DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 8
1. Vlastnosti pohonov s DC motormi, základné štruktúry výkonových častí
1.1 Výhody jednosmerných motorov
Jednosmerné motory majú veľmi veľký význam a preto je pri ich vývoji a výrobe
venovaná veľká pozornosť. Jednosmerné motory sa používajú všade tam, kde sa vyžaduje
široký rozsah regulácie rýchlosti, prípadne tam, kde sú ťažké podmienky rozbehu.
V posledných desaťročiach sa začali nasadzovať do výroby priemyselné roboty. Tieto
roboty vzhľadom na svoj charakter činnosti, vyžadujú také pohony, ktoré sú schopné
zabezpečiť čo najvyššiu dynamiku. Preto sú roboty osadzované jednosmernými motormi a
motormi špeciálnej konštrukcie, s veľmi nízkym momentom zotrvačnosti. Ďalšie ich
nenahraditeľné využitie je u obrábacích strojov, valcovacích stolíc, ťažných strojov
a v automobilovom priemysle. Jednosmerné motory sa vyznačujú jednoduchou
riaditeľnosťou otáčok a spoľahlivosťou. Jednou z možností regulácie otáčok, prípadne
reverzácie, je zmena napájacieho napätia. Túto zmenu umožňujú napäťové meniče. Vďaka
tranzistorovej štruktúre a použitím vhodnej spínacej modulácii dosahujú veľmi vysokú
účinnosť.
Jednosmerné motory vzhľadom k asynchrónnym strojom sú zložitejšie,
nákladnejšie na výrobu a teda aj drahšie a majú nákladnejšiu údržbu. Avšak stále existujú
oblasti, u ktorých sa jednosmerné motory používajú pre niektoré výhodné vlastnosti
a špeciálne charakteristiky. So zlepšovaním vlastností permanentných magnetov a objavu
nových materiálov, sa začali vyvíjať rôzne nové varianty ich konštrukcie.
1.2 Vlastnosti jednotlivých DC motorov a možnosti regulácie otáčok
Jednotlivé jednosmerné motory sa delia jednak v závislosti od prepojenia budenia
s obvodom kotvy tak aj podľa konštrukcie.
Delenie podľa druhu budenia:
• motor s cudzím budením alebo permanentným magnetom,
• derivačný motor,
• sériový motor,
• kompaudný motor (s kompaudným a protikompaudným budením).
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 9
1.2.1 Motor s cudzím budením a derivačný motor
Motor s cudzím budením má obvod budenia a obvod kotvy napájaný z dvoch samostatných
zdrojov jednosmerného napätia. [6] Ak sa na napájanie budenia použije ten istý zdroj ako na
napájanie kotvy, vznikne derivačný motor, ale tvar charakteristík sa tým neovplyvní. Motor s
cudzím budením a aj derivačný motor majú teda rovnaké mechanické, resp. elektromechanické
charakteristiky.
Obr. 1.1 Motor s cudzím budením a derivačný motor
Vzťah pre uhlovú rýchlosť motora:
Mc
RRCUI
CRRU
CU spa
aspai .
)(.
)(2φφφφ
ω+
−=+−
== [1.1]
kde:
π22.
2p
aNC = [1.2]
Rovnica definuje mechanickú rovnicu motora. Je zrejmé, že táto charakteristika
vyjadruje lineárnu závislosť otáčok na momente motora, čím z nej vyplývajú možnosti
regulácie otáčok motora. Vhodné je tieto otáčky regulovať napätím pripojeným na kotve,
lebo aj tu platí lineárna závislosť. Zo vzťahu pre uhlovú rýchlosť motora vyplýva, že
otáčky motora je možné riadiť troma spôsobmi:
• zmenou odporu Ra v obvode kotvy zapojením prídavného odporu Rsp,
• zmenou svorkového napätia U na kotve motora,
• zmenou magnetického toku Φ (t. j. budiacim prúdom Ib).
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 10
Obr. 1.2 a) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou odporu
v obvode kotvy; b) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou napätia na kotve; c) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou budenia; d) Zaťažovacie charakteristiky motora [2]
1.2.2 Sériový motor
Je to jednosmerný stroj so sériovým
zapojením obvodu kotvy a budenia, ktorý pracuje
v motorickom režime, t. j. mení elektrickú energiu
na mechanickú [6]. Používa sa dodnes
predovšetkým v doprave pre svoju výhodnú
mechanickú charakteristiku. Z jeho charakteristiky
tvaru hyperboly vyplýva, že sériový motor sa
nesmie spúšťať bez záťaže, pretože otáčky by sa
zvýšili teoreticky do nekonečna, prakticky tak
vysoko, že by sa stroj mechanicky poškodil
odstredivými silami pôsobiacimi na rotor.
a) b)
c) d)
Obr. 1.3 Sériový motor
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 11
Rovnice charakteristík sériového motora sú nasledovné:
aai I
CRU
CU .
φφω −
== [1.3]
McR
CU a .
)( 2φφω −= [1.4]
Z týchto rovníc vyplýva, že zmenu uhlovej rýchlosti sériového motora možno dosiahnuť:
1. zmenou svorkového napätia U motora
2. zmenou odporu Ra v obvode kotvy zapojením prídavného odporu Rsp
3. zoslabovaním budenia
1. Zmenou (zmenšením) napájacieho napätia motora možno získať ľubovoľné
charakteristiky posunuté voči vlastnej charakteristike smerom k menším rýchlostiam obr.
1.4 a). hranica trvalej prevádzky sa pri tomto type riadenia mení, pretože sa mení relácia I
= f(M) vo vzťahoch [1.3] a [1.4]. Riadenie uhlovej rýchlosti so sériovým budením zmenou
napájacieho napätia sa pri viacmotorových pohonoch (napr. trakčné pohony) najčastejšie
realizuje sériovým prípadne sériovo - paralélnym radením motorov, kedy motor je podľa
spôsobu zapojenia napájaný iba podielom celkového napätia zdroja.
Pre charakteristiku s napätím U1 platí:
φω
CIRU aa .1 −= , [1.5]
McR
CU a .
)( 21
φφω −= . [1.6]
2. Zapojením predradného odporu Rsp do obvodu motora sa zväčší úbytok napätia na
celkovom odpore Rc = Ra + Rsp. Rovnice motora budú potom nasledovné:
φφω
CIRRU
CU aspai ).( +−
== , [1.7]
Mc
RRCU spa .
)( 2φφω
+−= . [1.8]
Z rovníc vidieť, že zaradením odporu Rsp do obvodu motora sa zmení tvrdosť
charakteristiky. Nevýhodou tohto spôsobu riadenia rýchlosti sú Jouleove straty v
predradnom odpore. Charakteristiky motora pri tomto type riadenia sú na obr. 1.4 b).
3. S ohľadom na sýtenie magnetického obvodu prichádza do úvahy iba znižovanie
magnetického toku Φ, t.j. riadenie rýchlosti otáčania smerom nahor vzhľadom na vlastnú
charakteristiku. Zoslabenie magnetického toku možno dosiahnuť zmenou počtu závitov na
budiacom vinutí (špeciálny motor) alebo šuntovamím budiaceho vinutia odporom Rsh.
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 12
Znamená to odbočením časti prúdu motora mimo budiace vinutia do šuntu. Rýchlosť
otáčania odbudeného motora pri tých istých prúdoch je väčšia ako na vlastnej
charakteristike obr. 1.4 c). Rovnice motora budú potom nasledovné:
1
.φ
ωC
IRU aa−= , [1.9]
McR
CU a .
)( 211 φφ
ω −= , [1.10]
kde Φ1 < Φ je magnetický tok zodpovedajúci zmenšenému budiacemu prúdu. (pojem
"zmenšený budiaci prúd" znamená, že percentuálny podiel budiaceho prúdu na prúde
motora je menší. Inak, samozrejme, prúd v budiacom vinutí závisí od zaťaženia motora.)
Avšak preto, že platia rovnice [1.3] a [1.4], resp. IcM ..φ= , bude pri rovnakej hodnote
prúdu kotvy moment motora so šuntovanim budenia (odbudeného motora) menší ako
b) a)
c) d)
Obr. 1.4 a) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou odporu v obvode kotvy; b) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou svorkového napätia; c) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zoslabovaním budenia; d) Zaťažovacie charakteristiky motora [2]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 13
motora s plným budením. Oblasť trvalej prevádzky motora sa teda posúva (pozri obr.
1.4c), charakteristika odbudeného stroja bude mäkšia.
1.2.3 Kompaudný motor
Účinok sériového a derivačného budenia sa spočíta. Delí sa na kompaudný
a protikompaudný. Sériové vinutie zmäkčuje momentovú charakteristiku motora. Pri
preťažení vzrastie tok hlavných pólov, zväčší sa moment a znižujú sa otáčky. Kompaudný
motor tvorí prechod medzi motorom sériovým a derivačným. Kompaudné vinutie
odstraňuje nestabilitu derivačných motorov pri preťažení, hlavne v dobudenom stave, lebo
pri preťažení vzrastie tok hlavných pólov a potlačuje tak demagnetizačný účinok reakcie
kotvy. Používa sa pre pohony s ťažkými prevádzkovými stavmi ako sú: valcové stolice
,ťažké lisy, výťahy, bagre, prípadne oko trakčný motor u trolejbusov.
Obr. 1.5 Kompaudný motor, Zaťažovacie charakteristiky kompaudného motora [2]
1.2.4 Motor s permanentným magnetom
Konštrukcia malých jednosmerných motorov s permanentnými magnetmi až do
výkonu niekoľko kW sa podstatne líši od konštrukcie derivačných motorov s klasickým
budením, t. j. s navinutými budiacimi pólmi. V týchto malých motoroch sa používajú
vláknovo orientované ferity, ktoré sú magnetizované počas výroby, teda pred tým ako sa
upevnia do statora. Pre daný výkon je obvykle nevyhnutné vyrobiť väčšiu kotvu, ako
u motorov s navinutými budiacimi pólmi. Napriek tomu je motor s permanentnými
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 14
magnetmi menší ako s klasickým
budením, lebo nemá budiace
cievky. Tým možno znížiť
hmotnosť motora asi o 30 %.
Široký rozsah regulácie otáčok
umožňuje zmena svorkového
napätia motora. Uhlovú rýchlosť
motora je možné riadiť dvoma
spôsobmi:
• zmenou odporu Ra v obvode kotvy zapojením prídavného odporu Rsp,
• zmenou svorkového napätia U na kotve motora.
