Силовая часть разработанного привода

В качестве форсажного и удерживающего ключей в новом приводе используются полевые транзисторы IRF530n. Эти транзисторы отличаются хорошими динамическими характеристиками.

 

t_d (on) = 6.4 nS, t_d(off) = 37 nS, t_r = 27 nS, t_f = 25 nS.     [3]

 

Пользуясь этими данными, вычислим максимальную среднюю мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла. Для начала вычислим мощность, выделяющуюся на форсажном транзисторе при накачке тока в фазу двигателя. Режим накачки разбивается на 20 тактов (смотреть рис. 11). В каждом такте ток возрастает на величину (3/20) А. Таким образом:

 

U_DS = U0 – k_Ut; I_DSi = I_0i + k_It,

 

где U_DS – напряжение, в зависимости от времени, на стоке истоке; U₀ – напряжение на стоке истоке вначале такта (U₀ = 80 V); I_DSi – ток истока, в зависимости от времени, в i – й такт коммутации; I_0i – начальный ток истока, в i – й такт коммутации; k_U – коэффициент линейного убывания напряжения на стоке – истоке полевого транзистора; k_I – коэффициент линейного возрастания тока истока.

(IDS меняется от 0 А до 3 А за 300 mS; UDS меняется от 80 V до 0 V за время t = 27 nS, в каждом такте). Начальный ток истока, в i – м такте коммутации можно определить, как:

 

I_0i = ki,   где k = 3A/20.

 

Теперь вычислим тепловые потери на форсажном транзисторе, при открывании в i – м такте, в режиме накачки тока:

t

Qфноi = ∫ U_DI_DSidt   [9]

0

Полные тепловые потери, на форсажном транзисторе, при накачке тока в фазу двигателя, при открывании:

 

19                                 

Qфно = ∑ Qфноi = 20C₁ + 190C₂ (11)

i=0

где С₁, С₂ – есть некоторые константы вычислений:

С₁ = τ²k_I(U₀/2 – k_Uτ /3) C2 = kτ(U₀ – k_Uτ/2)

 

Подставляя цифры, получим, что С₂» С₁ (больше на 5 порядков). Это связано с тем, что ток в фазе за время τ практически не успевает измениться, а значит этими изменениями можно пренебречь. Окончательно:

 

τ

Qфно = 190kτ(U₀ – k_U –)  (12)

2

 

Таким образом, Qфно = 30.8 µJ. Энергия, выделяющаяся на форсажном транзисторе при запирании, в режиме накачки тока в фазу двигателя, может быть вычислена по той же формуле (11): (только в качестве τ надо взять уже не t_r = 27 nS, а t_f = 25 nS – рис. 14) Qфнз = 28.5 µJ. Тогда среднюю мощность тепловых потерь на переключение форсажного транзистора, при накачке тока в фазу двигателя можно вычислить, как:

 

Рсрфн = (Qфно + Qфнз)/300 µS

 

(потому, как накачка тока в фазу длится 300 µS, без стабилизации тока). Тогда получим: Рсрфн = 0.2 W (Ватт). Как видно из рис. 11, в режиме стабилизации тока форсажный транзистор включается реже, чем при накачке. Таким образом, здесь необходимо учитывать статистические потери на транзисторе, которые появляются при наличии сопротивления стока – истока у насыщенного транзистора:

 

RDS(on) = 0.11 Среднюю мощность этих потерь можно вычислить, как:

Рсрн = I₀ ²R_DS(on)

 

где I0 = 3А. Значит Рсрн = 0.99 W. Таким образом, эта мощность является преобладающей, по сравнению со средне – максимальной мощностью потерь на форсажном транзисторе, при накачке (и подкачке в режиме стабилизации тока) тока в фазу двигателя. Именно она и будет вносить основной вклад в нагрев транзистора. Более строго, тепловые потери на форсажном транзисторе, за один такт работы ШИМа, будут складываться из потерь на открывание, запирание и нагрева сопротивления RDS(on) полевого транзистора. Окончательно можно сказать, что максимальная средняя мощность, которая может выделиться на форсажном транзисторе:

 

Pmax.ср. Ф = 1.19 W.

Pmax.ср. Ф = Рсрн + Рсрфн

 

Удерживающий ключ в основном находится в насыщенном состоянии. Поэтому среди его тепловых потерь будет преобладать мощность Рсрн = 0.99 W. Лишь в режиме спада тока в фазе двигателя мощность потерь на нём станет, как на форсажном транзисторе. Таким образом, максимальная средняя мощность, которая может выделиться на удерживающем транзисторе: Pmax.ср. У = 1.19 W.

