Разработка устройства управления двигателем

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»

(БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»)

Факультет 221000 «Мехатроники и управления»

Кафедра «Мехатроники и управления»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина (модуль) «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем»

Разработка устройства управления двигателем

Выполнил студент группы Н131

Григорьев А.С.

Руководитель

Коротков Е.Б.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2016г.



Оглавление

Выбор выходных транзисторов

Расчет системы охлаждения

Выбор драйвера

Расчет обвязочных элементов драйвера

Выбор микроконтроллера

Расчет себестоимости изделия

Список литературы



Нагрузкой усилителя мощности является двигатель ДБМ 120 - 1,6 - 0,5 - 3 со следующими характеристиками:

Параметр	Обозначение	Значение
Номинальный момент, Н* м (Номинальный момент указан в условном обозначении двигателя сразу же после обозначения серии и условного номера, например для двигателя ДБМ 50 - 0,04 - 3 - 2 номинальный момент равен 0,04 Нм)	Mн	1,4
Номинальное напряжение питания, В	Eп	27
Частота вращения при идеальном холостом ходе, об/мин	щн	500
Пусковой момент, Н* м, не менее	Mпуск	4
Сопротивление секции фазы (фазы) постоянному току при температуре 20°C, Ом	RФ	2,25
Приведенный к фазе коэффициент ЭДС, В*с/рад	cе	0,35
Предельно допустимая амплитуда тока в фазе обмотки статора, А	IФmax	28,5
Число фаз	m	3

транзистор охлаждение драйвер себестоимость



Выбор выходных транзисторов

В качестве выходных транзисторов будем применять МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник, англ. MOSFET, или metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Такие транзисторы оптимальны при работе с низкими напряжениями и на сравнительно высоких частотах (а для двигателей, применяемых в КП это U = 27…80 В и fШИМ 20кГц ).

Подавляющее большинство приборов по МОП технологии выполняется так, что образуется так называемый паразитный диод между истоком и стоком (показан на рисунке). Избавление от этого диода сопряжено со значительными технологическими трудностями, поэтому с ним научились мириться и даже использовать в схемотехнических решениях. Такой паразитный диод называют антипараллельным ввиду его способа включения относительно выводов транзистора. Транзисторы оконечного каскада выбираются по следующим параметрам:

1. максимальный ток стока ICmax;

2. максимальное напряжение сток-исток UСИmax ;

3. максимальное значение мощности рассеяния PРmax .

Величина определяется по формуле:

Для двигателей ДБМ принимаем Rя=Rф . Т.к. параметры источника питания не известны, принимаем RИП 0. Необходимо принять за максимальный ток стока 1,3 рассчитанного значения (т.е. взять с запасом 30%).

А



Максимальное значение напряжения сток-исток будет иметь место при выключении транзисторов за счет действия ЭДС самоидукции, и определяется выражением 2Еп . Необходимо принять напряжение с 30% запасом: 1,3*2Еп .

По значениям и выбираем выходные транзисторы (например, серии IRF) с N-каналом. Параметры транзистора будем обозначать как и . Символ «т» в обозначении этих величин указывает, что они относятся к характеристикам транзистора, а не к расчетным величинам.

В документации на транзистор указывается как VDSS , а как ID.

Выбираем транзистор AUIRF2907ZS-7P, Auto Q101 Nкан 75В 180А [D2PAK-7] с параметрами:

,

,

После выбора транзистора по максимальному току и напряжению следует прове- рить максимальную рассеиваемую мощность транзистора (мощность потерь)

При выборе транзисторов, работающих в ключевом режиме, необходимо учитывать две составляющие потерь мощности -- статические и динамические:



Статические потери (или потери проводимости) имеют место быть при протекании тока нагрузки через полностью открытый транзистор:

Где - среднее значение тока, протекающее через транзистор,

-- максимальное сопротивление канала транзистора в открытом состоянии (в до- кументации на транзистор этот параметр называется )

Этот параметр не постоянен и его находят из графика зависимости нормализованного со- противления канала транзистора в открытом состоянии

температура внутреннего перехода транзистора

При

,

Для транзистора AUIRF2907ZS-7P

Динамические потери (или потери переключения) складываются из 3-х составляющих: пере- ключение транзистора при рабочем токе , разряд выходной емкости , заряженной до уровня напряжения питания Еп , обратное восстановление антипараллельного диода с зарядом :



Где - частота ШИМ-сигнала, усиливаемого транзистором, в КП принимаем

.

