Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

“Разработка усилителя с ШИМ для управления двигателем серии ДПР”

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

1.1 Выбор транзисторов и расчет выходного каскада УМ

1.2 Выбор транзисторов и расчет параметров элементов предоконечного каскада

1.3 ШИМ преобразователь

1.4 Усилитель напряжения

1.5 Устройство управления (УУ)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Разработать усилитель для управления по цепи якоря двигателем САУ типа ДПР.

Структура усилителя должна обеспечивать управление выходными каскадами в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Напряжение источника питания усилителя двухполярное и соответствует номинальному напряжению питания двигателя.

Мощность источника питания равна номинальной электрической мощности, потребляемой двигателем.

Коэффициент усиления по напряжению - 46 дб.

Входное сопротивление R_ВХ ? 10 кОм.

Диапазон температур окружающей среды -20°С ч +50°C.

Допустимое смещение нуля усилителя не более ± 0.1 В в рабочем диапазоне температур.

Техническое совершенство привода системы автоматического управления (САУ) в значительной степени определяется усилителем мощности (УМ), который в совокупности с вторичным источником питания (преобразователь энергии первичного источника в требуемый для двигателя и УМ вид тока и напряжения) и самим двигателем образуют управляемую внешним сигналом систему преобразования электрической энергии в механическую.

Таким образом, УМ в равной степени с указанными устройствами определяет КПД и весогабаритные показатели привода САУ.

Оптимизация конструкции УМ при использовании в приводе коллекторного двигателя постоянного тока (ДПТ) определяет необходимость построения УМ по структуре ШИМ с работой выходных транзисторов усилителя в режиме класса Д (режим переключения).

Блок-схема усилителя и эпюры сигналов, поясняющие алгоритм его функционирования, изображены на рис.1 и рис.2.

Структура усилителя содержит следующие основные блоки:

1.Сумматор 1 и усилитель напряжения 2 (УН). УН является аналоговым устройством формирования сигнала управления приводом. В нем осуществляются операции суммирования входного сигнала Uб (или Uщ) и сигнала отрицательной обратной связи по скорости, а также динамическая коррекция привода САУ. На выходе его формируется аналоговый сигнал управления 1

2.Устройство управления 5 (УУ) предназначено для формирования сигналов 2 и 5 пилообразного напряжения, с помощью которых осуществляется ШИМ преобразование.

3.Широтно-импульсный модулятор 3 (ШИМ), в котором производится линейное преобразование амплитуды аналогового сигнала 1 в длительность импульсных сигналов 4 и 7.

4.Выходной импульсный усилитель УМ 4, представляющий собой транзисторный усилитель мощности, работающий в режиме переключения (режим класса Д). Вид его выходного сигнала на якоре двигателя 6 показан на осциллограмме 8.

Рис.2. Эпюры сигналов усилителя с ШИМ

Из эпюр, поясняющих работу усилителя, следует, что исполнительный двигатель питается однополярными импульсами тока, которые коммутируются силовыми ключами выходного усилителя.

При выключении напряжения на выходе усилителя (осциллограмма 8) за счет ЭДС самоиндукции якоря возникает бросок напряжения противоположного знака и через некоторое время, определяемое электрической постоянной цепи якоря двигателя, на выходе усилителя устанавливается напряжение, пропорциональное противоЭДС двигателя.

РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

1.1 Выбор транзисторов и расчет выходного каскада УМ

Принципиальная схема одного плеча импульсного полумостового усилителя приведена на рис.4. Обозначенным на расчетной схеме элементам соответствуют следующие элементы принципиальной схемы рис.3:

R1-R11, R12;

R2-R39, R40;

R3-R19, R20;

R4-R17, R18;

VD1-VD4, VD5.

Нагрузкой усилителя мощности является двигатель ДПР - со следующими характеристиками:

U_П = … В - напряжение питания,

I_Н = … А - номинальный ток,

P_Н = … Вт - механическая мощность,

з_ДВ = … (%) - КПД двигателя,

M_НОМ = … mH•м - номинальный момент,

M_П = … mH•м - пусковой момент,

n_НОМ = … об/мин - номинальная скорость.

