Формирователь импульсов (ФИУ) представляет собой предварительный усилитель мощности, обеспечивающий переключение ключей, однако этим не исчерпываются его функции. Здесь импульсы формируются не только по амплитуде, но и по форме, выполняются интеллектуальные функции по диагностике блока силовых ключей и их защите. Кроме того, в этом устройстве осуществляется гальваническая развязка маломощной и силовой частей системы управления.
Блок силовых ключей может содержать один или более ключей в зависимости от выбранной схемы включения исполнительного элемента (полумостовая и мостовая).
В нашем случае для управления двигателем постоянного тока с учетом реверса используется мостовая схема включения, изображенная на рисунке 7:
Рисунок 7
Мостовая схема включения двигателя постоянного тока содержит один источник питания и четыре ключа. Ключи открываются попарно: VT1 и VT4, VT2 и VT3. При этом ток через двигатель течет, то в одном, то в другом направлении. Диоды VD1-VD4 осуществляют шунтирование нагрузки на интервале выключенного состояния ключа.
Электродвигатель представляет собой RL – нагрузку. Будем полагать, что постоянная времени RL – нагрузки
существенно больше периода коммутации транзистора . Это позволяет считать изменения тока индуктивности практически линейными, а сами эти изменения существенно меньшими среднего значения тока в нагрузке. Напряжение на нагрузке при этом имеет прямоугольную форму. Регулирование мощности осуществляется с помощью регулирования относительной длительности выходных импульсов, то есть изменением коэффициента заполнения .В третьем импульсном режиме питание нагрузки осуществляется прямоугольным переменным напряжением. В этом случае существуют интервалы, на которых напряжение в нагрузке равно нулю. На рисунке 8 показаны временные диаграммы напряжения нагрузки.
Рисунок 8
Данный режим имеет практическое значение при
и , то есть для случая, когда постоянная составляющая напряжения нагрузки равна нулю. При этом осуществляется регулирование мощности первой выходного напряжения. Разложив в ряд напряжение, форма которого показана на рисунке 5, получим выражение первой гармоники выходного напряжения: ,где
.В третьем ИР частота первой гармоники напряжения и тока в нагрузке равна частоте следования импульсов питающего напряжения.
Рассмотрим более подробно структурную схему, показанную на рисунке 5. Дальнейший расчет ШИП на полевых транзисторах проводится по блокам, согласно структурной схеме и временным диаграммам работы широтно-импульсного преобразователя с ключами на полевых транзисторах для реализации третьего ИР управления двигателем постоянного тока, представленной на рисунке 9.
ГТИ – генератор треугольных импульсов; CC1, СС2 – схемы сдвига; К1, К2 – компаратор; ФИУ1, ФИУ2 – формирователь импульсов управления; ПТ1, ПТ2 – полевой транзистор
Рисунок 9
ГТИ формирует треугольные импульсы заданной частоты и амплитуды. Первая схема сдвига уровней СС1 осуществляет сдвиг выходного сигнала вверх на
, равный в нашем случае 2 В. Вторая схема сдвига уровней СС2 осуществляет сдвиг выходного сигнала вниз на . На неинвертирующий вход компараторов К1, К2 подается входной сигнал, равный 0,68 В. После компараторов сигнал обладает некоторым отрицательным значением. Чтобы эту часть исключить, а также для окончательного формирования импульсов, сигнал подают на формирователь импульсов управления. После чего сигналы поступают на затворы полевых транзисторов.Блок №1: Генератор треугольного напряжения
Схема генератора треугольного напряжения представлена на рисунке 10:
Рисунок 10
Генератор состоит из неинвертирующего триггера DA2 и инвертора DA3, который интегрирует постоянное напряжение триггера. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, то выходное напряжение последнего изменяет полярность и конденсатор начинает перезаряжаться, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера противоположного знака.
Амплитуда выходного напряжения зависит от порога срабатывания триггера:
, (2)где
– это напряжение насыщения операционного усилителя. Период колебаний равен удвоенному времени, в течение которого выходное напряжение интегратора изменится от до : (3)Используя формулу (3) для расчёта периода колебаний, можно рассчитать частоту сигнала, идущего с генератора.
При этом учитывается, что частота с генератора должна не менее чем в 10 раз превышать частоту входного сигнала:
Т.к. частота входного сигнала 50 Гц, то частота с генератора должна быть 500 Гц. Следовательно, период колебаний равен
с. Напряжение срабатывания В. Амплитуда выходного напряжения должна быть равна В. Выберем элементную базу для генератора:Пусть
кОм, тогда по формуле (2) кОмПусть
Ф, тогда по формуле (3) кОм.Выбирается резистор с номинальным сопротивлением 3,3 кОм.
Генератор выберем на микросхеме К140УД7, справочные данные которой приведены в таблице 3
Таблица 3
Обозначение | Тип | UПИТ, В | Ток питания, мА | UВЫХ, В |
DA2 | К140УД7 | 5–20 | 3 | 11 |
Справочные данные на выбранный конденсатор приведены в таблице 4.
Таблица 4
Обозначение | Тип | Емкость, мкФ | Отклонение, % | Номинальное напряжение, В |
С12 | К73–11 | 5,1 | 20 | 10 |
Справочные данные на резисторы приведены в таблице 5.
Таблица 5
Обозначение | Тип | Сопротивление, кОм | Отклонение, % | Мощность, Вт |
R4 | С2–33H | 1 | 5 | 0,125 |
R3 | C2–33H | 33 | 5 | 0,125 |
R5 | С2–33H | 3,3 | 5 | 0,125 |
R6 | C2–33H | 1 | 5 | 0,125 |
Блок 2: Повторитель напряжения.
Нагрузка оказывает влияние на сигнал, идущий с генератора, вызывая смещение. Во избежание этого после генератора треугольных импульсов ставят повторитель напряжения (рисунок 11).
Выходной сигнал с повторителя напряжения будет аналогичен выходному сигналу с генератора.
Повторитель выберем на микросхеме К140УД7, справочные данные которой приведены в таблице 6.
Рисунок 11
Таблица 6
Обозначение | Тип | UПИТ, В | Ток питания, мА | UВЫХ, В |
DA11 | К140УД7 | 5–20 | 3 | 11 |
Блок №3: Схема сдвига уровня
Схема сдвига уровня выходного сигнала представлена на рисунке 12.
Рисунок 12
Для расчета данной схемы нам понадобится значение сигнала, который подается на неинвертирующий вход компаратора (Блок №5) с сельсинов. Найдем его значение. Т.к. сигнал с сельсинов равен 51 В (это приходится на 900), тогда, если учесть, что ошибка следования равна 1,20, то входной сигнал будет равен
В.