Электронный блок управления двигателя постоянного тока

simmetrichny_OU_IGBT.dwg

курсовой.docx

При управлении производственным процессом всегда возникают сообщения о ходе процесса которые необходимо передавать автоматическому устройству. Эти сообщения порождаются различными событиями.
Сообщения о событии могут быть многообразными. Например сообщение об изменении состава сырья о передвижении объекта об изменении его температуры. В некоторых случаях информация передаётся оператору который реагирует на это событие соответствующим образом. Но этот способ регулирования использовать не рационально так как необходимо учитывать человеческий фактор а также дороговизну использования этого способа. Поэтому в последнее время используются средства автоматического управления в частности электронные.
Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники автоматики и вычислительной техники. Причём тенденция развития такова что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешёвых высококачественных не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.
В данном курсовом проекте необходимо разработать систему автоматического слежения за изменением температуры.
В курсовом проекте необходимо разработать электронный блок управлением двигателя постоянного тока. Расчет необходимо провести для двигателя 039 кВт 750 об П22М 220 В IM1001 возбуждение смешанное параметры которого приведены в таблице 2.1
Таблица 2.1-Параметры двигателя
Для предотвращения перегрева и выхода из строя двигателя необходимо разработать схему защиты от длительного пускового
режима срабатывающею при tз пуск =07с
Для улучшения качества регулирования необходимо предусмотреть схему отрицательной обратной связи по току с коэффициентом Коост=03
Регулирование температуры среды необходимо осуществлять в пределах T=30 75+ С
Для чего использовать термосопротивление ТСМ 50М параметры которого приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2-Параметры датчика
Зависимость сопротивления от температуры°С Ом
Выбор функциональной схемы электронного блока
В курсовом проекте введена отрицательная обратная связь по току с целью - коррекция качественных показателей САУ и разрешение схемных электрических проблем при синтезе цепи обратного контура. С учетом ООСТ структурная схема САУ имеет вид (рисунок 3.1):
Рисунок 3.1- Функциональная схема замкнутой САУ с токовым контуром
Основание выбора элементарной базы
В качестве силовых ключей будут использоваться MOSFET или IGBT транзисторы со встроенными диодами.
Для управления силовыми ключами использоваться специальные драйверы.
В качестве датчика тока будут использоваться SENSE МДП-транзисторы разделяющие проходящий через них ток с определенным коэффициентом и позволяющим использовать маломощные шунтирующие резисторы.
В схемах защиты будут использованы драйверы нижнего ключа.
Электрические расчеты
Схема мощного каскада приведена на рисунке 5.1.1. При симметричном законе управления в течение времени T (период коммутации) одновременно включаются и выключаются ключи по диагонали ( .4 и). Если пары ключей переключаются в течение времени то вал двигателя не будет вращаться (см. рис 5.1.2 б в течение периода T ).
Для движения якоря двигателя в ту или другую сторону необходимо время
Рисунок 5.1.1- П-схема мощного каскада
Для выбора транзисторов необходимо два параметра: максимальный ток коллектора (максимальный ток стока) IК max (IС max) и напряжение перехода К-Э допустимое (максимальное рабочее напряжение сток-истока) UКЭ max (UСИ max). Рассчитаем IК max (IС max):
Iпуск- пусковой ток:
Чтобы рассчитать UКЭ max (UСИ max) необходимо вычислить напряжение источника питания Е1 которое складывается из амплитуды импульса Ub и падения напряжения на открытых транзисторах т.е.
где UКЭ нас=2 В (ориентировочно)
α=-1 для симметричного закона управления (рисунок 5.1.2)
Рисунок 5.1.2- Временная диаграмма симметричного закона управления.
Транзисторы и диоды выбирают на напряжение:
К– коэффициент запаса: К=15 – 2.
Исходя из UКЭ max (UСИ max)=557В и IК max (IС max)=27А выбираем транзистор IGBT IRG4PC40KD параметры которого приведены в таблице 5.1.1.
Таблица 5.1.1-Параметры транзистора
Тогда окончательная величина Rcu для дальнейших расчётов равна:
Уточним напряжение питания
Тогда принимаем стандартное напряжение питания .
