1. Vlastnosti pohonov s DC motormi, základné štruktúry výkonových častí

1. Vlastnosti pohonov s DC motormi, základné štruktúry výkonových častí 1.1 Výhody jednosmerných motorov Jednosmerné motory majú veľmi veľký význam a preto je pri ich vývoji a výrobe venovaná veľká pozornosť. Jednosmerné motory sa používajú všade tam, kde sa vyžaduje široký rozsah regulácie rýchlosti, prípadne tam, kde sú ťažké podmienky rozbehu. V posledných desaťročiach sa začali nasadzovať do výroby priemyselné roboty. Tieto roboty vzhľadom na svoj charakter činnosti, vyžadujú také pohony, ktoré sú schopné zabezpečiť čo najvyššiu dynamiku. Preto sú roboty osadzované jednosmernými motormi a motormi špeciálnej konštrukcie, s veľmi nízkym momentom zotrvačnosti. Ďalšie ich nenahraditeľné využitie je u obrábacích strojov, valcovacích stolíc, ťažných strojov a v automobilovom priemysle. Jednosmerné motory sa vyznačujú jednoduchou riaditeľnosťou otáčok a spoľahlivosťou. Jednou z možností regulácie otáčok, prípadne reverzácie, je zmena napájacieho napätia. Túto zmenu umožňujú napäťové meniče. Vďaka tranzistorovej štruktúre a použitím vhodnej spínacej modulácii dosahujú veľmi vysokú účinnosť. Jednosmerné motory vzhľadom k asynchrónnym strojom sú zložitejšie, nákladnejšie na výrobu a teda aj drahšie a majú nákladnejšiu údržbu. Avšak stále existujú oblasti, u ktorých sa jednosmerné motory používajú pre niektoré výhodné vlastnosti a špeciálne charakteristiky. So zlepšovaním vlastností permanentných magnetov a objavu nových materiálov, sa začali vyvíjať rôzne nové varianty ich konštrukcie. 1.2 Vlastnosti jednotlivých DC motorov a možnosti regulácie otáčok Jednotlivé jednosmerné motory sa delia jednak v závislosti od prepojenia budenia s obvodom kotvy tak aj podľa konštrukcie. Delenie podľa druhu budenia: motor s cudzím budením alebo permanentným magnetom, derivačný motor, sériový motor, kompaudný motor (s kompaudným a protikompaudným budením). NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 8

1.2.1 Motor s cudzím budením a derivačný motor Motor s cudzím budením má obvod budenia a obvod kotvy napájaný z dvoch samostatných zdrojov jednosmerného napätia. [6] Ak sa na napájanie budenia použije ten istý zdroj ako na napájanie kotvy, vznikne derivačný motor, ale tvar charakteristík sa tým neovplyvní. Motor s cudzím budením a aj derivačný motor majú teda rovnaké mechanické, resp. elektromechanické charakteristiky. Vzťah pre uhlovú rýchlosť motora: Obr. 1.1 Motor s cudzím budením a derivačný motor U U ( Ra + Rsp) U Ra + R i sp ω = =. Ia =. M [1.1] 2 Cφ Cφ Cφ ( cφ) kde: N 2 p C =. [1.2] 2a 2π Rovnica definuje mechanickú rovnicu motora. Je zrejmé, že táto charakteristika vyjadruje lineárnu závislosť otáčok na momente motora, čím z nej vyplývajú možnosti regulácie otáčok motora. Vhodné je tieto otáčky regulovať napätím pripojeným na kotve, lebo aj tu platí lineárna závislosť. Zo vzťahu pre uhlovú rýchlosť motora vyplýva, že otáčky motora je možné riadiť troma spôsobmi: zmenou odporu R a v obvode kotvy zapojením prídavného odporu R sp, zmenou svorkového napätia U na kotve motora, zmenou magnetického toku Φ (t. j. budiacim prúdom I b ). NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 9

a) b) c) d) Obr. 1.2 a) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou odporu v obvode kotvy; b) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou napätia na kotve; c) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou budenia; d) Zaťažovacie charakteristiky motora [2] 1.2.2 Sériový motor Je to jednosmerný stroj so sériovým zapojením obvodu kotvy a budenia, ktorý pracuje v motorickom režime, t. j. mení elektrickú energiu na mechanickú [6]. Používa sa dodnes predovšetkým v doprave pre svoju výhodnú mechanickú charakteristiku. Z jeho charakteristiky tvaru hyperboly vyplýva, že sériový motor sa nesmie spúšťať bez záťaže, pretože otáčky by sa zvýšili teoreticky do nekonečna, prakticky tak vysoko, že by sa stroj mechanicky poškodil odstredivými silami pôsobiacimi na rotor. Obr. 1.3 Sériový motor NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 10

Rovnice charakteristík sériového motora sú nasledovné: Ui U Ra ω = =. Ia [1.3] Cφ Cφ U Ra ω =. M [1.4] 2 Cφ ( cφ) Z týchto rovníc vyplýva, že zmenu uhlovej rýchlosti sériového motora možno dosiahnuť: 1. zmenou svorkového napätia U motora 2. zmenou odporu R a v obvode kotvy zapojením prídavného odporu R sp 3. zoslabovaním budenia 1. Zmenou (zmenšením) napájacieho napätia motora možno získať ľubovoľné charakteristiky posunuté voči vlastnej charakteristike smerom k menším rýchlostiam obr. 1.4 a). hranica trvalej prevádzky sa pri tomto type riadenia mení, pretože sa mení relácia I = f(m) vo vzťahoch [1.3] a [1.4]. Riadenie uhlovej rýchlosti so sériovým budením zmenou napájacieho napätia sa pri viacmotorových pohonoch (napr. trakčné pohony) najčastejšie realizuje sériovým prípadne sériovo - paralélnym radením motorov, kedy motor je podľa spôsobu zapojenia napájaný iba podielom celkového napätia zdroja. Pre charakteristiku s napätím U 1 platí: U1 R Ia ω = a., [1.5] Cφ U1 Ra ω =. M. [1.6] 2 Cφ ( cφ) 2. Zapojením predradného odporu R sp do obvodu motora sa zväčší úbytok napätia na celkovom odpore R c = R a + R sp. Rovnice motora budú potom nasledovné: U U ( Ra + Rsp). I i a ω = =, [1.7] Cφ Cφ U Ra + Rsp ω =. M. [1.8] 2 Cφ ( cφ) Z rovníc vidieť, že zaradením odporu R sp do obvodu motora sa zmení tvrdosť charakteristiky. Nevýhodou tohto spôsobu riadenia rýchlosti sú Jouleove straty v predradnom odpore. Charakteristiky motora pri tomto type riadenia sú na obr. 1.4 b). 3. S ohľadom na sýtenie magnetického obvodu prichádza do úvahy iba znižovanie magnetického toku Φ, t.j. riadenie rýchlosti otáčania smerom nahor vzhľadom na vlastnú charakteristiku. Zoslabenie magnetického toku možno dosiahnuť zmenou počtu závitov na budiacom vinutí (špeciálny motor) alebo šuntovamím budiaceho vinutia odporom R sh. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 11

