Анализ схемной реализации устройства

 

Министерство образования РФ

 

 

Владимирский государственный университет

 

 

 

Кафедра АТП

 

 

 

 

 

 

                            

 

Курсовая работа

Дисциплина: «Преобразовательная техника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      Выполнил:

 студент группы: ЗАсд-111

                                                                                           Смирнов К.В.

                                                               

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…………………………….11

5 Расчет элементов формирующих  линию переключения транзисторов…14

6 Расчет мощности резисторов……………………………………………….15

 Список используемой литературы…………………………………….……..17

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

На сегодняшнем этапе развития информационных технологий, все шире внедряются в производство с системой автоматизированного управления. На ряду с такими важными элементами, как первичные преобразователи информации и системы управления важную роль играют исполнительные устройства разного рода. Одним из видов таких устройств являются электроприводы. Одним из подвидов электроприводом, является шаговый привод. Шаговые двигатели получили широкое распостранение за счет простоты управления, высокой точности позиционирования, большого диапазона скоростей, низкой стоимости. В данной работе описывается устройство управления шаговым двигателем.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Задание.

 

Разработать транзисторный преобразователь и схему управления шаговым двигателем А4Б1В1:

 

 

Тип двигателя: Шаговый.

Тип ключевых элементов: Транзисторы.

Напряжение питания силовой части: Трехфазное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Анализ устройства и  выбор способа управления.

 

При разработке любого устройства необходимо оценивать целесообразность его производства. Создаваемое оборудование, должно иметь малую себестоимость производства наряду с повышенными техническими характеристиками по отношению к аналогам. Устройство «Частотный преобразователь» востребовано на рынке промышленного оборудования, т.к. это относительно новый вид оборудования. Оно позволяет плавно изменять параметры различных техпроцессов (скорость подачи, вентиляции и т. д.) и при этом экономить электроэнергию. Именно в этих качествах данного вида оборудования заинтересованы предприятия-потребители. Спрос на преобразователи частоты растет, а значит и растет предложение. В данной ситуации конкуренция между основными производителями быстро нарастает. Оборудование становится дешевле, но в то же время оно не лишается своих технических характеристик.

 

   

 

 

 

Рисунок 4.1.1 – «Структурная блок-схема прибора»

 

 

 

 

 

 

Математическая модель

 

 

«Диаграмма подачи импульсов на обмотки в полношаговом режиме»

 

 

 

«Диаграмма подачи импульсов на обмотки в полушаговом режиме использования»

 

 

«Временная диаграмма наростания тока в обмотке ШД»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели постоянного тока обеспечивают превосходные характеристики, как при управлении с датчиками положения, так и без них.

Управление с датчиками используется, если момент сопротивления неизвестен или варьируется, а также, если необходимо достичь большого пускового момента.

Управление без датчиков, как правило, используется в вентиляторах, где позволяет избавиться от применения датчиков Холла и исключить проводные связи с ними.

Типичные сферы применения:

- Электропривод

- Холодильное/морозильное оборудование (компрессоры)

- Системы нагрева, вентиляции и  кондиционирования воздуха (например, вентиляторы)

Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с датчиками положения на основе датчиков Холла

выходы датчиков Холла подключены к линиям ввода-вывода микроконтроллера, которые настроены на генерацию прерываний при изменении состояния

регулировка скорости выполняется с помощью ШИМ-каналов, подключенных к нижним драйверам.

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроль тока выполняется с помощью АЦП и аналогового компаратора

Поддерживаемые интерфейсы связи: TWI, SPI и УАПП

Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков

Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков по положению:

- положение ротора определяется  с помощью дифференциального  АЦП;

- регулировка скорости выполняется с помощью ШИМ-каналов, подключенных к нижним драйверам.

Токовая перегрузка определяется с помощью АЦП или аналогового компаратора.

Поддерживаемые коммуникационные интерфейсы: TWI, SPI и УАПП.

 

 

 

3. Статический расчет  транзисторного ключа.

 

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

                 Ik1max=Iфmax=0,2 A.

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

                 Uэк1max=Un=36 В.

   Выберем транзистор типа  КТ369А (n-p-n), имеющий статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером  h21эmax=100, h21эmin=20 и следующие предельно допустимые параметры: Ikmax=0.25A, Uэкmax=45 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=0,2 A.

Максимальное обратное напряжение диода равно напряжению питания инвертора Uобрmax=Un=36 В.

   В качестве обратного  диода выбираем высокочастотный  диод типа 2Д106А с малым временем  восстановления обратного сопротивления tвос=0,45 мкс и следующими предельно допустимыми параметрами Uобрmax=100 В, Iсрmax=0,3А.