Величина периода коммутации ключей Т (fком =1T) оказывает большую роль на энергетические (КПД) и качественные (пульсация скорости двигателя Δn) показатели системы. Считается что при импульсном управлении поведение двигателя практически будет мало отличаться от линейного (подача Ucp=[1+α(1-γ)]Uпит) при выполнении следующего условия:
При выполнении (5.1.1) зависимость изменения среднего тока в якоре Iнепр определяется в основном постоянной времени якоря Tя=LяRя.
Для уточнения величины Т могут применяться различные подходы. Например можно непосредственно задаться величиной пульсации тока в якорной цепи ΔIя=Iкон-Iнач причем Iкон=Iнепр+KIнепр Iнач=Iнепр-KIнепр. Задачу нахождения Т проще всего решать для номинальных режимов работы двигателя Iнепр = Iн nср = nн M = CмIн=Mн.
Для расчетов величину К примем К=0.1 тогда
При выполнении (1.2) для решения такой задачи (обеспечение Iя(Iкон –Iнач)) проще всего воспользоваться схемой замещения двигателя постоянного тока приведенной на рисунке 5.1.3.
Рисунок 5.1.3- Схема замещения двигателя
Согласно рисунка 5.1.3 для стационарного режима (переходный процесс стабилизации n завершен) справедливо выражение:
Uпит=CEn+IяRя (5.1.3)
где СЕ – коэффициент противоЭДС зависящий от конструктивных параметров двигателя.
Переходный процесс при коммутации Eпит в цепи описывается экспонентой. Поэтому для нахождения величин tи и tп можно воспользоваться формулой
Для определения найдем индуктивность обмотки якоря Lя:
p=2-число пар полюсов;
Сопротивление обмотки якоря Rя:
На промежутке времени t=tи к двигателю коммутируется Eпит и ток It=tи согласно схеме замещения при nср=const равен
На интервале t=tп предельный ток переходного процесса в общем случае равен
Тогда за максимальную величину скачка тока для расчета tп следует принять
Величину Т можно рассчитать на базе другого подхода. В качестве критерия возьмем дополнительные потери мощности ΔР связанные с пульсациями тока в обмотке якоря относительно его среднего значения Iср. При этом автоматически учитываются потери и от пульсации скорости Δn с учетом механической постоянной Тм в отличие от выше рассмотренной методики где пср двигателя принималась за постоянную величину nср= const за период Т.
где К примем равным 0.1
Для получения максимального КПД принимаем Т=Т2=0.0084 c – по второму методу.
Согласно заданию используется симметричный метод модуляции. Схема модулятора представлена на рисунке 5.2.1 временные диаграммы на рисунке 5.2.2.
Рисунок 5.2.1- Схема симметричного модулятора
Рисунок 5.2.2- Временные диаграммы симметричного модулятора
Выберем операционный усилитель общего назначения К153УД1 параметры которого приведены в таблице 5.2.1
Таблица 5.2.1-Параметры операционного усилителя
Примем выходное напряжение генератора пилы:
Амплитуда колебаний сигнала «пилы» (Uтр) зависит от порога срабатывания триггера DA1 (первый компаратор схемы) т. е.
Зададимся величиной сопротивления R1 10кОм после чего найдем величину R2.
Примем стандартную величину сопротивления R2 15 кОм.
Мощность рассеиваемая на транзисторе:
Выбираем резистор R2 типа МЛТ 15 кОм мощностью 0.125 Вт.
Период колебаний равен удвоенному значению времени в течение которого выходное напряжение интегратора (Uтр) изменится от -Uтр до +Uтр. Несложные расчеты дают:
Из 5.2.2 найдем R для чего примем С 0.33 мкФ:
Примем стандартную величину сопротивления R 10 кОм.
Мощность рассеиваемая на транзисторе:
Выбираем резистор R2 типа МЛТ 10 кОм мощностью 0.125 Вт.
Для упрощения расчетов принимаем что . Этим уменьшаем ширину гистерезиса до минимально допустимой величины. Задаемся величинами резисторов отличающимися на два порядка (R4=200 кОм а R5=2 кОм). Таким образом формулы упрощаются и:
если не учитывать масштабирование сигналов т.е. для получим R3=R5=2кОм.