1.3 Pracovné režimy motorov V ustálenom stave, teda pri konštantnej rýchlosti sústavy, je dynamický moment nulový a platí:
0=− zMM [1.11]
Základná pohybová rovnica má tvar:
dtdJMM Zω.=− [1.12]
Z rovníc [1.10] a [1.11] vyplýva pre
ustálený stav pohonnej sústavy, že dω/dt = 0.
Interpretácia ustáleného stavu sústavy môže
byť dvojaká. V prípade, že M – Mz = 0, ide o
ustálený stav pohonnej sústavy, pričom
pohonný motor prekonáva záťažný moment,
teda tok energie ide od motora k pracovnému
stroju. V prípade, že - M + Mz = 0, ide o
ustálený stav sústavy v brzdnom režime
pohonu, pri ktorom pracuje pohonný motor
ako generátor. Pritom vytvára brzdný moment
(záporný moment), ktorý sa kompenzuje hybným momentom od pracovného stroja. Tok
energie ide od pracovného stroja k motoru. V prechodných (nestacionárnych) stavoch
pohonu platí dω/dt < > 0. V tomto prípade, ak Ma > 0, sústava sa zrýchľuje (t j. napr.
Obr. 1.7 Prevádzkové stavy motora
I kvadrant II kvadrant
III kvadrant IV kvadrant
Obr. 1.6 Motor s permanentnými magnetmi
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 15
rozbeh pohonu), ak Ma < 0, sústava sa spomaľuje (t.j. brzdenie pohonu). Spomaľovanie
(decelerácia) sústavy môže byť spôsobené tým, že záťažný moment Mz prevažuje nad
momentom motora M, alebo tiež tým, že pohonný motor pracuje v brzdnom režime, teda,
že jeho moment je záporný. Na obr. 1.7 sú znázornené všetky prevádzkové stavy motora.
Z obrázku vidieť, že motor môže pracovať v štyroch kvadrantoch. Pokiaľ motor je
navrhnutý pre jeden zmysel rýchlosti môže pracovať len v jednom kvadrante roviny n, M
a nie je určený pre elektrické brzdenie. Ak je Motor navrhnutý pre oba zmysly rýchlosti,
môže pracovať v prvom alebo tretom kvadrante roviny n, M a tak isto nie je určený pre
elektrické brzdenie. Motor určený pre oba zmysly momentu a zmyslu rýchlosti, umožňuje
elektrické brzdenie. Pracuje v prvom a druhom kvadrante alebo v tretom a štvrtom.
1.4 Meniče pre regulované pohony
Medzi základné požiadavky pohonu patrí možnosť jeho regulácie.
V predchádzajúcich kapitolách boli rozobrané vlastnosti jednosmerných pohonov
a možnosti otáčkovej regulácie. Zo vzťahu pre uhlovú rýchlosť motora je zrejme, že
otáčky motora je možné riadiť zmenou odporu Ra v obvode kotvy zapojením prídavného
odporu Rsp, zmenou magnetického toku Φ vplyvom zmeny budiaceho prúdu Ib, alebo
zmenou svorkového napätia. Zmenu svorkového napätia umožňujú polovodičové meniče.
Práve zmenou napätia sa dosahuje vysoká účinnosť regulácie a malé straty. Konštrukcia
výkonových meničov za posledné desaťročie prekonala výrazné zmeny. Ešte v osemdesiatych
rokoch mali meniče riadenie postavené predovšetkým na báze analógových operačných
zosilňovačov. Diskrétne číslicové obvody sa používali len v riadiacej logike a v nadradených
regulačných obvodoch za účelom dosiahnutia vyššej presnosti regulácie. Regulačná štruktúra
meničov bola jednoznačne definovaná osadením dosiek a ich prepojením s regulátormi.
Užívateľ mal možnosť meniť parametre regulátora, prípadne ich typ (P, PI, I, PID), len
výmenou spätno-väzobných prvkov operačných zosilňovačov. Zmena štruktúry a doplnenie
ďalšieho regulátora vyžadovala osadenie ďalších dosiek a zmenu zapojenia vodičov na
konektoroch. Tieto úkony boli pracné a ľahko mohlo pri nich dôjsť ku chybe. Problematická
a zdĺhavá bola aj diagnostika takýchto meničov. Postupné zavádzanie čoraz výkonnejších
mikroprocesorov do riadenia meničov sa prejavilo v podobe zvýšenia ich spoľahlivosti,
komfortu obsluhy a presnosti regulácie. Začali sa objavovať aj aplikácie, ktoré umožňujú
zasahovať nielen do nastavenia regulátorov, ale aj do ich štruktúry. Napriek tomu sú
možnosti zásadnejších zmien štruktúry regulácie priamo v meniči doteraz značne
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 16
obmedzené. Je to dané snahou výrobcov zabezpečiť spoľahlivú činnosť meniča. Jedným z
krokov k tomuto cieľu je povoliť užívateľovi čo najmenej takých zásahov do nastavenia
riadenia meniča, ktoré by mohli spôsobiť jeho poškodenie. Preto je dovolené len
parametrovanie pevne nastavenej štruktúry, čo pre väčšinu aplikácií vyhovuje.
Jednosmerné meniče rozdeľujeme na:
• nepriame jednosmerné meniče
• priame jednosmerné meniče
Nepriame jednosmerné meniče dopĺňajú výkonový rozsah tyristorových
usmerňovačov v oblasti malých výkonov pre dynamicky náročné pohony. Vyrábajú sa do
výkonu cca 10 kW. Schéma zapojenia výkonovej časti meniča je na obr. 1.8. Vstupné
sieťové napätie je najprv usmernené a z neho sa výstupné napätie vytvára pomocou
šírkovo-impulzovej modulácie so spínacou frekvenciou okolo 2 kHz. Vďaka takémuto
usporiadaniu sa odstráni oneskorenie reakcie meniča na zmenu riadiaceho signálu z
regulátora. Ďalšie zvýšenie dynamiky pohonu sa dosiahne využitím preťažiteľnosti
meniča, ktorý je schopný krátkodobo (rádovo stovky ms) dodávať násobky svojho
menovitého prúdu. V spojení s jednosmerným motorom s budením permanentným
magnetom (JSMPM), ktorý je pri nízkych rýchlostiach schopný dodať až desaťnásobok
svojho menovitého momentu, sa tak získa pohon s vysokou dynamikou využiteľnou
predovšetkým pri servopohonoch,
pohonoch posuvov obrábacích strojov a
pod. V prípade pohonu viacerých motorov
(napr. pohony vo viacerých osiach pri
obrábacom stroji) je možné použiť jeden
usmerňovač a zo spoločného medziobvodu
napájať meniče pre jednotlivé osi. Takéto
riešenie zníži náklady na pohon.
Priame jednosmerné meniče sa používajú tam, kde sa vyžaduje riadenie veľkých
výkonov, ale k dispozícii je len zdroj konštantného jednosmerného napätia. Typickou
aplikáciou sú meniče pre trakciu, kde sa používajú v kombinácii s jednosmerným sériovým
motorom. Spínacia frekvencia trakčných meničov sa pohybuje okolo 250 Hz. Pre vozidlá
napájané z trolejového vedenia sa používajú meniče s výkonmi rádovo stovky kW, kde sa
Obr. 1.8 Nepriamy menič
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 17
ako spínací prvok používa tyristor, v novších zariadeniach vypínateľné súčiastky ako GTO,
IGCT alebo IGBT. Pre elektromobily sa používajú meniče s výkonmi rádovo desiatky kW.
Tu sa ako spínače používajú tiež MOSFET tranzistory. Štruktúry zapojenia výkonovej
časti sa u rôznych výrobcov líšia, no v zásade sa používajú dva druhy meničov a to
znižovací a zvyšovací (obr. 1.9).
a) b)
Obr. 1.9 a) priamy znižovací menič, b) priamy zvyšovací menič
Rozdelenie podľa výstupného napätia k vstupnému:
• znižovací - pri napájaní motora zo zdroja,
• zvyšovací - pri brzdení motora, resp. rekuperácii energie z motora späť do na-
pájacej siete.
1.5 Základné štruktúry výkonových častí
Rozdelenie podľa štruktúry zapojenia výstupnej časti:
1. jednotranzistorový impulzný menič
2. polomostné zapojenie
3. plný most
1. Principiálna schéma zapojenia jednotranzistorového meniča je na obr. 1.10. Jedná sa
o jednokvadrantový menič. Je schopný vyvinúť len moment v smere pohybu, ktorý sa volí
prepínačom alebo signálom na vstupe jednotky. Motor sa u tohto typu meniča spomalí
alebo zastaví len mechanickými odpormi. Menič tvorí jeden spínací prvok, ktorý môže byť
zapojený buď v spodnej obr. 1.10 a), alebo vrchnej časti obr. 1.10 b). Konštantné napájacie
napätie je časovo rozdelené do impulzov s konštantnou frekvenciou a s riadenou šírkou
PWM. Pretože výkonový tranzistor je buď celkom otvorený nebo celkom zavretý,
nevznikajú na ňom takmer žiadne straty.
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 18
2. Ďalším typom meniča je zapojenie výkonovej časti do polomostu (obr. 1.10 c).
Jedná sa o štvorkvadrantový tranzistorový menič, ktorý je tvorený len polovicou mostíka,
pretože je napájaný z dvoch symetrických zdrojov. Pre jeden smer prúdu spína tranzistor
T1 a na motor je pripojené napätie +U. Počas vypnutia T1 vstupuje do činnosti dióda D2
a na motor je pripojený napäťový impulz z druhého napájacieho zdroja (-U). pre opačný
smer analogicky pracujú T2 a D3.
Obr. 1.10 a) jednotranzistorový impulzný menič v spodnej časti; b) jednotranzistorový
impulzný menič vo vrchnej časti; c) menič v zapojení polomost
3. Pre reguláciu veľkosti a smeru
otáčok sa začali v hojnej miere používať
meniče zapojené do plného mosta.
Menič je označovaný aj ako H – bridge.
Jedná sa o štvorkvadrantový impulzný
menič (4Q). Menič jednoduchej
konštrukcie umožňuje plynule meniť
šírkovou impulznou moduláciou
efektívnu hodnotu napätia a so zmenou
postupnosti spínania jednotlivých
spínacích prvkov aj reverzáciu pohonu.
Na obr. 1. 11 je znázornená principiálna schéma štvorkvadrantového meniča.
