kα0α0 k
ωmax = –, a fmax = – – (10)
τ 2π τ
Формула получена путём подстановок Тmin и Тшага.min в формулу (9). Старая схема коммутации фаз двигателя (в приводе ПШД5/80) отличается от новой (в рассматриваем приводе) именно величиной k. Так для старой схемы: (12 – 123 – 23 – 234 – 34 – 345 – 45 – 456 – 56 – 561 – 61 – 612) – kпшд5/80 = 5 / 12 (видно, что любая из фаз включается 5 раз за весь период, равный 12 – и включениям); в новой – knew = 18 / 24 (определяется по рисунку 12). Таким образом, в новом приводе максимальная скорость (частота) вращения ротора двигателя возрастает на 80%, по сравнению со старым приводом (оценка получена из формулы 10).
двигатель привод ток управление
Разработанный электропривод для шагового двигателя ШД5, как уже ранее было сказано, имеет шесть силовых каналов для управления шестью фазами двигателя, а также логику управления (смотреть рисунок). В каждом силовом канале имеется два ключа – форсажный и удерживающий, как было сказано в предыдущем разделе. В этом разделе мы не станем останавливаться на этих ключах, а рассмотрим работу привода в целом.
Для отработки двигателем заданного угла, на привод приходят генераторные импульсы от ЭВМ. Так, например, подавая импульс на вход St + (см. рис. 13) программируемой логической матрицы, двигатель осуществляет поворот по часовой стрелки на угол 1.5° / 4, то есть отрабатывает один шаг вправо. Соответственно при подаче импульса на вход St – двигатель отработает шаг влево (поворот против часовой стрелки). Ещё одна разновидность сигналов, поступающих на логику привода от сопряжённых с ним устройств – это сигнал запрета перемещения вправо – К+ (влево – К –). Сделано это для того, чтобы если в процессе перемещения устройство, в котором используется ШД5, приблизилось к своему крайнему положению, выполнить плавное торможение и избежать дальнейших перемещений в этом направлении. Также на логике имеются три входа от джамперов J1, J2, J3 которые позволяют выбирать разные значения токов, протекающих в обмотках двигателя. Далее имеется логический выход на ЭВМ, который соответствует сигналу окончания работы привода – OKOUT (при длительном отсутствии сигналов управления). На плате привода расположен генератор, собранный на кварцевом кристалле. Импульсы генератора поступают на вход GEN логики (требование логической матрицы). Далее на плате расположена шина программирования матрицы от ЭВМ. Программирование осуществляется по четырём входам: TCK, TDO, TMS, TDI.
Далее рассмотрим режим управления силовыми каналами. Так, например, при поступлении команды ЭВМ выполнить шаг, ПЗУ логики определяет необходимые токи в фазах двигателя, для отработки шага двигателем, в соответствии со схемой коммутации. Далее логическая матрица, управляя четырьмя входами в каждом канале, устанавливает нужные токи в фазах. Как это происходит, рассмотрим на примере общения матрицы с отдельно – выделенным каналом. Так, например, значение нужного тока данной фазы передаётся от матрицы к каналу в виде ШИМ – сигнала на вход NOM. Получив и расшифровав этот сигнал, канал сравнивает его с токами на шунтах форсажного и удерживающего транзисторов с помощью компараторов. Результат этого сравнения (логический нуль или единица, в зависимости от того меньше реальный ток программируемого или больше) поступает на логическую матрицу с выходов канала OFL. Нечётные номера OFL соответствуют сигналам с шунта форсажного транзистора. Чётные – соответствуют удерживающему. В зависимости от этих сигналов обратной связи, логическая матрица производит управление транзисторными ключами. Так сигнал открывания форсажного транзистора подаётся на вход канала HIN. Сигнал открывания удерживающего транзистора подаётся на вход LIN. А сигнал запирания обоих транзисторов – SD.
4. Силовая часть разработанного привода
В качестве форсажного и удерживающего ключей в новом приводе используются полевые транзисторы IRF530n. Эти транзисторы отличаются хорошими динамическими характеристиками.
td (on) = 6.4 nS, td(off) = 37 nS, tr = 27 nS, tf = 25 nS. [3]
Пользуясь этими данными, вычислим максимальную среднюю мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла. Для начала вычислим мощность, выделяющуюся на форсажном транзисторе при накачке тока в фазу двигателя. Режим накачки разбивается на 20 тактов (смотреть рис. 11). В каждом такте ток возрастает на величину (3/20) А. Таким образом:
UDS = U0 – kUt; IDSi = I0i + kIt,
где UDS – напряжение, в зависимости от времени, на стоке истоке; U0 – напряжение на стоке истоке вначале такта (U0 = 80 V); IDSi – ток истока, в зависимости от времени, в i – й такт коммутации; I0i – начальный ток истока, в i – й такт коммутации; kU – коэффициент линейного убывания напряжения на стоке – истоке полевого транзистора; kI – коэффициент линейного возрастания тока истока.