Транзисторы VT1 и VT2 выполняют функцию согласования выходных сигналов ОУ (±12 В) с входными сигналами драйверов и производят инверсию сигналов Uy1 и Uy2. Выбираем транзистор
Таблица 5.2.1-Параметра транзистора
Резисторы R6 и R7 принимаем 53Ом. R8 и R9 выбираем 5 кОм.
3 Драйверы силовых транзисторов
Драйвер представляет собой усилитель мощности и предназначается для непосредственного управления силовым ключом (иногда ключами) преобразователя. Он должен усилить управляющий сигнал по мощности и напряжению и в случае необходимости обеспечить его потенциальный сдвиг.
Типовая схема включения драйвера верхнего и нижнего ключей фирмы International Rectifier IR2110 с бутстрепным принципом питания приведена на рисунке 5.3.1 а.
Управление обоими ключами независимое. Отличие данного драйвера от других заключается в том что в IR2110 введена дополнительная схема преобразования уровня как в нижнем так и верхнем каналах позволяющая разделить по уровню питание логики микросхемы от напряжения питания драйвера. Содержится также защита от пониженного напряжения питания драйвера и высоковольтного «плавающего» источника.
Конденсаторы СD СС предназначены для подавления выскочастотных помех по цепям питания логики и драйвера соответственно. Высоковольтный плавающий источник образован конденсатором С1 и диодом VD1 (бутстрепный источник питания).
Подключение выходов драйвера к силовым транзисторам осуществляется при помощи затворных резисторов RG1 и RG2.
Рисунок 5.3.1-Типовая схема включения драйвера IR2110 (а) и временные диаграммы его сигналов на входах и выходах (б)
Параметры драйвера приведены в таблице 5.3.1
Таблица 5.3.1-Параметры драйвера
Напряжение управляемого ключа
Логическое входное напряжение
(типы логических входов)
Время задержки вкл.выкл.
Время нараста-нияспада
В качестве VD1 выберем быстродействующий SF28 выдерживающий большое обратное напряжение диод параметры которого приведены в таблице 5.3.2
Таблица 5.3.1-Параметры диода
Рассчитаем минимальную величину бутстрепной емкости:
где Q3 – величина заряда затвора мощного ключа (справочная величина);
IпитIG cт= 100нА – ток потребления драйвера в статическом режиме;
Q1=5 нК – циклическое изменение заряда драйвера;
Vп=15 В – напряжение питания схемы драйвера;
Vg пр= 1.25В– падение напряжения на бутстрепном диоде
Т= с – период коммутации мощных ключей.
Полученное значение бутстрепной емкости увеличиваем в 10-15 раз. Выбираем танталовый конденсатор TECAP 1 мкФ 25В.
Определим время закрывания tвыкл транзистора:
Найдем выходное сопротивление драйвера:
Зная Rвых.др вк определим необходимую величину резистора RG1
Примем стандартное значение сопротивления RG 20 Ом.
4 Расчет тепловых потерь мощного ключа
Типовой расчет потерь ключа основан на типовых формах токов и напряжений. Реальные кривые имеют отличительные особенности связанные с переходными процессами и действием паразитных элементов схемы. На рисунке 5.4.1 показан типовой процесс кривых тока и напряжения в переходном процессе включения и выключения полупроводникового ключа для индуктивной нагрузки:
Рисунок 5.4.1-Типовые кривые переходного процесса при включении и выключении ключа на индуктивную нагрузку
Мощность потерь транзистора равна:
где tвкл – время включения мощного транзистора:
Проверим правильность временных параметров в соответствии с выражением . Подставив числовые значение получим:
Здесь выполняется соотношение Ртр Рдоп значит выбор VT произведён корректно.
Допустимая температура переходов транзистора для обеспечения рассчитанной мощности:
Тогда Tп max = min (200C 94.3C)= 94.3C.
Рассчитаем площадь теплоотвода:
tc-максимальная температура среды;
Rп-к –тепловое сопротивление переход корпус;
Rткм - тепловое сопротивление корпус радиатор.