А.Определяем необходимые для выбора оконечных транзисторов параметры:

I_КМ - максимальный ток коллектора,

U_КЭМ - максимальное напряжение коллектор-эмиттер,

P_КМ - максимальное значение мощности рассеяния в коллекторном переходе (P_{К ИМП}).

Величина I_КМ определяется по формуле:

, (1)

где: E_П - напряжение питания двигателя (E_П = … В),

С_Е - конструктивная постоянная двигателя:

(2)

R_Я - сопротивление якоря двигателя, которое определяется из соотношения:

Ом (3)

- номинальная скорость двигателя:

(4)

R_ИП - сопротивление вторичного источника питания. С учетом требования технического задания мощность источника питания равна электрической мощности, потребляемой двигателем в номинальном режиме, поэтому

, (5)

здесь: - КПД трансформатора источника вторичного питания ( = 0.8 для P_ТР = 20 ч 100 Вт).

Подставляя численные значения табличных параметров двигателя в формулы 1 ч 5 получаем:

R_ИП = … (Ом),

щ_н = … (1/с),

R_Я = … (Ом),

С_Е = … (В•с),

I_КМ= … (А).

Максимальное значение напряжение перехода U_КЭМ будет иметь место при выключении транзисторов за счет действия ЭДС самоидукции, и в режиме реверса двигателя, и равно:

U_КЭМ ? 2•E_П,

U_КЭМ = … В.

При выборе транзисторов, работающих в режиме “Д”, средняя мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, не является определяющим параметром, т.к. КПД усилителя может достигать 90%. Поэтому при выборе транзистора следует ориентироваться на максимальную (мгновенную) мощность рассеяния в режиме переключения:

;

Р_{КМ ИМП} = … Вт

По значениям I_КМ, U_КЭМ, P_КМ.ИМП выбираем в качестве выходного транзистора комплементарные пары Дарлингтона типа [1]:

КТ … (КТ …)

Их технические характеристики:

I_КМ = … A,

U_КЭМ = … В,

P_КМ.ИМП = … Вт,

P_КМ = … Вт, (с радиатором)

U_КЭ.НАС = … В,

U_{ЭБ М} = … В,

в_min = …,

R_ПК = … град/Вт,

I_К0 = … мА при t_ПЕР = + 85єC

Б.Тепловой расчет выходного каскада

Средняя мощность, рассеиваемая в транзисторах выходного каскада, определяется выражением:

, (2)

где: I_Н - номинальный ток двигателя,

- время включенного состояния транзистора при работе в номинальном режиме:

, здесь

T - период ШИМ, T = 2.5•10^-3 с,

I_П - пусковой ток двигателя с учетом сопротивления источника питания,

А,

… с.

- время включения транзистора.

Для данного типа транзисторов ?5•10^-6 с.

Подставляя численные значения в формулу (2), получаем:

Р_К = … Вт.

Учитывая вычисленное среднее значение рассеиваемой мощности и заданную температуру окружающей среды (T_ОКР = 50єC), площадь теплоотвода (радиатора) - S_РАД определяется из формулы:

см², (3)

где: - допустимая температура перехода,

для Si - ??+150єC. Принимаем = … ^oC.

- температура окружающей среды, = + 50єC.

- тепловое сопротивление переход-корпус транзистора

= … град/Вт,

- мощность рассеиваемая транзистором, = … Вт.

Подставляя численные значения в формулу (3), получаем:

S _РАД = … см².

В.Исходя из необходимости фиксации закрытого состояния выходных транзисторов при = +50єC, учитывая, что, при этом, U_{БЭ Д} ? 1.2В (2 перехода), а I_КЭО = ???????мА для = +85єC, находим значение резистора R3:

 … Ом.

Принимаем номинальное значение R3 = … Ом.

Где - определяется по справочнику или по формуле:

,

здесь - обратный ток транзистора при t_ПЕР = 25єC.

Г.Определим параметры выходного каскада, необходимые для расчета предоконечного каскада.

