Электронный блок управления двигателем постоянного тока

3. Для  присвоения требуемого знака  сигналу UООСТ можно отказаться от применения еще одного Rш и воспользоваться полярностью напряжения, снимаемого с тахогенератора. Кроме того, последний очень часто используется в качестве датчика для организации отрицательной обратной связи по скорости. Знак Uтг однозначно определяется направлением вращения двигателя, т. е. направлением протекания Iя.

Затем напряжение UООСТ должно вычитаться из напряжения Uу и подаваться на схему модуляторов (на схемы ШИМ).

Схемно реализация формирования ООСТ показана на рисунке 5.7.1. На микросхеме DА1 реализовано апериодическое звено (фильтр НЧ) с Tапер =Tя = R2C1. Микросхемы DА2, DD1, DА3, DА4 реализуют интегральную ШИМ с условием того, что полярность входного сигнала постоянная (положительная) и схема, являясь хорошим фильтром, еще более улучшит фильтрацию. Частоту генератора ГТИ следует принять в несколько раз ниже, чем fком мощных ключей (лучше будут использованы фильтрующие свойства интегратора). На DА5 реализован фильтр низкой частоты, так как через оптопару сигнал UООСТ передается в виде ШИМ (исключаются основные недостатки оптопар) Для реализации фильтра Баттерворта необходимо взять R13=R14 (порядка 10 – 100 кОм), C3=С4 и задать коэффициент  
[4, c.263–264]. Тогда постоянную времени фильтра желательно принять в несколько раз больше, чем . Микросхема DА6 осуществляет присвоение знака в соответствии со знаком тахогенератора. Если VT1 открыт, то коэффициент передачи усилителя   равен Ку= –1. Если VT1 закрыт, то Ку по инверсному входу равен: , по неинверсному – . Общий коэффициент передачи сигнала для дифференциального усилителя (микросхема DA6) равен Ку = - = 2 – 1 = 1, т.е. знак Uвых изменится на противоположный по сравнению с тем моментом, когда VT1 открыт. Применение резистора на неинвертирующем входе ОУ уменьшает ошибку от Iвх ОУ

На схеме DА7 организован дифференциальный усилитель для реализации уравнения  U = Uу - UООСТ (с коэффициентом передачи Kу = 1).  Элементы R22, C5 – это  наиболее простой фильтр низкой частоты; резисторы RД1, RД2 – это делитель напряжения для согласования уровня UООСТ с диапазоном линейной работы схемы формирования ООСТ.

В общем случае, если не учитывать звенья, у которых К=1, можно написать:

 

КООСТ=КдатKделКаперКмодКФНЧ;

 

; ; ;

 

; .

 

Рисунок 5.7.1 Схема формирования ООСТ

 

 

Исходными данными для расчета схемы формирования ООСТ должно быть задание коэффициента КООСТ (см. техзадание). После этого нужно задаться некоторыми исходными данными. Например, КООСТ должен выполняться при I = Iном. Это позволит рассчитать Kдел, так как для линейной работы схемы ООСТ необходимо выполнение неравенства

,

где Uпр для кремниевых диодов следует взять как 0,7 В. Если сигнал UООСТ будет больше IяRш (в пусковом режиме), то уровень UООСТ за счет применения ограничительных диодов VD5, VD6 будет фиксироваться на уровне Uпр=0,7 В.

 

Найдем UООСТ:

 

 

Примем С2 47нФ. Зададимся значением Uc1=6В. Рассчитаем R4:

 

Выберем стандартное значение R4   7.5 Ом.

Принимаем Uос=5В.

Тогда

 

Выберем стандартное значение Roc  560 Ом.

Значения R24 без расчетов примем равным 1 кОм. Резисторы R9, R10, R11, R25 принимаем 10 кОм. В качестве компараторов  DA3, DA4 выбираем К554СА3.

В качестве оптопары выбираем . Элементы R6,  R7, R8 и VTбуф принимаем согласно расчетов раздела 5.3. R6 , R7200Ом , R8 27Ом . Значение R12 принимаем 10кОм, при этом ток проходящий через VT оптопары не будет превышать 0.5мА.

Для реализации фильтра Баттерворта принимаем R13=R14 10кОм.

