1.2.1 Двигун зовнішнього збудження та похідний двигун Двигун зовнішнього збудження має ланцюг збудження та ланцюг якоря, що живляться від двох окремих джерел напруги постійного струму. [6] Якщо для подання збудження використовується те саме джерело, що і для подачі якоря, створюється шунтовий двигун, але форма характеристик це не впливає. Отже, двигун із зовнішнім збудженням і похідний двигун мають однакові механічні, відповідно. електромеханічні характеристики. Відношення до кутової швидкості двигуна: ФІГ. 1.1 Двигун зовнішнього збудження та похідний двигун U U (Ra + Rsp) U Ra + R i sp ω = =. Ia =. M [1,1] 2 Cφ Cφ Cφ (cφ) де: N 2 p C =. [1.2] 2a 2π Рівняння визначає механічне рівняння двигуна. Очевидно, що ця характеристика виражає лінійну залежність швидкості від крутного моменту двигуна, що призводить до можливості регулювання швидкості двигуна. Бажано регулювати ці швидкості напругою, підключеною до анкерів, оскільки тут також застосовується лінійна залежність. Із співвідношення для кутової швидкості двигуна випливає, що швидкістю обертання двигуна можна керувати трьома способами: зміною опору R a в ланцюзі якоря шляхом підключення додаткового опору R sp, зміною напруги клем U на якорі двигуна, шляхом зміни магнітного потоку Φ (тобто струму збудження I b). КОНВЕРТЕР НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 9

приводів

а) б) в) г) ФІГ. 1.2. (А) механічні характеристики двигуна при регулюванні частоти обертання шляхом зміни опору по колу якоря; б) механічні характеристики двигуна, при регулюванні частоти обертання шляхом зміни напруги на якорі; в) механічні характеристики двигуна, при регулюванні частоти обертання за допомогою зміни збудження; г) Характеристики навантаження двигуна [2] 1.2.2 Послідовний двигун Це одностороння машина з послідовним підключенням якоря та ланцюга збудження, яка працює в режимі двигуна, т. j. перетворює електричну енергію в механічну [6]. Він все ще використовується переважно на транспорті завдяки вигідним механічним характеристикам. З його форми гіперболи випливає, що серійний двигун не можна запускати без навантаження, оскільки теоретично швидкість зростатиме безкінечно, практично настільки велика, що машина буде механічно пошкоджена відцентровими силами, що діють на ротор. Фіг. 1.3 Послідовний двигун НЕПРОВОЛЬНИК ПЕРЕВІРНИКА ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 10

а) б) в) г) ФІГ. 1.4 (а) механічні характеристики двигуна при регулюванні частоти обертання шляхом зміни опору по колу якоря; б) механічні характеристики двигуна, при регулюванні частоти обертання за допомогою зміни напруги на клем; в) механічні характеристики двигуна, що регулюють швидкість шляхом ослаблення збудження; d) Характеристики навантаження двигуна [2] Це означає перетворення частини струму двигуна з обмотки збудження в шунт. Швидкість обертання двигуна без напруги при тих же струмах вища, ніж у характеристиці на фіг. 1.4 в). Тоді рівняння двигуна будуть такими: U Ra. Ia ω =, [1,9] Cφ 1 U Ra ω =. M, [1.10] 2 Cφ 1 (cφ 1) де Φ 1 0. У цьому випадку, якщо M a> 0, система прискорюється (тобто, наприклад, ПЕРЕВНІТЕЛЬ НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ 14)

запуск приводу), якщо M і U p, то U PM = U dc, інакше U PM = - U dc Рис. 1.20 Курси величин при симетричному (біполярному) керуванні з урахуванням часу захисту У математичній моделі перетворювача 4Q ми враховуємо лише середні значення вихідної напруги постійного струму. Струм має безперервну форму. Почнемо з рівняння переносу: з яких: F PM U (p) = = K PM. e U (p) s pt (p) PM, [1.14] r K PM 1 = 1 + pt PM, де 1 T T PM = =. [1.15] 2 f 2 ПЕРЕНОЧНИК НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 26

До середнього значення вихідної напруги постійного струму відноситься таке: 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 постійного струму. U 1+ U pr max 1 = [1,16] коефіцієнт перемикання: TU + UU = = +, [1,17] T 1 p max rr 1 2U p max U p max коефіцієнт підсилення перетворювача: UUUK = U s dc dc dc PM = = = . [1.18] U r U r U p max U p max Посилення K PM постійне, не залежить від робочої точки U r. КОНВЕРТЕР НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 27

і конденсатори С36, С37, С38 і С39. Фільтр відокремлює цифрову землю від аналогової частини. Стабілізатор IC3 стабілізується при 3,3 В_А (аналоговий), і з цією напругою ми подаємо джерело опорної напруги IC4 через баластний резистор R18. В інших двох гілках перетворювач IC13 напруга 24 В знижується до 12 В_D, і ми постачаємо ним драйвери транзисторів через фільтр FLT1. В останньому відділенні ми постачаємо комплект друкованих плат на 15V_D з DSP зі стабілізатором IC14. Розрахунок вихідної напруги такий: Для схеми IC1 застосовується наступне: Я вибираю: U вихід = 8,2 В, R59 = 1,2 к, U відношення = 1,23 В, потім: U вихід 8,2 В R60 = R59. (1 ) = 1,2 кОм. (1) = 6,8 кОм. U 1.23V ref Для ланцюга IC4 застосовується наступне: Вихідна опорна напруга U out = 1.65V, R16 = 100 кОм: Uout 1.65V R20 = R16. (1) = 100 кОм. (1) = 33.065 кОм. Для 1,24 В реф. R20 я вибираю 33 кОм, тоді: R20 33 кОм U вихід = 1,24. (+ 1) = 1,24. (+ 1) = 1,6492 В. R16 100kΩ Рис. 2.13 Схема підключення джерела живлення КОНВЕРТЕР НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 37

2.11 Структура блоку силової секції та конструкція прототипу інвертора На рис. 2.15 - блок-структура спроектованого перетворювача. В ході роботи був побудований прототип перетворювача (рис. 2.14), на якому були перевірені теоретичні знання та функціональність всієї конструкції. Інвертор побудований із загальнодоступних компонентів (див. Додаток № 4). Дизайн прототипу не збігається у зв'язку з остаточним дизайном у наступних пунктах: Рис. 2.14 Прототип драйвера MC33152 в гальмівній схемі замінено на неінвертуючу логічну схему ізолятора CD4050, джерело опорної напруги LM285M в ланцюзі живлення замінено на схему LM317LZ, резистори струму 1 мОм замінено паралельним підключенням десять резисторів. зі значенням 100 мОм, таким чином досягнувши остаточного опору 10 мОм, змінено коефіцієнт підсилення операційних підсилювачів MC33502, транзистори MTB75N06 замінено на 45N03LT, перетворювач LM2575D2T замінено на стабілізатор 7812, напруга живлення зменшено до 15В. Випробувано змонтовану односторонню друковану плату перетворювача прототипу, на основі якої була виправлена ​​схема. Остаточна схема підключення запропонованого перетворювача низької напруги для приводу постійного струму 38

Зокрема, до серводвигунів пред'являються такі вимоги: стабільність і лінійність характеристики крутного моменту по всьому діапазону швидкостей, лінійність залежності швидкості від керуючої напруги (керуюча характеристика) і великий діапазон управління, при нульовій керуючій напрузі двигун не повинен обертатися, висока швидкість відгуку, низька потужність управління. Ротор сервомотора HSM 60 DC сконструйований без феромагнітних обертових частин. Він характеризується малою вагою і, отже, дуже малим моментом інерції. Сервомотор збуджується постійними магнітами з високим коефіцієнтом BH max., Що дозволяє досягти оптимального насичення в повітряному зазорі і, таким чином, великого крутного моменту зачеплення. Внутрішня форма сервомотора циліндрична. На лицьовій стороні кругового фланця є вихідний вал для підключення вантажу. Кінець вала звужений. Протилежна сторона вала циліндрична, і до неї підключений тахогенератор, що сприймає швидкість. На фіг. 2.18 - робочі характеристики двигуна. У заштрихованій частині операція можлива лише з чужорідним Рис. 2.17 Двигун HSM 60 з тахогенераторним охолодженням. Фіг. 2.18 Робочі характеристики двигуна ПЕРЕНОЧНИК НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКУ 40

Технічні дані двигуна [23]: Номінальні параметри: Напруга: UN = 12 В Крутний момент: MN = 0,108 Нм Швидкість: n N = 5320 хв -1 Струм: IN = 7,5A Потужність: PN = 59 Вт ККД: η = 65% Інші параметри: Швидкість холостого ходу: 6270 хв -1 Момент інерції ротора: 38,10-7 кгм 2 Електрична постійна часу: 160 мкс Електромеханічна постійна часу: 4,5 мкс Загальний опір при 20 ºC 0,42 Ом Струм холостого ходу 1,5 А Втрати холостого ходу 18 Вт Індуктивність 60 мкг НЕЗАЛЕЖНИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ МОТОРНОГО ПРИВОДУ постійного струму 41

Позиціонування часто трапляється в технічній практиці, а в робототехніці - одна з головних вимог. В позицію входить вища технологічна система управління. Відповідно до методу введення, ми можемо розділити системи на відстеження, в яких задане положення постійно змінюється і цільове, в якому задане значення змінюється за крок. На фіг. 3.2 а) показана функціональна блок-схема. Фіг. 3.2 а) контроль положення; b) Регулювання кутової швидкості 3.2 Система управління приводом 3.2.1 Процесор цифрового сигналу Елементом живлення пропонованого перетворювача буде керувати цифровий процесор сигналів від Freescale під позначенням DSP56F805 [13]. Це 16-розрядний процесор. Він встановлений на платі розробників компанії Freescale Semiconductor рис. 3.3. Структурна схема плати розробки показана на фіг. 3.4. Особливості DSP56F805 та плати розробки: Частота 80 МГц 2 x 4-канальний 12-бітний АЦП JTAG та RS232-шина 2 x 6-канальна ШІМ Рис. 3.3 Плата розробки Freescale ПЕРЕМІННИК НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 43

16 таймерів Вхідні/вихідні порти B, D, E 31,5 тис. X16-розрядних Flash для програми 512 x 16-розрядних оперативної пам'яті для даних 4K x 16-розрядних Flash для даних 2K x 16-бітових оперативної пам'яті для даних 2K x 16-розрядних завантажувальних Flash ДИПЛОМНА ТЕЗА Рис. 3.4 Структурна схема плати розробки [13] Силова частина інвертора буде підключена до системи управління через універсальну 40-контактну шину UNI_3. У вкладці. 4 описує висновки, які будуть використовуватися для підключення приводу до DSP. Ми управляємо чотирма транзисторами T1 T4 шляхом додаткової широтно-імпульсної модуляції через виходи ШІМ AT, AB, BT і BB. Ці виходи підключені до DSP на ШІМ від 0 до ШІМ 3. Цифровий GND та аналоговий заземлювач GNDA відокремлені один від одного для усунення перешкод. DSP буде живитися від окремого джерела, тому ми залишили штекери живлення без зв'язку. Для вимірювання аналогової напруги, струму та швидкості ми також використовуємо розетку з 12-бітовими АЦП. Експертне гальмування управляється через порт B біт 5, який встановлений як вихідний сигнал. Ідентифікація інвертора також відбувається ІНВЕРТОР НИЗКОЇ НАПРЯГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 44

максимально можлива крутизна вихідної характеристики, малий момент інерції ротора, мала електромагнітна постійна часу. Вони використовуються як елементи систем управління, де виконують функції: стабілізують системи із замкнутим циклом управління, вказують швидкості. Технічні дані тахогенератора K4A5: Діапазон: 2 В/1000 об/хв -1 Максимальна швидкість: 7000 об/хв -1 Вихід тахогенератора буде підключений до входу АЦП. Перетворювач повинен бути підключений між його виходом і АЦП. Конструкція перетворювача така: Максимальна швидкість тахогенератора - 7000 об/хв -1. З цього випливає, що при діапазоні 2 В/1000 об/хв -1 вихідна напруга на максимальній швидкості буде 14 В. Діапазон вхідного сигналу цифрово-цифрового перетворювача становить не більше 3,3 В. Схема підключення перетворювача тахогенератора показана на рис. 3.5. Фіг. 3,5 перетворювач тахогенератора При 14 В нам потрібен I TG = 1 мА I2, I3 0A, R5 = 1,6 кОм, RU TG 1,6 В 2 I 14 В 1,6 V = 2 1,10 A 6, R7 = 3 TG = 6200 кОм = 6,2 кнехо підсилювача IC3A: RA = R 2 10kΩ = 10kΩ 3 = 1 Зміщення операційного підсилювача IC3A становить: U зміщення = 1,65 V = Рис. 3.6 Розроблений перетворювач НИЗЬКОПЕРЕВЕРШЮВАЧ НАПРЯГИ ДЛЯ МОТОРНОГО ПРИВОДУ 46

K SC - пропорційний коефіцієнт підсилення, ef (k) - відхилення управління з кроком k в дискретній часовій області, (k 1) u, ​​якщо є вихід інтегратора з кроком k-1 в дискретній часовій області, а K isc - інтеграційний приріст. Застосовується до: 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/з прямокутною компенсацією виконується: u (k) u (k 1) + T e (k) = [3,12] i i. тоді: K SC = PG. 2 PGS [3.13] K isc = IG. 2 IGS [3.14] де PG - пропорційний приріст, IG - інтеграційний приріст, PGS - пропорційний приріст ваги та IGS - інтеграційний приріст ваги. Пропорційний та інтеграційний прибуток знаходиться в межах, а вага пропорційного та інтеграційного прибутку - в межах. Пропорційний та інтеграційний виграш можна обчислити за такими співвідношеннями: (0,5) журнал (PG) Журнал журналу PGS 2 журнал1 журнал Журнал PG 2 журнал 0,5 журнал Журнал IG 2 журнал1 журнал PG журнал 2 () PGS () () IGS () IGS [3,15] [3,16] [3,17] [3,18] КОНВЕРТЕР НИЗЬКОЇ НАПРЯГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 48

