Система автоматического управления манипулятором робота-лунохода (стр. 4 из 6)
= 
= 
= 
Ни один транзистор не обладает таким коэффициентом усиления по току. Поэтому используются составные транзисторы, которые позволяют увеличить
за счет того, что суммарная = 1 * 2 * 3. Электрическая схема такой группы представлена ниже: 
Рисунок 12. Схема усиления на составных транзисторах
Входной ток является током базы транзистора Т1. Т.к. существует ток базы у 1го транзистора появляется ток коллектора 1го транзистора, который является достаточным током базы для 2го транзистора. Под действием тока базы Iб2 второй транзистор открывается и появляется Ik2, который является током базы для 3го транзистора. Через транзистор Т3 начинает протекать Ik3.
Коэффициент
у третьего транзистора невысок, порядка 10, т.к. это высокомощный транзистор. У Т2 этот коэффициент меньше – порядка 40. Т1 имеет самый большой коэффициент = 100. Таким образом общий коэффициент усиления данного каскада транзисторов составляет 40000, что является достаточным для нашего случая. Однако, данная схема обладает существенным недостатком – высоким падением напряжения, равным 2.1ВДля уменьшения потерей используется схема Шиклая:
Рисунок 13. Схема Шиклая
Входной ток, протекая через базу транзистора Т1 открывает его. Возникает ток коллектора Iк1, который является током базы для n-p-n транзистора Т3. В нем возникает ток коллектора, который протекает через базу второго транзистора. Под действием этого тока он открывается и в нем возникает ток коллектора Ik2. Общий коэффициент усиления
схемы также составляет 40000, но уже при меньшем падении напряжения (1В).Режим реверса реализуется с введением второго транзистора (n-p-n), показанного на схеме ниже:
Рисунок 14. Схема с режимом реверса
Ток, протекая через базу транзистора Т2 открывает его и возникает Ik2.
Для исключения влияния температурного фактора на разрабатываемую схему вместо управления двигателем по напряжению будем использовать управление двигателем по току. Для этого в цепь включается прецизионный по температуре резистор очень небольшого сопротивления 0.01 Ом. В этом случае при изменении температуры сопротивление резистора изменится незначительно, что как раз и дает устойчивость системы к температурному фактору. Падение напряжения на резисторе составляет:
Uпал = 0.01Ом * 10А = 0.1В
Это очень малая величина, которая не сказывается на КПД двигателя.
Рисунок 15. Схема управления двигателем по току
Рассчитаем необходимый коэффициент усиления в цепи обратной связи:
Мощность, рассеиваемую на транзисторе, можно найти по формуле:
Построим график зависимости рассеиваемой мощности Pтр от напряжения нагрузки Uн:
Рисунок 16. График рассеиваемой мощности
Из графика видно, что максимум рассеиваемой мощности приходится на напряжение ½ Eпит на нагрузке. Следует учитывать, что для отвода 10 Вт рассеиваемой мощности необходимо пространство объемом 1 литр.
Так как двигатель обладает высокой постоянной времени, то он будет продолжать вращаться еще некоторое время после снятия питания. Это свойство используют в импульсных схемах, где напряжение на нагрузку подается не постоянно, а импульсами. Двигатель в этом случае работает в так называем квазилинейном режиме.
Существует множество видов модуляции. Наиболее известные это:
1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
3. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
4. Импульсная модуляция (ИМ)
ШИМ:
Рисунок 17. Внешний вид широтно-импульсной модуляции
При ШИМ период следования импульсов Т постоянен, изменяется ширина импульса Tи.
ЧИМ:
Рисунок 18. Внешний вид частотно-импульсной модуляции
Ширина импульса постоянна, различна частота их следования.
Модуляция позволяет снизить энергозатраты, что приводит к увеличению КПД. Также т.к. через транзистор не всегда течет ток, на нем меньше рассеивается мощности.
Выбираем ШИМ как наиболее простой в реализации вид модуляции – реализуется при помощи генератора пилообразного напряжения и компоратора.
Преобразуем исходную схему линейного усилителя в импульсную:
Рисунок 19. Импульсная схема усилителя
В разрабатываемой системе нет отрицательного источника питания, поэтому модернизируем исходную схему, избавившись от отрицательного источника питания:
Рисунок 20. Импульсная схема усилителя с одним источником питания
В представленной схеме для того, чтобы двигатель вращался в одну сторону в точке А создается потенциал +12В, а в точке B 0В. Для вращения двигателя в другую сторону данные потенциалы меняются местами. Если же необходимо, чтобы двигатель не вращался в обоих точках задается потенциал равный +6В.
Вывод : Окончательная импульсная схема управления двигателем с использованием одного источника питания +12В и Н-моста:
Рисунок 21. Импульсная схема управления на КМОП-транзисторах
В схеме используются КМОП транзисторы как имеющие меньшее падение напряжения.
В разрабатываемой схеме будем использовать усилитель фирмы APEX Microtechnology SA60. Его основные характеристики:
· Рабочая частота – 500 кГц;
· Полномостовой выход 0,1-80 В;
· Выходной ток – 10 А;
· Занимаемая площадь – 1 кв. дюйм;
· Герметичный и удароустойчивый корпус.
4.3 Обоснование и выбор датчика угловой скорости:
Для осуществления обратной связи в цепи управления двигателем по скорости вращения вала двигателя необходим датчик угловой скорости.
К датчикам предъявляются следующие требования:
· Линейность
· Чувствительность (разрешающая способность)
· Стабильность характеристик во времени, температуре, давлении, влажности
· Устойчивость к химическим, физическим воздействиям и т.д.
· Технологичность
Все датчики можно разделить на контактные и бесконтактные. Контактные не подходят для разрабатываемой схемы, т.к. у них низкая надежность и срок службы. Гораздо эффективнее использовать бесконтактные датчики. Они бывают следующего исполнения:
1. Резистивные:
где
- плотность материала, l – длинна, а S – площадь поперечного сечения.Положительными качествами таких датчиков являются простота, доступность и высокая чувствительность. Отрицательными – низкая надежность (трущиеся материалы), влияние механических воздействий («ступеньки») при переключении, низкая линейность, большой начальный момент трогания.
2. Емкостные:
где S – это площадь, d – расстояние между обкладками
Данная группа датчиков обладает отсутствием трения, «тяжения» и высокой надежностью. Однако, их недостатками является нелинейность, сложность обработки сигналов, низкая точность.
3. Индуктивные – измеряется магнитное поле, которое создается током, протекающим по проводнику.
Такие датчики ценят за простоту конструкции, высокую точность, линейность и надежность. Но у них есть ряд отрицательных качеств: сложность обработки сигнала, большие масса-габаритные показатели и наличие «тяжения».