1.2.1 Külső gerjesztő motor és származtatott motor A külső gerjesztő motor gerjesztő áramkörrel és armatúra áramkörrel rendelkezik, amelyek két külön egyenáramú feszültségforrásból származnak. [6] Ha ugyanazt a forrást használják a gerjesztéshez, mint az armatúra ellátásához, akkor egy söntmotor jön létre, de a tulajdonságok alakját ez nem befolyásolja. A külső gerjesztésű motornak és a derivált motornak tehát ugyanaz a mechanikus, ill. elektromechanikus jellemzők. A motor szögsebességének kapcsolata: 1.1 Külső gerjesztő motor és derivatív motor U U (Ra + Rsp) U Ra + R i sp ω = =. Ia =. M [1,1] 2CφCφCφ (cφ) ahol: N2pC =. [1.2] 2a 2π Az egyenlet meghatározza a motor mechanikai egyenletét. Nyilvánvaló, hogy ez a jellemző a fordulatszám lineáris függését fejezi ki a motor nyomatékától, ami a motor fordulatszámának szabályozásának lehetőségét eredményezi. Célszerű ezeket a sebességeket a horgonyokhoz kapcsolt feszültséggel szabályozni, mert itt lineáris függőség is érvényes. A motor szögsebességének összefüggéséből az következik, hogy a motor fordulatszámát háromféleképpen lehet szabályozni: az armatúra áramkörében az R a ellenállás megváltoztatásával az R sp ellenállás további csatlakoztatásával, az U kapcsos feszültség megváltoztatásával a motor armatúráján., a Φ mágneses fluxus (azaz az I b gerjesztési áram) megváltoztatásával. Alacsony feszültségű átalakító DC meghajtóhoz 9
a) b) c) d) ábra. 1.2. (A) a motor mechanikai jellemzői, amikor a sebességet az armatúra kerületén lévő ellenállás változtatásával szabályozzák; b) a motor mechanikai jellemzői, amikor a sebességet az armatúra feszültségének megváltoztatásával szabályozzák; c) a motor mechanikai jellemzői, amikor a gerjesztés változtatásával szabályozzák a sebességet; d) A motor terhelési jellemzői [2] 1.2.2 Soros motor Ez egy egyirányú gép, az armatúra és gerjesztő áramkör soros csatlakozásával, amely motor üzemmódban működik, t. j. az elektromos energiát mechanikai energiává alakítja [6]. Előnyös mechanikai jellemzői miatt továbbra is főleg a szállításban használják. Hiperbola alakjából következik, hogy a soros motort terhelés nélkül nem szabad elindítani, mivel a sebesség elméletileg a végtelenségig növekedne, gyakorlatilag olyan magas, hogy a gépet mechanikusan károsítanák a rotorra ható centrifugális erők. ÁBRA. 1.3 Soros motor alacsony feszültségű átalakítója DC meghajtóhoz 10
a) b) c) d) ábra. 1.4. A) a motor mechanikai jellemzői, amikor a sebességet az armatúra kerületében lévő ellenállás megváltoztatásával szabályozzák; b) a motor mechanikai jellemzői, amikor a sebességet a kapocsfeszültség megváltoztatásával szabályozzák; c) a motor mechanikai jellemzői a gerjesztés csillapításával történő sebességszabályozásban; d) Motor terhelési jellemzői [2] Ez azt jelenti, hogy a gerjesztő tekercsből a motoráram egy részét a söntbe fordítja. A feszültségmentes motor forgási sebessége ugyanazon áram mellett nagyobb, mint az 1. ábra jellemzőjénél. 1,4 c). A motoregyenletek a következők lesznek: U Ra. Ia ω =, [1.9] C 1 U Ra Ra =. M, [1.10] 2 Cφ 1 (cφ 1) ahol Φ 1 0. Ebben az esetben, ha M a> 0, a rendszer felgyorsul (azaz pl. ALACSONY FESZÜLTSÉG-ÁTALAKÍTÓ DC-HASZNÁLATRA 14)