 

 

Принимаем R16 10кОм, тогда

 

кОм

 

Выбираем стандартное значение R15 16 кОм. В качестве транзистора VT1 принимаем КТ315А, R23, R24, R17 10кОм, выбираем стандартное значение R17/2 4,7кОм.

Согласно [4] для точности, необходимо выбрать прецизионные резисторы с точностью 0.01%. R18=R20, R19=R21. Uвых=R21/R20(U2-U1). Так как Ky=1, то R21=R20. Выбираем R18,R19, R20, R21 10кОм.

Для фильтра на элементах R22, C5 принимаем такую же постоянную времени как и для фильтра Баттерворта. Тогда номиналы будут соответствовать  R13 и С3. R22 10кОМ, С5 62нФ.

 

5.7 Расчет источников питания.

Источники питания предназначены для организации питания всех схем блока управления.

Наибольшее распространение в качестве стабилизированных источников питания нашли источники на интегральных стабилизаторах типа КРЕН. Они имеют большой выбор стабилизаторов как по выходному напряжению, так и по мощности. Интегральные стабилизаторы данного типа выпускаются на универсальное и фиксированное напряжение. При токах нагрузки, превышающих выходной ток стабилизатора возможно подключение мощных транзисторов, позволяющих увеличить выходной ток стабилизатора до 5А.

 

В качестве нестабилизированного источника применим типовой источник (рисунок 5.7.1), состоящий из выпрямительного моста и фильтров.

 

Рисунок 5.7.1. Нестабилизированный источник питания.

 

Диоды для выпрямителя выбираются по двум основным параметрам: постоянному (выпрямленному) току, который должен выдавать выпрямитель, и обратному напряжению. Эти параметры диодов приводятся в справочниках.

Выпрямленный ток диода должен быть не меньше полного тока, потребляемого нагрузкой. Максимальное обратное напряжение , прикладываемое к диоду, равно удвоенному амплитудному входному напряжению источника:

, где Uвх=20В                          (5.7.1)

тогда .

Диоды должны быть рассчитаны на ток Iд>IПУСК.

Исходя из вышеизложенного выбираем диоды КД2997Б.

Стабилизированные источники питания выполняются на интегральных стабилизаторах по типовым схемам.

Для источника напряжения +5В (рис.5.8.2), питающего микросхемы ТТL-логики К155 и К555, оптопары, задатчик и др. схем, выбираем стабилизатор с фиксированным напряжением +5В КРЕН5А, у которого Uвых=5В, Iвых=3А. Кондесаторы С1 и С2 выбираются из соображений, изложенных в п.5.8.1. Выбираем С1=1000 мкФ, напряжение 63В; С2=5000 мкФ, напряжение 16В.

Рисунок 5.7.2. Источник напряжения +5В.

 

5.8 Расчет схемы защиты от длительного пускового режима.

 

Схема должна организовывать:

1) определение пускового режима (по току двигателя). Если IЯ=IПУСК – это пусковой режим;

2) определение необходимого времени  ожидания срабатывания защиты;

3) обеспечение гальванической развязки  мощного каскада от остальной  схемы.

Для П-схемы применяется схемное решение, изображенное на рисунке 5.8.1

Схема должна рассчитываться так, чтобы при компаратор DA1 находился в состоянии, обеспечивающем разряд конденсатора C (VТопт открыт). При уменьшении (например до ) компаратор DA1 должен переброситься в противоположное состояние и C будет заряжаться от источника E2 (VТопт закрыт).

Конденсатор разряжается по экспоненциальному закону от величины E2 до . Этим организуется временная задержка срабатывания защиты. Когда Uc будет меньше напряжения, подаваемого на второй вход компаратора DA2, то на его выходе установится нулевой потенциал, что повлечет срабатывание триггера защиты DD2. Выход последнего должен так подключаться в схему управления мощным каскадом, чтобы все его транзисторы были закрыты.

Триггер предотвращает многократное запускание двигателя, так как после срабатывания схемы конденсатор C повторно заряжается – будет повторный пусковой режим и т.д.

Резистор   должны быть такими, чтобы в пусковом режиме на них выделялась мощность :

 

(5.8.1)

 

Найдем , при котором обеспечивается переключение компаратора DA1:

 

(5.8.2)

 

Такое же напряжение должно подаваться на второй вход компаратора DA1. При этом необходимо обеспечивать, чтобы

Применение делителя R3, R4 облегчает реализацию выполнения скорректированного уравнения:

                                                                                    

                                          (5.8.3)

 

А на второй вход компаратора DA1 организуется подача напряжения . Кроме того резистор и будет защищать диоды VD5 и VD6 от пускового тока. Отсюда:

                                                       

 

 

(5.8.4)

 

Выбираем стандартное .