Menič je v princípe zapojený do mostíka (FULL - most) a možno s ním realizovať obidva
uvedené spôsoby reverzácie, prúdu kotvy aj napätia. Pre jeden smer prúdu a tým aj
a) b) c)
Obr. 1.11 Principiálna schéma štvor - kvadrantového impulzného meniča s tranzistormi
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 19
momentu v smere šípky spínajú tranzistory T1 a T4. Počas ich vypnutia sa uzatvára prúd
cez diódy D2 a D3. Riadenie sa realizuje kladnými aj zápornými impulzmi. Pre opačný
smer prúdu, spínajú tranzistory T2, T3 a po dobu ich vypnutia vstupujú do činnosti diódy D1, D4.
Týmto typom meniča dostávame najrýchlejšiu možnú reverzáciu rýchlosti a momentu. Preto je
používaný u pohonov s veľkými nárokmi na dynamiku pohonu, čoho typickými
predstaviteľmi sú práve pohony priemyselných robotov. Vďaka prudkému rozvoju štruktúry
tranzistora sa neustále zvyšuje hranica nominálnych parametrov tohto meniča. Súčasné
meniče sa vyrábajú s výstupným prúdom 50 až 150A a napätím 1200V, prípadne ešte
s vyšším prúdom 200A pri napätí 600V obr.11. Dominantnými spínacími prvkami sú
IGBT tranzistory, ktoré pracujú so spínacou frekvenciou 16 až 40 kHz.
1.6 Jednokvadrantové, dvojkvadrantové a štvorkvadrantové meniče
Vlastnosti meničov vyplývajú z obr. 1.12. Jednokvadrantové meniče používajú hlavne
staršie riadiace jednotky pre riadenie motorov s elektronickou komutáciou. Sú
najjednoduchšie a pracujú v prvom, respektíve treťom kvadrante. Sú schopné vyvinúť len
moment v smere pohybu, ktorý sa volí prepínačom. Motor sa u týchto jednotiek spomalí
alebo zastaví len mechanicky. Novšie, jednokvadrantové meniče, majú naviac možnosť
rýchlo zastaviť motor skratovaním vinutia, pokiaľ sa na vstup privedie riadiaci signál.
Dvojkvadrantové meniče pracujú v dvoch kvadrantoch. Meniče reverzačné pracujú
v 1. a 4. respektíve 2. a 3. kvadrante. Rekuperačné pracujú zase 1. a 2. respektíve 3. a 4.
kvadrante. Štvorkvadrantové obr. 1.13 meniče urýchľujú i spomaľujú motor v oboch
smeroch podľa priebehu riadiaceho signálu rýchlosti a pri nulovom signáli drží motor na
nulových otáčkach.
Obr. 1.12 charakteristika moment - otáčky
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 20
Obr. 1.13 priebeh napätí a prúdu 4Q meniča vo veľkých štyroch kvadrantoch [10]
1.7 Princíp činnosti meniča v zapojení plný most
V nasledujúcej kapitole bude popisovaný princíp činnosti meniča zapojeného ako
plný most označovaný aj ako štvorkvadrantový (4Q) menič prípadne H-bridge.
Menič umožňuje:
• meniť efektívnu hodnotu výstupného napätia šírkovou impulznou moduláciou,
• zmenou polarity napätia reverzovať otáčky DC motora,
• časový priebeh napätia alebo prúdu môže mať jednosmerný alebo striedavý
charakter.
Štvorkvadrantový menič umožňuje
jednoduché riadenie jednosmerných motorov.
Jeho jednoduchá FULL – mostová konštrukcia
umožňuje, jednak meniť veľkosť a smer
otáčok prípadne aj brzdenie. Týmto zapojením
sa dosahujú veľmi dobre dynamické
vlastnosti, ktoré sú veľmi potrebné pre
robotické systémy. Štvorkvadrantový menič
sa skladá zo štyroch spínacích prvkov
(ventilov) S1 až S4. Schéma zapojenia je na (obr. 1.15 a) Medzi stred každej vetvy je
pripojený jednosmerný motor. Celé zapojenie je napájané zo zdroja jednosmerného
napätia. Funkcia a smer otáčok rotora závisí od zopnutia jednotlivých spínačov. Po zopnutí
Obr. 1.14 4Q menič firmy Solutions [13]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 21
spínacích prvkov (obr. 1.15 b) S1 a S4 sa na napájacích svorkách motora objaví
jednosmerné napätie a otáčky motora budú mať tendenciu rozbiehať sa napríklad
pravotočivo. Po rozpojení spínacích prvkov S1 a S4 a zopnutí prvkov (obr. 1.15 c) S3
a S2 dôjde k prepólovaniu napätia na svorkách kotvy a tým k reverzácii otáčok
jednosmerného motora. Pre zabezpečenie dobrých dynamických vlastností umožňuje 4Q
menič aj brzdenie jednosmerného pohonu. Tento okamih nastáva po súčasnom zopnutí
spínacích prvkov S1 a S3 alebo S2 a S4 (závisí od smeru otáčok rotora).
Predchádzajúce zapojenie meniča by sa dalo použiť pre čisto odporovú záťaž, a to
iba teoreticky. Musela by platiť podmienka, že prúd klesne na nulu hneď s napätím na
záťaži. U pohonu neklesne prúd hneď na nulu s napätím, ale spojito tečie v istom smere
ešte určitý čas. Z tohto dôvodu musí sa základný obvod invertora prispôsobiť tak, aby
umožnil tiecť prúdu danému energiou nahromadenou v indukčnosti záťaže. Na obr. 1.16 je
obvod doplnený štyrmi spätnými diódami D1 až D4. Otvorením tranzistora T1 a T4 začne
tiecť prúd v smere prerušovanej čiary (obr. 1.16 a). Ich vypnutím sa prúd začne uzatvárať
nulovými diódami D3, D2 (obr. 1.16 b). Pre zmenu smeru zase zopnú tranzistory T2 a T3
Obr. 1.15 a) 4Q menič; b) smer otáčok vpravo; c) smer otáčok vľavo; d) brzdenie
a) b)
c) d)
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 22
(obr. 1.16 d). A prúd po ich vypnutí sa uzatvára diódami D1, D4 (obr. 1.16 e). Pre brzdenie
je potrebne zopnúť len tranzistor T4 nakoľko sa prúd v druhej vetve uzatvára cez diódu D2
(obr. 1.16 e). Na obr. 1.16 f) je menič, ktorý je spínaný symetricky takzvane do kríža.
Zopnutím tranzistorov T1 a T4 rozbehneme motor na požadované otáčky. Po ich
dosiahnutí tranzistory vypneme a zopneme na malý okamih tranzistory T2 a T3. Tento dej
sa cyklicky opakuje a otáčky motora nám kmitajú okolo požadovanej hodnoty. Výhodou
takéhoto riadenia je dosiahnutie veľmi dobrých dynamických vlastností pohonu.
Obr.16 a), b), c), d) menič so spätnými diódami; e) brzdenie; f) symetrické spínanie
d)
a) b)
c)
e) f)
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 23
1.8 Riadenie 4Q meniča Delenie riadenie meniča podľa metódy spínania ventilov:
• symetrická metóda (bipolárne riadenie)
• nesymetrická metóda (unipolárne riadenie)
• postupná metóda
Symetrická metóda je najjednoduchšia. U tejto metódy sa riadia všetky ventily meniča
a na kotvu motora prichádzajú impulzy s premenlivou polaritou. Ich dĺžka je riadená
riadiacimi signálmi. Na obr. 1.17 je znázornený priebeh signálov. Ich dĺžka závisí od a,
ktoré nadobúda hodnotu 0 až 1. Pre hodnotu striedy 1:1 (50% 50%) je stredná hodnota
napätia na kotve motora rovná nule. Tento spôsob riadenia sa používa u pohonoch s malým
výkonom. Jej prednosťou je jednoduchá realizácia riadiaceho systému a neexistuje zóna
necitlivosti. Privedené napätie na kotvu má však premenlivé znamienko, čo môže
v niektorých prípadoch spôsobovať pulzovanie momentu motora. Okrem toho vznikajú
tepelné straty v železe i medi, lebo pri striede 1:1 je efektívna hodnota prúdu nenulová.
a) b)
Obr. 1.17 a) priebeh signálov pri symetrickej metóde; b) priebeh signálov pri nesymetrickej metóde
Nesymetrická metóda riadenia je na obr. 1.17 b). Nevýhodou tejto metódy je
obtiažnejšie riadenie nakoľko pri spínaní ventilov (tranzistorov) sa všetky nevystriedajú
v jednom cykle. Tomuto stavu musia byť prispôsobené aj budiče spínacích prvkov.
V prvom cykle zopnú tranzistory T1 a T4 a v druhom tranzistor T1 sa vypne a T4 ostane
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 24
zopnutý. Prúd sa bude uzatvárať (obr. 1.16 e) cez diódu D2 motor a tranzistor T4. Jeho
hodnota bude rovná dsonda
i
RRRUI
..= [1.13], kde Ui je indukované napätie, Ra je odpor
kotvy, Rd odpor diódy D2 v priepustnom smere a Rdson je odpor prechodu unipolárného
tranzistora v zopnutom stave. Tento prúd nesmie prekročiť maximálnu povolenú hodnotu
prúdu polovodičov.
Delenie podľa časového priebehu riadiaceho signálu:
1. riadenie pri konštantnej frekvencii
2. riadenie pri konštantnom čase zapnutia
3. riadenie pri konštantnom čase vypnutia
4. riadenie pri konštantnom zvlnení
1. Riadenie pri konštantnej frekvencii: pri tomto spôsobe riadenia je frekvencia
spínania impulzového meniča konštantná a stredná hodnota výstupného napätia sa
mení len zmenou striedy (obr. 1.18 a). Je to najčastejšie používaný spôsob riadenia.
Výhodou je, že pri konštantnej frekvencii je jednoduchší návrh odrušovacích filtrov.
2. Riadenie pri konštantnom čase vypnutia: tento spôsob riadenia je charakteristický
tým, že čas zapnutia t1 je konštantný a výstupné napätie sa mení zmenou frekvencie
spínania (obr. 1.18 b).
3. Riadenie pri konštantnom čase vypnutia: pri tomto spôsobe riadenia je konštantný
čas vypnutia t0. Zmena strednej hodnoty napätia na záťaži je možná podobne ako v
druhom prípade len zmenou frekvencie spínania (obr. 1.18 c).
4. Riadenie pri konštantnom zvlnení: Riadenie pri konštantnom zvlnení záťažného
prúdu sa odlišuje od predchádzajúcich spôsobov riadenia v tom, že signály pre zapnutie
alebo vypnutie meniča sú odvodené od priebehu prúdu v záťaži. Prúd v záťaži má
konštantné zvlnenie ∆ Imot pri akejkoľvek strednej hodnote prúdu v záťaži (obr. 1.17
d). Z obrázku vyplýva, že pre splnenie požiadavky ∆ Imot= konšt. sa mení nielen
strieda, ale aj frekvencia spínania meniča.