a) b) c) d) Obr. 1.4 a) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou odporu v obvode kotvy; b) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zmenou svorkového napätia; c) mechanické charakteristiky motora, pri riadení rýchlosti zoslabovaním budenia; d) Zaťažovacie charakteristiky motora [2] Znamená to odbočením časti prúdu motora mimo budiace vinutia do šuntu. Rýchlosť otáčania odbudeného motora pri tých istých prúdoch je väčšia ako na vlastnej charakteristike obr. 1.4 c). Rovnice motora budú potom nasledovné: U Ra. Ia ω =, [1.9] Cφ 1 U Ra ω =. M, [1.10] 2 Cφ 1 ( cφ 1 ) kde Φ 1 < Φ je magnetický tok zodpovedajúci zmenšenému budiacemu prúdu. (pojem "zmenšený budiaci prúd" znamená, že percentuálny podiel budiaceho prúdu na prúde motora je menší. Inak, samozrejme, prúd v budiacom vinutí závisí od zaťaženia motora.) Avšak preto, že platia rovnice [1.3] a [1.4], resp. M = c.φ. I, bude pri rovnakej hodnote prúdu kotvy moment motora so šuntovanim budenia (odbudeného motora) menší ako NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 12

motora s plným budením. Oblasť trvalej prevádzky motora sa teda posúva (pozri obr. 1.4c), charakteristika odbudeného stroja bude mäkšia. 1.2.3 Kompaudný motor Účinok sériového a derivačného budenia sa spočíta. Delí sa na kompaudný a protikompaudný. Sériové vinutie zmäkčuje momentovú charakteristiku motora. Pri preťažení vzrastie tok hlavných pólov, zväčší sa moment a znižujú sa otáčky. Kompaudný motor tvorí prechod medzi motorom sériovým a derivačným. Kompaudné vinutie odstraňuje nestabilitu derivačných motorov pri preťažení, hlavne v dobudenom stave, lebo pri preťažení vzrastie tok hlavných pólov a potlačuje tak demagnetizačný účinok reakcie kotvy. Používa sa pre pohony s ťažkými prevádzkovými stavmi ako sú: valcové stolice,ťažké lisy, výťahy, bagre, prípadne oko trakčný motor u trolejbusov. Obr. 1.5 Kompaudný motor, Zaťažovacie charakteristiky kompaudného motora [2] 1.2.4 Motor s permanentným magnetom Konštrukcia malých jednosmerných motorov s permanentnými magnetmi až do výkonu niekoľko kw sa podstatne líši od konštrukcie derivačných motorov s klasickým budením, t. j. s navinutými budiacimi pólmi. V týchto malých motoroch sa používajú vláknovo orientované ferity, ktoré sú magnetizované počas výroby, teda pred tým ako sa upevnia do statora. Pre daný výkon je obvykle nevyhnutné vyrobiť väčšiu kotvu, ako u motorov s navinutými budiacimi pólmi. Napriek tomu je motor s permanentnými NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 13

magnetmi menší ako s klasickým budením, lebo nemá budiace cievky. Tým možno znížiť hmotnosť motora asi o 30 %. Široký rozsah regulácie otáčok umožňuje zmena svorkového napätia motora. Uhlovú rýchlosť motora je možné riadiť dvoma spôsobmi: Obr. 1.6 Motor s permanentnými magnetmi zmenou odporu R a v obvode kotvy zapojením prídavného odporu R sp, zmenou svorkového napätia U na kotve motora. 1.3 Pracovné režimy motorov V ustálenom stave, teda pri konštantnej rýchlosti sústavy, je dynamický moment nulový a platí: M M = 0 [1.11] z Základná pohybová rovnica má tvar: dω M M Z = J. [1.12] dt Z rovníc [1.10] a [1.11] vyplýva pre ustálený stav pohonnej sústavy, že dω/dt = 0. Interpretácia ustáleného stavu sústavy môže byť dvojaká. V prípade, že M M z = 0, ide o ustálený stav pohonnej sústavy, pričom pohonný motor prekonáva záťažný moment, teda tok energie ide od motora k pracovnému stroju. V prípade, že - M + M z = 0, ide o ustálený stav sústavy v brzdnom režime pohonu, pri ktorom pracuje pohonný motor ako generátor. Pritom vytvára brzdný moment II kvadrant I kvadrant III kvadrant IV kvadrant Obr. 1.7 Prevádzkové stavy motora (záporný moment), ktorý sa kompenzuje hybným momentom od pracovného stroja. Tok energie ide od pracovného stroja k motoru. V prechodných (nestacionárnych) stavoch pohonu platí dω/dt < > 0. V tomto prípade, ak M a > 0, sústava sa zrýchľuje (t j. napr. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 14

rozbeh pohonu), ak M a < 0, sústava sa spomaľuje (t.j. brzdenie pohonu). Spomaľovanie (decelerácia) sústavy môže byť spôsobené tým, že záťažný moment M z prevažuje nad momentom motora M, alebo tiež tým, že pohonný motor pracuje v brzdnom režime, teda, že jeho moment je záporný. Na obr. 1.7 sú znázornené všetky prevádzkové stavy motora. Z obrázku vidieť, že motor môže pracovať v štyroch kvadrantoch. Pokiaľ motor je navrhnutý pre jeden zmysel rýchlosti môže pracovať len v jednom kvadrante roviny n, M a nie je určený pre elektrické brzdenie. Ak je Motor navrhnutý pre oba zmysly rýchlosti, môže pracovať v prvom alebo tretom kvadrante roviny n, M a tak isto nie je určený pre elektrické brzdenie. Motor určený pre oba zmysly momentu a zmyslu rýchlosti, umožňuje elektrické brzdenie. Pracuje v prvom a druhom kvadrante alebo v tretom a štvrtom. 1.4 Meniče pre regulované pohony Medzi základné požiadavky pohonu patrí možnosť jeho regulácie. V predchádzajúcich kapitolách boli rozobrané vlastnosti jednosmerných pohonov a možnosti otáčkovej regulácie. Zo vzťahu pre uhlovú rýchlosť motora je zrejme, že otáčky motora je možné riadiť zmenou odporu R a v obvode kotvy zapojením prídavného odporu R sp, zmenou magnetického toku Φ vplyvom zmeny budiaceho prúdu I b, alebo zmenou svorkového napätia. Zmenu svorkového napätia umožňujú polovodičové meniče. Práve zmenou napätia sa dosahuje vysoká účinnosť regulácie a malé straty. Konštrukcia výkonových meničov za posledné desaťročie prekonala výrazné zmeny. Ešte v osemdesiatych rokoch mali meniče riadenie postavené predovšetkým na báze analógových operačných zosilňovačov. Diskrétne číslicové obvody sa používali len v riadiacej logike a v nadradených regulačných obvodoch za účelom dosiahnutia vyššej presnosti regulácie. Regulačná štruktúra meničov bola jednoznačne definovaná osadením dosiek a ich prepojením s regulátormi. Užívateľ mal možnosť meniť parametre regulátora, prípadne ich typ (P, PI, I, PID), len výmenou spätno-väzobných prvkov operačných zosilňovačov. Zmena štruktúry a doplnenie ďalšieho regulátora vyžadovala osadenie ďalších dosiek a zmenu zapojenia vodičov na konektoroch. Tieto úkony boli pracné a ľahko mohlo pri nich dôjsť ku chybe. Problematická a zdĺhavá bola aj diagnostika takýchto meničov. Postupné zavádzanie čoraz výkonnejších mikroprocesorov do riadenia meničov sa prejavilo v podobe zvýšenia ich spoľahlivosti, komfortu obsluhy a presnosti regulácie. Začali sa objavovať aj aplikácie, ktoré umožňujú zasahovať nielen do nastavenia regulátorov, ale aj do ich štruktúry. Napriek tomu sú možnosti zásadnejších zmien štruktúry regulácie priamo v meniči doteraz značne NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 15