Сопротивление резистора R12, рассчитываем по следующей формуле:

(5.8.5.)

 

 

где:

      ∆t – время срабатывания защиты (∆t = 0.5с);

      UНАЧ = 5В;

      UКОН – напряжение при котором срабатывает компаратор DA2,  UКОН≥0,6×UНАЧ=0,6×5=3В;

      U¥=UОСТ.ОПТ=1,5 В;

       С=1мкФ.

Принимаем ближайшее стандартное значение R12=620 кОм.

 

Выбираем оптопару АОТ122Б, со следующими параметрами:

Зададимся величиной резистора R11=1 кОм. Рассчитаем максимальный ток оптопары:

         

 

Учитывая параметры оптопары, выбираем транзистор VTбуф КТ315Б со следующими параметрами:

Ik max=0.1 А

Uкэ0 max=20 В

Pк max=0.15 Вт

Tп max=100 °C

h21э min=50

UКЭ нас=0.4 В

fгр=250 MГц

Сопротивление  R7, R8, R9, R10 рассчитываются по методике раздела 4:

R9=6,2 Ом;  R8 =300 Ом;    R7=620 Ом.

 

Выходной ток DD1:

(5.8.6.)

 

В качестве DD1 возьмем К155ЛА6 (4И-НЕ).

Резисторы R6, R16  принимаем: R6= R16 =3,3 кОм.

 

 

6 СИСТЕМНЫЕ РАСЧЕТЫ

В этом разделе необходимо произвести расчеты, доказывающие устойчивость процессов в замкнутом контуре. Следует заметить, что переходные процессы импульсные, поэтому необходимо применять импульсные методы расчета. Однако если удается доказать, что частота следования импульсов в несколько раз превышает частоту среза, то могут быть применены непрерывные методы расчета, что намного упрощает задачу.

1. Интегратор:

(6.1.1)

 

где   , где tх и UУ min находится по формуле

(6.1.2)

 

(6.1.3)

 

 

2) Компаратор:

 

(6.1.4)

где  ;

Тк = 3×10-6 с – постоянная времени компаратора;

3) Триггер:

(6.1.5)

где   ;

Ттр = 20×10-9 с – постоянная времени задержки триггера.

4) Элемент задержки:

(6.1.6)

где   ;

Тэз = 5×10-9 с – время задержки на открывание ранее закрытого в паре транзистора.

5) Гальваническая развязка:

(6.1.7)

где   ;

– из справочника.

6) Предмощный каскад:

(6.1.8)

где   ;

– постоянная времени наиболее мощного транзистора в предмощном каскаде.

 

7) Мощный каскад:      

 

 (6.1.9)

где

 

– постоянная времени одного из транзисторов, входящего в состав мощного каскада.

 

8) Компаратор  ОС:

,  (6.1.10)

где - постоянная времени компаратора.

9) Гальваническая развязка обратной  связи:

,  (6.1.11)

где , - из справочника.

Таким образом, в целом получаем передаточную функцию цепи, входящую в контур:

 

 

(6.1.12)

 

Для построения ЛАХ применим типовые правила:

1 Находим

 

2 Находим частоты

Откладывая эти точки на вертикальной и горизонтальной оси, строим график.

ФЧХ строится по результатам расчета выражения:

Для построения ЛАЧХ и ФЧХ воспользуемся программным пакетом MatLab. Характеристики приведены на рисунке 6.1.1.

 

Рисунок 6.2.1 – ФЧХ и  ЛАХ разомкнутой системы

 

Для нормального функционирования САУ необходимо, чтобы запас по фазе был равен 15-30°, а запас устойчивости по амплитуде – 30-60 Дб. В данном курсовом проекте Δa » 10 Дб, Δj » 51°, что свидетельствует об устойчивости системы (см. рисунок 6.2.1).

 

 

 

 

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В курсовом проекте был разработан электронный блок, который поддерживал бы температуру в диапазоне от -50°С до +50°С посредством изменения скорости вращения исполнительного микродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами.