1.2.1 Motorul de excitație externă și motorul derivat Motorul de excitație extern are un circuit de excitație și un circuit de armătură furnizat din două surse de tensiune continuă separate. [6] Dacă aceeași sursă este utilizată pentru a furniza excitația ca și pentru a furniza armatura, se creează un motor de șunt, dar forma caracteristicilor nu este afectată. Motorul cu excitație externă și motorul derivat au, prin urmare, același mecanic, resp. caracteristici electromecanice. Relația pentru viteza unghiulară a motorului: FIG. 1.1 Motor de excitație externă și motor derivat U U (Ra + Rsp) U Ra + R i sp ω = =. Ia =. M [1.1] 2 Cφ Cφ Cφ (cφ) unde: N 2 p C =. [1.2] 2a 2π Ecuația definește ecuația mecanică a motorului. Este evident că această caracteristică exprimă dependența liniară a turației de cuplul motorului, ceea ce duce la posibilitatea reglării turației motorului. Este recomandabil să reglați aceste viteze prin tensiunea conectată la ancore, deoarece aici se aplică și o dependență liniară. Din relația pentru viteza unghiulară a motorului rezultă că viteza motorului poate fi controlată în trei moduri: prin schimbarea rezistenței R a în circuitul armăturii prin conectarea rezistenței suplimentare R sp, prin schimbarea tensiunii terminale U la armătura motorului, prin schimbarea fluxului magnetic Φ (adică curentul de excitație I b). CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE DC 9
a) b) c) d) FIG. 1.2. (A) caracteristicile mecanice ale motorului, la controlul vitezei prin schimbarea rezistenței în circumferința armăturii; b) caracteristicile mecanice ale motorului, la controlul vitezei prin schimbarea tensiunii pe armătură; c) caracteristicile mecanice ale motorului, la controlul vitezei prin schimbarea excitației; d) Caracteristicile de încărcare ale motorului [2] 1.2.2 Motor serial Este o mașină unidirecțională cu conexiune serială a circuitului de armătură și excitație, care funcționează în modul motor, t. j. convertește energia electrică în energie mecanică [6]. Este încă utilizat în principal în transport datorită caracteristicilor sale mecanice avantajoase. Din forma sa de hiperbolă rezultă că motorul de serie nu trebuie pornit fără sarcină, deoarece viteza ar crește teoretic la infinit, practic atât de mare încât mașina ar fi deteriorată mecanic de forțele centrifuge care acționează asupra rotorului. FIG. 1.3 Motor serial CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU ACȚIUNEA CC 10
a) b) c) d) FIG. 1.4 (a) caracteristicile mecanice ale motorului, atunci când se controlează viteza prin schimbarea rezistenței în circumferința armăturii; b) caracteristicile mecanice ale motorului, la controlul vitezei prin schimbarea tensiunii terminale; c) caracteristicile mecanice ale motorului, în controlul vitezei prin atenuarea excitației; d) Caracteristicile sarcinii motorului [2] Aceasta înseamnă prin transformarea unei părți din curentul motorului din bobina de excitație în șunt. Viteza de rotație a motorului deconectat la aceiași curenți este mai mare decât în caracteristica din FIG. 1.4 c). Ecuațiile motorii vor fi apoi următoarele: U Ra. Ia ω =, [1.9] Cφ 1 U Ra ω =. M, [1.10] 2 Cφ 1 (cφ 1) unde Φ 1 0. În acest caz, dacă M a> 0, sistemul accelerează (de ex. CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE 14)
pornire unitate), dacă M și U p atunci U PM = U dc altfel U PM = - U dc Fig. 1.20 Cursuri de mărimi în control simetric (bipolar) cu neglijarea timpului de protecție În modelul matematic al convertorului 4Q, luăm în considerare doar valorile medii ale tensiunii DC de ieșire. Curentul are o formă continuă. Plecăm de la ecuația de transfer: dintre care: F PM U (p) = = K PM. e U (p) s pt (p) PM, [1.14] r K PM 1 = 1 + pt PM, unde 1 T T PM = =. [1.15] 2 f 2 CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE DC 26
Următoarele se aplică valorii medii a tensiunii DC de ieșire: 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] raport de comutare: TU + UU = = +, [1.17] T 1 p max rr 1 2U p max U p max câștig convertor: UUUK = U s dc dc dc PM = = = . [1.18] U r U r U p max U p max Câștigul K PM este constant, independent de punctul de operare U r. CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE DC 27