5 Задатчик на базе терморезисторов
В данном курсовом проекте в качестве датчика температуры задано термосопротивлениеТСМ 50М зависимость сопротивления от температуры приведена на рисунке 5.5.1.
Рисунок 5.5.1-Зависимость сопротивления от температуры датчика
Коэффициент изменения сопротивления датчика при изменении температуры на один градус.
Задатчик на базе термосопротивления наиболее часто строится по мостовой схеме (рисунок 5.5.2).
Рисунок 5.5.2 - Схема включения датчика
Резистор - это сам датчик - соответственно задатчик позволяет установить температуру стабилизации и его можно оцифровать не в омах а в . При достижении стабилизации мост будет уравновешен и . Для расчета резисторов воспользуемся известным соотношением для уравновешенного моста при этом резистор рассчитывается так чтобы обеспечивалась работа системы во всем диапазоне работы датчика.
При мост уравновешен когда движок будет находится в крайнем левом положении т.е. будет справедливо равенство:
Когда температура стабилизации максимальная то равновесие моста будет при движке вправо и тогда:
Из уравнений (5.1) и (5.2) составив систему уравнений и решив ее получим:
При решении систем уравнений (5.5.3)(5.5.4) необходимо учитывать две проблемы:
- желательно чтобы мост состоял из низкоомных резисторов (выходное сопротивление моста будет меньше что повысит точность системы и будет проще его постройка;
- ток через датчик должен быть такой чтобы не было эффекта саморазогрева датчика от источника Е1. Следует знать этот ток или допустимую мощность рассеивания и в рассчитанной схеме должно выполняться следующее неравенство:
Определим ток саморазогрева тиристора R2:
По условию расчета .
Рассчитаем минимальное значение сопротивления R3:
Зададимся сопротивлением 1.2кОм для R3 такую же величину примем для R4. Решим систему уравнений (5.5.3)(5.5.4) относительно R1:
Найдем значение R5 из (5.5.3.):
Уточним баланс моста для R2min т.е. определим Uвых приняв Е1 = 5В.
При правильном выборе и расчете резисторов должно быть порядка У нас получилось значение меньше. Значит мост уравновешен.
Рассчитаем (отличное от ) при уходе температуры на 1% от заданного диапазона.
Диапазон t = (75) – (30) = 45C 1% составит 0.45С.
Значит рассчитаем при t = 30+0.45C.
Затем эту величину подставим в выражение для UBC:
Тогда =4.7755-4.7751=0.000366 В
Выберем резисторы типа МЛТ 1.2 кОм мощностью 0.125Вт.
Выберем резистора типа МЛТ 56 Ом мощностью 0.125.
В качестве потенциометра R5 используем подстроечный резистор
СП3-38а мощностью 0.125 Вт и сопротивлением 10 Ом.
6Коэффициент передачи усилителя
Так как сигнал от задатчика очень мал (порядка единиц милливольт) необходимо определить коэффициент передачи усилителя. Используем методику расчета точности с учетом одной нелинейности (зона нечувствительности двигателя). Эта нелинейность обычно определяется экспериментально но для расчетов принимаем порядка (02 – 03)Uн:
Рисунок 5.6.1 Временные диаграммы симметричного закона управления
Напряжение двигателя равно:
Уравнение “пилы” на промежутке (рис 5.6.2 уравнение прямой линии y = kt где k = )
Получаем промежуточные значения:
Подставляем t1 в уравнение “пилы” и получаем необходимое значение Uу1:
Определим необходимый коэффициент усиления :
Обычно в структурных схемах указывается коэффициент передачи узлов при изменении входного сигнала на единичную ступеньку(изменение температуры задатчика на ). Поэтому коэффициент усилителя равен:
Коэффициент передачи ШИМ:
7Выбор схемы усилителя
В схемотехническом плане имеется удачная схема усилителя приведенная на рисунке 5.7.1. Это – измерительный усилитель (дифференциальный усилитель с большим входным сопротивлением и большим ) выпускается зарубежной промышленностью в отдельном корпусе. Нужно только организовать пайку одного резистора обеспечивающего требуемое усиление (К1000) т.е. необходимо подключить только один резистор соответствующего номинала в зависимости от требуемой величины К (на схеме рисунка 5.7.1 – это R3). Входной каскад состоит из двух операционных усилителей обеспечивающих большой дифференциальный коэффициент усиления (зависит от соотношения резисторов R2 и R3) и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов без особого точного согласования этих резисторов. Его дифференциальный выход представляет собой усиленный в Kдиф полезный сигнал с существенно уменьшенной по отношению к нему синфазной составляющей. Он используется для возбуждения схемы обычного дифференциального усилителя. Задачи последнего – получение однополюсного выходного сигнала и дополнительное подавление остаточного синфазного сигнала. Дифференциальный усилитель часто бывает включён с единичным коэффициентом усиления. В высокоточных схемах резисторы R4 R5 выбирают прецизионные (точность калибровки не ниже 001 % ).
