Расчёт преобразователя и схемы управления двигателем постоянного тока малой мощности

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

 

 

 

Кафедра АТП

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине:   «Электроника и полупроводниковые устройства систем управления»

            на тему:     «Расчёт преобразователя и схемы управления

двигателем постоянного тока малой мощности»

 

 

                                                                                       Выполнил:

                                                                                       студент

                                                                                       группы Аиб-110

                                                                                       Козлов М. Н.                                                                                                                                                                                  

                                                                                       Проверил:

                                                                                       Рассказчиков Н.Г.

 

 

 

Владимир 2013

 

Содержание

 Введение………………………………………………………….2

1.Задание…………………………………………………………3

2. Анализ  схемной реализации устройства ……………………4

3. Статический расчет транзисторного ключа…………………8

4. Динамический расчет транзисторного ключа………………12

5. Расчет элементов формирующих линию переключения

     транзисторов………………………………………………….15

6. Расчет мощности резисторов………………………………..17

     Список используемой литературы…………………………..18

     Приложение 1

     Приложение 2 

     Приложение 3

     Приложение 4 

     Приложение 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание

Разработать транзисторный преобразователь и схему управления двигателя  постоянного тока малой мощности ДПМ-20-Н1-08Т со следующими характеристиками:

U = 27 В

P2 ном = 0,92 Вт

nном = 4500 об/мин

Мном = 1,96 мН*м

Мп = 3,43 мН*м

Iном = 0,25 А

Iп = 0,5 А

КПД = 14%

tг = 3000*

 

* - число циклов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Для современного этапа научно-технического прогресса свойственно   непрерывное совершенствование элементной базы электроники в устройствах измерения, обработки информации и управления. Широкое применение микросхемотехники привело к развитию нового этапа  комплексной автоматизации – гибким автоматизированным производствам, управление которыми основано на широком применении микропроцессоров и микроЭВМ. Электроника и микросхемотехника обеспечивают автоматизированное управление технологическими процессами, научными исследованиями, отдельными объектами.

       Двигатели серии ДПМ-20-Н1-08Т предназначены для эксплуатации в следяще-регулируемых электроприводах механизмов подач металлообрабатывающих станков и в манипуляторах с программным управлением, а также в станках для сверления печатных плат и термохимической обработки металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Анализ схемной реализации устройства

Транзисторные преобразователи для управления двигателями постоянного тока

Принципы построения и управления

Упрощённая принципиальная схема ШИП представлена на рис, 3.28. Она содержит четыре транзисторных ключа ТК1-ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена нагрузка. Нагрузкой привода постоянного тока является двигатель постоянного тока. В электроприводах двигатель постоянного тока управляется, как правило, по цепи якоря, поскольку только при таком управлении могут быть получены требуемые качественные показатели привода. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором.

Наиболее простой способ управления ШИП по цепи якоря симметричный. При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение Uя на выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения γ0 = 0,5. Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на р», 3.28. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока.

рис. 3 28. Транзисторный ШИП

 

его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике.

Недостатком ШИП с симметричным управлением является двухполярное напряжение на нагрузке и, в связи с этим, повышенные пульсации тока в якоре исполнительного двигателя.

Стремление исключить этот недостаток привел к разработке способов,

 

обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричный.

Несимметричное управление представлено на рис. 3.29 а. В этом случае переключаются транзисторные ключи фазной группы ТК3 и ТК4 (ключи ТК1 и ТК2 при противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ ТК1 постоянно открыт и насыщен, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Транзисторные ключи ТКЗ и ТК4 переключаются в противофазе, обеспечивая протекание тока якоря от противоэдс двигателя. При этом на выходе ШИП формируются однополярные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения одного из нижних по схеме рис. 3.28 транзисторов γ0 = О,

   Недостатком рассмотренного способа управления является то, что верхние по схеме транзисторные ключи (ТК1, ТКЗ) по току загружены  
больше, чем нижние. Этот недостаток устранён при поочерёдном управлении, временные диаграммы которого изображены на рис. 3.29 б

Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, при этом частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. Управляющие напряжения транзисторных ключей одной фазы моста TKI, TK2 и TKЗ,ТК4 постоянно находятся в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения Т. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы u1, u4 длительностью t = (1+γ)Т подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи (рис. 3.29) со сдвигом на полпериода, а управляющие импульсы u2, u3 длительностью t = (1 — γ)Т, также со сдвигом на полпериода, подаются на транзисторы противоположной диагонали (ТК2, ТКЗ). В этом случае на интервале нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально

Рис.3.29 Способы управления СТК ШИП

расположенных ключей, а на интервале (1 — γ)Т нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних транзисторных ключей. При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный. При поочерёдном управлении на нагрузке формируются однополярные импульсы длительностью Т, пропорциональной сигналу на входе.

Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИП изображена на рис. 3.30. Она содержит генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения (СС), распределитель импульсов (РИ) и усилители (У). Как правило, между усилителями сигнала управления и распределителем включены элементы гальванической развязки (оптотранзисторы). Диаграммы на рис. 3.30 поясняют принцип работы схемы управления ШИП.

рис. 3.30. Функциональная схема управления ШИП

Вывод: для управления двигателем малой мощности целесообразно использовать симметричный способ и  схему управления.

