1.2.1 Двигател за външно възбуждане и производен двигател Двигателят за външно възбуждане има възбуждаща верига и верига за котва, захранвана от два отделни източника на постояннотоково напрежение. [6] Ако за захранването на възбуждането се използва същият източник, както за захранването на котвата, се създава шунтиращ двигател, но формата на характеристиките не се влияе. Следователно двигателят с външно възбуждане и производният двигател имат еднакви механични, респ. електромеханични характеристики. Отношение за ъгловата скорост на двигателя: ФИГ. 1.1 Двигател с външно възбуждане и производен двигател U U (Ra + Rsp) U Ra + R i sp ω = =. Ia =. M [1.1] 2 Cφ Cφ Cφ (cφ) където: N 2 p C =. [1.2] 2a 2π Уравнението определя механичното уравнение на двигателя. Очевидно е, че тази характеристика изразява линейната зависимост на скоростта от въртящия момент на двигателя, което води до възможността за регулиране на скоростта на двигателя. Препоръчително е тези скорости да се регулират от напрежението, свързано към анкерите, тъй като тук също се прилага линейна зависимост. От съотношението за ъгловата скорост на двигателя следва, че скоростта на двигателя може да се контролира по три начина: чрез промяна на съпротивлението R a във веригата на котвата чрез свързване на допълнително съпротивление R sp, чрез промяна на напрежението на клемата U на котвата на двигателя, чрез промяна на магнитния поток Φ (т.е. възбуден ток I b). ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО 9
а) б) в) г) ФИГ. 1.2. (А) механични характеристики на двигателя при управление на скоростта чрез промяна на съпротивлението в обиколката на котвата; б) механични характеристики на двигателя, при управление на скоростта чрез промяна на напрежението на котвата; в) механични характеристики на двигателя, при управление на скоростта чрез промяна на възбуждането; г) Характеристики на натоварване на двигателя [2] 1.2.2 Пореден двигател Това е еднопосочна машина с последователно свързване на котвата и възбудителната верига, която работи в режим на двигател, t. j. преобразува електрическата енергия в механична [6]. Все още се използва главно в транспорта поради своите изгодни механични характеристики. От неговата форма на хипербола следва, че серийният двигател не трябва да се стартира без товар, тъй като теоретично скоростта ще се увеличава неограничено, практически толкова висока, че машината ще бъде механично повредена от центробежни сили, действащи върху ротора. Фиг. 1.3 Сериен мотор ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО 10
а) б) в) г) ФИГ. 1.4 (а) механичните характеристики на двигателя при управление на скоростта чрез промяна на съпротивлението в обиколката на котвата; б) механични характеристики на двигателя, при управление на скоростта чрез промяна на напрежението на клемата; в) механични характеристики на двигателя, при управление на скоростта чрез затихване на възбуждането; г) Характеристики на натоварването на двигателя [2] Това означава чрез превръщане на част от тока на двигателя от намотката на възбуждането в шунта. Скоростта на въртене на обезсиления двигател при същите токове е по-висока, отколкото в характеристиката на ФИГ. 1.4 в). Тогава уравненията на двигателя ще бъдат както следва: U Ra. Ia ω =, [1.9] Cφ 1 U Ra ω =. M, [1.10] 2 Cφ 1 (cφ 1) където Φ 1 0. В този случай, ако M a> 0, системата се ускорява (т.е. напр. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДИСКОВО УСТРОЙСТВО 14)
задвижване), ако M и U p, тогава U PM = U dc, в противен случай U PM = - U dc Фиг. 1.20 Курсове на величини при симетрично (биполярно) управление с пренебрегване на времето за защита В математическия модел на 4Q преобразувателя ние разглеждаме само средните стойности на изходното постояннотоково напрежение. Токът има непрекъсната форма. Започваме от уравнението за прехвърляне: от което: F PM U (p) = = K PM. e U (p) s pt (p) PM, [1.14] r K PM 1 = 1 + pt PM, където 1 T T PM = =. [1.15] 2 f 2 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО ЗА ПОСТОЯННОСТ 26