și condensatoarele C36, C37, C38 și C39. Filtrul separă masa digitală de partea analogică. Stabilizatorul IC3 se stabilizează la 3.3V_A (analog) și cu această tensiune furnizăm sursa tensiunii de referință IC4 prin rezistorul de balast R18. În celelalte două ramuri, tensiunea de 24V este redusă la 12V_D de către convertorul IC13 și furnizăm driverele tranzistorului prin intermediul filtrului FLT1. În ultima ramură, furnizăm un kit PCB 15V_D cu un DSP cu un stabilizator IC14. Calculul tensiunii de ieșire este după cum urmează: Următorul se aplică circuitului IC1: aleg: U out = 8,2V, R59 = 1,2k, U ref = 1,23V, apoi: U out 8,2V R60 = R59. (1 ) = 1, 2kΩ. (1) = 6,8kΩ. U 1.23V ref Următoarele se aplică circuitului IC4: Tensiunea de referință de ieșire este U out = 1.65V, R16 = 100 kΩ: Uout 1.65V R20 = R16. (1) = 100kΩ. (1) = 33.065kΩ. Pentru 1.24V ref R20 aleg 33k Ω apoi: R20 33kΩ U out = 1.24. (+ 1) = 1.24. (+ 1) = 1.6492V. R16 100kΩ Fig. 2.13 Schema de conectare a sursei de alimentare CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU ACȚIUNEA DC 37
2.11 Structura bloc a secțiunii de putere și construcția prototipului invertorului În fig. 2.15 este structura bloc a convertorului proiectat. În timpul lucrării, a fost construit un prototip al convertorului (Fig. 2.14) pe care au fost verificate cunoștințele teoretice și funcționalitatea întregii structuri. Invertorul este construit din componente disponibile în mod obișnuit (vezi Anexa nr. 4). Proiectarea prototipului nu se potrivește în legătură cu proiectarea finală în următoarele puncte: Fig. 2.14 Prototipul driverului MC33152 din circuitul de frânare a fost înlocuit de circuitul logic izolator non-inversor CD4050, sursa de tensiune de referință LM285M din circuitul de alimentare a fost înlocuită de circuitul LM317LZ, rezistențele de detectare a curentului de 1 mω au fost înlocuite de o conexiune paralelă de zece rezistențe. cu o valoare de 100 mω, obținându-se astfel o rezistență finală de 10 mω, s-a schimbat câștigul amplificatoarelor operaționale MC33502, tranzistoarele MTB75N06 au fost înlocuite cu 45N03LT, convertorul LM2575D2T a fost înlocuit cu stabilizatorul 7812, tensiunea de alimentare a fost redusă la 15V. A fost testată placa de circuit imprimat unilateral montată a convertorului prototip, pe baza căreia schema a fost corectată. Schema de cablare finală a CONVERTITORULUI DE TENSIUNE SCĂZUT propus pentru DRIVE DRIVE DRIVE 38
În special, servomotorilor li se impun următoarele cerințe: stabilitatea și liniaritatea caracteristicii cuplului pe întreaga gamă de turații, liniaritatea dependenței de turație de tensiunea de control (caracteristica de control) și domeniul de control mare, la tensiunea de control zero motorul nu trebuie să se rotească, viteză mare de răspuns, putere redusă de control. Rotorul servomotorului HSM 60 DC este proiectat fără piese rotative feromagnetice. Se caracterizează prin greutate redusă și, prin urmare, un moment de inerție foarte mic. Servomotorul este excitat de magneți permanenți cu un coeficient ridicat de max. Forma internă a servomotorului este cilindrică. În partea frontală a flanșei circulare, există un arbore de ieșire pentru conectarea sarcinii. Capătul arborelui este conic. Partea opusă a arborelui este cilindrică și un tahogenerator de detectare a vitezei este conectat la acesta. În FIG. 2.18 este caracteristicile de funcționare ale motorului. În partea eclozionată, funcționarea este posibilă numai cu o figură străină. 2.17 Motor HSM 60 cu răcire tahogenerator. FIG. 2.18 Caracteristici de funcționare ale motorului CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU ACȚIUNEA MOTORULUI CC 40