Реально, эти потери будут меньше, ввиду плавного управления вращением двигателя. Так, например такие потери на форсажном транзисторе появляются в режиме максимально – быстром возрастании тока в фазе, и далее длительной стабилизации его значения. На удерживающем транзисторе, после режима длительной стабилизации, следует резкий спад тока. Ясно, что на практике, даже на предельной скорости вращения двигателя, а также при разгоне и торможении, потери на транзисторах будут меньше. Но этот расчёт показывает, что транзисторы в новом приводе, в процессе своей работы, возможно даже не требуют использования охлаждающих радиаторов. Это существенный момент потому, как в старом приводе ПШД5/80 использовались биполярные транзисторы, которые в процессе работы сильно грелись. Поэтому в старых приводах для охлаждения транзисторных радиаторов использовались вентиляторы. Но потому, как эти приводы зачастую приходилось применять в пыльных помещениях, то вентиляторы, являющиеся источниками разнесения пыли, часто выводили из строя электронику. Поэтому разработанный привод, отличается от существующего большей надёжностью в эксплуатации.

Также хотелось бы отметить, что использование в разработанном приводе нового монтажа, а также программируемой логической матрицы, позволило трассировать печатную плату, этого привода, размерами, почти в два раза меньшими, по сравнению со старой. Первый опытный образец решено было выполнить в старом блоке, стандарта ВИШНЯ. Сделано это для совместимости с существующими электроприводами. Источник питания, для начала, оставлен тот же самый, хотя разработанный привод не требует силового питания на 6 V, как было замечено ранее. В перспективе предполагается изготовить новый блок привода со специальным источником питания, отвечающем требуемым параметрам привода. А пока можно перейти на разработанный привод, в установках ЧПУ, путём простой перестановочной замены блока ПШД5/80, новым блоком.

Заключение

Как было сказано ранее, шаговый двигатель ШД5 нашёл широкое применение в устройствах ЧПУ. Важными параметрами двигателя, в этих установках, являются динамические характеристики и точность отработки шага [12]. Современное развитие ЧПУ требует использования двигателей с лучшими характеристиками. Казалось бы, можно просто заменить ШД5 другим, более подходящим шаговым двигателем. Но широкое применение ШД5 в ИЯФе и в промышленности сильно усложняет процесс замены. Более простое решение предлагается в данной работе. Смысл его заключается в значительном улучшении характеристик имеющегося двигателя за счёт модернизации его электропривода. Такое решение показало неплохой результат.

Так, например, у ШД5 управляемого от модернизированного электропривода, увеличились динамические возможности, за счёт изменения схемы коммутации. Благодаря использованию новых электронных компонент, удалось уменьшить шаг дискретизации двигателя, а также отказаться от демпфирования. При этом значительно уменьшились массогабаритные свойства привода, а также возросла надёжность работы его силовой части.

Все эти изменения, в разработанном приводе, позволяют без осложнения внедрить его в промышленность. Как было сказано ранее, разработанный привод совместим по конструктивному исполнению, и вставляется взамен существующих без переделок аппаратного и программного обеспечения. Сейчас смонтирован первый экспериментальный образец, ведётся его наладка. Далее предполагается изготовить первую опытную партию.

 

Список литературы

 

1. Журнал Chip news. №1 (34), 1999 г. «Цифровое управление электроприводом». Специальный выпуск.

2. В.Ф. Гумен, Т.В. Калининская. «Следящий шаговый двигатель». Издательство «Энергия», г. Новосибирск, 1980 г.

3. Описание полевого транзистора IRF530n.

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf530n.pdf

4. Кенио Т. «Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления». Издательство «Мир»,

5. М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский «Электрические машины». Издательство «Энергия», г. Москва, 1964 г.

6. И.Н. Мешков, Б.В. Чириков «Электромагнитное поле». Часть 1. Издательство «Наука», г. Новосибирск, 1987 г.

7. Б.М. Яворский «Справочник по физике». Издательство «Наука», г. Москва, 1985 г.

8. Г.И. Атабеков «Основы теории цепей». Издательство «Энергия», г. Москва, 1969 г.

9. П. Хорвиц, У. Хилл «Искуство схемотехники». Том 1, Издательство «Мир», г. Москва, 1983 г.

10. Диссертация С.В. Кротова «Автоматизированный комплекс для проектирования и производства радиоэлектронной аппаратуры ускорительно – накопительных установок». Новосибирск – 1987 г.

11. И.П. Копылов, Б.К. Клоков «Справочник по электрическим машинам». Издательство «Энергоатомиздат», г. Москва, 1989 г.

12. А.Ф. Серов, С.В. Кротов «Распределённая интерактивная система проектирования исследовательского радиоэлектронного оборудования». Новосибирск, 1988 г.