, - время нарастания и спада тока через транзистор.

Для транзистора AUIRF2907ZS-7P:

;

, ;

;

После расчета проверяем условие , где - максимальная допустимая мощность рассеиваемая транзистором. () В документации параметр обозначается как Место для формулы.

Расчет системы охлаждения

Связь температуры, мощности потерь и тепловых сопротивлений определяется следующим соотношением:



где: максимально допустимая температура внутреннего перехода транзистора (т.е. максимально допустимая температура кристалла), принимаем С

температура окружающей среды, принимаем С (т.к. оборудование будет находиться в замкнутом корпусе с естественной вентиляцией);

тепловое сопротивление переход - корпус транзистора (определяется внутрен- ними параметрами транзистора, значение берется из документации);

тепловое сопротивление корпус транзистора - радиатор (определяется парамет- ры поверхностей корпуса транзистора и радиатора, наличием и типом термопроводящих материалов между ними; принимаемС/Вт

тепловое сопротивление радиатор - окружающая среда;

суммарное тепловое сопротивление переход - окружающая среда.

Для выбора радиатора требуется рассчитать значение . Это значение будет определять рассеиваемую радиатором мощность в окружающую среду:

Поставим общий радиатор на все шесть транзисторов. Его

Выбираем радиатор HS 143-150 с параметрами:

Размер - 150х94х35.5 мм,

Удельное тепловое сопротивление - 2.5 дюйм*градус/Вт,

Цена - 390 р.

Так как <, достаточно одного радиатора на 6 транзисторов.

Выбор драйвера

При выборе драйвера следует ориентироваться на следующие параметры:

1. номинальное выходное напряжение драйвера

2. номинальный выходной ток драйвера

3. максимальное напряжение смещения сигнала верхнего уровня

Выходное напряжение драйвера должно соответствовать напряжению открытия транзистора, приводимому в документации на него.

Диапазон допустимых напряжений затвор-сток в документации на транзистор называется .

;

Максимальный требуемый выходной ток управления рассчитывается по формуле

Где полный заряд затвора,

Параметр в документации на транзистор называется

Для транзистора AUIRF2907ZS-7Pн

Тогда для управления транзистором потребуется ток драйвера:

;

Выбираем драйвер ключей нижнего и верхнего уровней IRS2186SPBF с параметрами:

;

;

;

Максимальное напряжение смещения сигнала верхнего уровня драйвера должно удовлетворять условию

Для драйвера IRS2186SPBF

Расчет обвязочных элементов драйвера

Емкость конденсатора рассчитывается по следующей формуле (по рекомендации производите- лей берется с 15-кратным запасом):

прямое падение напряжения на бутстрепном диоде (примем )

Заряд рассчитывается по формуле:

Где: Где - частота ШИМ-сигнала, усиливаемого транзистором, в КП принимаем .

циклическое изменение заряда драйвера (5 нК -- для 500/600-вольтных драйверов и 20 нК -- для 1200-вольтовых драйверов);

Сопротивление токоограничивающего резистора рассчитывается по формуле:

Ом

Тогда емкость бутстрепного конденсатора:

Диод выбирается по следующим параметрам:

тип диода -- с барьером Шоттки;

обратное напряжение на диоде

прямой ток через диод

Выбираем диод 1N5711.

Выбор микроконтроллера

Для управления двух- и тр?хфазными синхронными двигателями в вентильном режиме микроконтроллер должен обеспечивать:

1. связь с задающим устройством верхнего уровня (например, с ПК);

2. обработку сигналов с датчика положения вала двигателя;

3. расчет управляющих сигналов двух- или трехфазным двигателем;

4. формирование двух- или трехфазных ШИМ-сигналов частотой 20 кГц и скважностью

0…4095 (как минимум);

5. контроль предельных параметров (температура двигателя, сигналы концевых выключателей, сигналы датчиков тока и т.д.)Основные маркетинговые требования, предъявляемые к микроконтроллеру:

1. разрядность -- 32 бита;

2. частота тактирования -- не менее 72 МГц;

3. наличие таймера с двумя или тремя (в зависимости от числа фаз двигателя) каналами ШИМ;

4. наличие не менее двух независимых интерфейсов USART, на основе которых будет подключен датчик положения (интерфейс RS-422) и задающее устройство верхнего уровня (интерфейс RS-232)

Выберем 32-разрядный микроконтроллер STM32F103CBT6. Он имеет в своем составе 2 таймера общего назначения, 2 приемопередатчика USART, и максимальную частоту тактирования 72 МГц, что удовлетворяет требованиям курсового проекта.

