Электронный блок управления двигателем постоянного тока

 

Условие выполняется, значит оптопара выбрана корректно. Далее определяем входной ток оптопары Iвх опт.

 

 

где К=(1.1÷1.5). По входному току оптопары Iвх опт выбираем буферные транзисторы VT1 буф и VT2буф. Они одинаковы. Запишем один из них, КТ315Б  (n-p-n) его параметры представлены в таблице 5.3.2.

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.3.2-Парметры КТ315Б

Ik max, А	0.1
Uкэ0 max, В	20
Pк max, Вт	0.15
Tп max, °C	100
h21э min	50
UКЭ нас, В	0.4
fгр, MГц	250

Далее рассчитываем резисторы R1, R2, R3. Для этого зададимся UЭ=1 В, тогда R3 определяется по следующей формуле:

 

 

      Согласно стандарту принимаем R3= 27Ом.

Далее находим R1, R2 из системы уравнений.

 

 

 

Получаем следующие величины резисторов R1 и R2:

R1= 430Ом   и R2= 200Ом .

Выбираем DD1, для чего рассчитаем выходной ток DD1, когда на выходе будет логический ноль (логика DD1 с открытым коллектором).

 

 

В качестве логики берем К155ЛА6(4И-НЕ) со следующими параметрами:

Uпит=5В

Iвх н.у≤1.6 мА

Iвх в.у≤0.04 мА

Iвых доп ≤48мА

 

Рассчитаем частотные свойства оптопары:

Время переключения оптопары tпер:

 

 

Рабочий период:

 

 

Рабочая частота (верхний предел) fраб:

 

 

 

5.4 Защита от сквозных токов

При переключении мощных транзисторов, как правило, транзистор быстрее открывается, чем закрывается (при закрывании сказывается запаздывание из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в базе). С учетом этого в стволе, где находятся транзисторы VT1, VT2, могут протекать большие неуправляемые токи (сквозные токи), которые приведут к отказу VT. Стандартный способ борьбы – организация временных задержек на открывание VT, а сигнал на закрывание подается мгновенно. . В качестве элемента задержки рассмотрим простешее схемное решение на основе RC-цепи, представленное на рисунке  1.5.

 

 

 

 

Схема И-НЕ мгновенно срабатывает при входном сигнале логический нуль. Но когда на входе будет логическая единица, то срабатывание схемы будет тогда, когда ёмкость зарядится до величины опрокидывания схемы (около 2.4В).

В качестве логики примем К155ЛАЗ, и R принимаем не более 100 Ом для исключения режима «оборванный вход».

Для расчета параметров RC-цепи применяем следующую формулу:

 

 

 

где τ=RC;

откуда задаваясь величиной R=100 Ом, находим С:

 

где xнач=0;xкон=2.4 В; x∞=5В

 

где

 

5.5. Расчет схемы широтно-импульсного модулятора

В курсовом проекте используем симметричный метод формирования ШИМ. Принципиальная схема представлена на рис.5.5.1

Принципиальное отличие реализации этого закона от симметричного - необходимость получения только положительного или отрицательного напряжения пилы при соединении всех остальных блоков схемы. Соответственно сигнал ошибки выпрямляется диодами.

 

                         Рисунок 5.5.1. Схема ШИМ.

 

 

Для расчета примем

                        

                           
примем .

 

Наиболее оптимальным выбором является микросхема К140УД6. Это операционный усилитель общего назначения с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода при коротких замыканиях нагрузки. Парметры микросхемы:

-f=1 МГц

-

-

-

-

-

 

Произведём расчёт схемы:

 

                                         (5.5.1)

 

R1 примем 10кОм, тогда рассчитаем  R2 исходя из 5.5.1:

 

 

 

Период колебаний равен удвоенному времени, в течении которого выходное напряжение интегратора изменится от –Uвых до +Uвых:

 

                                            (5.5.2)   

 

Из 5.5.2 найдем R, для чего примем С=0.0047мкФ

 

(5.5.3)

 

Выбираем резистор R  15 кОм

        Задаём R4 и R5, причём , принимаем R5 3кОм, R4 300кОм.

 

 

 

Для расчёта R3, R4 и R5 нужно принять равными величины

 

.

Принимаем Uтр=5В.

 

 

 

  Выбираем резистор R3 3кОм, мощность рассеивания 0,125Вт.

 

5.6 Информационные каскады

В данном курсовом проекте в качестве датчика температуры задано термосопротивление ТСМ-6114 со следующими параметрами:

- градуировка 23;

 

Задатчик на базе термосопротивления наиболее часто строится по мостовой схеме (рисунок 5.6.1).

Рисунок 5.6.1 -  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:

 

            (5.6.1)

 

Когда температура стабилизации максимальная, то равновесие моста будет при движке вправо и тогда:

 

        (5.6.2)

 

Для расчета резисторов необходимо задаться значениями двух любых резисторов кроме . Резистор известен:

 

R2 =42 Oм при ,

R2 =64 Oм при .

 

Из уравнений (5.6.1) и (5.6.2) составив систему уравнений и решив ее, получим:

 

        (5.6.3),(5.6.4)

 

При решении систем уравнений (5.6.3),(5.6.4) 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  :  

(5.6.5)

По условию расчета 0.0049 A.