Наприклад, якщо коефіцієнт посилення K = 0,05, то коефіцієнт величини та пропорційний коефіцієнт коефіцієнта посилення задаються [3.15] та [3.18]. log (0,5) log (0,05) log1 log (0,05) log 2 вага log 2 3.3219 вага 4.3219 вага, наприклад: вага = 4, тоді: коефіцієнт підсилення = K.2 = 0.05.2 4 = 0.8 Контролер PI підходить, якщо регульована система близька до системи 1-го ряду. Період вибірки часто вибирають якомога меншим, щоб контролер працював якнайперервніше. Контрольована змінна перед відбором зразків не повинна бути шумною або повинна бути належним чином відфільтрована аналоговим фільтром, період відбору проб повинен дотримуватися принаймні 10% точності, а закон контролю повинен розраховуватися в арифметиці з достатньою довжиною слова. КОНВЕРТЕР НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ПРИВОДУ постійного струму 49

На наступних рисунках показано поточний струм, що стоїть за операційними підсилювачами схем IC8 та IC9. На фіг. 4.2 а) - хід струму DCB, тобто струм, що протікає через резистор R31 (див. Додаток 1). З передньою кромкою ШІМ (синій) струм перевищує, що змушує транзистор включатися недосконало. Передній край (жовтий) 7-бітового порту A запускає DSP A/D перетворювачі. Це завжди робиться в середині періоду ШІМ, щоб забезпечити вимірювання середнього струму. На фіг. 4.2 б) в свою чергу - хід струмів Ia та Ib в обох гілках перетворювача. а) б) ФІГ. 4.2 a) ШІМ (синій), струм Idc (фіолетовий) і точка вимірювання потоку Idc (жовтий), б) ШІМ (синій), точки вимірювання струму Ia та Ib (жовтий), струм Ia (фіолетовий) та струм Ib (зелений) Фіг. 4.3 залежність частоти обертання двигуна від ШІМ перетворювача НИЗЬКОГО НАПРЯГУ ДЛЯ ПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКУ 51

правила (наприклад, метод Циглера-Ніколсона), щоб зробити цей процес більш ефективним. Один з них: 1. Вимкніть компонент інтеграції. Ми поступово збільшуємо коефіцієнт посилення пропорційної складової, поки не відбудуться постійні коливання. Тоді виграш зменшуємо вдвічі. 2. Ми повільно збільшуємо постійну часу інтегрування, поки не виникають постійні коливання. Потім ми збільшуємо їх утричі. На фіг. 4.3 - це діюче регулювання. Фіг. 4.4 Бажане управління Поточне значення становить 2А, а бажане значення (Бажане значення) порівнюється з фактичним значенням струму Id. Налаштування регулятора виглядає наступним чином PG = 0,15, PGD = -1, IG = 0,01, IGS = 0. НИЗЬКА НАПРУГА КОНВЕРТЕР ДЛЯ ПРИВОДА ПОСТІЙНОГО СИСТЕМИ 53

Фіг. 4.5 Поточне управління зі зміною параметрів PI-регулятора Налаштування регулятора наступне: PG = 0,5, PGD = -1, IG = 0,02, IGS = 0. На фіг. 4.5 є моделюванням, де ми змінюємо поточну задану величину. Налаштування Pi контролера є таким, як у випадку з малюнком 4.3. Поточне значення заданого значення в момент часу t 1 = 0A, t 2 = 1A, t 3 = 4A, t 4 = -1A, t 5 = -3A. 4.6 Моделювання зміни заданого значення струму Idc ПЕРЕМІНЧЕННЯ НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ МОТОРНОГО ПРИВОДУ постійного струму 54

4.3 Перевірка функції регулювання швидкості Це регулятор вищого рівня в замкнутому циклі, а контролер PI встановлений аналогічно поточному контуру. На фіг. 4.7 - це регулювання швидкості. Уставка швидкості (червона) становить 1500 об/хв. Контролер PI встановлюється наступним чином: PG = 0,4, PGD = -6, IG = 0,001, IGS = -4. Фіг. 4.7 Регулювання швидкості Рис. 4.8 Моделювання зміни заданого значення швидкості ПЕРЕВНАТЕЛЬ НИЗЬКОЇ НАПРУГИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКУ 55