Для управления выходным транзистором требуется обеспечить входной ток:

,

где: - максимальный ток при реверсе двигателя.

= … А (расчет), = … (справочник).

… мА.

По входным характеристикам I_Б = f (U_БЭ) находим U_БЭ соответствующее I_Б = … мА: U_БЭ = … В.

Таким образом, через резистор R3 будет протекать ток от сигнала управления:

… мА.

Суммарный ток коллектора предоконечного каскада должен быть:

I_{К VT1,2} = I_{Б VT3,4} + I_R3 = … мА.

1.2 Выбор транзисторов и расчет параметров элементов предоконечного каскада

Предоконечный каскад представляет собой каскад с нагрузкой, включенной в коллекторную и эмиттерную цепи. В коллекторную цепь включены параллельно соединенные R3 и входное сопротивление транзистора VT3. В эмиттерную цепь включен резистор R4.

При запирающем транзистор VT1 сигнале “-10В” делитель R1, R2 должен фиксировать потенциал базы транзистора VT1 на уровне “-5В” (U_БЭ ? -5В). С учетом допустимой нагрузки на выход ОУ, которая должны быть больше 2 кОм, имеем:

R1 + R2 ? ?2 кОм.

Ток делителя напряжения: усилитель импульсный двигатель

,

здесь ,

U_D1 = 0.7В - напряжение на диоде VD1.

Таким образом,

= 4.65 мА,

а = 0.929 кОм.

Принимаем типовой номинал R2 = 910 Ом, тогда R1 = 2 0.91 = 1.1 кОм. Типовой номинал R1 = 1.1 кОм.

Для транзистора VT1 открывающим сигналом является напряжение “+10В”, которое через резистор R1 поступает на его вход. Резистор R2 не шунтирует этот сигнал, т.к. диод VD1 заперт. На эмиттерном резисторе R4 от входного сигнала образуется напряжение:

U_{БЭ VT1} = 10 0.7 = 9.3 В,

где U_ВХ = 10 В, I_R4 = I_{К VT1,2} = … мА,

U_БЭ = 0.7 В;

откуда

… кОм.

Принимаем типовое значение R4 = … Ом.

Таким образом, при открытом транзисторе VT1 напряжение между его коллектором и эмиттером будет равно:

U_{КЭ VT1} = E_П - U_R4 - U_R3 = … В,

т.е. транзистор VT1 не насыщен.

При этом, на транзисторе рассеивается мощность:

P_{К VT1} = U_{КЭ VT1}?•I_{К VT1} = … Вт.

Как следует из расчетов по формуле (2) мощностью, рассеиваемой при переключении, можно пренебречь. С учетом сделанных расчетов, транзисторы предоконечных каскадов выбираем исходя из следующих значений параметров:

I_КМ ? … ???????????мА,

U_{КЭ М} ? … В,

P_К ? … Вт.

Указанному набору параметров удовлетворяют комплементарные транзисторы КТ503В (VT1), КТ502В (VT2).

Их технические характеристики:

I_КМ = 150 мА,

U_{КЭ М} = 40 В,

P_КМ = 0.35 Вт при t = +50єC,

в_VT1 = 40 ч 120/

Сопротивление каскада определяется из соотношения:

R_{ВХ VT1} = R1 + R4?•в_{VT1 min} = 1.1 ????????????+ … = … кОм,

что значительно больше требуемого для ОУ (2 кОм).

1.3 ШИМ преобразователь

В качестве компараторов ШИМ выбираем ОУ типа К544УД2А. Использование в качестве компараторов ОУ обусловлено необходимостью получения симметричного по нагрузочной способности относительно “общего” провода сигнала для управления выходным полумостом.

Кроме того, эти ОУ обеспечивают высокое быстродействие в режиме переключения (U_ВЫХ = 20 В/мкс).