hajtás indítása), ha M és U p, akkor U PM = U dc különben U PM = - U dc ábra. 1.20 Mennyiségek szimmetrikus (bipoláris) vezérlésben a védelmi idő figyelmen kívül hagyásával A 4Q konverter matematikai modelljében csak a kimeneti egyenfeszültség átlagértékeit vesszük figyelembe. Az áram folyamatos alakú. Az átviteli egyenletből indulunk ki: ebből: F PM U (p) = = K PM. e U (p) s pt (p) PM, [1,14] r K PM 1 = 1 + pt PM, ahol 1 T T PM = =. [1.15] 2 f 2 alacsony feszültségű átalakító DC meghajtóhoz 26
A kimenő egyenfeszültség átlagértékére a következők vonatkoznak: U s = U = U dc dc U. U (T1 T2). = U T r p max = K PM. U r dc, (T. 1 T T + T) 1 = U dc 2T. T 1 1 = U dc. U 1+ U pr max 1 = [1.16] kapcsolási arány: TU + UU = = +, [1.17] T 1 p max rr 1 2U p max U p max konverter erősítés: UUUK = U s dc dc dc PM = = = . [1.18] U r U r U p max U p max A K PM erősítés állandó, függetlenül az U r működési ponttól. Alacsony feszültségű átalakító DC meghajtóhoz
és a C36, C37, C38 és C39 kondenzátorok. A szűrő elválasztja a digitális földet az analóg résztől. Az IC3 stabilizátor 3,3 V_A (analóg) értéken stabilizálódik, és ezzel a feszültséggel az R18 előtétellenálláson keresztül tápláljuk az IC4 referenciafeszültség-forrást. A másik két ágban a 24V feszültséget az IC13 átalakító 12V_D-re csökkenti, és az FLT1 szűrőn keresztül ellátjuk vele a tranzisztor meghajtókat. Az utolsó ágban az IC14 stabilizátor a 15V_D NYÁK készletet szállítja a DSP-vel. A kimeneti feszültség kiszámítása a következő: Az IC1 áramkörre a következők vonatkoznak: Kiválasztom: U kimenet = 8,2 V, R59 = 1,2 k, U ref = 1,23 V, majd: U kimenet 8,2 V R60 = R59. (1 ) = 1, 2kΩ. (1) = 6,8kΩ. U 1,23 V ref Az IC4 áramkörre a következők vonatkoznak: A kimeneti referenciafeszültség U kimenet = 1,65 V, R16 = 100 kΩ: Uout 1,65 V R20 = R16. (1) = 100 kΩ. (1) = 33,065 kΩ. 1,24 V ref R20 esetén 33 k Ω-ot választok, majd: R20 33 kΩ U kimenet = 1,24. (+ 1) = 1,24. (+ 1) = 1,6492V. R16 100kΩ ábra 2.13 Áramellátás kapcsolási rajza ALACSONY FESZÜLTSÉGVÁLTÓ DC DC Hajtáshoz
2.11 Az energia szakasz blokkszerkezete és az inverter prototípus felépítése A 2.15 a tervezett átalakító blokkszerkezete. A munka során elkészítették a konverter prototípusát (2.14. Ábra), amelyen a teljes szerkezet elméleti ismereteit és funkcionalitását igazolták. Az inverter általában elérhető alkatrészekből készül (lásd a 4. számú mellékletet). A prototípus kialakítása nem egyezik a végleges kivitellel kapcsolatban az alábbi pontokban: 2.14 Az MC33152 meghajtó prototípusát a fékkörben felváltotta a CD4050 nem invertáló leválasztó logikai áramkör, az áramkörben lévő LM285M referencia feszültségforrást az LM317LZ áramkör, az 1 mω áramérzékelő ellenállásokat párhuzamos csatlakozás váltotta fel. tíz ellenállás. 100 mω értékkel, így elérve a 10 mω végső ellenállást, megváltozott az MC33502 műveleti erősítők erősítése, az MTB75N06 tranzisztorokat 45N03LT, az LM2575D2T átalakítót a 7812 stabilizátor váltotta fel, a tápfeszültséget 15 V-ra csökkentették. Kipróbálták a prototípus-átalakító szerelt egyoldalas nyomtatott áramköri lapját, amely alapján kijavították a sémát. A javasolt alacsony feszültségű átalakító végleges kapcsolási rajza a DC DRIVE DRIVE 38-hoz