Date tehnice ale motorului [23]: Parametri nominali: Tensiune: UN = 12 V Cuplu: MN = 0,108 Nm Viteză: n N = 5320 min -1 Curent: IN = 7,5A Putere: PN = 59 W Eficiență: η = 65% Alți parametri: Viteză fără sarcină: 6270 min -1 Moment de inerție a rotorului: 38,10-7 kgm 2 Constantă de timp electrică: 160 µs Constantă de timp electromecanică: 4,5µs Rezistență totală la 20 ºC 0,42 Ω Curent de sarcină 1,5A Pierderi de sarcină 18W Inductanță 60 µh CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU MOTORUL DC 41
Poziționarea apare adesea în practica tehnică, iar în robotică este una dintre cerințele principale. Poziția este introdusă de sistemul de control tehnologic superior. Conform metodei de intrare, putem împărți sistemele în urmărire, în care punctul de referință al poziției se modifică continuu și țintă, în care punctul de referință se schimbă într-un pas. În FIG. 3.2 a) este prezentată o diagramă bloc funcțională. FIG. 3.2 a) controlul poziției; b) Controlul vitezei unghiulare 3.2 Sistemul de control al acționării 3.2.1 Procesor de semnal digital Partea de putere a convertorului propus va fi controlată de un procesor de semnal digital de la Freescale sub denumirea DSP56F805 [13]. Este un procesor pe 16 biți. Este montat în placa de dezvoltare a companiei Freescale Semiconductor fig. 3.3. Schema bloc a plăcii de dezvoltare este prezentată în FIG. 3.4. Caracteristici ale DSP56F805 și ale plăcii de dezvoltare: Frecvență 80 MHz 2 x 4 canale Convertor A/D pe 12 biți JTAG și magistrala RS232 2 x 6 canale PWM Fig. 3.3 Placă de dezvoltare Freescale CONVERTITOR DE LIT TENSIUNE PENTRU DRIVE DC 43
16 temporizatoare Porturi de intrare/ieșire B, D, E 31,5K x16-bit Flash pentru program 512 x 16-bit RAM pentru date 4K x 16-bit Flash pentru date 2K x 16-bit RAM pentru date 2K x 16-bit Flash de încărcare TEZĂ DE DIPLOMĂ Fig. 3.4 Schema bloc a plăcii de dezvoltare [13] Partea de putere a invertorului va fi conectată la sistemul de control prin magistrala universală cu 40 de pini UNI_3. În Tab. 4 descrie pinii care vor fi utilizați pentru a conecta unitatea la DSP. Controlăm cele patru tranzistoare T1 T4 prin modulare complementară a lățimii prin ieșirile PWM AT, AB, BT și BB. Aceste ieșiri sunt conectate la DSP de la PWM 0 la PWM 3. GND digital și masa analogică a GNDA sunt separate unele de altele pentru a elimina interferențele. DSP va fi alimentat de la o sursă separată, așa că am lăsat pinii de alimentare neconectați. De asemenea, folosim o priză de convertoare A/D de 12 biți pentru a măsura tensiunea, curentul și viteza analogice. Frânarea expertă este controlată de portul B bit 5, care este setat ca ieșire. Identificarea invertorului are loc, de asemenea, invertor de joasă tensiune pentru unitatea DC 44
cea mai mare abruptitate posibilă a caracteristicii de ieșire, un mic moment de inerție al rotorului, o mică constantă de timp electromagnetică. Sunt folosite ca elemente ale sistemelor de control, unde îndeplinesc funcții: stabilizează sistemele cu un ciclu de control închis, indică viteze. Date tehnice ale tahogeneratorului K4A5: Gama: 2V/1000 rpm -1 Viteza maximă: 7000 rpm -1 Ieșirea tahogeneratorului va fi conectată la intrarea convertorului A/D. Un convertor trebuie să fie conectat între ieșirea sa și convertorul A/D. Proiectarea convertorului este după cum urmează: Viteza maximă a tahogeneratorului este de 7000 rpm -1. Rezultă că la un interval de 2V/1000 rpm -1, tensiunea de ieșire la viteza maximă va fi de 14V. Gama de intrare a convertorului A/D este de maxim 3,3V. Schema de conectare a convertorului tahogenerator este prezentată în fig. 3.5. FIG. 3.5 convertor tahogenerator La 14V avem nevoie de 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 amplificator IC3A: RA = R 2 10kΩ = 10kΩ 3 = 1 Offset-ul amplificatorului operațional IC3A este: U offset = 1,65V = Fig. 3.6 Convertor proiectat CONVERTITOR DE TENSIUNE MINIMĂ PENTRU ACȚIUNEA MOTORULUI CC