Технические характеристики ОУ К544УД2А:

U_П = ±6 ч? 16.5 В (напряжение питания),

U_ВХ.СФ = ч?10 В (входное синфазное напряжение),

U_ВХ.ДИФ = ч10 В (входное дифференциальное напряжение),

R_Н ?? 2 кОм (сопротивление нагрузки),

K_У = 20000 (коэффициент усиления),

f = 15 МГц,

V_ВЫХ = 20 В/мкс,

R_ВХ = 10⁹ Ом,

U_СМ = 30 мВ,

?U_СМ = 50 мкВ/^oC,

I_ВХ = 0.1 нА,

?I_ВХ = 0.1 нА.

??I_ВХ = 0.01 нА/^oC

Сигнал с выхода ОУ DA6 подаётся на неинвертирующие входы компараторов ОУ DA4 и DA5 , сигнал пилообразного напряжения - на их инвертирующие входы. Алгебраическая сумма этих сигналов определяет моменты переключения компараторов. Величина резисторов связи R7чR10 определяется нагрузочной способностью усилителя напряжения ОУ DA6 и развязывающих усилителей блока управления DA3, поэтому R7чR10 должны иметь величину ??2 кОм. Значения R7чR10 принимаем равными 10 кОм.

Напряжение смещения на входе компараторов в заданном температурном диапазоне (до +50^oC), с учетом того, что в ОУ не производится балансировки, но отрегулировано равенство входных токов, определится по формуле:

U_{СМ К} = (U_СМ + ?U_СМ??t) + (?I_ВХ + ??I_ВХ ?t)? • R, где ?t = T_ОКР - T_Н = 50^o - 25^o = 25^o,

R - входное сопротивление R7чR10

Подставляя численные значения, получаем:

U_{СМ К} = (30 • 10 ^-3 + 50 • 10 ^-6 • 25) + (0.1 • 10 ^-9 + 0.01 • 10 ^-9 • 25) • 10 • 10 ³ = 32 мВ.

Это напряжение увеличит дополнительно сдвиг, вносимый ОУ DA6.

1.4 Усилитель напряжения

С помощью усилителя напряжения осуществляется усиление до необходимого уровня напряжения сигнала рассогласования, получаемого в результате суммирования сигналов на его входе.

Заданный общий коэффициент усиления по напряжению должен составить K_u = 46 дБ, т.е. K_u = 200. Подача пилообразного сигнала и сигнала с выхода аналогового усилителя напряжения осуществляется на входы компараторов с помощью одинаковых резисторов R7чR10. Поэтому общий коэффициент усиления входного сумматора компаратора, ШИМ преобразователя и выходного усилителя мощности определяется как

= 27 / 10 = 2,7,

здесь: U_ДВ - напряжение питания двигателя,

U_ПИЛЫ - амплитуда пилообразного напряжения устройства управления.

Таким образом, необходимый коэффициент усиления ОУ DA6 равен

.

В качестве ОУ каскада УН выберем ИС К140УД6. Эта микросхема представляет собой ОУ общего назначения с внутренней частотной коррекцией и схемной защитой от короткого замыкания. Заданное техническим заданием входное сопротивление R_ВХ ? 10 кОм, определяет минимальный номинал резистора, подключенного к сумматору на инвертирующем входе. Таким образом, т.к.

, то .

R_ОС = 75?• 10? • 10³ Ом = 750 кОм.

Выбираем R_ОС = 750 кОм.

Технические характеристики ОУ:

U_П = ±?5 ч ±18 В,

U_ВХ.СФ = ±?15 В,

U_ВХ.ДИФ = 30 В (входное дифференциальное напряжение),

R_Н =? 2 кОм (сопротивление нагрузки),

f = 1 МГц,

R_ВХ = 10⁶ Ом,

U_СМ = 10 мВ,

?U_СМ = 20 мкВ/^oC,

I_ВХ = 100 нА,

?I_ВХ = 40 нА, (при +70^oC),

???????????????I_ВХ = 0.1 нА / ^oC.