Különösen a következő követelményeket támasztják a szervomotorokkal: a nyomaték karakterisztikájának stabilitása és linearitása a teljes fordulatszám-tartományban, a sebesség linearitása a vezérlőfeszültségtől (vezérlési jellemző) és a nagy szabályozási tartományban, nulla vezérlőfeszültség mellett a motor nem forog, nagy válaszsebesség, alacsony vezérlési teljesítmény. A HSM 60 DC szervomotor forgórészét ferromágneses forgó alkatrészek nélkül tervezték. Alacsony tömeg jellemzi, és így a tehetetlenség nagyon kicsi. A szervomotort állandó mágnesek gerjesztik, magas BH max együtthatóval, ami lehetővé teszi az optimális telítettség elérését a légrésben és ezáltal a nagy bekapcsolási nyomatékot. A szervomotor belső alakja hengeres. A terhelés összekapcsolására szolgáló kimeneti tengelyt a kör alakú karima elején vezetik ki. A tengely vége kúpos. A tengely szemközti oldala hengeres, és sebességérzékelő tachogenerátor van csatlakoztatva hozzá. A 2. ábrán 2.18 a motor működési jellemzője. A kikelt részen a művelet csak idegen ábrával lehetséges. 2,17 HSM 60 motor tachogenerátoros hűtéssel. ÁBRA. 2.18 A motor működési jellemzői ALACSONY FESZÜLTSÉGVÁLTÓ A DC MOTOR 40 MEGHAJTÁSÁRA
Motor műszaki adatai [23]: Névleges paraméterek: Feszültség: UN = 12 V Nyomaték: MN = 0,108 Nm Fordulatszám: n N = 5320 min -1 Áram: IN = 7,5A Teljesítmény: PN = 59 W Hatékonyság: η = 65% Egyéb paraméterek: Üresjárati fordulatszám: 6270 min -1 Rotor tehetetlenségi nyomatéka: 38,10-7 kgm 2 Elektromos időállandó: 160 µs Elektromechanikus időállandó: 4,5 µs Teljes ellenállás 20 ° C-on 0,42 Ω Üresjárati áram 1,5A Üresjárati veszteségek 18 W induktivitás 60 µh alacsony feszültségű átalakító DC motoros meghajtáshoz 41
A helymeghatározás gyakran előfordul a műszaki gyakorlatban, és a robotika az egyik fő követelmény. A pozíciót a kiváló technológiai vezérlőrendszer adja meg. A beviteli módszer szerint fel tudjuk osztani a rendszereket követésre, amelyben a pozíció alapérték folyamatosan változik és cél, amelyben az alapérték lépésenként változik. A 2. ábrán 3.2 a) funkcionális blokkdiagram látható. ÁBRA. 3.2 a) helyzetszabályozás; b) Szögsebesség-szabályozás 3.2 Hajtásvezérlő rendszer 3.2.1 Digitális jelfeldolgozó A javasolt átalakító teljesítményrészét a Freescale digitális jelfeldolgozója vezérli DSP56F805 megnevezéssel [13]. Ez egy 16 bites processzor. A Freescale Semiconductor cég fejlesztői testületébe van felszerelve. 3.3. A fejlesztő tábla blokkvázlata a 2. ábrán látható. 3.4. A DSP56F805 és a fejlesztőkártya jellemzői: 80 MHz-es frekvencia 2 x 4 csatornás 12 bites A/D átalakító JTAG és RS232 busz 2 x 6 csatornás PWM ábra. 3.3 Szabadkivitelű fejlesztőkártya ALACSONY FESZÜLTSÉGVÁLTÓ DC-HASZNÁLATRA 43