Следното се отнася за средната стойност на изходното постояннотоково напрежение: U s = U = U dc dc U. U (T1 T2). = U T r p max = K PM. U r dc, (T. 1 T T + T) 1 = U dc 2T. T 1 1 = U dc. U 1+ U pr max 1 = [1.16] коефициент на превключване: TU + UU = = +, [1.17] T 1 p max rr 1 2U p max U p max усилване на преобразувателя: UUUK = U s dc dc dc PM = = = . [1.18] U r U r U p max U p max Усилването K PM е постоянно, независимо от работната точка U r. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДИСКОВЕ НА ДЕС
и кондензатори С36, С37, С38 и С39. Филтърът отделя цифровото заземяване от аналоговата част. Стабилизаторът IC3 се стабилизира при 3.3V_A (аналогов) и с това напрежение захранваме референтния източник на напрежение IC4 през баластния резистор R18. В другите два клона напрежението 24V на преобразувателя IC13 е намалено до 12V_D и ние доставяме транзисторните драйвери с него чрез филтъра FLT1. В последния клон доставяме 15V_D комплект печатни платки с DSP със стабилизатор IC14. Изчисляването на изходното напрежение е както следва: Следното се отнася за веригата IC1: Избирам: U out = 8.2V, R59 = 1.2k, U ref = 1.23V, след това: U out 8.2V R60 = R59. (1 ) = 1, 2kΩ. (1) = 6.8kΩ. U 1.23V ref Следното се отнася за веригата IC4: Изходното референтно напрежение е U out = 1.65V, R16 = 100 kΩ: Uout 1.65V R20 = R16. (1) = 100kΩ. (1) = 33.065kΩ. За 1.24V ref R20 избирам 33k Ω, тогава: R20 33kΩ U out = 1.24. (+ 1) = 1.24. (+ 1) = 1.6492V. R16 100kΩ Фиг. 2.13 Схема на свързване на електрозахранването ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО DC
2.11 Блокова структура на силовата секция и конструкция на инверторния прототип На фиг. 2.15 е блоковата структура на проектирания преобразувател. По време на работата е конструиран прототип на преобразувателя (фиг. 2.14), върху който са проверени теоретичните познания и функционалността на цялата структура. Инверторът е изграден от общодостъпни компоненти (виж Приложение № 4). Дизайнът на прототипа не съвпада във връзка с окончателния дизайн в следните точки: Фиг. 2.14 Прототипът на драйвер MC33152 в спирачната верига е заменен от неинвертиращата логическа схема на изолатора CD4050, референтният източник на напрежение LM285M в електрическата верига е заменен от веригата LM317LZ, резисторите за чувствителност 1 mω са заменени от паралелна връзка десет резистора. със стойност 100 mω, като по този начин се постига окончателно съпротивление от 10 mω, усилването на операционните усилватели MC33502 е променено, транзисторите MTB75N06 са заменени с 45N03LT, преобразувателят LM2575D2T е заменен със стабилизатор 7812, захранващото напрежение е намалено до 15V. Тествана е монтираната едностранна печатна платка на преобразувателя на прототипа, въз основа на която е коригирана схемата. Окончателна схема на свързване на предложения преобразувател с ниско напрежение за задвижване с постоянен ток 38
По-специално, към сервомоторите се налагат следните изисквания: стабилност и линейност на характеристиката на въртящия момент в целия диапазон на скоростта, линейност на зависимостта на скоростта от управляващото напрежение (управляваща характеристика) и голям диапазон на управление, при нулево управляващо напрежение двигателят не трябва да се върти, висока скорост на реакция, ниска мощност на управление. Роторът на сервомотора HSM 60 DC е проектиран без феромагнитни въртящи се части. Характеризира се с ниско тегло и по този начин много малък момент на инерция. Сервомоторът се възбужда от постоянни магнити с висок коефициент BH макс., Което позволява да се постигне оптимално насищане във въздушната междина и по този начин голям въртящ момент. Вътрешната форма на сервомотора е цилиндрична. От предната страна на кръговия фланец има изходящ вал за свързване на товара. Краят на вала е конусен. Противоположната страна на вала е цилиндрична и към нея е свързан тахогенератор, отчитащ скоростта. На фиг. 2.18 е работните характеристики на двигателя. В излюпената част операцията е възможна само с чужда Фиг. 2.17 HSM 60 двигател с тахогенераторно охлаждане. Фиг. 2.18 Експлоатационни характеристики на мотора ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ПРИВОД НА ДВИГАТЕЛ DC