Рассчитаем сопротивление :

(5.6.6)

 

Решим систему уравнений (5.6.3),(5.6.4) относительно :

 

(5.6.7)

 

Сопротивление R1 намотаем на резистор МЛТ-2-100 константановым проводом сечением S=0,01мм², длина провода рассчитывается по формуле, в которой удельное сопротивление константана ρ=0,48 Ом·мм2/м:

 

 

Найдем значение из формулы (5.6.3.):

 

 

Уточним баланс моста для , т.е. определим , приняв Е1 = 5В.

	(5.6.8)
	(5.6.9)
	(5.6.10)

 

 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 = (+50) – (-50) =100˚C, 1%  составит 1˚С.

Значит, рассчитаем при t = -50+1˚C.

 

        Затем эту  величину подставим в (5.6.11):

        

5.6.11

 

           

Тогда U_AB=4.7942-4.7932=0.0010334 В  (5.6.13)

 

Это и будет напряжение на выходе задатчика, которое отрабатывать САУ (будет определять ее чувствительность или точность).

Так как сигнал от задатчика очень мал 0.00103 , то необходимо усиление этого сигнала. Наиболее простым усилителем является усилитель на базе операционных усилителей (ОУ).

Для нормальной работы усилителя на ОУ, необходимо учитывать, что отношение . Это отношение зависит от коэффициента ослабления синфазного сигнала ( ) ОУ, который приводится в справочных данных ОУ. Исходя из этого следует к выходу мостовой схемы подключать ОУ с как можно большим .

Второй проблемой усилителя на ОУ являются входные токи ОУ. При слабых входных сигналах следует учитывать ошибку из-за . При , обеспечивается за счет напряжения . В результате полезный сигнал на выходе получается в несколько раз меньше помехи. Это влияние  можно ослабить, если взять несколько ОУ с малым значением . Эта схема имеет недостаток – наличие внешних резисторов, что приводит реально к значительно меньшему ослаблению синфазного сигнала из-за непостоянства от температуры резисторов.

 

 

Рисунок 5.6.2 - Дифференциальный усилитель

 

Для снятия сигнала с моста применим дифференциальный усилитель. Он позволит снизить синфазную помеху практически до 0, так как   R4 = R6,  
R3 = R7, R8 = R9.

(5.6.14) 

 

 

 

 

Примем прецизионными: R4, R6 с номиналом 4,5 кОм и R8, R7 с номиналом  10 кОм, обычные резисторы: R3 = 1кОм, остальные – с  номиналом 5,1 кОм. При этом коэффициент усиления составит:

 

 

Необходимый коэффициент усиления можно найти как:

 

      

(5.6.15)

 

Необходимо поставить добавочный усилитель, с коэффициентом усиления  5800/10=580 . Таким образом, так как усилитель двухкаскадный Ку1,2 =24. Два каскада необходимо для соблюдения знака управляющего сигнала, получить коэффициент усиления 580 на дифференциальном усилителе нежелательно,  так как возможно самовозбуждение каскада.

 

Рисунок 5.6.3 – Инвертирующий усилитель

 

Произведём расчет одного каскада инвертирующего усилителя:

 

     (5.6.16)

 

Зададимся R1 = 1 кОм, тогда при Ку =24:

 

 

Примем R2 =24 кОм. Расчёт второго каскада выполнен аналогично.  
R3 = 1 кОм, R4 =24 кОм . R5, R6 служат для более устойчивой работы усилителя, и равны 10 кОм.

 

В системах автоматического управления (САУ) для улучшения качественных показателей с целью коррекции используется отрицательная обратная связь по току (ООСТ).

Для решения этой задачи требуется синтезировать устройство формирования сигнала (напряжения), прямо пропорционального Iя, и его знак должен однозначно соответствовать направлению протекания якорного тока.

При схемной реализации ООСТ необходима гальваническая развязка. Если оптопары широко используются для передачи импульсных сигналов    (оптопара работает как ключ), то при линейных сигналах следует учитывать нелинейность их характеристик и зону нечувствительности (1 – 1,4) В, что порождает определенные трудности, особенно при малых величинах Iя.

Наиболее просто в качестве датчика тока применить резистор, включенный непосредственно в цепь постоянного протекания якорного тока. Но такой подход неэкономичен (на резисторе выделяется большая мощность), уменьшается Iпуск, что приводит к уменьшению пускового момента. Поэтому более рационально синтезировать UООСТ с использованием Rш (датчика), уже примененного для построения защит. Но при этом возникает ряд проблем:

1. Этот  резистор включается в такую  точку схемы, что через него  протекает ток только одного  направления вне зависимости  от направления Iя, т.е.

              UООСТ=êRшIя÷ .

 

2. При  симметричном законе управления  ток Iя протекает через Rш весь период T. При несимметричном законе управления мощным каскадом на время  паузы  tп через  Rш не  протекает  якорный  ток.  Эту ошибку измерения  Iя

можно уменьшить, если сигнал UООСТ пропустить через апериодическое звено (фильтр) с постоянной времени Tапер=Tя (имитация цепи якоря).