16 időzítő Bemeneti/kimeneti portok B, D, E 31,5K x16 bites vaku programhoz 512 x 16 bites RAM adatokhoz 4K x 16 bites Flash adatokhoz 2K x 16 bites RAM adatokhoz 2K x 16 bites rendszerindító vaku DIPLOMA TÉZISEK 3.4 A fejlesztőkártya blokkvázlata [13] Az inverter tápellátási része az UNI_3 univerzális 40 tűs buszon keresztül csatlakozik a vezérlő rendszerhez. A Tab. A 4. ábra ismerteti azokat a csapokat, amelyekkel a meghajtót összekapcsolják a DSP-vel. A négy T1 T4 tranzisztort komplementer szélességi impulzus modulációval vezéreljük a PWM AT, AB, BT és BB kimeneteken keresztül. Ezek a kimenetek a DSP-n a PWM 0 és a PWM 3 között vannak összekötve. Az interferencia kiküszöbölése érdekében a GNDA digitális GND és analóg földje elválik egymástól. A DSP külön forrásból lesz táplálva, ezért a tápkábeleket nem csatlakoztuk. Ezenkívül 12 bites A/D konverter aljzatot is használunk az analóg feszültség, áram és sebesség mérésére. A szakértői fékezést a B port 5. bitje vezérli, amely kimenetként van beállítva. Az inverter azonosítása szintén a DC DRIVE 44 alacsony feszültségű átalakítójára történik
a kimeneti karakterisztika lehető legnagyobb meredeksége, a rotor kis tehetetlenségi nyomatéka, egy kis elektromágneses időállandó. Vezérlő rendszerek elemeiként használják, ahol funkciókat látnak el: zárt vezérlési ciklussal stabilizálják a rendszereket, jelzik a sebességeket. A K4A5 tachogenerátor műszaki adatai: Tartomány: 2V/1000 rpm -1 Maximális fordulatszám: 7000 rpm -1 A tachogenerator kimenete az A/D konverter bemenetéhez csatlakozik. A kimenet és az A/D átalakító között átalakítót kell csatlakoztatni. Az átalakító kialakítása a következő: A tachogenerátor maximális sebessége 7000 rpm -1. Ebből következik, hogy a 2V/1000 rpm -1 tartományban a kimeneti feszültség maximális fordulatszámon 14V lesz. Az A/D átalakító bemeneti tartománya max. 3,3 V. A tachogenerátor átalakító bekötési rajzát az ábra mutatja. 3.5. ÁBRA. 3,5 tachogenerátor átalakító 14 V feszültségnél I TG = 1mA I2, I3 0A, R5 = 1,6kΩ, RU TG 1,6V 2 I 14V 1,6V = 2 1,10 A 6, R7 = 3 TG = 6200kΩ = 6,2kného erősítő IC3A: RA = R 2 10kΩ = 10kΩ 3 = 1 Az IC3A műveleti erősítő eltolása: U eltolás = 1,65 V = ábra. 3.6. Alacsony feszültségű átalakító DC motoros hajtáshoz
K SC az arányos nyereség, ef (k) a szabályozási eltérés a k lépéssel a diszkrét időtartományban, (k 1) u, ha a k-1 lépéssel rendelkező integrátor kimenete a diszkrét időtartományban, és K integrációs nyereség. A következőkre vonatkozik: u (k) uf = [3.6] (k) (k) u max () wkwf = [3.7] (k) w max (k) yyf = [3.8] (k) y max (k) eef = [3.9] e max e K K. max SC = u K isc = max T e K. T ui max max [3.10] [3.11] 1/téglalap alakú kompenzációval a következő áll fenn: u (k) u (k 1) + T e (k) = [3,12] i i. akkor: K SC = PG. 2 PGS [3.13] K isc = IG. 2 IGS [3.14] ahol a PG az arányos nyereség, az IG az integrációs nyereség, a PGS arányos súlygyarapodás és az IGS integrációs súlygyarapodás. Az arányos és az integrációs profit a tartományban van, az arányos és az integrációs profit súlya a tartományban van. Az arányos és az integrációs nyereség a következő összefüggésekkel számolható ki: (0,5) log (PG) PGS log log 2 log1 log PG log 2 log 0,5 log IG log 2 log1 log PG log 2 () PGS () () IGS () IGS [3.15] [3.16] [3.17] [3.18] Alacsony feszültségű átalakító DC meghajtóhoz 48