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 25
Obr. 1.18 časový priebeh riadiacich signálov
1.9 Matematický model štvorkvadrantového meniča
Uvažujme zapojenie štvorkvadrantového meniča podľa obr. 1.19. používaného pre
napájanie jednosmerných servomotorov s permanentnými magnetmi [22].
Obr. 1.19 zapojenie štvorkvadrantového meniča
Menič riadime symetricky s šírkovou impulznou moduláciou (PWM) podľa
obr.1.20. Pri tomto riadení nemusí byť identifikovaný smer prúdu záťaže, pretože
tranzistory vo vetve sú preventívne striedavo zapínané bez ohľadu na aktuálny smer prúdu.
To, že je privedený na tranzistor spínací signál ale ešte nutne neznamená, že potečie týmto
tranzistorom (v smere kolektor - emitor) prúd. Ak je smer prúdu opačný, vedie
antiparalélna dióda – viď. obr.1.19. V modeli tohto štvorkvadrantového meniča je
uvažovaný ešte ďalší zjednodušujúci predpoklad a to nulová tzv. ochranná doba (dead
time), čo je čas medzi vypnutím jedného a zapnutím druhého tranzistora vo vetve. Z
obr.1.20. vyplýva, že sa na záťaži môže behom jednej periódy zmeniť ako polarita napätia,
tak aj smer prúdu (pri malom zaťažení motora dostávame striedavý prúd s jednosmernou
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 26
zložkou). Z pohľadu určenia výstupného napätia 4Q meniča nezáleží na tom, či vedie daný
tranzistor alebo antiparalelna dióda. Pri zanedbaní ochrannej doby je toto výstupné napätie
dané len riadiacim napätím a napätím píly:
Pokiaľ: Ur > Up potom UPM = Udc inak UPM = - Udc
Obr. 1.20 Priebehy veličín pri symetrickom (bipolárnom) riadení so zanedbaním ochrannej
doby
U matematického modelu 4Q meniča uvažujeme len stredné hodnoty výstupného
jednosmerného napätia. Prúd má spojitý tvar. Vyjdeme z rovnice prenosu:
PMpTPM
r
sPM eK
pUpUpF −== .
)()()( , [1.14]
z toho:
PMPM pT
K+
=1
1 , kde 22
1 Tf
TPM == . [1.15]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 27
Pre strednú hodnotu výstupného jednosmerného napätia platí:
,..
11.12.)(
.)(.
max
max
11121
rPMp
rdc
p
rdcdcdcdcs
UKU
UU
UUU
TTU
TTTT
UT
TTUU
==
=
−+=
−=
+−=
−=
[1.16]
spínací pomer:
maxmax
max1 12 p
r
p
rp
UU
UUU
TT
+=+
= , [1.17]
zosilnenie meniča:
maxmax p
dc
p
dc
r
dc
r
sPM U
UUU
UU
UUK ==== . [1.18]
Zosilnenie KPM je konštantné, nezávislé na pracovnom bode Ur.
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 28
2. Návrh štruktúry pohonu (výkonová časť) Návrh a konštrukcia musí spĺňať viacero požiadaviek:
• musí byť navrhnutá tak, aby sme mohli dosiahnuť nominálne hodnoty
regulovaného jednosmerného motora,
• nesmie ani krátkodobo presiahnuť maximálne dovolené napätia a prúdy
polovodičov zapríčinené napäťovými a prúdovými špičkami pri prechodových
dejoch,
• požadovanú šírku spínacej frekvencie,
• neprekročiť dovolené oteplenie,
• možnosť brzdenia.
Požadované technické údaje:
Napájacie jednosmerné napätie: 24V.
Výstupný prúd: ≥ 12A.
Frekvencia PWM: ≥ 10 kHz.
Brzdenie do odporníka.
Vstupy / výstupy vyvedené na univerzálny konektor.
Možnosť napájania DSP.
Ochrana výkonových tranzistorov.
2.1 Návrh výkonovej časti
Menič bude napájaný zo zdroja jednosmerného napätia 24V a prúdová
zaťažiteľnosť je požadovaná čo najvyššia 12A. Štvorkvadrantový menič bude mať
napäťový charakter. Brzdenie bude realizované odporníkom.
Výkonovú časť meniča môžme realizovať buď diskrétnymi súčiastkami, alebo
monolitickým integrovaným obvodom. Spínacie prvky meniča tvoria buď bipolárne, alebo
unipolárne tranzistory avšak najrozšírenejšie sú v súčasnosti IGBT tranzistory.
Výkonová časť meniča sa skladá z nasledujúcich blokov:
• bloku budenia MOS – FET tranzistorov,
• bloku snímania prechodu nuly,
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 29
• bloku snímania jednosmerného prúdu,
• obvodu brzdenia,
• obvodu pre limitovanie výstupného prúdu,
• obvodu pre identifikáciu,
• obvodu napájania,
• obvodu H – mostíka.
2.2 Výkonová časť s monolitickým integrovaným obvodom
Na trhu je veľké množstvo výrobcov s integrovanými obvodmi, ktorí vyrábajú
veľké množstvo variácii 4Q meničov. Jednotlivé obvody sa líšia medznými hodnotami
napätia a prúdov, ale aj integrovanou riadiacou logikou, ktorá je kompatibilná s logikou
ovládajúcich mikropočítačov TTL/CMOS. Napriek potrebe použitia minimálneho
množstva súčiastok, nie sú vhodné na realizáciu nášho meniča, nakoľko ich výstupný prúd
nedosahuje požadovanú
veľkosť. Ich výkon je
obmedzený tepelnými stratami
a rozmermi púzdra
integrovaného obvodu tak aj
možnosti odvodu tepla.
Vyrábajú sa buď v zapojení H
– bridge (výkonovú časť tvorí
dvojica spínacích prvkov, ale
veľkou nevýhodou je potreba
symetrického napájania).
V zapojení FULL - bridge (výkonovú časť tvorí štvorica spínacích prvkov).
Na obr. 2.1 je bloková schéma monolitického obvodu TLE 5206 firmy Infineon
Technologies. Obvod umožňuje pripojiť na výstupné svorky OUT1 a OUT2 jednosmerný
motor. Integruje v sebe mostové zapojenie meniča a bloky indikácie chyby, dva bloky
obvodov pre diagnózu a ochranu. Vstupy sú opatrené hysteréznym komparátorom. Môže
pracovať v rozsahu napájacieho napätia 0 – 40V a výstupný prúd môže byť až 5A.
Maximálna spínacia frekvencia 40 kHz. Pracovná teplota obvodu je v rozsahu - 40 až 150
Obr. 2.1 Bloková schéma obvodu TLE 5206
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 30
ºC. Odpor RDS = 200Ω. V závislosti od logických stavov ovládame 4Q menič. Tabuľka
týchto stavov je v Tab. 1.
V Tab. 2 je porovnanie jednotlivých monolitických obvodov od rôznych svetových
výrobcov polovodičov. Obvody v tabuľke sú zoradené podľa maximálneho výstupného
prúdu. Ani jeden z obvodov nedosahuje požadovaný prúd nášho meniča. V stĺpci PWM je
u niektorých obvodov znázornená maximálna vstupná frekvencia PWM obvodu. Niektoré
obvody umožňujú súčasné nezávisle riadenie dvoch motorov. V ich púzdre je integrovaná
dvojica H –mostíkov.
IN1 IN2 OUT1 OUT2 Popis L L L L Brzdenie, spodnými tranzistormi L H L H Otáčky vľavo H L H L Otáčky vpravo H H H H Brzdenie, vrchnými tranzistormi
Tab. 1 Funkčná tabuľka obvodu TLE 5206
typ max. napätie [V]
max. prúd [A]
PWM [kHz]
počet H - mostov výrobca
UPD168302 3,6 0,6 100 2 NEC L293 50 1,2 2 SGS Thomson Microelectronics MPC17510 15 1,2 1 Freescale (Motorola) ZHB6718 20 2,5 1 Zetex Semiconductors L298 50 3 2 SGS Thomson Microelectronics LMD18200 55 3 1 National Semiconductor IR8200 55 3 1 International Rectifier TPIC0108B 40 5 2 1 Texas Instruments MC3387 40 5 10 1 Motorola PC33886 36 5,2 1 Motorola TLE5206 40 6 1 Infineon VN770 26 9 1 ST Microelectronics
Tab. 2 Porovnanie monolitických obvodov 2.3 Obvod H - mostíka Návrh meniča z diskrétnych súčiastok umožňuje dosiahnuť omnoho vyššie
výstupné prúdy ako u monolitických obvodov. Jednotlivé spínacie prvky majú vlastné
púzdra a nie sú v spoločnom púzdre s riadiacim obvodom a tým je zabezpečené lepšie
chladenie a na rozmery spínacích prvkov nie je kladený veľký nárok. Ako spínací prvok
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 31
som vybral HDTMOS E - FET tranzistor
pod označením MTB75N06HD od firmy
Motorola. Tranzistor bol navrhnutý pre
ovládanie motorov prostredníctvom šírkovej
impulznej modulácii. Tranzistor v sebe
združuje spätnú shottkyho diódu. Technické
parametre tranzistora sú v tabuľke Tab. 3.
Popis Symbol Rozsah Jednotka Maximálne napätie medzi Source - Drain VDSS 60 V Drain výkon PD 125 W Výstupný prúd (pri teplote puzdra 25 ºC ) ID 75 A Výstupný prúd (pri teplote puzdra 100 ºC ) ID 50 A Pracovná teplota t -55 až 150 ºC Odpor medzi Source a Drain v zapnutom stave RDS 8,3 až 10 mΩ Zapnutie prvku td(on) 18 až 26 ns Vypnutie prvku td(off) 67 až 94 ns
Tab. 3 Technické parametre tranzistora MTB75N06HD (pri teplote 25 ºC )
Z parametrov prvku vidieť že konštrukcia meniča použitím tohto spínacieho
prvoku bude dostatočne nadimenzovaná.
