Experiment of Dead-time Circuit for 3 Phase Motors

โครงงานนี้เป็นการทดลองสร้างสัญญาณ PWM 6 ช่อง จากสัญญาณ PWM 3 ช่อง และมีช่วงเวลาเดตไทม์ (Dead-time) ระหว่าง สัญญาณขับทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) เพื่อเป็นวัญญาณให้กับเพาเวอร์โมดูลหรือไอจีบีที สำหรับขับมอเตอร์ชนิด 3 เฟส ทั้งนี้เพื่อลดจำนวนการใช้ขา (I/O) ของตัวประมวลผลลง (ซึ่งเดิมจะต้องใช้จำนวน 6 ขา) และช่วยให้เราสามารถนำขาที่เหลือไปใช้งานในได้อื่นได้อย่างเกิดประโยชน์เพิ่มขึ้น โดยในโครงงานนี้ได้ทำทดลองกับสัญญาณไซน์พัลซ์วิดธ์มอดูเลชั่น (Sinusoidal Pulse Width Modulation : SPWM) แล้วสามารถใช้งานได้เป็นปกติครับ

รูปที่ 1 เป็นการทดลองเบื้องต้นของวงจรปรับค่าเดตไทม์บนแผ่นเบรดบอร์ด ซึ่งวงจรนี้จะใช้อุปกรณ์ต่อร่วมไม่มากนักสามารถปรับแต่งและแก้ไขวงจรเพิ่มเติม เพื่อให้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างเหมาะสม

รูปที่ 2 และรูปที่ 3 แสดงลักษณะของการทดลองวงจรและวัดสัญญาณ โดยสัญญาณที่ใช้ในการจำลองทางด้านอินพุตจะเป็นลักษณะพัลซ์สี่เหลี่ยมความถี่ประมาณ 33kHz ทั้งนี้ที่ความถี่ 33kHz ค่อนข้างสูงในระดับหนึ่ง สำหรับทำการทดสอบสัญญาณไซน์พัลซวิดธ์มอดูเลชั่น (SPWM) ให้กับวงจรขับกำลังอินเวอร์เตอร์สำหรับมอเตอร์ทั่วไป

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของสัญญาณเอาต์พุตที่ได้ทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) โดยรับสัญญาณอินพุตเข้ามา 1 ช่อง จะสังเกตเห็นช่วงเวลาเดตไทม์ที่เกิดขึ้นจากช่องว่างระหว่างสัญญาณทั้ง 2 ซึ่งสามารถนำไปใช้งานได้ทันที

รูปที่ 5 แสดงการวัดสัญญาณเปรียบเทียบระหว่างสัญญาณอินพุต (CH1) กับสัญญาณเอาต์พุตทางด้านบน (CH2) เพื่อสังเกตการปรับระยะค่าเวลาค่าเดตไทม์ที่ได้

รูปที่ 6 ลักษณะเดียวกับรูปที่ 5 แสดงการวัดสัญญาณเปรียบเทียบระหว่างสัญญาณอินพุต (CH1) กับสัญญาณเอาต์พุตทางด้านล่าง (CH2) เพื่อสังเกตการปรับระยะค่าเวลาค่าเดตไทม์ที่ได้

รูปที่ 7 เป็นการวัดสัญญาณช่วงเวลาเดตไทม์ที่เกิดขึ้นด้านหน้า โดยค่าที่วัดได้ประมาณ 1.5uS สำหรับการทดลองวงจรที่ทดลองเวอรชั่นที่ 1

รูปที่ 8 ลักษณะเดียวกับรูปที่ 7 เป็นการวัดสัญญาณช่วงเวลาเดตไทม์ที่เกิดขึ้นด้านหลัง โดยค่าที่วัดได้ประมาณ 1.1uS สำหรับการทดลองวงจรที่ทดลองเวอร์ชั่นที่ 1

รูปที่ 9 หลังจากต่อวงจรทดลองในเบื้องต้นแล้ว จากนั้นเราจะมาเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ ในการประกอบวงจรทั้งหมดเพื่อให้ได้สัญญาณ 6 ช่อง สำหรับนำไปขับเพาเวอร์โมดูล (Intelligent Power Module : IPM) หรือไอจีบีที (Discrete IGBT) กันต่อบนบอร์ดอเนกประสงค์