obmedzené. Je to dané snahou výrobcov zabezpečiť spoľahlivú činnosť meniča. Jedným z krokov k tomuto cieľu je povoliť užívateľovi čo najmenej takých zásahov do nastavenia riadenia meniča, ktoré by mohli spôsobiť jeho poškodenie. Preto je dovolené len parametrovanie pevne nastavenej štruktúry, čo pre väčšinu aplikácií vyhovuje. Jednosmerné meniče rozdeľujeme na: nepriame jednosmerné meniče priame jednosmerné meniče Nepriame jednosmerné meniče dopĺňajú výkonový rozsah tyristorových usmerňovačov v oblasti malých výkonov pre dynamicky náročné pohony. Vyrábajú sa do výkonu cca 10 kw. Schéma zapojenia výkonovej časti meniča je na obr. 1.8. Vstupné sieťové napätie je najprv usmernené a z neho sa výstupné napätie vytvára pomocou šírkovo-impulzovej modulácie so spínacou frekvenciou okolo 2 khz. Vďaka takémuto usporiadaniu sa odstráni oneskorenie reakcie meniča na zmenu riadiaceho signálu z regulátora. Ďalšie zvýšenie dynamiky pohonu sa dosiahne využitím preťažiteľnosti meniča, ktorý je schopný krátkodobo (rádovo stovky ms) dodávať násobky svojho menovitého prúdu. V spojení s jednosmerným motorom s budením permanentným magnetom (JSMPM), ktorý je pri nízkych rýchlostiach schopný dodať až desaťnásobok svojho menovitého momentu, sa tak získa pohon s vysokou dynamikou využiteľnou predovšetkým pri servopohonoch, pohonoch posuvov obrábacích strojov a pod. V prípade pohonu viacerých motorov (napr. pohony vo viacerých osiach pri obrábacom stroji) je možné použiť jeden usmerňovač a zo spoločného medziobvodu napájať meniče pre jednotlivé osi. Takéto Obr. 1.8 Nepriamy menič riešenie zníži náklady na pohon. Priame jednosmerné meniče sa používajú tam, kde sa vyžaduje riadenie veľkých výkonov, ale k dispozícii je len zdroj konštantného jednosmerného napätia. Typickou aplikáciou sú meniče pre trakciu, kde sa používajú v kombinácii s jednosmerným sériovým motorom. Spínacia frekvencia trakčných meničov sa pohybuje okolo 250 Hz. Pre vozidlá napájané z trolejového vedenia sa používajú meniče s výkonmi rádovo stovky kw, kde sa NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 16

ako spínací prvok používa tyristor, v novších zariadeniach vypínateľné súčiastky ako GTO, IGCT alebo IGBT. Pre elektromobily sa používajú meniče s výkonmi rádovo desiatky kw. Tu sa ako spínače používajú tiež MOSFET tranzistory. Štruktúry zapojenia výkonovej časti sa u rôznych výrobcov líšia, no v zásade sa používajú dva druhy meničov a to znižovací a zvyšovací (obr. 1.9). a) b) Obr. 1.9 a) priamy znižovací menič, b) priamy zvyšovací menič Rozdelenie podľa výstupného napätia k vstupnému: znižovací - pri napájaní motora zo zdroja, zvyšovací - pri brzdení motora, resp. rekuperácii energie z motora späť do napájacej siete. 1.5 Základné štruktúry výkonových častí Rozdelenie podľa štruktúry zapojenia výstupnej časti: 1. jednotranzistorový impulzný menič 2. polomostné zapojenie 3. plný most 1. Principiálna schéma zapojenia jednotranzistorového meniča je na obr. 1.10. Jedná sa o jednokvadrantový menič. Je schopný vyvinúť len moment v smere pohybu, ktorý sa volí prepínačom alebo signálom na vstupe jednotky. Motor sa u tohto typu meniča spomalí alebo zastaví len mechanickými odpormi. Menič tvorí jeden spínací prvok, ktorý môže byť zapojený buď v spodnej obr. 1.10 a), alebo vrchnej časti obr. 1.10 b). Konštantné napájacie napätie je časovo rozdelené do impulzov s konštantnou frekvenciou a s riadenou šírkou PWM. Pretože výkonový tranzistor je buď celkom otvorený nebo celkom zavretý, nevznikajú na ňom takmer žiadne straty. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 17

2. Ďalším typom meniča je zapojenie výkonovej časti do polomostu (obr. 1.10 c). Jedná sa o štvorkvadrantový tranzistorový menič, ktorý je tvorený len polovicou mostíka, pretože je napájaný z dvoch symetrických zdrojov. Pre jeden smer prúdu spína tranzistor T 1 a na motor je pripojené napätie +U. Počas vypnutia T 1 vstupuje do činnosti dióda D2 a na motor je pripojený napäťový impulz z druhého napájacieho zdroja (-U). pre opačný smer analogicky pracujú T 2 a D 3. a) b) c) Obr. 1.10 a) jednotranzistorový impulzný menič v spodnej časti; b) jednotranzistorový impulzný menič vo vrchnej časti; c) menič v zapojení polomost 3. Pre reguláciu veľkosti a smeru otáčok sa začali v hojnej miere používať meniče zapojené do plného mosta. Menič je označovaný aj ako H bridge. Jedná sa o štvorkvadrantový impulzný menič (4Q). Menič jednoduchej konštrukcie umožňuje plynule meniť šírkovou impulznou moduláciou efektívnu hodnotu napätia a so zmenou postupnosti spínania jednotlivých spínacích prvkov aj reverzáciu pohonu. Obr. 1.11 Principiálna schéma štvor - kvadrantového impulzného meniča s tranzistormi Na obr. 1. 11 je znázornená principiálna schéma štvorkvadrantového meniča. Menič je v princípe zapojený do mostíka (FULL - most) a možno s ním realizovať obidva uvedené spôsoby reverzácie, prúdu kotvy aj napätia. Pre jeden smer prúdu a tým aj NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 18

