vlastnosti pohonov s dc motormi, základné štruktúry

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


(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


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


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


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


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


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


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


• 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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• 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


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


• 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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.

vlastnosti pohonov s dc motormi, základné štruktúry

Documents