka) atau tahanan nol (sesuai dengan sakelar tertutup). Tak satu pun dari negara-negara ideal ini dapat dicapai dengan transistor yang sebenarnya, namun keduanya dapat diperkirakan secara dekat.

  

   Transistor akan menjadi 'off' saat arus basis-emitor dinyalakan dari rangkaian utama (kolektor- Emitor), resistansi akan sangat tinggi, seperti yang ditunjukkan oleh daerah Oa pada Gambar 2. Di bawah kondisi 'cut-off' ini, hanya arus kecil (Ic) yang bisa mengalir dari kolektor ke emitor, terlepas dari voltase (Vce) antara kolektor dan emitor. Daya yang dihamburkan pada perangkat akan diabaikan, memberikan perkiraan yang sangat baik pada saklar terbuka.

    Untuk menghidupkan transistor sepenuhnya 'on', arus basis-emitor harus sesuai. Arus dasar yang dibutuhkan akan bergantung pada arus emitor kolektor prospektif, yaitu arus yang ada dalam beban. Tujuannya adalah untuk menjaga transistor 'jenuh' sehingga memiliki ketahanan yang sangat rendah, sesuai dengan daerah Ob pada Gambar 2. Pada contoh yang ditunjukkan pada Gambar 1, jika resistansi transistor sangat rendah, arus di sirkuit akan hampir 6 A, jadi kita harus memastikan bahwa arus emitor dasar cukup besar untuk memastikan bahwa transistor tetap berada pada Kondisi jenuh saat Ic =  6A.

    Biasanya dalam transistor bipolar (BJT) arus basis perlu sekitar 5-10% dari arus kolektor untuk menjaga transistor di daerah jenuh: pada contoh (Gambar 1), dengan arus beban penuh 6 A mengalir , Arus basis mungkin 400 mA, tegangan pengumpul emitor bisa dikatakan 0,33 V, memberikan disipasi pada keadaan 2 W pada transistor saat daya beban 72 W. Efisiensi konversi daya tidak 100%, seperti Itu akan dengan tombol yang ideal, tapi bisa diterima.

Kita harus mencatat bahwa voltase daera emiter basis sangat rendah, yang ditambah dengan arus basa kecil, berarti daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan transistor sangat jauh lebih sedikit daripada daya yang dialirkan ke sirkuit pemancar-penerima. Namun demikian, untuk mengganti transistor dalam pola reguler seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, kita jelas memerlukan bentuk gelombang arus dasar yang berlangsung dan off secara berkala, dan kita mungkin bertanya-tanya bagaimana kita mendapatkan sinyal 'kontrol' ini. Biasanya, sinyal base-drive akan berasal dari osilator berdaya rendah (dibangun dari gerbang logika, atau pada satu chip), atau mungkin dari mikroprosesor. Bergantung pada kebutuhan daya rangkaian dasar dari transistor saklar utama, dimungkinkan untuk memberi makan secara langsung dari osilator; Jika perlu tambahan transistor yang disisipkan antara perangkat utama dan sumber sinyal untuk memberikan amplifikasi daya yang dibutuhkan.

     Sama seperti kita harus memilih saklar mekanis berkenaan dengan tugas mereka, kita harus berhati-hati menggunakan transistor power yang tepat untuk pekerjaan yang ada. Secara khusus, kita perlu memastikan bahwa ketika transistor menyala, kita tidak melebihi arus yang aman, atau daerah semikonduktor aktif perangkat akan rusak pada temperatur tinggi overheat. Dan kita harus memastikan bahwa transistor mampu menahan voltase yang muncul di persimpangan kolektor-emitor saat 'off'. Jika tegangan yang aman terlampaui, transistor akan rusak, dan secara permanen 'on'.

Heatsink yang sesuai akan menjadi kebutuhan. Kita telah melihat bahwa beberapa panas dihasilkan saat transistor menyala, dan pada tingkat perpindahan rendah inilah sumber utama panas yang tidak diinginkan. Tapi pada tingkat switching tinggi, 'switching loss' juga bisa sangat penting.

Gambar 2 Karakteristik transistor menunjukkan daerah resistansi tinggi (cut-oV) Oa dan daerah resistansi rendah (saturasi) Ob. Status operasi 'off' dan 'on' yang khas ditunjukkan oleh daerah berarsir a dan b masing-masing

    Kehilangan Switching adalah panas yang dihasilkan dalam waktu yang terbatas yang dibutuhkan transistor untuk beralih dari off atau sebaliknya. Sirkuit base-drive akan diatur sedemikian rupa sehingga perpindahan berlangsung secepat mungkin, namun dalam prakteknya jarang akan memakan waktu kurang dari beberapa mikrodetik. Selama periode 'on' switch, misalnya, arus akan terbentuk, sedangkan voltase kolektor-emitor akan jatuh ke arah nol. Daya puncak yang dicapai karenanya bisa besar, sebelum jatuh ke nilai onstat yang relatif rendah. Tentu saja energi total dilepaskan sebagai panas setiap kali saklar perangkat sederhana karena keseluruhan proses terjadi begitu cepat. Oleh karena itu, jika tingkat perpindahannya rendah (katakan sekali setiap detik), kehilangan daya switching akan menjadi tidak penting dibandingkan dengan kekuatan on-state. Namun pada tingkat perpindahan tinggi, bila waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan perpindahan menjadi sebanding dengan tepat waktu, kehilangan daya switching dapat dengan mudah menjadi dominan. Di dalam drive, tingkat perpindahan dari ratusan hertz ke puluhan kilohertz rendah digunakan: frekuensi yang lebih tinggi akan diinginkan dari sudut pandang kelancaran pasokan, namun tidak dapat digunakan karena kerugian peralihan tinggi yang dihasilkan menjadi tidak dapat diterima.

Hughes, A., & Drury, B. (2013). Electric Motors and Drives. Electric Motors and Drives. https://doi.org/10.1016/C2011-0-07555-5