Схемотехника каскада УН обеспечивает балансировку усилителя и выравнивание входных токов, поэтому оценка максимального смещения выходного напряжения определяется формулой:

U_{ВЫХ СМ} = ?U_СМ?t K_U + (??I_ВХ +????I_ВХ ??t) R_ОС ;

U_{ВЫХ СМ} = 20?•?10 ^{- 6}?•?25•?75 •10 ³ + (40•?10 ^-9•+ 0.1•10^?-9 •^?25)?? •?750•?10 ³ = 0.038 В.

С учетом смещения, обусловленного входными цепями компаратора, общее смещение, приведенное к входу компараторов определяется велечиной:

,

где: U_{ВЫХ СМ} = 38 мВ,

U_{СМ К} = 32мВ,

K_С = 1,

U_{ВЫХ СМ} = (38 + 32) = 70 мВ.

Таким образом, напряжение ошибки усилителя не хуже 1% (0.1 В по абсолютной величине).

В схеме усилителя напряжения предусмотрена балансировка с помощью резистора R30 и подключение сигналов по входам 1, 2 и 3.

Резистор R31 и конденсатор C13 предназначены для реализации цепи коррекции при включении усилителя в систему автоматичекого регулирования, поэтому в данном курсовом проекте не рассчитываются.

1.5 Устройство управления (УУ)

Устройство управления состоит из генератора импульсов, выполненного на ИС таймере DA1 КР1006ВИ1, восьмиразрядного двоичного счетчика DD1 561ИЕ10, резистивной матрицы ЦАП 572ПА1, сумматора токов матрицы - ОУ DA3.1 и инвертора DA3.2. ОУ DA3 - сдвоенный, типа К140УД20А. Стабилитрон VD1 и резистор R3 образуют параметрический стабилизатор опорного напряжения резистивной матрицы ЦАП - “+10В”.

С учетом выбранного периода частоты ШИМ T_ШИМ = 2.5 мс и разрядности счетчика - 2⁸, период генерируемых импульсов должен быть равен:

, мкс.

Соотношения, связывающие период импульсов и параметры времязадающих элементов таймера, определяются выражением:

T = 0.7 х ?(R1 + 2R2) х? C1.

Задаемся величиной C1 = 1нФ = 1 х ?10 ^-9?Ф и R2 = 4.7 кОм = 4.7 х 10 ³ Ом.

Тогда:

.

Подставляя численные значения, имеем:

Ом.

Принимаем типовое значение R1 = 4.7 кОм.

Резисторы ОУ DA3.2 R5* и R6* для выполнения точной инверсии должны быть высокой точности с допуском и их величина может лежать в диапазоне 3ч20 кОм.

Таким образом, параметры разработанного усилителя удовлетворяют всем требованиям технического задания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из описания алгоритма функционирования усилителя следует, что основным параметром, определяющим пульсации момента якоря является период ШИМ сигнала. В данном усилителе сглаживание пульсаций момента осуществляется за счет момента инерции якоря двигателя, и, следовательно, постоянная времени этого фильтра определяется электромеханической постоянной времени двигателя. Поэтому период ШИМ можно определить из соотношения:

,

где =0.05с - приближенное среднее значение электромеханической постоянной времени двигателей серии ДПР-32 ч ДПР-72.

Таким образом Tшим ? 0.005 с = 5мс, и 200 Гц. Принимаем f_шим= 400 Гц, тогда Tшим = 2.5 мс.

Принципиальная схема усилителя мощности УМ изображена на рис.3. Усилитель представляет собой полумостовую схему, управляемую разнополярными импульсами, поступающими с выходов компараторов ШИМ преобразователя амплитудой “10В”. Транзисторы VT1 и VT3 связывают нагрузку с +E_П, транзисторы VT2 и VT4 с -E_П, при этом, направление вращения двигателя реверсируется.

Входные каскады усилителя (транзисторы VT1, VT2) выполнены по схеме с общим эмиттером. Выходные каскады выполнены также по схеме с общим эмиттером с использованием комплементарных составных транзисторов (пары Дарлингтона), что обеспечивает автоматическое регулирование тока управления выходных транзисторов (ненасыщенный режим их работы) при широкой вариации тока нагрузки и, следовательно, минимальные тепловые потери.