Расчет себестоимости изделия

Наименование	Стоимость за штуку, руб
Кварцевый резонатор
SMD HC-49S-8 МГц	79
Конденсаторы
К50-35-10-1000 мкФ ±20%	6.1
К50-35-10-1000 мкФ ±20%	6.1
К50-35-10-1000 мкФ ±20%	6.1
SMD 1812-100-1.4 мкФ ±10%	26
SMD 1812-100-1.4 мкФ ±10%	26
SMD 1812-100-1.4 мкФ ±10%	26
SMD 1210-6.3-100 мкФ ±20%	51
SMD 0805-50-22 пФ ±5%	6
SMD 1210-6.3-100 мкФ ±20%	51
SMD 0805-50-22 пФ ±5%	6
SMD 0603-50-1.5 пФ ±0.25%	4
SMD 2220-1000-0.1 мкФ ±10%	13
SMD 2220-1000-0.1 мкФ ±10%	13
SMD 2220-1000-0.1 мкФ ±10%	13
SMD 2220-1000-0.1 мкФ ±10%	13
SMD 0805-16-10 мкФ ±20%	7
SMD 0805-16-10 мкФ ±20%	7
SMD 2220-100-4.7 мкФ ±10%	58
SMD 2220-100-1 мкФ ±10%	32
SMD 0603-100-100 нФ ±10%	1.3
SMD 0603-100-100 нФ ±10%	1.3
SMD 0603-100-100 нФ ±10%	1.3
SMD 0603-100-100 нФ ±10%	1.3
SMD 0603-50-10 нФ ±5%	1.8
SMD 0805-16-10 мкФ ±20%	7
SMD 0805-16-10 мкФ ±20%	7
SMD 0805-16-10 мкФ ±10%	1.3
SMD 0805-16-10 мкФ ±10%	1.8
Конденсаторы поляризованные
К52-1Б-6.3-680мкФ ±20%	430
SMD-ТИПD-10-220 мкФ ±10%	78
SMD-ТИПD-10-220 мкФ ±10%	78
SMD-ТИПD-10-220 мкФ ±10%	78
SMD-ТИПD-10-220 мкФ ±10%	78
SMD-ТИПD-10-220 мкФ ±10%	78
Микросхемы
IRS2186SPBF	180
STM32F103CBT6	250
IRS2186SPBF	180
SN75179B	28
ADM3485EARZ	80
LM2596	230
TPS63001	400
LM2596	230
Катушки индуктивности
SMD-B82464G-1050-100мкГн ±10%	95
SMD-B82464G-6500-2.2мкГн ±20%	95
SMD-B82464G-1050-100мкГн ±10%	95
Резисторы
SMD 0402-0.062-5 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062- 1.8 кОм ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 кОм ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 кОм ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-120 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-1.8 кОм ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-5 Ом ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-1.2 кОм ±5%	0.9
SMD 0402-0.062-10 кОм ±5%	0.9
Диоды
C3D04060E-600 B-4 A SMD	190
C3D04060E-600 B-4 A SMD	190
1N5819-40 B-1 A do41	5
STPS3L40-40 B-3 A SMB	14
Транзисторы
AUIRF2907ZS-7P	120
AUIRF2907ZS-7P	120
AUIRF2907ZS-7P	120
AUIRF2907ZS-7P	120
Тактовая кнопка
FSM6JH	13
Соединитель
EK950V-03P	33
EK950V-02P	25
PLS-1x9	23
CWF-8R	3
Радиатор
HS 143-150	390
Итого:	4678.4



Список литературы

1. Методические указания по курсовому проектированию по курсу

«Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем»;сост. Н. С. Слободзян - 33 с.

2. Левинзон Г.Л. Исследование усилителя мощности с ШИМ и обратной связью по противо-ЭДС: методические указания к лабораторной

работе [для вузов]/ БГТУ "ВОЕНМЕХ"; сост. Г. Л. Левинзон. - СПб., 2014. - 44 с.

3. Усатенко С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: справочник / С.Т.Усатенко, Т.К.Каченюк, М.В.Терехова. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 325 с.

4. Положение по содержанию, оформлению, организации выполнения и защиты курсовых проектов и курсовых работ. Стандарт БГУТ «Военмех».

5. Веб сайт chipdip.ru; ЗАО «ЧИП и ДИП» -- Приборы, Радиодетали и Электронные компоненты

Размещено на Allbest.ru