Рисунок 5.7.1- Измерительный усилитель
Коэффициент передачи измерительного усилителя равен:
Как правило производители добиваются равенства R5=R4. Тогда К равен:
Величина резисторов обычно выбирается в пределах несколько кОм и приводятся формулы расчета К в виде:
Так как Кy1>1000 тогда примем К=1000;
R3=100(K-1)=100(999)=0.1кОм
Примем стандартное значение R3100 Ом.
В качестве измерительного усилителя выберем микросхему AD625 параметры которой приведены в таблице 5.7.1
Таблица 5.7.1-Параметры AD625
Погрешн. усиления (К=10) %
Необходимо поставить добавочный усилитель с коэффициентом усиления схема усилителя приведена на рисунке 5.7.2.
Зададимся R1 = 1 кОм тогда:
Примем R2 2.2 кОм. Второй каскад служит для инвертирования сигнала. Примем единичное усиление и без расчетов
R3 = 5 кОм R4 =5 кОм . R5 R6 служат для более устойчивой работы усилителя и равны 5 кОм.
Рисунок 5.7.2 – Инвертирующий усилитель
8 Защита от токов короткого замыкания
В курсовом проекте предусматриваются защиты:
- от длительного пускового режима когда по какой-то причине двигатель не набирает обороты;
- от больших токов протекающих через транзистор (защита от токов короткого замыкания).
Для решения этих задач необходимо фиксировать напряжение пропорциональное току. Стандартный способ – это использовать закон Ома: напряжение прямо пропорционально току коэффициент пропорциональности – резистор.
В какую бы сторону не запускался двигатель на Rш будет выделяться напряжение одной полярности но такой способ включения резистора имеет существенные недостатки:
- резистор Rш должен быть мощным и безиндуктивным (серийно выпускаемые витые мощные резисторы имеют недопустимо высокую паразитную индуктивность);
- необходим мощный радиатор для отвода тепла от него чтобы не было влияния температуры на его величину;
- резистор создаёт дополнительные потери мощности снижающие КПД схемы (например Iпус = 50 А Rш = 0.1 Ом Р = 250 Вт).
Схема подключения резистора Rш свободная от указанных недостатков приведена на рис. 8.2. В ней в цепь протекания якорного тока двигателя включён SENSE MДП – транзистор. Он постоянно открыт (вход IN драйвера IR2121 подключён к +20В) и потеря мощности минимальная. На дополнительном выводе (SENSE) протекает ток пропорциональный основному (коэффициент понижения Kп обычно 200 1000).
Рисунок 5.8.1-Схема защиты от токов к.з. на базе SENSE – МДП транзистора
Микросхема IR2121 (драйвер нижнего ключа мостовой схемы) оснащена довольно сложной схемой защиты силового транзистора от перегрузки по току (Iкз). Уменьшенный в Kп ток транзистора измеряется шунтом Rш и через делитель напряжения (резисторы R2R3 ) (Rш R2R3 совместно определяют ток срабатывания защиты) поступает на вход CS. Ёмкость C3 предназначена для подавления высокочастотных помех. Если напряжение на входе CS > 0.23 В то внутри драйвера включается компаратор напряжения который переводит микросхему в режим стабилизации стокового тока VT5 на уровне:
за счёт регулирования напряжения на затворе транзистора VT5.