   С учетом максимального  напряжения насыщения база-эмиттер транзистора VT1 UБЭНАС=0.5В определим максимальный ток коллектора транзистора VT2  в режиме насыщения

IK2MAX= IБ1+ IR1= A.

   Максимальное напряжение на запертом транзисторе VT2 равно напряжению питания инвертора UКЭ2MAX=36 В. В целях унификации типов силовых транзисторов в качестве VT2 выбираем транзистор КТ369А. Сопротивление резистора R2 примем равным 10 Ом.

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

IR3 ОТП=IБ2 + IR2= =КНАС 0.076А

где КНАС=1,5.

Напряжение отпирающего источника Uп1 определим следующим образом. При включение 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-UБЭ6 должно превышать UБЭ1НАС+UБЭ2НАС на величину, достаточную для создания в сопротивлении R3 требуемого тока. Таким образом, Uп1  должно быть больше

UБЭ1НАС+UБЭ2НАС+UЭК5+UБЭ5=0.5+0.5+3+1=5 В.

   Примем для унификации  источников питания Uп1=6 В, Uп2=-6 В –напряжение питающего источника. Транзистор VT3 выбираем по максимальному току коллектора и максимальному обратному напряжению UК3MAX=2 Uп1=12 В,  IK3MAX=IR3отп=0,076А.

   Транзистор КТ3151Е9 имеет  следующие предельные параметры:

IK3MAX=0,1 А, UKЭMAX=20 В, h21Э=40.

   Зная ток эмиттера VT3 при отпирании составного транзистора, определим ток базы и падение напряжения на переходе база-эмиттер

                        IБЭ= А=1,9 мА

                        UБЭ3 =0,5 В.

 

   Задавая UЭК3=3 В, 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=

   Выбираем в качестве диода  VД2 высокочастотный диод КД419Г,имеющий следующие предельно допустимые параметры:

                   IСР.MAX=0.012 A, UОБР. MAX=15 В и прямое падение напряжение UД2, не превышающего 1 В, найдем :

UЭПЗАП=  

=

В

 

  

Транзистор VT4 выбираем по максимальному току коллектора и максимальному обратному напряжению Iк4max=IБ1акт=

                      UЭК4MAX=12 В.

   Транзистор КТ3151Е9 имеет  следующие предельные параметры:

IКMAX=0,1 A, UЭКMAX=25 В, h21ЭMIN=30. При запирании ключа VT4 переходит в активный режим и его ток базы равен:

IБ4= А=1,9мА

  При этом UЭБ4=0,5 В, а падение напряжения на сопротивлении R4 равно UR4=UЭПЗАП-UЭБ4-Uп2= -1,68-0,5+6=3,82В.

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

Сопротивление R7 рассчитывается из условия получения заданного прямого тока светодиода Iпр.СД=20 мА,

                             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

 mА.

В качестве транзисторов VT5 и VT6 фотоусилителя выберем высокочастотные транзисторы типа ГТ402А со следующими параметрами:

Iкmax= 500  mА,  Uэкmax= 25 В,  h21э6min= 30.

Определим токи коллектора и эмиттера VT6 при включении ключа

   mА;

  mА.

Ток базы транзистора VT3

   IБ3= mА.

Ток, протекающий через сопротивление R4:

    mА.

Ток коллектора транзистора VT5

    mА.

Ток базы транзистора VT5 и соответствующего ему падение напряжения на переходе база – эмиттер

     mА;    В;

     Ом.

Принимаем R6=85 Ом

Напряжение, приложенное к переход у эмиттер – коллектор VT6 и резистору R5:

 В.

Для нормальной работы VT6 в режиме усиления должно быть не меньше 1,5 В, следовательно, В. Зная ток , определяем сопротивление резистора Ом. Примем R5=170 Ом. 

 

4.Динамический расчет  транзисторного ключа

Определим по каталогу граничные частоты коэффициентов передачи в схеме с общим эмиттером для транзисторов, входящих в состав ключа:

 МГц;  МГц.

Собственные постоянные времени транзисторов при работе в активной зоне                  ;  мкс;

 мкс.

Для силовых транзисторов VT1 и VT2:

 МГц;  мкс;

Время включения и выключения оптрона соизмеримо с постоянными времени транзисторов и также должно учитываться: мкс.

Расчет времени включения ключа будем проводить, приняв следующие допущения: ток базы VT6 меняется по линейному закону за время , ток базы каждого из последующих транзисторов нарастает также линейно за время, равное времени выключения предыдущего транзистора. Так как относительная крутизна фронта базового тока, χ=tв(i+1)/ti где i- номер транзистора в ключе, для всех транзисторов принимаются такие значения, что >1, то время включения можно найти из трансцендентного уравнения