Obr. 2.3 Schéma zapojenia H - mostíka
Na obr. 2.3 je znázornená schéma štvorkvadrantového meniča. Princíp činnosti je
nasledovný: zapojenie je napájané z externého zdroja jednosmerného napätia 24V. Jeho
indikácia je zabezpečená led diódou LED1. Zenerová dióda orezáva prípadné napäťové
špičky na 30V. Za ňou je zapojený napäťový delič, ktorým sledujeme zmeny napätia. Ďalší
obvod predstavuje obvod brzdenia. Cez spätné diódy výkonových tranzistorov sa indukuje
napätie motora. Toto napätie môže prekročiť napájacie napätie. Tomuto nežiadúcemu
Obr. 2.2 Tranzistor 75N06 a jeho puzdro
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 32
stavu (v prípade ak nechceme rekuperovať do siete) zabránime brzdiacim obvodom.
Zopnutím tranzistora T5 pripojíme k jednosmernému obvodu (DC BUS) rezistor R8, čím
nastane pokles napätia. Dióda D5 zrazí spätné indukované napätie na odpore (väčšinou sa
používa rezistor s vinutým odporovým drôtom). Elektrolytické kondenzátory C1 až C3
jednak filtrujú jednosmerné napätie, ako aj určujú meniču napäťový charakter. Hlavnú časť
výkonového obvodu tvorí štvorica FET tranzistorov zapojených do plného mostu. V každej
vetve je zapojená dvojica tranzistorov T1, T2 v jednej vetve a rezistor R16 a v druhej T3
a T4 s rezistorom R17. Každá vetva tvorí jednu fázu. Úbytkom napätia na rezistoroch sa
sleduje pretekajúci prúd jednotlivými vetvami. Úbytkom na rezistore R31 sleduje
pretekajúci prúd z jednosmerného zdroja. Prekročením dovoleného jednosmerného prúdu
dôjde k zablokovaniu budiacich obvodov.
Výpočet napäťového deliča je nasledovný:
Požadované výstupné napätia na odbočkách deliča sú 3 a 3,3V pri vstupnom napätí
30V obr. 2.4. Vstupné napätie sa pri výpočte uvažuje 30V z dôvodu indukovaného napätia
riadeného motora. Prúdy I2 a I3 sú také malé, že ich môžeme pri výpočte zanedbať.
Jednotlivé hodnoty odporov deliča nahradíme sériovým zapojením rezistorov z radu R12.
Výsledné zapojenie je na obr.26 a tvorí ho sieť rezistorov s triedou presnosti 1%.
mAI 11 =
AII 0, 32 →
Výpočet jednotlivých odporov deliča:
Ω=Ω=−
=−
=∆
= − kAV
IUU
IUR 7,2610.7,26
10.13,330 3
31
21
1
11
Ω==∆
= − 30010.1
3,03
1
22 A
VIUR
Ω=Ω==∆
= − kA
VIUR 310.3
10.13 3
31
33
Stratový výkon deliča:
mWWAVIUP 3003,010.1.30. 311 ==== −
Z rady R12 rezistorov som vybral rezistory ktoré sú
spojené do série:
Ω=Ω+Ω= kkkR 32,18,11 Obr. 2.5 Výsledné
zapojenie deliča
Obr. 2.4 Napäťový delič
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 33
Ω=Ω+Ω= 3001201802R
Ω=Ω+Ω= kkkR 7,267,4223 2.4 Blok budenia MOS - FET tranzistorov
Blok umožňuje striedavo budiť dvojicu MOS - FET tranzistorov. Schéma zapojenia
je na obr. 2.6. Princíp činnosti je nasledovný: Vstupný signál z mikropočítača šírkovo
impulzného charakteru prechádza cez oddeľovací obvod 74LS1034 (74LS07D). Spínací
signál ďalej pokračuje na vstup budiča tranzistorov. Tvorí ho integrovaný obvod IR2112S
od firmy International rectifier. Bloková štruktúra tohto obvodu je na obr. 2.7. Výstupný
signál je privedený cez rezistor R13 a R15 na hradlo G tranzistorov T1 a T2. Kondenzátory
C7, C8 a C11 filtrujú napájacie napätie. Cez diódu D5 sa nabíja kondenzátor C5 , ktorý
nám umožňuje spínať tranzistor T1. Obvod je vybavený vstupom SD ktorým v prípade
poruchy alebo prekročenia povoleného prúdu môžeme tranzistory okamžite vypnúť.
Obr. 2.6 Schéma zapojenia: budenia MOS – FET tranzistorov
Vnútorná štruktúra obvodu IR2112S je na obr. 2.7. Jedná sa o rýchly obvod pre
použitie aj pre vysoké napätia do 600V. Umožňuje budiť MOSFET a IGBT tranzistory.
Tranzistory na strane LO (tranzistor T2) a strane HO (tranzistor T1) dokáže budiť
nezávisle na sebe. Vstupná logika obvodu je kompatibilná s CMOS a LSTTL. Celý obvod
je navrhnutý tak, aby vyžadoval minimum externých súčiastok.
Obr. 2.7 Vnútorná štruktúra obvodu IR2112S [18]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 34
2.5 Blok snímania nuly
Schéma zapojenia je na obr. 2.8. Snímame prechod nulou pre fázy A aj B. Snímané
napätie fázy A cez napäťový R39, R40, R41. Napätie je privedené cez dolnopriepustný
filter na neinvertujúci vstup
komparátora LM339. Komparátor
porovnáva snímané napätie
s napätím z napäťového deliča
DC2. Tento blok sa používa pri
riadení brushless (BLDC) motorov.
Umožňuje zmerať skutočné
indukované napätie.
Obr. 2.8 Blok snímania prechodu napätia nulou 2.6 Blok snímania jednosmerného prúdu
Úbytkom napätia na rezistoroch R16 a R17 zapojených v spodnej časti mostíka
(obr. 2.3) vieme určiť aktuálny prúd fázy. Úbytok napätia je privedený na diferenciálny
zosilňovač obvodu MC33502. V závislosti od vzrastajúceho prúdu a úbytku napätia na
rezistore R16 a R17 (pri prúde 50A vznikne úbytok na rezistore 50 mV), dochádza
k zmene výstupného napätia diferenciálneho zosilňovača. Čím je väčší napäťový rozdiel
medzi invertujúcim vstupom tým aj lineárne vzrastá výstupné napätie zosilňovača. Toto
zapojenie je vhodné pre spracovanie
signálu v A/D prevodníkoch. Jeho
zosilnenie je určené A = R30/R27
u fázy B. Neinvestujúci vstup je
pripojený ku konštantnému zdroju
napätia 1,65V aby sme mohli zmerať
prúd v oboch smeroch. Úbytok na
rezistore R16 (R17, R31) 46mV
zodpovedá prúdu 46A.
Zosilnenie operačného zosilňovača
IC8B:
3333,333
1002730
=ΩΩ
==kk
RRA
Obr. 2.9 blok snímania jednosmerného prúdu
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 35
Úbytkom na rezistore R17 dostaneme úbytok napätia:
Imax=46A
mVVAIRU 46046,046.001,0.16 max ==Ω==∆
Výstupné napätie operačného zosilňovača IC8B je :
Uofset=1,65V
VVUAU 53333,1046,0.333,33. ==∆=
VUUU ofsetvýst 183,365,153333,1 =+=+=
Z toho vyplýva, že pri pretekajúcom prúde 46A na výstupe OZ IC8B nameriame
výstupné napätie 3,183V. Nakoľko blok limitovania výstupného prúdu zablokuje po
prekročení maximálneho prúdu budiče tranzistorov, vypočítané napätie je na výstupe OZ
maximálne.
2.7 Blok obvodu brzdenia V prípade aktívneho brzdenia alebo rýchlej reverzácie dochádza k rekuperácii
energie spätne do napájacieho zdroja. To spôsobuje zvýšenie napätia na kondenzátoroch
C1 až C4 (obr. 2.3). Ak túto
prebytočnú energiu nemôžeme
rekuperovať do siete, musíme ju
v brzdiacom odpore premeniť na
teplo. Pripojenie takejto pasívnej
záťaže nám umožňuje obvod
brzdenia. Tranzistor T5 (obr.2.3)
pripojí rezistor R8 paralelne ku kondenzátorom až do tej doby, kým sa celá prebytočná
energia nepremení na teplo. Schéma zapojenia budiča tranzistora je na (obr. 2.10). Vstupný
signál brzdenia je pripojený cez odporový delič R10 a R9 na vstup budiča MC33152.
Výstupné napätie je priamo prepojené cez rezistor R11 na hradlo tranzistora T5.
Kondenzátor C19 ošetruje vstup obvodu voči zákmitom a kondenzátor C20 filtruje
napájacie napätie. Otvorenie tranzistora T5 je závislé od ovládacieho DSP pripojeného na
zbernicu.
Obr. 2.10 Schéma zapojenia: obvodu brzdenia
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 36
2.8 Obvod pre limitovanie výstupného prúdu
Princíp činnosti je nasledovný:
výstupné napätie z diferenciálneho
zosilňovača IC9 (obr. 2.11) je
privedený cez filter R54 a C21 na
neinverujúci vstup komparátora
LM393. Ak napätie na tomto vstupe
presiahne 3,15V (čomu zodpovedá
prúd 46A z napájacieho napätia),
komparátor zablokuje oba budiče
MOS FET tranzistorov. Tým zabráni
ich prierazu a zničeniu meniča.
Rezistor R58 zapojený v spätnej väzbe vytvorí na prevodovej charakteristike komparátora
určitú oblasť necitlivosti ( hysterézy ) komparátora na prípadné malé zmeny vstupného
napätia a zároveň sa zabezpečí zostrmenie prechodu výstupu komparátora z kladnej
saturácie do zápornej alebo naopak.
2.9 Obvod pre identifikáciu
Slúži pre identifikáciu meniča na zbernici. Jeho
výstupná frekvencia je 1,5 kHz. Schéma zapojenia je na
(obr. 2.12). Týmto obvodom zabezpečíme ochranu
možnej zámeny rôznych typov meničov (využívajúce
zhodnú univerzálnu zbernicu) v spojení s riadiacim
obvodom. V prípade zámeny by mohlo dôjsť
k poškodeniu výkonovej časti.
2.10 Obvod napájania Slúži na napájanie všetkých blokov meniča a DSP. Tvoria ho tri vetvy. V prvej vetve
jednosmerné napätie 24V je filtrované kondenzátormi C33 a C45 toto napätie je ďalej
znížene meničom IC1 na 8,2V. Následne je ďalej stabilizované obvodom IC2 na 5V_D
(digitálnych). Ďalej je v ceste zaradený filter tvorený z indukčností L1, L2
Obr. 2.11 Schéma zapojenia obvodu limitovania výstupného prúdu
Obr. 2.12 Schéma zapojenia
obvodu pre identifikáciu
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 37
a kondenzátorov C36, C37, C38 a C39. Filter oddeľuje digitálnu zem od analógovej časti.