Одновременно с этим запускается схема формирования задержки времени выключения питания затвора мощного ключа. Длительность этой задержки определяется временем заряда конденсатора C1 от 0 до 1.8 В под действием постоянного тока Iзар = 0.1 мА.
Время задержки рассчитывается по формуле:
По истечении этой задержки силовой транзистор на этом цикле коммутации (в течение периода T) запирается. В следующем цикле всё повторяется.
Ток короткого замыкания:
Выбираем SENSE МДП транзистор BUK7905-40AI параметры которого приведены в таблице 5.8.1
Таблица 5.8.1-Параметры транзистора
Так как Kп не зависит от величины Rш то его значение определяется как:
Выберем стандартное значение Rш 2.7 Ом.
Величину tзад задаем в диапазоне чтобы минимизировать величину мощности рассеивания VT5 и не увеличивать площадь радиатора:
≤ tзад ≤0.1 tи max .
Исходя из выражения 5.8.1 найдем значение С1:
Примем стандартное значение С1 39 нФ.
2 Защита от длительного пускового режима
Схемная реализация такой защиты аналогична рисунку 8.1 только необходимо исключить делитель R2 а величину ёмкости С3 следует рассчитать в соответствии с временными параметрами время срабатывания защиты от длительного пускового режима.
Напряжение на шунте заряжающее ёмкость примем 0.3В. Тогда величина сопротивления Rш для защиты от длительного пускового режима:
Выберем резистор Rш типа МЛТ 7.5 Ом мощностью 0.125Вт.
Зададимся величиной С1 10мкФ рассчитаем значение R3:
Примем стандартное значение R3 47 кОм.
9 Отрицательная обратная связь по току
Схема обратной связи по току совместно с защитами от КЗ и длительного пускового режима приведена на рисунке 9.1
Рисунок 5.9.1- Схема ООСТ совместно с защитой от токов к.з.(VT9) и защитой от длительного пускового режима (VT5 VT6)
ООСТ базируется на двух SENSE МДП-транзисторах (VT5 VT6). Они включены в цепи протекания тока якоря двигателя .При одном направлении тока якоря напряжение на выход SENSE будет у одного транзистора (например VT5)при другом направлении тока - на выход SENSE VT6.Ток определяет и направление вращения двигателя.
На схеме (рисунок 9.1) сигналу с VT6 присваивается отрицательный знак так как модифицированная информация с его SENSE выхода подключается на инверсный вход разностного усилителя (DA3) а соответственно току протекающему через VT5 после преобразования будет присвоен положительный знак . Информация с этих транзисторов также используется и для синтеза защиты от длительного пускового режима с помощью резистора и конденсатора (см. раздел 8) (экономия VT упрощается схема).
Напряжение через неинвертирующие усилители (DA1DA2 компенсация большого значения транзисторов VT5VT6) поступает на входы эмиттерных повторителей (VT7VT8). Последние согласуют усилители и оптопары по рабочим токам и позволяют избавиться от зоны нечувствительности во входных цепях. C выхода оптопар (VU1VU2) сигналы поступают на соответствующие входы разностного усилителя (DA3). Конденсаторы включены для подавления высокочастотных помех (от ШИМ от наличия коллектора якоря и др.) резистор - справочная величина.
На вход VT7 должен поступить сигнал (принимаем для кремниевых структур ) чтобы включилась в работу оптопара. Величину связываем с зоной нечувствительности двигателя (раздел 6):
Начальное значение сигнала включения в работу транзистора оптопары (VU1 VU2) составляет
Из этого равенства определяется необходимое значение :
Зададимся величиной R5 10кОм и найдем величину R6:
Выбираем резистор R6 типа МЛТ 91 кОм мощностью 0.125Вт.
В качестве оптопары выбираем АОТ128Б параметры которой приведены в таблице 5.9.1.