momentu v smere šípky spínajú tranzistory T1 a T4. Počas ich vypnutia sa uzatvára prúd cez diódy D2 a D3. Riadenie sa realizuje kladnými aj zápornými impulzmi. Pre opačný smer prúdu, spínajú tranzistory T2, T3 a po dobu ich vypnutia vstupujú do činnosti diódy D1, D4. Týmto typom meniča dostávame najrýchlejšiu možnú reverzáciu rýchlosti a momentu. Preto je používaný u pohonov s veľkými nárokmi na dynamiku pohonu, čoho typickými predstaviteľmi sú práve pohony priemyselných robotov. Vďaka prudkému rozvoju štruktúry tranzistora sa neustále zvyšuje hranica nominálnych parametrov tohto meniča. Súčasné meniče sa vyrábajú s výstupným prúdom 50 až 150A a napätím 1200V, prípadne ešte s vyšším prúdom 200A pri napätí 600V obr.11. Dominantnými spínacími prvkami sú IGBT tranzistory, ktoré pracujú so spínacou frekvenciou 16 až 40 khz. 1.6 Jednokvadrantové, dvojkvadrantové a štvorkvadrantové meniče Vlastnosti meničov vyplývajú z obr. 1.12. Jednokvadrantové meniče používajú hlavne staršie riadiace jednotky pre riadenie motorov s elektronickou komutáciou. Sú najjednoduchšie a pracujú v prvom, respektíve treťom kvadrante. Sú schopné vyvinúť len moment v smere pohybu, ktorý sa volí prepínačom. Motor sa u týchto jednotiek spomalí alebo zastaví len mechanicky. Novšie, jednokvadrantové meniče, majú naviac možnosť rýchlo zastaviť motor skratovaním vinutia, pokiaľ sa na vstup privedie riadiaci signál. Dvojkvadrantové meniče pracujú v dvoch kvadrantoch. Meniče reverzačné pracujú v 1. a 4. respektíve 2. a 3. kvadrante. Rekuperačné pracujú zase 1. a 2. respektíve 3. a 4. kvadrante. Štvorkvadrantové obr. 1.13 meniče urýchľujú i spomaľujú motor v oboch smeroch podľa priebehu riadiaceho signálu rýchlosti a pri nulovom signáli drží motor na nulových otáčkach. Obr. 1.12 charakteristika moment - otáčky NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 19

Obr. 1.13 priebeh napätí a prúdu 4Q meniča vo veľkých štyroch kvadrantoch [10] 1.7 Princíp činnosti meniča v zapojení plný most V nasledujúcej kapitole bude popisovaný princíp činnosti meniča zapojeného ako plný most označovaný aj ako štvorkvadrantový (4Q) menič prípadne H-bridge. Menič umožňuje: meniť efektívnu hodnotu výstupného napätia šírkovou impulznou moduláciou, zmenou polarity napätia reverzovať otáčky DC motora, časový priebeh napätia alebo prúdu môže mať jednosmerný alebo striedavý charakter. Štvorkvadrantový menič umožňuje jednoduché riadenie jednosmerných motorov. Jeho jednoduchá FULL mostová konštrukcia umožňuje, jednak meniť veľkosť a smer otáčok prípadne aj brzdenie. Týmto zapojením sa dosahujú veľmi dobre dynamické vlastnosti, ktoré sú veľmi potrebné pre robotické systémy. Štvorkvadrantový menič Obr. 1.14 4Q menič firmy Solutions [13] sa skladá zo štyroch spínacích prvkov (ventilov) S1 až S4. Schéma zapojenia je na (obr. 1.15 a) Medzi stred každej vetvy je pripojený jednosmerný motor. Celé zapojenie je napájané zo zdroja jednosmerného napätia. Funkcia a smer otáčok rotora závisí od zopnutia jednotlivých spínačov. Po zopnutí NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 20

spínacích prvkov (obr. 1.15 b) S1 a S4 sa na napájacích svorkách motora objaví jednosmerné napätie a otáčky motora budú mať tendenciu rozbiehať sa napríklad pravotočivo. Po rozpojení spínacích prvkov S1 a S4 a zopnutí prvkov (obr. 1.15 c) S3 a S2 dôjde k prepólovaniu napätia na svorkách kotvy a tým k reverzácii otáčok jednosmerného motora. Pre zabezpečenie dobrých dynamických vlastností umožňuje 4Q menič aj brzdenie jednosmerného pohonu. Tento okamih nastáva po súčasnom zopnutí spínacích prvkov S1 a S3 alebo S2 a S4 (závisí od smeru otáčok rotora). a) b) c) d) Obr. 1.15 a) 4Q menič; b) smer otáčok vpravo; c) smer otáčok vľavo; d) brzdenie Predchádzajúce zapojenie meniča by sa dalo použiť pre čisto odporovú záťaž, a to iba teoreticky. Musela by platiť podmienka, že prúd klesne na nulu hneď s napätím na záťaži. U pohonu neklesne prúd hneď na nulu s napätím, ale spojito tečie v istom smere ešte určitý čas. Z tohto dôvodu musí sa základný obvod invertora prispôsobiť tak, aby umožnil tiecť prúdu danému energiou nahromadenou v indukčnosti záťaže. Na obr. 1.16 je obvod doplnený štyrmi spätnými diódami D1 až D4. Otvorením tranzistora T1 a T4 začne tiecť prúd v smere prerušovanej čiary (obr. 1.16 a). Ich vypnutím sa prúd začne uzatvárať nulovými diódami D3, D2 (obr. 1.16 b). Pre zmenu smeru zase zopnú tranzistory T2 a T3 NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 21

(obr. 1.16 d). A prúd po ich vypnutí sa uzatvára diódami D1, D4 (obr. 1.16 e). Pre brzdenie je potrebne zopnúť len tranzistor T4 nakoľko sa prúd v druhej vetve uzatvára cez diódu D2 (obr. 1.16 e). Na obr. 1.16 f) je menič, ktorý je spínaný symetricky takzvane do kríža. Zopnutím tranzistorov T1 a T4 rozbehneme motor na požadované otáčky. Po ich dosiahnutí tranzistory vypneme a zopneme na malý okamih tranzistory T2 a T3. Tento dej sa cyklicky opakuje a otáčky motora nám kmitajú okolo požadovanej hodnoty. Výhodou takéhoto riadenia je dosiahnutie veľmi dobrých dynamických vlastností pohonu. a) b) c) d) e) f) Obr.16 a), b), c), d) menič so spätnými diódami; e) brzdenie; f) symetrické spínanie NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 22

1.8 Riadenie 4Q meniča Delenie riadenie meniča podľa metódy spínania ventilov: symetrická metóda (bipolárne riadenie) nesymetrická metóda (unipolárne riadenie) postupná metóda Symetrická metóda je najjednoduchšia. U tejto metódy sa riadia všetky ventily meniča a na kotvu motora prichádzajú impulzy s premenlivou polaritou. Ich dĺžka je riadená riadiacimi signálmi. Na obr. 1.17 je znázornený priebeh signálov. Ich dĺžka závisí od a, ktoré nadobúda hodnotu 0 až 1. Pre hodnotu striedy 1:1 (50% 50%) je stredná hodnota napätia na kotve motora rovná nule. Tento spôsob riadenia sa používa u pohonoch s malým výkonom. Jej prednosťou je jednoduchá realizácia riadiaceho systému a neexistuje zóna necitlivosti. Privedené napätie na kotvu má však premenlivé znamienko, čo môže v niektorých prípadoch spôsobovať pulzovanie momentu motora. Okrem toho vznikajú tepelné straty v železe i medi, lebo pri striede 1:1 je efektívna hodnota prúdu nenulová. a) b) Obr. 1.17 a) priebeh signálov pri symetrickej metóde; b) priebeh signálov pri nesymetrickej metóde Nesymetrická metóda riadenia je na obr. 1.17 b). Nevýhodou tejto metódy je obtiažnejšie riadenie nakoľko pri spínaní ventilov (tranzistorov) sa všetky nevystriedajú v jednom cykle. Tomuto stavu musia byť prispôsobené aj budiče spínacích prvkov. V prvom cykle zopnú tranzistory T1 a T4 a v druhom tranzistor T1 sa vypne a T4 ostane NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 23