Stabilizátor IC3 stabilizuje na 3,3V_A (analógových) a týmto napätím cez predradný odpor
R18 napájame zdroj referenčného napätia IC4. V ďalších dvoch vetvách je napätie 24V
meničom IC13 znížené na 12V_D a cez filter FLT1 napájame ním budiče tranzistorov.
V poslednej vetve stabilizátorom IC14 napájame 15V_D kit plošného spoja s DSP.
Výpočet výstupného napätia je nasledovný:
Pre obvod IC1 platí: Volím: Uout = 8,2V, R59 = 1,2k, Uref = 1,23V,
potom:
Ω=−Ω=−= kVVk
UURR
ref
out 8,6)123,12,8.(2,1)1.(5960 .
Pre obvod IC4 platí:
Výstupné referenčné napätie je Uout = 1,65V, R16 = 100 kΩ :
Ω=−Ω=−= kVVk
UURR
ref
out 065,33)124,165,1.(100)1.(1620 .
R20 volím 33kΩ potom:
Vkk
RRUout 6492,1)1
10033.(24,1)1
1620.(24,1 =+
ΩΩ
=+= .
Obr. 2.13 Schéma zapojenia zdroja
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 38
2.11 Bloková štruktúra výkonovej časti a konštrukcia prototypu meniča
Na obr. 2.15 je bloková
štruktúra navrhnutého
meniča. Počas práce bol
skonštruovaný prototyp
meniča (obr. 2.14) na
ktorom boli overené
teoretické vedomosti
a funkčnosť celej
konštrukcie. Menič je
zostrojený z bežne
dostupných súčiastok
(viď. príloha č. 4).
Konštrukcia prototypu sa
nezhoduje v zapojení
s finálnou konštrukciou
a to v nasledujúcich
bodoch:
• budič MC33152 v obvode brzdenia bol nahradený logickým obvodom
neinvertujúceho oddeľovača CD4050,
• zdroj referenčného napätia LM285M v obvode napájania bol nahradený
obvodom LM317LZ,
• rezistory 1 mΩ pre snímanie prúdu boli nahradené paralelným spojením
desiatich rezist. o hodnote 100 mΩ, čím som dosiahol výsledný odpor 10 mΩ,
• bolo zmenené zosilnenie operačných zosilňovačov MC33502,
• tranzistory MTB75N06 boli nahradené 45N03LT,
• menič LM2575D2T bol nahradený stabilizátorom 7812,
• napájacie napätie bolo znížené na 15V.
Osadený jednostranný plošný spoj meniča prototypu bol odskúšaný, na základe
ktorého bola uskutočnená korektúra schémy. Finálna schéma zapojenia navrhnutého
Obr. 2.14 Prototyp meniča
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 39
meniča je uvedená v prílohe (viď. príloha 1) a súpis použitých súčiastok (viď. príloha 2).
Na základe schémy bol navrhnutý finálny plošný spoj meniča (viď. príloha 3). Jedná sa
plošný spoj s SMD montážou.
Menič bude prepojený cez
vstupný/výstupný konektor
s digitálnym signálovým
procesorom. Nasledujúca
kapitola sa bude zaoberať
riadením skonštruovaného 4Q
meniča a navrhnutím
riadiaceho obvodu. Výsledkom
práce bude experimentálne
overenie funkčnosti, rýchlostné
(polohové) riadenie.
2.12 Pojednanie o laboratórnom systéme
Praktický návrh riadiaceho
algoritmu pre elektrický pohon vyžaduje
k testovaniu správania sa pohonu
vhodný laboratórny systém. Tvoria ho
jednotlivé funkčné bloky znázornené na
obr. 2.16 a). Skladá sa z výkonovej časti,
ktorú tvorí navrhovaný 4Q menič, motor
a pracovný mechanizmus. Riadiaci
systém tvorí DSP, snímače a blok
nadradeného riadiaceho systému PC.
2.13 Regulovaný pohon HSM60 Pohon v laboratórnom systéme bude tvoriť motor s označením HSM60 [23]. Jedná
sa o servomotor: sú to prvok regulačnej sústavy, pre ktorý je vstupná veličina elektrická
(riadiace napätie) a výstupná veličina je mechanická (otáčky). Ich vlastnosti charakterizujú
momentová charakteristika a elektromechanická časová konštanta.
Obr. 2.16 a) štruktúra laboratórneho systému, b) bloková schéma výkonovej časti elektrického pohonu
Obr. 2.15 Bloková štruktúra meniča
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 40
Na servomotory sa kladú najmä tieto požiadavky:
• stabilita a linearita momentovej charakteristiky v celom rozsahu otáčok,
• linearita závislosti otáčok od riadiaceho napätia (regulačná charakteristika) a veľký
regulačný rozsah,
• pri nulovom riadiacom napätí sa motor nesmie otáčať,
• veľká rýchlosť odozvy,
• malý riadiaci príkon.
Rotor jednosmerného servomotora HSM 60 je skonštruovaný bez feromagnetických
otáčavých častí. Vyznačuje sa malou hmotnosťou a tým veľmi malým momentom
zotrvačnosti. Servomotor je budený permanentnými magnetmi s vysokým koeficientom
BHmax., čo umožňuje dosiahnuť optimálne sýtenie vo vzduchovej medzere a tým i veľkého
záberového momentu. Vnútorný tvar servomotora je valcový. Na prednej strane kruhovej
príruby je vyvedený výstupný
hriadeľ pre pripojenie záťaže.
Zakončenie hriadeľa je
kužeľové. Opačná strana
hriadeľa je valcová a je k nemu
pripojený tachogenerátor pre
snímanie otáčok. Na obr. 2.18
je prevádzková charakteristika
motora. Vo vyšrafovanej časti
je možná prevádzka len s cudzím
chladením.
Obr. 2.17 Motor HSM 60 s tachogenerátorom
Obr. 2.18 Prevádzková charakteristika motora
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 41
Technické údaje motora [23]:
Menovité parametre:
Napätie: UN = 12 V
Moment: MN = 0,108 Nm
Otáčky: nN = 5320 min-1
Prúd: IN = 7,5A
Výkon: PN = 59 W
Účinnosť: η = 65%
Ostatné parametre:
Otáčky naprázdno: 6270 min-1
Moment zotrvačnosti rotora: 38.10-7 kgm2
Elektrická časová konštanta: 160 µs
Elektromechanická časová konštanta: 4,5µs
Celkový odpor pri 20 ºC 0,42 Ω
Prúd naprázdno 1,5A
Straty naprázdno 18W
Indukčnosť 60 µH
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 42
3. Navrhnutie riadiaceho obvodu
3.1 Riadenie a regulácia
Elektrický pohon je sústava elektromechanických zariadení pre elektromechanickú
premenu energie riadenú vstupnými požadovanými hodnotami veličín (ω žiadané, φ žiadané ),
ktoré sú určené nadradeným riadiacim systémom, alebo obsluhou a výstupné veličiny sú
parametre mechanického pohybu (ω skutočné, φ skutočné). Spätnoväzobné signály nám dávajú
informácie o skutočnom stave výstupu. Základná štruktúra regulovaného pohonu je na obr.
3.1.
Obr. 3.1. Základná štruktúra regulovaného pohonu
Regulácia môže byť na:
• žiadaný moment,
• žiadanú uhlovú rýchlosť (otáčky),
• žiadanú polohu.
Regulácia uhlovej rýchlosti.
Štruktúra elektrického pohon pre reguláciu rýchlosti musí byť riešená tak, aby pri
zmene záťažného momentu motor vytvoril požadovaný dynamický moment. Smer tohto
momentu určuje regulačná odchýlka rýchlosti. Pri regulácii nesmie dôjsť k prúdovému
preťaženiu kotvy. Ochrana napájacích zdrojov musí zamedziť prekročeniu prípustnej
hodnoty prúdu. Toto nám zabezpečuje prúdová spätná väzba s príslušným regulátorom. Na
obr. 3.2 b) je uvedená najpoužívanejšia funkčná bloková schéma. Má sériové zapojenie
regulačných obvodov s podradenou prúdovou slučkou. Maximálna prípustná hodnota
prúdu je nastavená obmedzovacím členom OČ na výstupe nadriadenej rýchlostnej slučky,
ako žiadaná hodnota prúdu.
Regulácia polohy.
Polohový systém vznikne z reverzačného rýchlostného systému nadradením
polohovej slučky. Regulovanou veličinou je uhlová alebo lineárna poloha. Regulácia
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 43
polohy so často vyskytuje v technickej praxi a v robotike je jednou z hlavných
požiadaviek. Poloha je zadávaná nadradeným technologickým riadiacim systémom. Podľa
spôsobu zadávania môžeme rozdeliť systémy na sledovacie, u ktorých žiadaná hodnota
polohy sa mení spojite a cieľové, u ktorých žiadaná hodnota sa mení skokovo. Na obr. 3.2
a) je znázornená funkčná bloková schéma.
Obr. 3.2 a) regulácia polohy; b) regulácia uhlovej rýchlosti
3.2 Riadiaci systém pohonu
3.2.1 Digitálny signálový procesor Výkonová časť navrhnutého meniča
bude ovládaná digitálnym signálovým
procesorom od firmy Freescale pod označením
DSP56F805 [13]. Jedná sa o 16 bitový procesor.
Osadený je vo vývojovej doske firmy Freescale
Semiconductor obr. 3.3. Bloková schéma
vývojovej dosky je na obr. 3.4.
Vlastnosti DSP56F805 a vývojovej dosky:
• Frekvencia 80 MHz
• 2 x 4 kanálový 12-bit A/D prevodník
• JTAG a RS232 zbernicu
• 2 x 6 kanálový PWM Obr. 3.3 Vývojová doska Freescale
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 44
• 16 časovače
• Vstupno /výstupné porty B, D, E
• 31,5K x16-bit Flash pre program
• 512 x 16-bit RAM pre dáta
• 4K x 16-bit Flash pre dáta
• 2K x 16-bit RAM pre dáta
• 2K x 16-bit boot Flash
Výkonová časť meniča bude prepojená s riadiacim systémom cez univerzálnu 40
pinovú zbernicu UNI_3. V Tab. 4 sú popísané piny, ktoré sa využijú na prepojenie meniča
s DSP. Štvoricu tranzistorov T1–T4 ovládame komplementárnou šírkovou impulznou
moduláciou výstupmi PWM AT, AB, BT a BB. Tieto výstupy sú pripojené u DSP na
PWM 0 až PWM 3. Digitálna GND a analógová zem GNDA je navzájom oddelená, aby
sme vylúčili vzájomnému rušeniu. DSP bude napájané z osobitného zdroja, preto sme piny
pre napájanie nechali nezapojené. Ďalej využívame päticu 12 bit A/D prevodníkov na
meranie analógových veličín napätia, prúdu a otáčok. Brzdenie odborníkom ovládame
portom B bitom 5, ktorý je nastavený ako výstupný. Identifikácia meniča prebieha tiež
Obr. 3.4 Bloková schéma vývojovej dosky [13]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 45
prostredníctvom portu B a bitom 7, ktorý je v tomto prípade vstupný. Prechod nulou
a snímanie nuly pri kaskádnej regulácii nevyužijeme.