Резисторы R11, R39 (R12, R40) и диоды VD4 (VD5) образуют делитель напряжения, предназначенный для фиксации обратного напряжения перехода база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 до уровня U_БЭ 5В. Резисторы R17, R18 предназначены для фиксации коллекторного тока I_К1 и I_К2 при включенном состоянии транзисторов VT1 (или VT2). Их величина, кроме того, определяет входное сопротивление каскадов на транзисторах VT1 и VT2.

Резисторы R19 и R20 фиксируют напряжение U_БЭ транзисторов VT3, VT4 в выключенном состоянии, определяемое током I_К0, при максимальном, заданном ТУ, значении температуры окружающей среды.

Преобразователь ШИМ выполнен на быстродействующих ОУ, выполняющих функции компараторов, DA4 и DA5 (ИС серии К544УД2А). Выходные импульсные сигналы этих компараторов 4 и 7 поступают на соответствующие половинки полумоста УМ. На входе компаратора DA5 алгебраически суммируется сигнал 1 с выхода ОУ DA6 с сигналом отрицательного пилообразного напряжения 5, а на входе компаратора DA4 - с сигналом инвертированного положительного пилообразного напряжения 2.

При нулевом и отрицательном значении сигнала 1 напряжение выхода 4 компаратора DA4 - «-10В», так как пилообразное напряжение 2 не выходит из области положительных значений. При смещении сигнала 1 в область положительных значений напряжения выход 4 компаратора DA4 принимает значение «+10B» при нуле напряжения пилы и возвращается к «-10В», когда напряжение пилы становится больше напряжения сигнала 1.

Ширина импульсов, генерируемых компаратором, линейно связана с амплитудой сигнала 1. При равенстве амплитуды сигнала 1 амплитуде пилообразного напряжения 2, генерируется импульс максимальной ширины. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности вместе с ШИМ преобразователем определится из соотношения:

 (1)

где: - напряжение источника питания выходных каскадов усилителя;

- амплитуда пилообразного напряжения на выходе устройства управления;

- коэффициент передачи сумматора по входу пилообразного напряжения.

При смещении сигнала 1 в область положительных значений работает только компаратор DA4. Входной сигнал компаратора DA5 еще больше смещается в область положительных напряжений и, следовательно, выход DA5 остается в состоянии “+10В”. Таким образом, по сигналам ШИМ переключается верхняя половинка полумоста, а нижняя остается в выключенном состоянии.

При смещении сигнала 1 в область отрицательных напряжений ШИМ преобразование осуществляется уже компаратором DA5. Компаратор DA4 в это время будет еще более заторможен входным сигналом. Активным значением выхода компаратора DA5, является напряжение «-10В», которое управляет включением р-n-р транзистора VT2 нижней половинки полумоста УМ.

Устройство управления 5 выполняет функции генерирования сигналов пилообразного напряжения. Осуществляется это с помощью цифроаналогового преобразователя DA2. Опорное напряжение, определяющее амплитуду пилы, равно напряжению стабилитрона VD1. Цифровой двоичный сигнал от 0 до 255 формируется восьмиразрядным счетчиком (ИС DD1), на вход которого поступает импульсный сигнал с выхода генератора импульсов (ИС DA1). Так как выбранная нами частота ШИМ преобразователя = 400 Гц (период T=2.5 мс.), частоту задающего генератора можно определить из соотношения:

кГц.

ОУ DA3.1 осуществляет формирование отрицательного пилообразного напряжения в функции выходного тока резистивной матрицы R-2R (ИС DA2). ОУ DA3.2 формирует инверсный сигналу 2 пилообразный сигнал положительной полярности.

ОУ DA6 является усилителем аналогового сигнала. Он выполняет функции суммирования входного сигнала и сигналов обратной связи, функции основного усиления и, возможно, функции динамической коррекции.

ЛИТЕРАТУРА

Справочник. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Москва, “Радио и связь, 2009г.

А.Г. Алексеев, Г.В. Войшвилло. Операционные усилители и их применение. Москва, “Радио и связь, 2010г.

Размещено на Allbest.ru

...