zopnutý. Prúd sa bude uzatvárať (obr. 1.16 e) cez diódu D2 motor a tranzistor T4. Jeho Ui hodnota bude rovná I = R. R. R [1.13], kde U i je indukované napätie, R a je odpor a d dson kotvy, R d odpor diódy D2 v priepustnom smere a R dson je odpor prechodu unipolárného tranzistora v zopnutom stave. Tento prúd nesmie prekročiť maximálnu povolenú hodnotu prúdu polovodičov. Delenie podľa časového priebehu riadiaceho signálu: 1. riadenie pri konštantnej frekvencii 2. riadenie pri konštantnom čase zapnutia 3. riadenie pri konštantnom čase vypnutia 4. riadenie pri konštantnom zvlnení 1. Riadenie pri konštantnej frekvencii: pri tomto spôsobe riadenia je frekvencia spínania impulzového meniča konštantná a stredná hodnota výstupného napätia sa mení len zmenou striedy (obr. 1.18 a). Je to najčastejšie používaný spôsob riadenia. Výhodou je, že pri konštantnej frekvencii je jednoduchší návrh odrušovacích filtrov. 2. Riadenie pri konštantnom čase vypnutia: tento spôsob riadenia je charakteristický tým, že čas zapnutia t 1 je konštantný a výstupné napätie sa mení zmenou frekvencie spínania (obr. 1.18 b). 3. Riadenie pri konštantnom čase vypnutia: pri tomto spôsobe riadenia je konštantný čas vypnutia t 0. Zmena strednej hodnoty napätia na záťaži je možná podobne ako v druhom prípade len zmenou frekvencie spínania (obr. 1.18 c). 4. Riadenie pri konštantnom zvlnení: Riadenie pri konštantnom zvlnení záťažného prúdu sa odlišuje od predchádzajúcich spôsobov riadenia v tom, že signály pre zapnutie alebo vypnutie meniča sú odvodené od priebehu prúdu v záťaži. Prúd v záťaži má konštantné zvlnenie Imot pri akejkoľvek strednej hodnote prúdu v záťaži (obr. 1.17 d). Z obrázku vyplýva, že pre splnenie požiadavky Imot= konšt. sa mení nielen strieda, ale aj frekvencia spínania meniča. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 24

Obr. 1.18 časový priebeh riadiacich signálov 1.9 Matematický model štvorkvadrantového meniča Uvažujme zapojenie štvorkvadrantového meniča podľa obr. 1.19. používaného pre napájanie jednosmerných servomotorov s permanentnými magnetmi [22]. Obr. 1.19 zapojenie štvorkvadrantového meniča Menič riadime symetricky s šírkovou impulznou moduláciou (PWM) podľa obr.1.20. Pri tomto riadení nemusí byť identifikovaný smer prúdu záťaže, pretože tranzistory vo vetve sú preventívne striedavo zapínané bez ohľadu na aktuálny smer prúdu. To, že je privedený na tranzistor spínací signál ale ešte nutne neznamená, že potečie týmto tranzistorom (v smere kolektor - emitor) prúd. Ak je smer prúdu opačný, vedie antiparalélna dióda viď. obr.1.19. V modeli tohto štvorkvadrantového meniča je uvažovaný ešte ďalší zjednodušujúci predpoklad a to nulová tzv. ochranná doba (dead time), čo je čas medzi vypnutím jedného a zapnutím druhého tranzistora vo vetve. Z obr.1.20. vyplýva, že sa na záťaži môže behom jednej periódy zmeniť ako polarita napätia, tak aj smer prúdu (pri malom zaťažení motora dostávame striedavý prúd s jednosmernou NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 25

zložkou). Z pohľadu určenia výstupného napätia 4Q meniča nezáleží na tom, či vedie daný tranzistor alebo antiparalelna dióda. Pri zanedbaní ochrannej doby je toto výstupné napätie dané len riadiacim napätím a napätím píly: Pokiaľ: U r > U p potom U PM = U dc inak U PM = - U dc Obr. 1.20 Priebehy veličín pri symetrickom (bipolárnom) riadení so zanedbaním ochrannej doby U matematického modelu 4Q meniča uvažujeme len stredné hodnoty výstupného jednosmerného napätia. Prúd má spojitý tvar. Vyjdeme z rovnice prenosu: z toho: F PM U ( p) = = K PM. e U ( p) s pt ( p) PM, [1.14] r K PM 1 = 1 + pt PM, kde 1 T T PM = =. [1.15] 2 f 2 NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 26

Pre strednú hodnotu výstupného jednosmerného napätia platí: 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 p r max 1 = [1.16] spínací pomer: T U + U U = = +, [1.17] T 1 p max r r 1 2U p max U p max zosilnenie meniča: U U U K = U s dc dc dc PM = = =. [1.18] U r U r U p max U p max Zosilnenie K PM je konštantné, nezávislé na pracovnom bode U r. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 27

2. Návrh štruktúry pohonu (výkonová časť) Návrh a konštrukcia musí spĺňať viacero požiadaviek: musí byť navrhnutá tak, aby sme mohli dosiahnuť nominálne hodnoty regulovaného jednosmerného motora, nesmie ani krátkodobo presiahnuť maximálne dovolené napätia a prúdy polovodičov zapríčinené napäťovými a prúdovými špičkami pri prechodových dejoch, požadovanú šírku spínacej frekvencie, neprekročiť dovolené oteplenie, možnosť brzdenia. Požadované technické údaje: Napájacie jednosmerné napätie: 24V. Výstupný prúd: 12A. Frekvencia PWM: 10 khz. Brzdenie do odporníka. Vstupy / výstupy vyvedené na univerzálny konektor. Možnosť napájania DSP. Ochrana výkonových tranzistorov. 2.1 Návrh výkonovej časti Menič bude napájaný zo zdroja jednosmerného napätia 24V a prúdová zaťažiteľnosť je požadovaná čo najvyššia 12A. Štvorkvadrantový menič bude mať napäťový charakter. Brzdenie bude realizované odporníkom. Výkonovú časť meniča môžme realizovať buď diskrétnymi súčiastkami, alebo monolitickým integrovaným obvodom. Spínacie prvky meniča tvoria buď bipolárne, alebo unipolárne tranzistory avšak najrozšírenejšie sú v súčasnosti IGBT tranzistory. Výkonová časť meniča sa skladá z nasledujúcich blokov: bloku budenia MOS FET tranzistorov, bloku snímania prechodu nuly, NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 28