(IDS меняется от 0 А до 3 А за 300 mS; UDS меняется от 80 V до 0 V за время t = 27 nS, в каждом такте). Начальный ток истока, в i – м такте коммутации можно определить, как:
I0i = ki, где k = 3A/20.
Теперь вычислим тепловые потери на форсажном транзисторе, при открывании в i – м такте, в режиме накачки тока:
t
Qфноi = ∫ UDIDSidt [9]
0
Полные тепловые потери, на форсажном транзисторе, при накачке тока в фазу двигателя, при открывании:
19
Qфно = ∑ Qфноi = 20C1 + 190C2 (11)
i=0
где С1, С2 – есть некоторые константы вычислений:
С1 = τ²kI(U0/2 – kUτ /3) C2 = kτ(U0 – kUτ/2)
Подставляя цифры, получим, что С2» С1 (больше на 5 порядков). Это связано с тем, что ток в фазе за время τ практически не успевает измениться, а значит этими изменениями можно пренебречь. Окончательно:
τ
Qфно = 190kτ(U0 – kU –) (12)
2
Таким образом, Qфно = 30.8 µJ. Энергия, выделяющаяся на форсажном транзисторе при запирании, в режиме накачки тока в фазу двигателя, может быть вычислена по той же формуле (11): (только в качестве τ надо взять уже не tr = 27 nS, а tf = 25 nS – рис. 14) Qфнз = 28.5 µJ. Тогда среднюю мощность тепловых потерь на переключение форсажного транзистора, при накачке тока в фазу двигателя можно вычислить, как:
Рсрфн = (Qфно + Qфнз)/300 µS
(потому, как накачка тока в фазу длится 300 µS, без стабилизации тока). Тогда получим: Рсрфн = 0.2 W (Ватт). Как видно из рис. 11, в режиме стабилизации тока форсажный транзистор включается реже, чем при накачке. Таким образом, здесь необходимо учитывать статистические потери на транзисторе, которые появляются при наличии сопротивления стока – истока у насыщенного транзистора:
RDS(on) = 0.11 Среднюю мощность этих потерь можно вычислить, как:
Рсрн = I0 ²RDS(on)
где I0 = 3А. Значит Рсрн = 0.99 W. Таким образом, эта мощность является преобладающей, по сравнению со средне – максимальной мощностью потерь на форсажном транзисторе, при накачке (и подкачке в режиме стабилизации тока) тока в фазу двигателя. Именно она и будет вносить основной вклад в нагрев транзистора. Более строго, тепловые потери на форсажном транзисторе, за один такт работы ШИМа, будут складываться из потерь на открывание, запирание и нагрева сопротивления RDS(on) полевого транзистора. Окончательно можно сказать, что максимальная средняя мощность, которая может выделиться на форсажном транзисторе:
Pmax.ср. Ф = 1.19 W.
Pmax.ср. Ф = Рсрн + Рсрфн
Удерживающий ключ в основном находится в насыщенном состоянии. Поэтому среди его тепловых потерь будет преобладать мощность Рсрн = 0.99 W. Лишь в режиме спада тока в фазе двигателя мощность потерь на нём станет, как на форсажном транзисторе. Таким образом, максимальная средняя мощность, которая может выделиться на удерживающем транзисторе: Pmax.ср. У = 1.19 W.
Реально, эти потери будут меньше, ввиду плавного управления вращением двигателя. Так, например такие потери на форсажном транзисторе появляются в режиме максимально – быстром возрастании тока в фазе, и далее длительной стабилизации его значения. На удерживающем транзисторе, после режима длительной стабилизации, следует резкий спад тока. Ясно, что на практике, даже на предельной скорости вращения двигателя, а также при разгоне и торможении, потери на транзисторах будут меньше. Но этот расчёт показывает, что транзисторы в новом приводе, в процессе своей работы, возможно даже не требуют использования охлаждающих радиаторов. Это существенный момент потому, как в старом приводе ПШД5/80 использовались биполярные транзисторы, которые в процессе работы сильно грелись. Поэтому в старых приводах для охлаждения транзисторных радиаторов использовались вентиляторы. Но потому, как эти приводы зачастую приходилось применять в пыльных помещениях, то вентиляторы, являющиеся источниками разнесения пыли, часто выводили из строя электронику. Поэтому разработанный привод, отличается от существующего большей надёжностью в эксплуатации.
Также хотелось бы отметить, что использование в разработанном приводе нового монтажа, а также программируемой логической матрицы, позволило трассировать печатную плату, этого привода, размерами, почти в два раза меньшими, по сравнению со старой. Первый опытный образец решено было выполнить в старом блоке, стандарта ВИШНЯ. Сделано это для совместимости с существующими электроприводами. Источник питания, для начала, оставлен тот же самый, хотя разработанный привод не требует силового питания на 6 V, как было замечено ранее. В перспективе предполагается изготовить новый блок привода со специальным источником питания, отвечающем требуемым параметрам привода. А пока можно перейти на разработанный привод, в установках ЧПУ, путём простой перестановочной замены блока ПШД5/80, новым блоком.