3. Статический расчет транзисторного ключа

Максимальный ток коллектора выходного транзистора VT1 определяется максимальным током фазы шагового двигателя

Ik1max=Iфmax=0,5A.

Максимальное напряжение на запертом транзисторе для инвертора мостового типа равно напряжению питания инвертора

Uэк1max=Un=27В

Выберем транзистор типа 2N6566 (n-p-n), имеющий статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером  h21эmax=100 и следующие предельно допустимые параметры: Ikmax=0,1A, Uэкmax=30 В.

С целью повышения надежности ключа и обеспечения пассивного запирания выходного транзистора даже при исчезновении напряжения питания запирающего источника включают параллельно переходу база-эмиттер резистор R1=10 Ом.

При больших коэффициентах форсировки скважность отпирающих импульсов, поступающих на ключ, мала, и максимальное значение среднего тока, протекающего через обратный диод VD1, равно току фазы

Iсрmax=Iфmax=0,5A. Максимальное обратное напряжение диода равно напряжению питания инвертора Uобрmax=Un=27 В.

В качестве обратного диода выбираем высокочастотный диод типа 2Д213А со следующими предельно допустимыми параметрами Uобрmax=27В, Iсрmax=0,5А.

С учетом максимального напряжения насыщения база-эмиттер транзистора VT1 UБЭНАС=2В определим максимальный ток коллектора транзистора VT2  в режиме насыщения

IK2MAX= IБ1+ IR1=

A

Выбираем транзистор 2N6566.

Максимальное напряжение на запертом транзисторе VT2 равно напряжению питания инвертора UКЭ2MAX=27 В. В целях унификации типов силовых транзисторов в качестве VT2 выбираем транзистор КТ812А.

Сопротивление резистора R2 примем равным 10 Ом.

Определим ток, протекающий в резисторе R3, необходимый для отпирания составного транзистора:

IR3 ОТП=IБ2 + IR2= =КНАС

А,

где КНАС=1,5.

Напряжение отпирающего источника Uп1 определим следующим образом. При включении оптрона транзисторы VT6 и VT5 из состояния отсечки переходят в активный режим работы, а напряжение UЭК5 составляет

 

несколько вольт (насыщение VT6 и VT5 недопустимо по условиям получения максимального быстродействия фотоусилителя).

При этом напряжение на выходе эмиттерного повторителя на транзисторах VT3 и VT4: UЭП=Uп1-UЭК5-UБЭ3 должно превышать UБЭ1НАС+UБЭ2НАС на величину, достаточную для создания в сопротивлении R3 требуемого тока. Таким образом, Uп1  должно быть больше UБЭ1НАС+UБЭ2НАС+UЭК5+UБЭ3=2+2+3+1=8 В.

Примем для унификации источников питания Uп1=12В, Uп2= –12В – напряжение питающего источника. Транзистор VT3 выбираем по максимальному току коллектора IK3MAX=IR3отп=0,203 А и максимальному обратному напряжению UК3MAX=2Uп1=24В.

Транзистор КТ216А имеет следующие предельные параметры:

IK3MAX=10А, UKЭMAX=30В, h21Э=40.

Зная ток эмиттера VT3 при отпирании составного транзистора, определим ток базы

IБЭ3=

mA

Задавая UЭК3=3В, определим  сопротивление резистора R3, необходимое для отпирания составного транзистора

R3= Ом

Принимаем R3 = 20 Ом

Определим ток базы транзистора VT1, необходимый для его запирания, задавая коэффициент запирания равным 1:

IБ3=КЗАП

А

Этот ток складывается из тока активного и пассивного запирания:

IБ1ЗАП=IБ1ПАС+IБ1АКТ=

Выбирая в качестве диода VД2 высокочастотный диод 2Д708А, имеющий следующие предельно допустимые параметры: IПР.MAX =10А, IИМП.MAX =200А, UОБР. MAX=200В и прямое падение напряжение UД2, не превышающее 1 В, найдем:

UЭПЗАП=

-4,9 В

Транзистор VT4 выбираем по максимальному току коллектора и максимальному обратному напряжению

Iк4max=IБ1акт= 0,295А, UЭК4MAX=24В.

Транзистор КТ907Б имеет следующие предельные параметры: IКMAX=1А, UЭКMAX=40 В, h21ЭMIN=10. При запирании ключа VT4 переходит в активный режим и его ток базы равен:

IБ4= mA.

При этом UЭБ4 = 1 В, а падение напряжения на сопротивлении R4 равно UR4=UЭПЗАП – UЭБ4 –Uп2 = -4,9 – 1 +12 = 6,1 В

Считая VT1, VT2 и VT3 запертыми и пренебрегая обратными токами коллекторов этих транзисторов, определим R4= Ом.

Примем R4=350 Oм

Сопротивление R7 рассчитывается из условия получения заданного прямого тока светодиода Iпр.СД = 20mA=0,02 А

R7=

Ом,

где Uпр.СД – прямое падение напряжения на светодиоде, Uo – напряжение логического нуля микросхемы, управляющей ключом; Примем R7=180 Ом. С учетом коэффициента передачи тока для оптрона АОД101А, равного КI = 1%,

 

получим ток фотодиода