bloku snímania jednosmerného prúdu, obvodu brzdenia, obvodu pre limitovanie výstupného prúdu, obvodu pre identifikáciu, obvodu napájania, obvodu H mostíka. 2.2 Výkonová časť s monolitickým integrovaným obvodom Na trhu je veľké množstvo výrobcov s integrovanými obvodmi, ktorí vyrábajú veľké množstvo variácii 4Q meničov. Jednotlivé obvody sa líšia medznými hodnotami napätia a prúdov, ale aj integrovanou riadiacou logikou, ktorá je kompatibilná s logikou ovládajúcich mikropočítačov TTL/CMOS. Napriek potrebe použitia minimálneho množstva súčiastok, nie sú vhodné na realizáciu nášho meniča, nakoľko ich výstupný prúd nedosahuje požadovanú veľkosť. Ich výkon je obmedzený tepelnými stratami a rozmermi púzdra integrovaného obvodu tak aj možnosti odvodu tepla. Vyrábajú sa buď v zapojení H bridge (výkonovú časť tvorí dvojica spínacích prvkov, ale Obr. 2.1 Bloková schéma obvodu TLE 5206 veľkou nevýhodou je potreba symetrického napájania). V zapojení FULL - bridge (výkonovú časť tvorí štvorica spínacích prvkov). Na obr. 2.1 je bloková schéma monolitického obvodu TLE 5206 firmy Infineon Technologies. Obvod umožňuje pripojiť na výstupné svorky OUT1 a OUT2 jednosmerný motor. Integruje v sebe mostové zapojenie meniča a bloky indikácie chyby, dva bloky obvodov pre diagnózu a ochranu. Vstupy sú opatrené hysteréznym komparátorom. Môže pracovať v rozsahu napájacieho napätia 0 40V a výstupný prúd môže byť až 5A. Maximálna spínacia frekvencia 40 khz. Pracovná teplota obvodu je v rozsahu - 40 až 150 NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 29

ºC. Odpor R DS = 200Ω. V závislosti od logických stavov ovládame 4Q menič. Tabuľka týchto stavov je v Tab. 1. V Tab. 2 je porovnanie jednotlivých monolitických obvodov od rôznych svetových výrobcov polovodičov. Obvody v tabuľke sú zoradené podľa maximálneho výstupného prúdu. Ani jeden z obvodov nedosahuje požadovaný prúd nášho meniča. V stĺpci PWM je u niektorých obvodov znázornená maximálna vstupná frekvencia PWM obvodu. Niektoré obvody umožňujú súčasné nezávisle riadenie dvoch motorov. V ich púzdre je integrovaná dvojica H mostíkov. IN1 IN2 OUT1 OUT2 Popis L L L L Brzdenie, spodnými tranzistormi L H L H Otáčky vľavo H L H L Otáčky vpravo H H H H Brzdenie, vrchnými tranzistormi Tab. 1 Funkčná tabuľka obvodu TLE 5206 typ max. napätie [V] max. prúd [A] PWM [khz] počet H - mostov výrobca UPD168302 3,6 0,6 100 2 NEC L293 50 1,2 2 SGS Thomson Microelectronics MPC17510 15 1,2 1 Freescale (Motorola) ZHB6718 20 2,5 1 Zetex Semiconductors L298 50 3 2 SGS Thomson Microelectronics LMD18200 55 3 1 National Semiconductor IR8200 55 3 1 International Rectifier TPIC0108B 40 5 2 1 Texas Instruments MC3387 40 5 10 1 Motorola PC33886 36 5,2 1 Motorola TLE5206 40 6 1 Infineon VN770 26 9 1 ST Microelectronics Tab. 2 Porovnanie monolitických obvodov 2.3 Obvod H - mostíka Návrh meniča z diskrétnych súčiastok umožňuje dosiahnuť omnoho vyššie výstupné prúdy ako u monolitických obvodov. Jednotlivé spínacie prvky majú vlastné púzdra a nie sú v spoločnom púzdre s riadiacim obvodom a tým je zabezpečené lepšie chladenie a na rozmery spínacích prvkov nie je kladený veľký nárok. Ako spínací prvok NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 30

som vybral HDTMOS E - FET tranzistor pod označením MTB75N06HD od firmy Motorola. Tranzistor bol navrhnutý pre ovládanie motorov prostredníctvom šírkovej impulznej modulácii. Tranzistor v sebe združuje spätnú shottkyho diódu. Technické parametre tranzistora sú v tabuľke Tab. 3. Obr. 2.2 Tranzistor 75N06 a jeho puzdro Popis Symbol Rozsah Jednotka Maximálne napätie medzi Source - Drain V DSS 60 V Drain výkon P D 125 W Výstupný prúd (pri teplote puzdra 25 ºC ) I D 75 A Výstupný prúd (pri teplote puzdra 100 ºC ) I D 50 A Pracovná teplota t -55 až 150 ºC Odpor medzi Source a Drain v zapnutom stave R DS 8,3 až 10 mω Zapnutie prvku t d(on) 18 až 26 ns Vypnutie prvku t d(off) 67 až 94 ns Tab. 3 Technické parametre tranzistora MTB75N06HD (pri teplote 25 ºC ) Z parametrov prvku vidieť že konštrukcia meniča použitím tohto spínacieho prvoku bude dostatočne nadimenzovaná. Obr. 2.3 Schéma zapojenia H - mostíka Na obr. 2.3 je znázornená schéma štvorkvadrantového meniča. Princíp činnosti je nasledovný: zapojenie je napájané z externého zdroja jednosmerného napätia 24V. Jeho indikácia je zabezpečená led diódou LED1. Zenerová dióda orezáva prípadné napäťové špičky na 30V. Za ňou je zapojený napäťový delič, ktorým sledujeme zmeny napätia. Ďalší obvod predstavuje obvod brzdenia. Cez spätné diódy výkonových tranzistorov sa indukuje napätie motora. Toto napätie môže prekročiť napájacie napätie. Tomuto nežiadúcemu NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 31

stavu (v prípade ak nechceme rekuperovať do siete) zabránime brzdiacim obvodom. Zopnutím tranzistora T5 pripojíme k jednosmernému obvodu (DC BUS) rezistor R8, čím nastane pokles napätia. Dióda D5 zrazí spätné indukované napätie na odpore (väčšinou sa používa rezistor s vinutým odporovým drôtom). Elektrolytické kondenzátory C1 až C3 jednak filtrujú jednosmerné napätie, ako aj určujú meniču napäťový charakter. Hlavnú časť výkonového obvodu tvorí štvorica FET tranzistorov zapojených do plného mostu. V každej vetve je zapojená dvojica tranzistorov T1, T2 v jednej vetve a rezistor R16 a v druhej T3 a T4 s rezistorom R17. Každá vetva tvorí jednu fázu. Úbytkom napätia na rezistoroch sa sleduje pretekajúci prúd jednotlivými vetvami. Úbytkom na rezistore R31 sleduje pretekajúci prúd z jednosmerného zdroja. Prekročením dovoleného jednosmerného prúdu dôjde k zablokovaniu budiacich obvodov. Výpočet napäťového deliča je nasledovný: Požadované výstupné napätia na odbočkách deliča sú 3 a 3,3V pri vstupnom napätí 30V obr. 2.4. Vstupné napätie sa pri výpočte uvažuje 30V z dôvodu indukovaného napätia riadeného motora. Prúdy I 2 a I 3 sú také malé, že ich môžeme pri výpočte zanedbať. Jednotlivé hodnoty odporov deliča nahradíme sériovým zapojením rezistorov z radu R12. Výsledné zapojenie je na obr.26 a tvorí ho sieť rezistorov s triedou presnosti 1%. I = 1 1mA I I 0A 2, 3 Výpočet jednotlivých odporov deliča: U1 U1 U 2 30 3,3V 3 R1 = = = = 26,7.10 Ω = 26, 7kΩ 3 I I 1.10 A R 2 1 U 2 0,3V = = = 300Ω 3 I 1.10 A 1 1 Obr. 2.4 Napäťový delič U V R = = 3 3 = 3.10 3 3 Ω = 3kΩ 3 I 1.10 A 1 Stratový výkon deliča: 3 P = U. I = 30V.1.10 A = 0,03W 30mW 1 1 = Z rady R12 rezistorov som vybral rezistory ktoré sú spojené do série: R = 1,8kΩ + 1,2kΩ = 3kΩ Obr. 2.5 Výsledné 1 zapojenie deliča NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 32