3.2.2 Snímač otáčok
Ako snímač otáčok využijeme tachogenerátor MEZ NÁCHOD K4A5. Sú to prvky
regulačných sústav, v ktorých vstupná veličina je mechanická (otáčky) a výstupná veličina
je elektrická (výstupné napätie). Túto ich vlastnosť charakterizuje výstupná charakteristika,
to znamená závislosť výstupného napätia od otáčok rotora.
Na tachogenerátory sa kladú tieto požiadavky:
• čo najmenšia odchýlka výstupnej charakteristiky od lineárnej,
• čo najmenšia zmena fázy výstupného napätia proti budiacemu napätiu pri zmene
otáčok,
PIN Označenie Pripojenie Popis 1 PWM AT PWM 0 PWM T1 3 PWM AB PWM 1 PWM T2 5 PWM BT PWM 2 PWM T3 7 PWM BB PWM 3 PWM T4 2, 4, 8, 6, 10 NC nepripojený
9, 11 nevyužitý PWM 4, PWM 5 PWM fázy C
12, 13 GND digitálna zem 14, 15, 16, 19 nevyužitý napájanie DSP 17, 18 GNDA analógová zem 20 NC nepripojený
21 Udc AN0 AN0 meranie nap. Udc
22 Idc AN1 AN1 meranie prúdu Idc
23 Ia AN2 AN2 meranie prúdu Ia
24 Ib AN3 AN3 meranie prúdu Ib
25 otáčky AN4 AN4 meranie otáčok 26 nevyužitý AN5 prevodník A/D 27, 28, 37 NC nepripojený 29 brzdenie PB5 5. bit portu B 30 identifikácia PB7 ident. meniča 31, 32, 33 nevyužitý
34 prechod nulou A
35 prechod nulou B
36 nevyužitý prechod nulou C
38 snímanie nuly A
39 snímanie nuly B
40 nevyužitý snímanie nuly C
Tab. 4 UNI_3 zbernica
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 46
• čo najväčšia strmosť výstupnej charakteristiky,
• malý moment zotrvačnosti rotora,
• malá elektromagnetická časová konštanta.
Používajú sa ako prvky regulačných sústav, kde plnia funkcie:
• stabilizujú sústavy s uzavretým regulačným cyklom,
• indikujú otáčky.
Technické údaje tachogenerátora K4A5 :
Rozsah: 2V/1000 ot/min-1
Maximálne otáčky: 7000 ot/min-1
Výstup tachogenerátora bude pripojený na vstup A/D prevodníka. Medzi jeho
výstupom a A/D prevodníkom musí byť
zapojený konvertor. Návrh konvertora je
nasledovný: Maximálne otáčky
tachogenerátora sú 7000 ot/min-1. Z toho
vyplýva, že pri rozsahu 2V/1000 ot/min-1
výstupné napätie pri maximálnych otáčkach
bude 14V. Vstupný rozsah A/D prevodníka
je max 3,3V. Schéma zapojenia konvertora
tachogenerátora je na obr. 3.5.
Pri 14V požadujeme mAITG 1=
AII 0, 32 → , R5=1,6kΩ,
Ω=Ω=
=
−
=
−
= −
kkA
VV
I
VU
RRTG
TG
2,6620010.1
26,114
26,1
, 376
Zosilnenie operačného zosilňovača IC3A:
11010
2
3 =ΩΩ
==kk
RRA
Ofset operačného zosilňovača IC3A je :
Uofset=1,65V
Obr. 3.5 konvertor tachogenerátora
Obr. 3.6 Skonštruovaný konvertor
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 47
Rezistory R6, R5 a R7 tvoria vstupný napäťový delič. V závislosti od otáčok sa
mení indukované napätie na tachogenerátore. Úbytok napätia na rezistore R5 sa pripočíta
k ofsetu 1,65V. Pri zmene smeru otáčok sa zmení zmysel prúdu a úbytok napätia sa
z ofsetu odpočíta. Pri nulových otáčkach výstupné napätie za OZ je rovné Uofset=1,65V.
3.3 Nastavenie PI regulátora
Proporcionálne–integračne–derivačné (PID) regulátory sú bezkonkurenčne
najpoužívanejšie regulátory v priemysle. Uvádza sa dokonca, že až 95% všetkých
regulačných algoritmov je typu PID a že veľká väčšina z nich najviac používa len
proporcionálnu a integračnú zložku [21]. PI regulátor odstraňuje v uzavretom regulačnom
obvode s regulovanou sústavou trvalú regulačnú odchýlku. Na začiatku regulačného
pochodu prevláda vplyv P zložky, s narastajúcim časom preberá vplyv I zložka.
Zákon riadenia proporcionálno-integračného (PI) regulátora v lineárnej oblasti je daný vzťahom [12]:
( ) ( )
+= ∫ dtte
TteKtu
i
1)(. [3.1]
kde: ( ) )()( tytwte −= [3.2]
kde K je zosinenie a Ti integračná časová konštanta regulátora. Prítomnosť integrátora
zaisťuje veľmi žiadanú vlastnosť regulátora a to nulovú regulačnú odchýlku v ustálenom
stave pri konštantnej požadovanej hodnote. Je to jednoduché dokázať. Keby tomu tak
nebolo, dochádzalo by v dôsledku integrácie nenulovej odchýlky k zmene výstupu
regulátora u a uzavretá slučka by nebola v ustálenom stave. Zo vzťahu [3.2] je e(t)
regulačná odchýlka, w(t) žiadaná hodnota a y(t) skutočná hodnota.
Prenos je daný:
)()(1.11.)(
sesu
sTKsF
i
=
+= [3.3]
Kde s je Laplaceov operátor, u(s) výstup a e(s) vstup sústavy.
PI algoritmus v diskrétnej časovej oblasti:
( ) ( ) ( ) ( )keTTKkukeKku f
iiSCiffSCf ..1. +−+= [3.4]
kde: ( ) )()( kykwke −= [3.5]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 48
KSC je proporcionálne zosilnenie, ef(k) regulačná odchýlka s krokom k v diskrétnej časovej
oblasti, ( )1−kuif je výstup integrátora s krokom k-1 v diskrétnej časovej oblasti a iSCK je
integračné zosilnenie.
Platí:
( ) ( )maxukuku f = [3.6]
( ) ( )maxwkwkwf = [3.7]
( ) ( )maxykyky f = [3.8]
( ) ( )maxekeke f = [3.9]
max
max.ueKK SC= [3.10]
max
max.ue
TTKK
iiSC= [3.11]
1/s obdĺžnikovou náhradou platí: ( ) ( ) ( )keTkuku ii .1 +−= [3.12]
potom: KSC = PG . 2PGS [3.13]
KiSC = IG . 2IGS [3.14]
kde PG je proporcionálny zisk, IG je integračný zisk, PGS váha proporcionálneho zisku
a IGS váha integračného zisku. Proporcionálny a integračný zisk je v rozsahu <0,5 , 1> a
váha proporcionálneho a integračného zisku je v rozsahu <-14 , 14>.
Proporcionálny a integračný zisk môže byť vypočítaný nasledujúcimi vzťahmi: ( ) ( ) PGSPG
⟨−
2loglog5,0log
[3.15]
( ) PGSPG⟩
−2log
log1log [3.16]
( ) ( ) IGSIG⟨
−2loglog5,0log
[3.17]
( ) IGSPG⟩
−2log
log1log [3.18]
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 49
Napríklad ak zosilnenie K=0,05 potom súčiniteľ veľkosti a proporcionálny zisk sú dané
vzťahmi [3.15] a [3.18].
( ) ( ) ( )2log
05,0log1log2log
05,0log5,0log −⟨⟨
− váha
napríklad: váha=4 potom: 8,02.05,02. 4 === váhaKzisk
PI regulátor je vhodný ak sa regulovaný systém blíži k systému 1. radu. Perióda
vzorkovania je často volená čo možno najmenšia, aby regulátor pracoval ako spojitý.
Regulovaná veličina pred vzorkovaním nesmie byť zašumená prípadne musí byť vhodne
vyfiltrovaná analógovým filtrom, perióda vzorkovania musí byť trvalo dodržiavaná aspoň s
10% presnosťou a zákon riadenia musí byť počítaný v aritmetike s dostatočnou dĺžkou
slova.
3219,43219,3 ⟨⟨váha
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 50
4 Softvér riadiaceho člena a experimentálne overenie
funkčnosti Posledná kapitola diplomovej práce sa zaoberá overením funkčnosti meniča
a naprogramovanie softvéru pre kaskádne riadenie s reguláciou uhlovej rýchlosti.
Regulácia sa skladá z podradenej rýchlej prúdovej slučky a nadradenej otáčkovej pomalšej
slučky. Softvér digitálneho procesora DSP56F805 bol naprogramovaný v prostredí
Metrowerks Code Warrior. Odladenie regulácie a zosnímanie veličín v reálnom čase bolo
uskutočnené v programe FREE Master od firmy Freescale Semiconduktor.
4.1 Overenie funkčnosti výkonového člena
V nasledujúcej kapitole bude experimentálne overenie funkčnosti 4Q meniča.
Všetky merania a výsledky sú vykonané na prototype 4Q meniča. Menič sme prepojili
s riadiacim členom (DSP) pomocou univerzálnej zbernice UNI_3. Softvér napálený v DSP
riadi výkonové tranzistory T1 až T4 komplementárnou PWM kanálmi PWM0 až PWM3
(viď. Tab.4). Priebeh PWM 0 a PWM 3 je znázornený na obr. 4.1a). Frekvencia PWM je
16 kHz. Ochranná doba (dead time) je 10 ms. Na obr. 4.1 b) je priebeh prúdu kotvy
nameraný prúdovou sondou a priebeh napätia na svorkách motora nameraný diferenciálnou
sondou.
a) b)
Obr. 4.1 a) výstup PWM , b) priebeh prúdu (fialový) a napätia (modrý) na motore pri striede 1:1
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 51
Na nasledujúcich obrázkoch je nameraný priebeh prúdu za operačnými
zosilňovačmi obvodov IC8 a IC9. Na obr. 4.2 a) je priebeh prúdu DCB, to je prúd ktorý
preteká rezistorom R31 (viď príloha 1). S nábežnou hranou PWM (modrá) dochádza
k prekmitu prúdu, čo spôsobuje nedokonalé zopnutie tranzistora. Nábežná hrana (žltý) 7
bitu portu A zaháji spustenie A/D prevodníkov DSP. Udeje sa to vždy v strede periódy
PWM, aby sme zaistili zmeranie strednej hodnoty prúdu. Na obr. 4.2 b) je zas priebeh
prúdov Ia a Ib v oboch vetvách meniča.
a) b)
Obr. 4.2 a) PWM (modrý), prúd Idc (fialový) a miesto merania Idc prúdu (žltý) , b) PWM (modrý), miesto merania prúdov Ia a Ib (žltý),prúd Ia (fialový) a prúd Ib (zelený)
Obr. 4.3 závislosť otáčok motora na striede PWM
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 52
Na obr. 4.3 je závislosť otáčok striedy PWM. Ak je strieda 0,5 (na obr. 4.3
strieda=0) otáčky sú nulové. Ak je strieda väčšia ako 0.5 (na obr. 4.3 strieda>0) otáčky sú
kladné. Ak je strieda menšia ako 0.5 (na obr. 4.3 strieda<0) otáčky sú záporné.
4.2 Overenie funkčnosti prúdovej slučky Jedná sa o reguláciu v otvorenej slučke. Softvérové riešenie PI regulátora je
nasledovné: vychádzame z rovníc [3.13] a [3.14] kde registrami:
• PG(ProportionalGain) v rozsahu <0,5 , 1>
• IG(IntegralGain) v rozsahu <0,5 , 1>
• PGS (ProportionalGainScale) v rozsahu <-14 , 14>.
• IGS (IntegralGainScale) v rozsahu <-14 , 14>.
nastavujeme proporcionálne a integračné zosilnenie.
Syntax programu je nasledovná: PIparams.propGain = FRAC16(0.5); /* 0.5*2-1=0.25 */ - PG register
PIparams.propGainSc = 1; -PGS register
PIparams.integGainSc = 0; -IGS register
PIparams.integGain = FRAC16(0.1); -IG register
PIparams.posPiLimit = FRAC16(1.0); - horná limita PI regulátora
PIparams.negPiLimit = FRAC16(-1.0); - spodná limita PI regulátora
PIparams.integPartK_1= 0;
desiredValue = FRAC16(1.0); - žiadaná hodnota
measuredValue = FRAC16(0.0);; -skutočná hodnota
PIoutput = MCLIB_ControllerPI (desiredValue, measuredValue, &PIparams); - výstup
PI regulátora
Cieľom je nastavenie PI regulátora. Nastavovanie parametrov PI regulátora je
najdôležitejší problém priemyslovej regulácie, lebo jeho úspešné zvládnutie má obvykle
veľmi pozitívne ekonomické dôsledky. Jednou z možností nastavenia PI regulátora je
metóda pokus – omyl [21].
Metóda pokus - omyl je v praxi hojne používaná a vyplýva v priamom experimentovaní.
Metódou pokus - omyl sú volené hodnoty parametrov regulátora a podľa tvaru odozvy na
skok v požadovanej hodnote sa subjektívne posudzuje ich vhodnosť. Existuje celá rada
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 53
pravidiel (napr. Ziegler - Nicholsonová metóda), ktoré majú zefektívniť tento proces.
Jednou z nich je:
1. Vypnúť integrační zložku. Postupne zväčšujeme zosilnenie proporcionálnej zložky až
vzniknú trvalé kmity. Potom zmenšíme zosilnenie na polovicu.
2. Pomaly zväčšujeme integračnú časovú konštantu až vzniknú trvalé kmity. Potom ich
zväčšíme trikrát.
Na obr. 4.3 je regulácia prúdu. Žiadaná hodnota je 2A a žiadaná hodnota (desired
Žiadaná hodnota 2A (Desired Value) je porovnávaná so skutočnou hodnotou prúdu
Idc. Nastavenie regulátora je nasledovné PG=0,15, PGD=-1, IG=0,01, IGS=0.
Obr. 4.4 Regulácia prúdu
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 54
Nastavenie regulátora je nasledovné PG=0,5, PGD=-1, IG=0,02, IGS=0. Na obr. 4.5 je
simulácia kde meníme žiadanú hodnotu prúdu. Nastavenie Pi regulátora je ako v
prípade obrázka 4.3. Žiadaná hodnota prúdu je v čase t1=0A, t2=1A, t3=4A, t4=-1A, t5=-3A
Obr. 4.5 Regulácia prúdu so zmenou parametrov PI regulátora
Obr. 4.6 Simulácia zmeny žiadanej hodnoty prúdu Idc
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 55
4.3 Overenie funkčnosti otáčkovej regulácie Jedná sa o nadradenú reguláciu v uzavretej slučke a PI regulátor je nastavený
podobne ako u prúdovej slučky. Na obr. 4.7 je otáčková regulácia. Žiadaná hodnota otáčok
(červená) je 1500 ot/min. PI regulátor je nastavený nasledovne: PG=0,4, PGD=-6,
IG=0,001, IGS=-4.
Obr. 4.7 Otáčková regulácia
Obr. 4.8 Simulácia zmeny žiadanej hodnoty otáčok
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 56
Na obr. 4.9 je odskúšaná kontrola brzdy. Nakoľko regulácia motora bola bez
zaťaženia, správnu funkčnosť brzdy sme nemohli odskúšať. Napätie pri ktorom zopne
brzda sa blíži napájaciemu napätiu. Na funkčnosť brzdy mal skôr vplyv tvrdosti zdroja ako
indukované napätie motora. Ďalší problém bol v tom, že program FreeMaster nezachytil
každú špičku brzdy. Pokiaľ je brzda (break) = 1 zopne tranzistor T5 a pripojí sa brzdiaci
odpor.
4.4 Softvér riadiaceho člena
Výpis programu DSP56F805 je uvedený v prílohe 5. Štruktúra programu je
nasledovná: na začiatku programu nastáva inicializácia knižníc, za ním nasleduje definícia
premenných a konštánt. V hlavnej slučke programu (main) nastáva inicializácia projektu,
vyvolanie kalibrácie a spustenie PWM. Za ním nasleduje inicializácia periférii, ako sú
časovače, vstupno / výstupné porty, PWM, prevodníkov a nastavenie PI regulátorov prúdu
a otáčok. Ďalej nasledujú jednotlivé podprogramy, ktoré sa vyvolávajú prerušením a to:
blikanie ledky na porte PB2 s frekvenciou 1kHz, čím zabezpečíme vizuálny chod
programu. Prerušenie pre brzdu. Prerušenie pre synchronizáciu PWM s A/D prevodníkmi,
aby sme zabezpečili zmeranie strednej hodnoty meraných veličín. Prerušenie PWM, kde
ovládame jej striedu registrom R0. Prerušenie od prevodníkov A/D. V tejto slučke so
synchronizačným impulzom snímame jednotlivé veličiny napätia a prúdov. Ofset
operačných zosilňovačov vplyvom zmeny ref. napätia sa môže časom, alebo teplotou
meniť. Z tohto dôvodu je potrebná kalibrácia. Tú tvorí posledná časť programu.
Inicializácia meniča pre zjednodušenie programu nebola naprogramovaná.
Obr. 4.9 Kontrola brzdy
DIPLOMOVÁ PRÁCA
NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 57
5 Záver Práca sa zaoberala vlastnosťami jednosmerných pohonov a možnosťami ich regulácie.
Vďaka dostupnosti a vývoju polovodičov je regulácia otáčok jednosmerných motorov
zmenou napájacieho napätia veľmi výhodná. V prvej časti práce boli rozpracované
štruktúry výkonových častí. Vybraná štvorkvadrantová štruktúra bola zvolená na
realizáciu výkonovej časti. Následne bol rozpracovaný princíp činnosti štvorkvadrantového
meniča a súčasne možnosti jeho riadenia. Táto časť práce bola potrebná pre navrhnutie
riadiaceho obvodu.
Druhá kapitola práce sa zaoberala návrhom konštrukcie výkonovej časti. Vyberá
z dvoch variant jej realizácie. Prvou je konštrukcia prostredníctvom monolitických
obvodov. Táto varianta nie je realizovateľná, nakoľko z trhovej ponuky integrovaných
obvodov ani jeden nespĺňa požiadavku výstupného prúdového zaťaženia (viď. Tab. 2).
Druhou variantou je využitie výkonových tranzistorov MOS – FET. Táto varianta je
nielen výkonnejšia, ale v prípade poruchy jedného spínacieho prvku nie je potrebné
vymeniť celý mostík. Navrhnuté schematické zapojenie meniča umožnilo dosiahnuť
požadované dynamické vlastnosti regulovaného pohonu HSM 60. Zapojenie bolo
navrhnuté s prihliadnutím na jednoduchosť a spoľahlivosť meniča. Pre prehľadnosť bolo
rozdelené do jednotlivých funkčných blokov. Záverom kapitoly bola konštrukcia prototypu
výkonovej časti, na ktorej boli overené teoretické vedomosti a funkčnosť celej konštrukcie.
Na základe jej funkčnosti boli uskutočnené korekcie v zapojení finálneho meniča.
Tretia kapitola sa zaoberala navrhnutím riadiaceho obvodu. Ako riadiaci systém
pohonu bola vybraná vývojová doska s digitálnym signálovým procesor DSP56F805.
Prepojenie výkonovej časti a riadiaceho obvodu bolo uskutočnené prostredníctvom
zbernice UNI_3. Koniec kapitoly sa venoval návrhu PI regulátora a konštrukcii konvertora
tachogenerátora, ktorý sme využili pre snímanie skutočných otáčok.
Posledná kapitola sa venovala tvorbe softvéru a experimentálnemu overeniu funkčnosti
meniča. Správna funkčnosť jednotlivých blokov výkonovej časti bola overená
prostredníctvom osciloskopu. Softvér bol naprogramovaný v prostredí Code Warrior a
nahraný do DSP.
Výsledkom práce je kaskádne riadenie regulovaného pohonu. Žiadané hodnoty otáčok
boli zadávané prostredníctvom programu FreeMaster, čím bola overená správna funkčnosť
otáčkovej regulácie a koncepcia meniča.