Például, ha az erősítés K = 0,05, akkor a nagyságfaktort és az arányos nyereséget [3.15] és [3.18] adják meg. log (0,5) log (0,05) log1 log (0,05) log 2 súly log 2 3,3219 súly 4,3219 súly például: súly = 4, majd: nyereség = K.2 = 0,05,2 4 = 0,8 PI vezérlő alkalmas, ha a szabályozott rendszer közel áll az 1. soros rendszerhez. A mintavételi periódust gyakran a lehető legkisebbre választják, hogy a vezérlő folyamatosan működhessen. A mintavétel előtti vezérelt változó nem lehet zajos, vagy analóg szűrővel kell megfelelően szűrni, a mintavételi periódust legalább 10% -os pontossággal kell betartani, és az ellenőrzési törvényt számtani szempontból kellő szóhosszal kell kiszámítani. Alacsony feszültségű átalakító DC meghajtóra 49
A következő ábrák az IC8 és IC9 áramkörök működési erősítői mögötti áramlást mutatják be. A 2. ábrán 4.2 a) a DCB áramának folyamata, vagyis az R31 ellenálláson átfolyó áram (lásd 1. melléklet). A PWM (kék) élével az áram túllép, ami miatt a tranzisztor tökéletlenül kapcsol be. Az A port 7 bites elülső éle (sárga) megkezdi a DSP A/D konverterek indulását. Ez mindig a PWM periódus közepén történik, hogy biztosítsa az átlagos áram mérését. A 2. ábrán 4.2 b) viszont az Ia és Ib áramok alakulása a konverter mindkét ágában. a) b) ábra 4.2 a) PWM (kék), áram Idc (lila) és áram mérési pont Idc (sárga), b) PWM (kék), áram mérési pont Ia és Ib (sárga), áram Ia (lila) és Ib áram (zöld) ÁBRA. 4.3. A motor fordulatszámának függése a PWM üzemmódtól Alacsony feszültségű átalakító DC-meghajtású hajtáshoz 51
szabályokat (pl. a Ziegler-Nicholson módszer) a folyamat hatékonyabbá tétele érdekében. Ezek egyike: 1. Kapcsolja ki az integrációs komponenst. Fokozatosan növeljük az arányos komponens erősítését, amíg tartós rezgések nem következnek be. Ezután megfelezzük az erősítést. 2. Lassan növeljük az integrációs időállandót, amíg tartós rezgések nem következnek be. Ezután háromszor megnagyítjuk őket. A 2. ábrán A 4.3 a jelenlegi szabályozás. ÁBRA. 4.4 Kívánt vezérlés Az aktuális érték 2A, és a kívánt értéket (Kívánt érték) összehasonlítja a tényleges Idc aktuális értékkel. A vezérlő beállítása a következő: PG = 0,15, PGD = -1, IG = 0,01, IGS = 0. Átalakító a DC DRIVE DRIVE 53-hoz
ÁBRA. 4.5 Áramszabályozás a PI szabályozó paramétereinek változásával A vezérlő beállítása a következő: PG = 0,5, PGD = -1, IG = 0,02, IGS = 0. A 2. ábrán A 4.5 egy szimuláció, ahol megváltoztatjuk az aktuális alapjelet. A vezérlő Pi beállítása olyan, mint a 4.3. Ábrán. Az aktuális alapérték t 1 = 0A, t 2 = 1A, t 3 = 4A, t 4 = -1A, t 5 = -3A időpontban van. 4.6 Az Idc áram alapjel-változásának szimulációja KIS FESZÜLTSÉGVÁLTÓ inverter DC motoros hajtáshoz 54
4.3 A fordulatszám-szabályozási funkció ellenőrzése Ez egy magasabb szintű vezérlés egy zárt hurokban, és a PI-vezérlő az aktuális hurokhoz hasonlóan van beállítva. A 2. ábrán A 4.7 a sebességszabályozás. A fordulatszám alapértéke (piros) 1500 ford/perc. A PI vezérlő beállítása a következő: PG = 0,4, PGD = -6, IG = 0,001, IGS = -4. ÁBRA. 4.7 Sebességszabályozás Ábra. 4.8 A fordulatszám alapjel-változásának szimulációja. ALACSONY FESZÜLTSÉGVÁLTÓ DC DC Hajtáshoz 55