R 2 = 180Ω + 120Ω = 300Ω R = 22kΩ + 4,7kΩ = 26, 7kΩ 3 2.4 Blok budenia MOS - FET tranzistorov Blok umožňuje striedavo budiť dvojicu MOS - FET tranzistorov. Schéma zapojenia je na obr. 2.6. Princíp činnosti je nasledovný: Vstupný signál z mikropočítača šírkovo impulzného charakteru prechádza cez oddeľovací obvod 74LS1034 (74LS07D). Spínací signál ďalej pokračuje na vstup budiča tranzistorov. Tvorí ho integrovaný obvod IR2112S od firmy International rectifier. Bloková štruktúra tohto obvodu je na obr. 2.7. Výstupný signál je privedený cez rezistor R13 a R15 na hradlo G tranzistorov T1 a T2. Kondenzátory C7, C8 a C11 filtrujú napájacie napätie. Cez diódu D5 sa nabíja kondenzátor C5, ktorý nám umožňuje spínať tranzistor T1. Obvod je vybavený vstupom SD ktorým v prípade poruchy alebo prekročenia povoleného prúdu môžeme tranzistory okamžite vypnúť. Obr. 2.6 Schéma zapojenia: budenia MOS FET tranzistorov Vnútorná štruktúra obvodu IR2112S je na obr. 2.7. Jedná sa o rýchly obvod pre použitie aj pre vysoké napätia do 600V. Umožňuje budiť MOSFET a IGBT tranzistory. Tranzistory na strane LO (tranzistor T2) a strane HO (tranzistor T1) dokáže budiť nezávisle na sebe. Vstupná logika obvodu je kompatibilná s CMOS a LSTTL. Celý obvod je navrhnutý tak, aby vyžadoval minimum externých súčiastok. Obr. 2.7 Vnútorná štruktúra obvodu IR2112S [18] NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 33

2.5 Blok snímania nuly Schéma zapojenia je na obr. 2.8. Snímame prechod nulou pre fázy A aj B. Snímané napätie fázy A cez napäťový R39, R40, R41. Napätie je privedené cez dolnopriepustný filter na neinvertujúci vstup komparátora LM339. Komparátor porovnáva snímané napätie s napätím z napäťového deliča DC2. Tento blok sa používa pri riadení brushless (BLDC) motorov. Umožňuje zmerať skutočné indukované napätie. Obr. 2.8 Blok snímania prechodu napätia nulou 2.6 Blok snímania jednosmerného prúdu Úbytkom napätia na rezistoroch R16 a R17 zapojených v spodnej časti mostíka (obr. 2.3) vieme určiť aktuálny prúd fázy. Úbytok napätia je privedený na diferenciálny zosilňovač obvodu MC33502. V závislosti od vzrastajúceho prúdu a úbytku napätia na rezistore R16 a R17 (pri prúde 50A vznikne úbytok na rezistore 50 mv), dochádza k zmene výstupného napätia diferenciálneho zosilňovača. Čím je väčší napäťový rozdiel medzi invertujúcim vstupom tým aj lineárne vzrastá výstupné napätie zosilňovača. Toto zapojenie je vhodné pre spracovanie signálu v A/D prevodníkoch. Jeho zosilnenie je určené A = R30/R27 u fázy B. Neinvestujúci vstup je pripojený ku konštantnému zdroju napätia 1,65V aby sme mohli zmerať prúd v oboch smeroch. Úbytok na rezistore R16 (R17, R31) 46mV zodpovedá prúdu 46A. Zosilnenie operačného zosilňovača IC8B: R30 100kΩ A = = = 33,3333 R27 3kΩ Obr. 2.9 blok snímania jednosmerného prúdu NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 34

Úbytkom na rezistore R17 dostaneme úbytok napätia: I max =46A U = R16. I max = 0,001Ω.46A = 0,046V = 46mV Výstupné napätie operačného zosilňovača IC8B je : U ofset =1,65V U = A. U = 33,333.0,046V = 1, 53333V Uvýst = U + Uofset = 1,53333 + 1,65 = 3, 183V Z toho vyplýva, že pri pretekajúcom prúde 46A na výstupe OZ IC8B nameriame výstupné napätie 3,183V. Nakoľko blok limitovania výstupného prúdu zablokuje po prekročení maximálneho prúdu budiče tranzistorov, vypočítané napätie je na výstupe OZ maximálne. 2.7 Blok obvodu brzdenia V prípade aktívneho brzdenia alebo rýchlej reverzácie dochádza k rekuperácii energie spätne do napájacieho zdroja. To spôsobuje zvýšenie napätia na kondenzátoroch C1 až C4 (obr. 2.3). Ak túto prebytočnú energiu nemôžeme rekuperovať do siete, musíme ju v brzdiacom odpore premeniť na teplo. Pripojenie takejto pasívnej záťaže nám umožňuje obvod Obr. 2.10 Schéma zapojenia: obvodu brzdenia brzdenia. Tranzistor T5 (obr.2.3) pripojí rezistor R8 paralelne ku kondenzátorom až do tej doby, kým sa celá prebytočná energia nepremení na teplo. Schéma zapojenia budiča tranzistora je na (obr. 2.10). Vstupný signál brzdenia je pripojený cez odporový delič R10 a R9 na vstup budiča MC33152. Výstupné napätie je priamo prepojené cez rezistor R11 na hradlo tranzistora T5. Kondenzátor C19 ošetruje vstup obvodu voči zákmitom a kondenzátor C20 filtruje napájacie napätie. Otvorenie tranzistora T5 je závislé od ovládacieho DSP pripojeného na zbernicu. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 35