Таблица 5.9.1-Параметры АОТ128Б
Входное напряжение при входном токе не более
Выходное остаточное напряжение не более
Коэффициент передачи по току KI=IвыхIвх
Время нарастанияспада tнарtсп мкс
Входной максимальный ток Iвх max мА
Выходной максимальный ток Iвых max мА
Выходное коммутируемое напряжение Uком В
Сопротивление резистора база–эмиттер Rбэ кОм
Диапазон рабочей температуры T °С
Резистор и ток VT7 рассчитываем с учетом максимального тока протекающего через VT7 (при):
Выбираем резистор R7 типа МЛТ 240 Ом мощностью 0.125 Вт.
Резистор рассчитываем с учетом максимального выходного тока оптопары:
Выбираем резистор R8 типа МЛТ 560 Ом мощностью 0.125 Вт.
Тогда выходное напряжение на оптопаре равно:
В разделе 6 было определено значение с учетом зоны нечувствительности двигателя . Тогда можно найти коэффициент усиления разностного усилителя из очевидного соотношения:
где - выходной сигнал дифференциального (разностного) усилителя или так как один из сигналов - равен нулю т.е. :
Зададимся величиной R10 5кОм найдем величину R9:
Выбираем резистор R9 типа МЛТ 6.8 кОм мощностью 0.125 Вт.
Рассчитаем коэффициент передачи цепи обратной связи:
Блоки питания построим на базе стабилизаторов напряжения типа ЕН. Все данные микросхемы имеют ряд защит таких как защита от короткого замыкания от перегрузок по току и от перегрева кристалла.
Источник +5 В. Схема приведена на рисунке 5.10.1.
Рисунок 5.10.1-Схема включения микросхемы К142ЕН5А.
В качестве стабилизатора напряжения DA1 примем микросхему К142ЕН5А параметры которой приведены в таблице 5.10.1.
Таблица 5.10.1-Параметры К142ЕН5А.
Выберем в соответствии с рекомендациями производителя конденсатор С1 типа К50-35 ёмкостью 2.2мкФ максимальное напряжение 50В. В качестве C2 выбираем К50-35 1мкФ 50В.
Выбираем диоды VD1-VD4 КД243А параметры которого приведены в таблице 5.10.2
Таблица 5.10.2-Параметры КД243А.
В схеме используется две схемы приведенные на рисунке 5.10.1. Одна служит для питания ТТЛ микросхем вторая –для задатчика.
Источник 15. Схема приведена на рисунке 5.10.2. Данная схема применяется для итания ±15В измерительного усилителя дифференциальных усилителей ШИМ-контроллера и оптопар.
Рисунок 5.10.2-Схема включения микросхемы К142ЕН6А
В качестве DA1 используем микросхему К142ЕН6А параметры которой приведены в таблице 10.3.
Таблица 5.10.2- Параметры К142ЕН6А
Выберем в соответствии с рекомендациями производителя конденсаторы С1 и С2 типа К50-35 ёмкостью 1мкФ 50В. В качестве C2 выбираем К50-35 1мкФ 50В. Выбираем конденсаторы С3 С4 типа К10-17 0.1мкФ. Конденсаторы С5 С6 К50-35 2.2мкФ 50В. Выбираем диоды VD1-VD4 КД243А параметры которого приведены в таблице 5.10.2
Источник +20В. Схема приведена на рисунке 5.10.3. В качестве стабилизатора напряжения DA1 примем микросхему К142ЕН9А параметры которой приведены в таблице 5.10.4.
Рисунок 5.10.3-Схема включения микросхемы К142ЕН9А.
Таблица 5.10.4-Параметры К142ЕН9А.
Выберем в соответствии с рекомендациями производителя конденсатор С1 типа К50-35 ёмкостью 2.2мкФ максимальное напряжение 50В. В качестве C2 выбираем К50-35 1мкФ 50В. Выбираем диоды VD1-VD4 КД243А параметры которого приведены в таблице 10.2
Гальванически развязанный нестабилизированный источник для питания двигателя. Схема приведена на рисунке 10.4.
Рисунок 10.4-Схема питания двигателя
В качестве VD1-VD4 выбираем КД244В параметры которого приведены в таблице 5.10.5
Таблица 5.10.5-Параметры диодного моста КД244В
Выбираем конденсатор С1 типа К50-35 емкостью 47мкФ 200В.
В курсовом проекте введена отрицательная обратная связь по току с единственной целью - коррекция качественных показателей САУ и разрешение схемных электрических проблем при синтезе цепи обратного контура. С учетом ООСТ структурная схема САУ имеет вид (рисунок 11.1):
Рис. 11.1. Функциональная схема замкнутой САУ с токовым контуром
За счёт введения сигнала Uоост уровня Uу при Кт=1 уже будет недостаточно для преодоления Uзн.
Итак в структуре рис. 11.1 необходим дифференциальный (разностный) усилитель с коэффициентом усиления равным KT на неинвертирующий вход подключить сигнал Uy1 а на инвертирующий - Uоост (Uвых оу=Uу-Uоост). Построим дифференциальный усилитель на основе операционного усилителя. Применим резисторы типа МЛТ мощностью 0125Вт и сопротивлением 5кОм и сопротивлением 6.8 кОм в цепи обратной связи.
Для дальнейших системных расчетов отметим что САУ рис. 11.1 - это импульсная система (ШИМ). Поэтому необходимо применять импульсные методы расчета. Однако если расчёт fком ( fком=) выбран корректно и соблюдена теорема Котельникова для САУ (ком>2ср где ком – частота коммутации (ком=2 fком) ср – частота среза) то могут быть применены непрерывные (линейные) методы расчёта что намного упрощает задачу. При этом передаточные функции узлов электронного двигателя могут быть представлены в виде апериодических звеньев.
Во вторых в токовый контур вводится сигнал nСe (рис 11.1) который также влияет на динамику контура ООСТ. Но устойчивость этого контура не нарушится если допустить что nСe - const т.е. анализ проводится для стационарного (устойчивого) состояния скорости.
С учётом замечаний можно записать что коэффициент передачи разомкнутого токового контура равен:
Тогда коэффициенты передачи всех апериодических звеньев (узлов) можно принять как единичные.
Каждый узел прохождения информационного сигнала представляется в виде апериодического звена:
Определим постоянные времени для каждого из узлов.
В контур ООСТ входит только узел якоря который представляется апериодическим звеном:
SENSE-МДП транзистор в цепи ОС. За постоянную времени принимаем время задержки включения:
Инвертирующий усилитель (на ОУ DA1 DA2 рисунка 9.1). Согласно расчетам коэффициент усиления K_yc =9.77.
Дифференциальный усилитель в схеме обратно связи. Коэффициент усиления Кдиф =0.714.
Дифференциальный усилитель суммирующий сигнал задатчика и сигнал обратной связи. Согласно расчета Кт =1.43.
Время задержки включения и время включения транзистора: 65+8=145нс
Драйвер IR2113 и мощные ключи.
Рассчитаем сопрягающие частоты:
ЛАХ и ФЧХ разомкнутого контура приведены на рисунке 11.2.
Рисунок- 11.2-ЛАХ и ФЧХ разомкнутого контура
Из 11.2 делаем заключение что система устойчива и имеется запас устойчивости по фазе 1260 и по амплитуде. Система устойчива.
Частота среза ср=106 радс.
Также производим проверку удовлетворения условиям теоремы Котельникова т.е. справедливости применения теории непрерывных систем (ком2ср).
Условие теоремы Котельникова выполняется.
Выбор функциональной схемы электронного блока 5
Обоснования выбора элементарной базы ..6
1 Расчет мощного каскада 7
3Драйверы силовых транзисторов 15
4 Расчет тепловых потерь мощного ключа . . 18
5 Задатчик на базе терморезистора . 20
6 Коэффициент передачи усилителя 23
7.Выбор схемы усилителя . 25
8.1 Защита от токов короткого замыкания .. 27
8.2 Защита от длительного пускового режима .30
9 Отрицательная обратная связь по току .. . 31
10. Источники питания . . 35
11 Системные расчеты .. . 38
Приложение 1. Схема принципиальная
Список использованных источников
Захаров В.К. Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемехники. – Л. : Энергоатомиздат 1984. – 433 с.
Автоматические приборы регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие Под ред. Б.А. Кошарского. – Л. : Машиностроение 1976. – 453 с.
Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники Под ред. М.В. Гальперина. – М. : Мир 1984. Т.1. – 598 с.