Технически данни на двигателя [23]: Номинални параметри: Напрежение: UN = 12 V Въртящ момент: MN = 0,108 Nm Скорост: n N = 5320 мин -1 Ток: IN = 7,5A Мощност: PN = 59 W Ефективност: η = 65% Други параметри: Скорост на празен ход: 6270 мин -1 Инерционен момент на ротора: 38,10-7 kgm 2 Електрическа константа на времето: 160 µs Електромеханична константа на времето: 4,5 µs Общо съпротивление при 20 ºC 0,42 Ω Ток на празен ход 1,5A Загуби без натоварване 18W индуктивност 60 µh ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО DC
Позиционирането често се среща в техническата практика и в роботиката е едно от основните изисквания. Позицията се въвежда от превъзходната технологична система за контрол. Според метода на въвеждане можем да разделим системите на проследяване, при което зададената позиция се променя непрекъснато и целева, при която зададената точка се променя в стъпка. На фиг. 3.2 а) е показана функционална блок-схема. Фиг. 3.2 а) контрол на позицията; б) Контрол на ъгловата скорост 3.2 Система за управление на задвижването 3.2.1 Процесор за цифров сигнал Силовата част на предложения преобразувател ще се управлява от процесор за цифров сигнал от Freescale под наименованието DSP56F805 [13]. Това е 16-битов процесор. Той е монтиран в борда за разработка на компанията Freescale Semiconductor фиг. 3.3. Блоковата схема на разработващата платка е показана на ФИГ. 3.4. Характеристики на DSP56F805 и плата за разработка: Честота 80 MHz 2 x 4 канала 12-битов A/D преобразувател JTAG и RS232 шина 2 x 6 канала PWM Фиг. 3.3 Разработваща платка Freescale ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО ЗА ДОСТЪП
16 таймера Входно/изходни портове B, D, E 31,5K x16-битова Flash за програма 512 x 16-битова RAM за данни 4K x 16-битова Flash за данни 2K x 16-битова RAM за данни 2K x 16-битова Flash за зареждане ДИПЛОМНА ТЕЗА Фиг. 3.4 Блок-схема на разработващата платка [13] Силовата част на инвертора ще бъде свързана към системата за управление чрез универсалната 40-пинова шина UNI_3. В раздела. 4 описва щифтовете, които ще се използват за свързване на устройството към DSP. Ние управляваме четирите транзистора T1 T4 чрез допълнителна широчинно-импулсна модулация чрез изходите PWM AT, AB, BT и BB. Тези изходи са свързани към DSP при ШИМ 0 до ШИМ 3. Цифровият GND и аналоговото заземяване на GNDA са отделени един от друг, за да се елиминират смущения. DSP ще се захранва от отделен източник, така че оставихме захранващите щифтове несвързани. Също така използваме гнездо от 12 битови A/D преобразуватели за измерване на аналогово напрежение, ток и скорост. Експертното спиране се контролира от порт B бит 5, който е зададен като изход. Идентификацията на инвертора също се извършва ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО DC
възможно най-голямата стръмност на изходната характеристика, малък момент на инерция на ротора, малка електромагнитна константа на времето. Те се използват като елементи на системи за управление, където изпълняват функции: стабилизират системите със затворен цикъл на управление, посочват скорости. Технически данни на тахогенератора K4A5: Обхват: 2V/1000 rpm -1 Максимална скорост: 7000 rpm -1 Изходът на тахогенератора ще бъде свързан към входа на A/D преобразувателя. Преобразувателят трябва да бъде свързан между изхода му и A/D преобразувателя. Конструкцията на преобразувателя е следната: Максималната скорост на тахогенератора е 7000 rpm -1. От това следва, че при диапазон от 2V/1000 rpm -1 изходното напрежение при максимална скорост ще бъде 14V. Входният обхват на A/D конвертора е максимум 3.3V. Схемата на свързване на преобразувателя на тахогенератора е показана на фиг. 3.5. Фиг. 3.5 тахогенератор преобразувател При 14V изискваме I TG = 1mA I2, I3 0A, R5 = 1,6kΩ, RU TG 1,6V 2 I 14V 1,6V = 2 1,10 A 6, R7 = 3 TG = 6200kΩ = 6,2kného усилвател IC3A: RA = R 2 10kΩ = 10kΩ 3 = 1 Отместването на операционния усилвател IC3A е: U отместване = 1,65 V = Фиг. 3.6 Проектиран преобразувател ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДВИГАТЕЛ ДОСТОЯННОСТ 46