K SC este câștigul proporțional, ef (k) este abaterea de control cu pasul k în domeniul de timp discret, (k 1) u dacă este ieșirea integratorului cu pasul k-1 în domeniul de timp discret, iar K isc este câștig de integrare. Se aplică la: 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/cu compensare dreptunghiulară se aplică următoarele: u (k) u (k 1) + T e (k) = [3.12] i i. apoi: K SC = PG. 2 PGS [3.13] K isc = IG. 2 IGS [3.14] unde PG este câștig proporțional, IG este câștig de integrare, PGS proporțional câștigă în greutate și IGS crește în greutate. Profitul proporțional și de integrare este în interval, iar ponderea profitului proporțional și de integrare este în interval. Câștigul proporțional și de integrare poate fi calculat prin următoarele relații: (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] CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE DC 48
De exemplu, dacă câștigul K = 0,05, atunci factorul de magnitudine și câștigul proporțional sunt date de [3.15] și [3.18]. log (0,5) log (0,05) log1 log (0,05) log 2 greutate log 2 3,3219 greutate 4,3219 greutate de exemplu: greutate = 4 apoi: câștig = K.2 = 0,05,2 4 = 0,8 Controler PI este potrivit dacă sistemul reglementat este aproape de sistemul de primul rând. Perioada de eșantionare este adesea aleasă cât mai mică posibil pentru ca controlerul să funcționeze cât mai continuu. Variabila controlată înainte de eșantionare nu trebuie să fie zgomotoasă sau trebuie filtrată corespunzător de un filtru analogic, perioada de eșantionare trebuie respectată cu o precizie de cel puțin 10% și legea controlului trebuie calculată în aritmetică cu o lungime suficientă a cuvântului. CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE DC 49
Următoarele figuri arată fluxul de curent din spatele amplificatoarelor operaționale ale circuitelor IC8 și IC9. În FIG. 4.2 a) este curentul curentului DCB, adică curentul care curge prin rezistorul R31 (a se vedea anexa 1). Cu marginea anterioară a PWM (albastru), curentul depășește, ceea ce face ca tranzistorul să pornească imperfect. Marginea de întâmpinare (galbenă) a portului A de 7 biți pornește convertoarele DSP A/D. Acest lucru se face întotdeauna la mijlocul perioadei PWM pentru a se asigura că se măsoară curentul mediu. În FIG. 4.2 b) la rândul său este cursul curenților Ia și Ib în ambele ramuri ale convertorului. a) b) FIG. 4.2 a) PWM (albastru), curent Idc (violet) și curent punct de măsurare Idc (galben), b) PWM (albastru), curent punct de măsurare Ia și Ib (galben), curent Ia (violet) și curent Ib (verde) FIG. 4.3 dependența de turație a motorului de funcționarea PWM CONVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU ACȚIUNEA DE ACȚIONARE DC
reguli (de exemplu metoda Ziegler-Nicholson) pentru a face acest proces mai eficient. Unul dintre ele este: 1. Opriți componenta de integrare. Creștem treptat câștigul componentei proporționale până când apar oscilații permanente. Apoi înjumătățim câștigul. 2. Creștem încet constanta de timp de integrare până când apar oscilații permanente. Apoi le mărim de trei ori. În FIG. 4.3 este reglementarea actuală. FIG. 4.4 Control dorit Valoarea curentă este 2A și valoarea dorită (Valoarea dorită) este comparată cu valoarea curentă reală Idc. Setarea controlerului este după cum urmează PG = 0,15, PGD = -1, IG = 0,01, IGS = 0 TENSIUNE SCĂZUTĂ CONVERTOR PENTRU DRIVE DRIVE 53
FIG. 4.5 Controlul curentului cu modificarea parametrilor controlerului PI Setarea controlerului este următoarea PG = 0,5, PGD = -1, IG = 0,02, IGS = 0. În FIG. 4.5 este o simulare în care schimbăm valoarea de referință curentă. Setarea Pi a controlerului este ca în figura 4.3. Valoarea de referință curentă este la momentul t 1 = 0A, t 2 = 1A, t 3 = 4A, t 4 = -1A, t 5 = -3A. 4.6 Simularea modificării valorii de referință curente Idc INVERTERUL DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU ACȚIUNEA DE MOTOR DC 54
4.3 Verificarea funcției de control al vitezei Acesta este un control de nivel superior într-o buclă închisă și controlerul PI este setat în mod similar cu bucla curentă. În FIG. 4.7 este controlul vitezei. Valoarea de referință a vitezei (roșu) este de 1500 rpm. Controlerul PI este setat după cum urmează: PG = 0,4, PGD = -6, IG = 0,001, IGS = -4. FIG. 4.7 Controlul vitezei Fig. 4.8 Simularea modificării valorii de referință a vitezei INVERTITOR DE TENSIUNE SCĂZUTĂ PENTRU DRIVE DC 55