รูปที่ 10 เริ่มต้นทดลองวางเลเอาต์อุปกรณ์ต่างๆ บนบอร์ด ก่อนประกอบทดลอง ทั้งนี้้พื่อให้วงจรเป้นระเบียบเรียบร้อยเป็นแต่ละภาคการทำงานและเข้าใจการทำงานขอวงจรได้ง่ายขึ้น

รูปที่ 11 เริ่มต้นประกอบประกอบอุปกรณ์บางส่วนที่สำคัญ และทำการทดลองเบื้องต้นเพื่อเป็นการตรวจสอบความถูกต้องเช่น การจ่ายไฟเลี้ยง การป้อนสัญญาณอินพุตจะต้องไม่มีส่วนใดที่ทำงานผิดปกติ

รูปที่ 12 แสดงลักษณะของบอร์ดที่ประกอบเสร็จแล้ว และทดลองเชื่อมต่อเข้ากับบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1 โดยให้บอร์ด ESP8266 WeMos D1 สร้างสัญญาณไซน์พัลซวิดธ์มอดูเลชั่น (SPWM) เพื่อเป็นการทดลองเบื้องต้นและตรวจสอบสัญญาณเอาต์พุตทั้ง 6 ช่องในช่วงเวลาเกิดการเปลี่ยนพัลซ์วิดมอดูเลตที่ความถี่สูงจะต้องยังคงทำงานเป็นปกติ

รูปที่ 13 และรูปที่ 14 แสดงลักษณะของการนำไปทดลองใช้ขับมอเตอร์ 3 เฟสแบบอินดักชั่นที่แรงดันอินพุตต่ำ เพื่อสังเกตการทำงานร่วมกันระหว่างบอร์ด ESP8266 WeMos D1 และเพาเวอร์โมดูลในเรื่องของสัญญาณรบกวนระหว่างกัน การประเมินประสิทธิภาพของการขับมอเตอร์ในเบื้องต้น

รูปที่ 15 แสดงวงจรที่ใช้ในการทดลองซึ่งจะเป็นลักษณะของลอจิกเกตแบบ NOR Gate โดยในวงจรจะวาดวงจรเพียงบล็อกเดียวข้างบน (Dead-time for Phase U) และในส่วนของบล็อก (Dead-time for Phase V) และ (Dead-time for Phase W) ภายในจะเหมือนกัน ทั้งนี้จะสังเกตว่าทางด้านอินพุตจะมีเพียง 3 ช่องสัญญาณคือ SPWM U, SPWM V, SPWM W

สุดท้ายนี้ตัวโครงงานคงพอจะเป็นแนวทางเบื้องต้น เพื่อให้ผู้อ่านสามารถปรับแต่งหรือใช้งานในด้านต่างๆ ตามที่ต้องการครับ โดยโครงงานถัดไปแอดมินจะขอนำวงจรนี้ ต่อกับบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1 และบอร์ดขับกำลังด้วยเพาเวอร์โมดูล BM64364S เพื่อขับมอเตอร์ 3 เฟสกันต่อครับ.

Reference

1. https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/791139/lmg5200-question-regarding-dead-time
2. https://sites.google.com/site/ryoung/Home/tej3m/nand-gate
3. https://www.ti.com/lit/an/slua919/slua919.pdf?ts=1632362004640&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
4. https://itectec.com/electrical/electronic-isolating-pwm-from-h-bridge/
5. https://www.researchgate.net/figure/The-PSpice-circuit-model-for-the-dead-time-generator_fig3_4163601
6. https://www.researchgate.net/figure/Proposed-control-signal-inverter-circuit-with-an-integrated-dead-time-generator_fig3_245552467
7. https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/control-a-gan-half-bridge-power-stage-with-a-single-pwm-signal
8. https://electronics.stackexchange.com/questions/203045/break-before-make-spdt-relay-out-of-2-spst-relays