K SC е пропорционалната печалба, ef (k) е управляващото отклонение със стъпка k в дискретна времева област, (k 1) u, ако е изходът на интегратора със стъпка k-1 в дискретна времева област, а K isc е печалба от интеграцията. Отнася се за: u (k) uf = [3.6] (k) (k) u max () wkwf = [3.7] (k) w max (k) yyf = [3.8] (k) y max (k) eef = [3.9] e max e K K. max SC = u K isc = max T e K. T ui max max [3.10] [3.11] 1/с правоъгълна компенсация важи следното: u (k) u (k 1) + T e (k) = [3.12] i i. тогава: K SC = PG. 2 PGS [3.13] K isc = IG. 2 IGS [3.14], където PG е пропорционална печалба, IG е интеграционна печалба, PGS пропорционална печалба и IGS интеграционна печалба. Пропорционалната и интеграционната печалба е в диапазона, а теглото на пропорционалната и интеграционната печалба е в диапазона. Пропорционалната и интеграционна печалба може да се изчисли чрез следните връзки: (0.5) log (PG) PGS log log 2 log1 log PG log 2 log 0.5 log IG log 2 log1 log PG log 2 () PGS () () IGS () IGS [3.15] [3.16] [3.17] [3.18] ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДИСКОВО УСТРОЙСТВО 48
Например, ако коефициентът на усилване K = 0,05, тогава коефициентът на величина и пропорционалният коефициент на усилване се дават от [3.15] и [3.18]. log (0.5) log (0.05) log1 log (0.05) log 2 тегло log 2 3.3219 тегло 4.3219 тегло например: тегло = 4 тогава: печалба = K.2 = 0.05.2 4 = 0.8 PI контролер е подходящ, ако регулираната система е близо до системата от 1-ви ред. Периодът на вземане на проби често се избира колкото е възможно по-малък, за да може контролерът да работи възможно най-продължително. Контролираната променлива преди вземането на проби не трябва да бъде шумна или трябва да бъде подходящо филтрирана от аналогов филтър, периодът на вземане на проби трябва да се спазва с точност поне 10% и законът за контрол трябва да се изчислява в аритметика с достатъчна дължина на думата. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА УСТРОЙСТВО ЗА ДЕС
Следващите фигури показват текущия поток зад операционните усилватели на схемите IC8 и IC9. На фиг. 4.2 а) е ходът на DCB тока, т.е. токът, протичащ през резистора R31 (виж приложение 1). С предния ръб на ШИМ (син), токът превишава, което кара транзистора да се включи несъвършено. Водещият ръб (жълт) на 7-битовия A порт стартира DSP A/D преобразувателите. Това винаги се прави в средата на ШИМ периода, за да се гарантира, че се измерва средният ток. На фиг. 4.2 б) на свой ред е ходът на токове Ia и Ib в двата клона на преобразувателя. а) б) ФИГ. 4.2 а) ШИМ (синьо), ток Idc (лилаво) и текуща точка за измерване Idc (жълто), б) ШИМ (синьо), точка на измерване на тока Ia и Ib (жълто), ток Ia (лилаво) и ток Ib (зелено) Фиг. 4.3 зависимост на скоростта на двигателя от ШИМ режим ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДИСКОВО УСТРОЙСТВО 51
правила (напр. методът на Ziegler-Nicholson), за да направи този процес по-ефективен. Един от тях е: 1. Изключете компонента за интеграция. Постепенно увеличаваме усилването на пропорционалния компонент, докато настъпят постоянни трептения. След това намаляваме наполовина печалбата. 2. Бавно увеличаваме времевата константа на интегриране, докато настъпят постоянни колебания. След това ги увеличаваме три пъти. На фиг. 4.3 е текущата наредба. Фиг. 4.4 Желано управление Текущата стойност е 2A и желаната стойност (Желана стойност) се сравнява с действителната текуща стойност Idc. Настройката на контролера е както следва PG = 0,15, PGD = -1, IG = 0,01, IGS = 0. НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ЗА ДИСКОВО УСТРОЙСТВО 53
Фиг. 4.5 Текущо управление с промяна на параметрите на PI контролера Настройката на контролера е както следва PG = 0,5, PGD = -1, IG = 0,02, IGS = 0. На фиг. 4.5 е симулация, при която променяме текущата зададена точка. Настройката Pi на контролера е както в случая на фигура 4.3. Текущата зададена точка е в момент t 1 = 0A, t 2 = 1A, t 3 = 4A, t 4 = -1A, t 5 = -3A. 4.6 Симулация на промяна на текущата зададена стойност на Idc ИНВЕРТОР НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДВИГАТЕЛ ЗА ДИКТОР 54
4.3 Проверка на функцията за контрол на скоростта Това е управление от по-високо ниво в затворен контур и PI контролерът е настроен подобно на текущия контур. На фиг. 4.7 е контрол на скоростта. Зададената скорост (червена) е 1500 об/мин. PI контролерът се настройва, както следва: PG = 0,4, PGD = -6, IG = 0,001, IGS = -4. Фиг. 4.7 Контрол на скоростта Фиг. 4.8 Симулация на промяна на зададената стойност на скоростта ИНВЕРТОР НА НИСКО НАПРЕЖЕНИЕ ЗА ДИСКОВЕ НА ДЕС