Разработка системы автоматического управления положением объекта (стр. 3 из 8)

Формирователь импульсов (ФИУ) представляет собой предварительный усилитель мощности, обеспечивающий переключение ключей, однако этим не исчерпываются его функции. Здесь импульсы формируются не только по амплитуде, но и по форме, выполняются интеллектуальные функции по диагностике блока силовых ключей и их защите. Кроме того, в этом устройстве осуществляется гальваническая развязка маломощной и силовой частей системы управления.

Блок силовых ключей может содержать один или более ключей в зависимости от выбранной схемы включения исполнительного элемента (полумостовая и мостовая).

В нашем случае для управления двигателем постоянного тока с учетом реверса используется мостовая схема включения, изображенная на рисунке 7:

Рисунок 7

Мостовая схема включения двигателя постоянного тока содержит один источник питания и четыре ключа. Ключи открываются попарно: VT1 и VT4, VT2 и VT3. При этом ток через двигатель течет, то в одном, то в другом направлении. Диоды VD1-VD4 осуществляют шунтирование нагрузки на интервале выключенного состояния ключа.

Электродвигатель представляет собой RL – нагрузку. Будем полагать, что постоянная времени RL – нагрузки

существенно больше периода коммутации транзистора . Это позволяет считать изменения тока индуктивности практически линейными, а сами эти изменения существенно меньшими среднего значения тока в нагрузке. Напряжение на нагрузке при этом имеет прямоугольную форму. Регулирование мощности осуществляется с помощью регулирования относительной длительности выходных импульсов, то есть изменением коэффициента заполнения .

В третьем импульсном режиме питание нагрузки осуществляется прямоугольным переменным напряжением. В этом случае существуют интервалы, на которых напряжение в нагрузке равно нулю. На рисунке 8 показаны временные диаграммы напряжения нагрузки.

Рисунок 8

Данный режим имеет практическое значение при

и , то есть для случая, когда постоянная составляющая напряжения нагрузки равна нулю. При этом осуществляется регулирование мощности первой выходного напряжения. Разложив в ряд напряжение, форма которого показана на рисунке 5, получим выражение первой гармоники выходного напряжения:

,

где

.

В третьем ИР частота первой гармоники напряжения и тока в нагрузке равна частоте следования импульсов питающего напряжения.

Рассмотрим более подробно структурную схему, показанную на рисунке 5. Дальнейший расчет ШИП на полевых транзисторах проводится по блокам, согласно структурной схеме и временным диаграммам работы широтно-импульсного преобразователя с ключами на полевых транзисторах для реализации третьего ИР управления двигателем постоянного тока, представленной на рисунке 9.

ГТИ – генератор треугольных импульсов; CC1, СС2 – схемы сдвига; К1, К2 – компаратор; ФИУ1, ФИУ2 – формирователь импульсов управления; ПТ1, ПТ2 – полевой транзистор

Рисунок 9

ГТИ формирует треугольные импульсы заданной частоты и амплитуды. Первая схема сдвига уровней СС1 осуществляет сдвиг выходного сигнала вверх на

, равный в нашем случае 2 В. Вторая схема сдвига уровней СС2 осуществляет сдвиг выходного сигнала вниз на . На неинвертирующий вход компараторов К1, К2 подается входной сигнал, равный 0,68 В. После компараторов сигнал обладает некоторым отрицательным значением. Чтобы эту часть исключить, а также для окончательного формирования импульсов, сигнал подают на формирователь импульсов управления. После чего сигналы поступают на затворы полевых транзисторов.

Блок №1: Генератор треугольного напряжения

Схема генератора треугольного напряжения представлена на рисунке 10:

Рисунок 10

Генератор состоит из неинвертирующего триггера DA2 и инвертора DA3, который интегрирует постоянное напряжение триггера. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, то выходное напряжение последнего изменяет полярность и конденсатор начинает перезаряжаться, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера противоположного знака.

Амплитуда выходного напряжения зависит от порога срабатывания триггера:

, (2)

где

– это напряжение насыщения операционного усилителя. Период колебаний равен удвоенному времени, в течение которого выходное напряжение интегратора изменится от до :

(3)

Используя формулу (3) для расчёта периода колебаний, можно рассчитать частоту сигнала, идущего с генератора.

При этом учитывается, что частота с генератора должна не менее чем в 10 раз превышать частоту входного сигнала:

Т.к. частота входного сигнала 50 Гц, то частота с генератора должна быть 500 Гц. Следовательно, период колебаний равен

с. Напряжение срабатывания В. Амплитуда выходного напряжения должна быть равна В. Выберем элементную базу для генератора:

Пусть

кОм, тогда по формуле (2)

кОм

Пусть

Ф, тогда по формуле (3) кОм.

Выбирается резистор с номинальным сопротивлением 3,3 кОм.

Генератор выберем на микросхеме К140УД7, справочные данные которой приведены в таблице 3

Таблица 3

Обозначение	Тип	UПИТ, В	Ток питания, мА	UВЫХ, В
DA2	К140УД7	5–20	3	11

Справочные данные на выбранный конденсатор приведены в таблице 4.

Таблица 4

Обозначение	Тип	Емкость, мкФ	Отклонение, %	Номинальное напряжение, В
С12	К73–11	5,1	20	10

Справочные данные на резисторы приведены в таблице 5.

Таблица 5

Обозначение	Тип	Сопротивление, кОм	Отклонение, %	Мощность, Вт
R4	С2–33H	1	5	0,125
R3	C2–33H	33	5	0,125
R5	С2–33H	3,3	5	0,125
R6	C2–33H	1	5	0,125

Блок 2: Повторитель напряжения.

Нагрузка оказывает влияние на сигнал, идущий с генератора, вызывая смещение. Во избежание этого после генератора треугольных импульсов ставят повторитель напряжения (рисунок 11).

Выходной сигнал с повторителя напряжения будет аналогичен выходному сигналу с генератора.

Повторитель выберем на микросхеме К140УД7, справочные данные которой приведены в таблице 6.

Рисунок 11

Таблица 6

Обозначение	Тип	UПИТ, В	Ток питания, мА	UВЫХ, В
DA11	К140УД7	5–20	3	11

Блок №3: Схема сдвига уровня

Схема сдвига уровня выходного сигнала представлена на рисунке 12.

Рисунок 12

Для расчета данной схемы нам понадобится значение сигнала, который подается на неинвертирующий вход компаратора (Блок №5) с сельсинов. Найдем его значение. Т.к. сигнал с сельсинов равен 51 В (это приходится на 90⁰), тогда, если учесть, что ошибка следования равна 1,2⁰, то входной сигнал будет равен

В.