2.8 Obvod pre limitovanie výstupného prúdu Princíp činnosti je nasledovný: výstupné napätie z diferenciálneho zosilňovača IC9 (obr. 2.11) je privedený cez filter R54 a C21 na neinverujúci vstup komparátora LM393. Ak napätie na tomto vstupe presiahne 3,15V (čomu zodpovedá prúd 46A z napájacieho napätia), komparátor zablokuje oba budiče Obr. 2.11 Schéma zapojenia obvodu limitovania MOS FET tranzistorov. Tým zabráni výstupného prúdu ich prierazu a zničeniu meniča. Rezistor R58 zapojený v spätnej väzbe vytvorí na prevodovej charakteristike komparátora určitú oblasť necitlivosti ( hysterézy ) komparátora na prípadné malé zmeny vstupného napätia a zároveň sa zabezpečí zostrmenie prechodu výstupu komparátora z kladnej saturácie do zápornej alebo naopak. 2.9 Obvod pre identifikáciu Slúži pre identifikáciu meniča na zbernici. Jeho výstupná frekvencia je 1,5 khz. Schéma zapojenia je na (obr. 2.12). Týmto obvodom zabezpečíme ochranu možnej zámeny rôznych typov meničov (využívajúce zhodnú univerzálnu zbernicu) v spojení s riadiacim obvodom. V prípade zámeny by mohlo dôjsť k poškodeniu výkonovej časti. Obr. 2.12 Schéma zapojenia obvodu pre identifikáciu 2.10 Obvod napájania Slúži na napájanie všetkých blokov meniča a DSP. Tvoria ho tri vetvy. V prvej vetve jednosmerné napätie 24V je filtrované kondenzátormi C33 a C45 toto napätie je ďalej znížene meničom IC1 na 8,2V. Následne je ďalej stabilizované obvodom IC2 na 5V_D (digitálnych). Ďalej je v ceste zaradený filter tvorený z indukčností L1, L2 NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 36

a kondenzátorov C36, C37, C38 a C39. Filter oddeľuje digitálnu zem od analógovej časti. Stabilizátor IC3 stabilizuje na 3,3V_A (analógových) a týmto napätím cez predradný odpor R18 napájame zdroj referenčného napätia IC4. V ďalších dvoch vetvách je napätie 24V meničom IC13 znížené na 12V_D a cez filter FLT1 napájame ním budiče tranzistorov. V poslednej vetve stabilizátorom IC14 napájame 15V_D kit plošného spoja s DSP. Výpočet výstupného napätia je nasledovný: Pre obvod IC1 platí: Volím: U out = 8,2V, R59 = 1,2k, U ref = 1,23V, potom: U out 8,2V R60 = R59.( 1) = 1,2kΩ.( 1) = 6, 8kΩ. U 1,23V ref Pre obvod IC4 platí: Výstupné referenčné napätie je U out = 1,65V, R16 = 100 k Ω : Uout 1,65V R20 = R16.( 1) = 100kΩ.( 1) = 33, 065kΩ. U 1,24V ref R20 volím 33k Ω potom: R20 33kΩ U out = 1,24.( + 1) = 1,24.( + 1) = 1, 6492V. R16 100kΩ Obr. 2.13 Schéma zapojenia zdroja NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 37

2.11 Bloková štruktúra výkonovej časti a konštrukcia prototypu meniča Na obr. 2.15 je bloková štruktúra navrhnutého meniča. Počas práce bol skonštruovaný prototyp meniča (obr. 2.14) na ktorom boli overené teoretické vedomosti a funkčnosť celej konštrukcie. Menič je zostrojený z bežne dostupných súčiastok (viď. príloha č. 4). Konštrukcia prototypu sa nezhoduje v zapojení s finálnou konštrukciou a to v nasledujúcich bodoch: Obr. 2.14 Prototyp meniča budič MC33152 v obvode brzdenia bol nahradený logickým obvodom neinvertujúceho oddeľovača CD4050, zdroj referenčného napätia LM285M v obvode napájania bol nahradený obvodom LM317LZ, rezistory 1 mω pre snímanie prúdu boli nahradené paralelným spojením desiatich rezist. o hodnote 100 mω, čím som dosiahol výsledný odpor 10 mω, bolo zmenené zosilnenie operačných zosilňovačov MC33502, tranzistory MTB75N06 boli nahradené 45N03LT, menič LM2575D2T bol nahradený stabilizátorom 7812, napájacie napätie bolo znížené na 15V. Osadený jednostranný plošný spoj meniča prototypu bol odskúšaný, na základe ktorého bola uskutočnená korektúra schémy. Finálna schéma zapojenia navrhnutého NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 38

meniča je uvedená v prílohe (viď. príloha 1) a súpis použitých súčiastok (viď. príloha 2). Na základe schémy bol navrhnutý finálny plošný spoj meniča (viď. príloha 3). Jedná sa plošný spoj s SMD montážou. Menič bude prepojený cez vstupný/výstupný konektor s digitálnym signálovým procesorom. Nasledujúca kapitola sa bude zaoberať riadením skonštruovaného 4Q meniča a navrhnutím riadiaceho obvodu. Výsledkom práce bude experimentálne overenie funkčnosti, rýchlostné Obr. 2.15 Bloková štruktúra meniča (polohové) riadenie. 2.12 Pojednanie o laboratórnom systéme Praktický návrh riadiaceho algoritmu pre elektrický pohon vyžaduje k testovaniu správania sa pohonu vhodný laboratórny systém. Tvoria ho jednotlivé funkčné bloky znázornené na obr. 2.16 a). Skladá sa z výkonovej časti, ktorú tvorí navrhovaný 4Q menič, motor a pracovný mechanizmus. Riadiaci systém tvorí DSP, snímače a blok nadradeného riadiaceho systému PC. Obr. 2.16 a) štruktúra laboratórneho systému, b) bloková schéma výkonovej časti elektrického pohonu 2.13 Regulovaný pohon HSM60 Pohon v laboratórnom systéme bude tvoriť motor s označením HSM60 [23]. Jedná sa o servomotor: sú to prvok regulačnej sústavy, pre ktorý je vstupná veličina elektrická (riadiace napätie) a výstupná veličina je mechanická (otáčky). Ich vlastnosti charakterizujú momentová charakteristika a elektromechanická časová konštanta. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 39

Na servomotory sa kladú najmä tieto požiadavky: stabilita a linearita momentovej charakteristiky v celom rozsahu otáčok, linearita závislosti otáčok od riadiaceho napätia (regulačná charakteristika) a veľký regulačný rozsah, pri nulovom riadiacom napätí sa motor nesmie otáčať, veľká rýchlosť odozvy, malý riadiaci príkon. Rotor jednosmerného servomotora HSM 60 je skonštruovaný bez feromagnetických otáčavých častí. Vyznačuje sa malou hmotnosťou a tým veľmi malým momentom zotrvačnosti. Servomotor je budený permanentnými magnetmi s vysokým koeficientom BH max., čo umožňuje dosiahnuť optimálne sýtenie vo vzduchovej medzere a tým i veľkého záberového momentu. Vnútorný tvar servomotora je valcový. Na prednej strane kruhovej príruby je vyvedený výstupný hriadeľ pre pripojenie záťaže. Zakončenie hriadeľa je kužeľové. Opačná strana hriadeľa je valcová a je k nemu pripojený tachogenerátor pre snímanie otáčok. Na obr. 2.18 je prevádzková charakteristika motora. Vo vyšrafovanej časti je možná prevádzka len s cudzím Obr. 2.17 Motor HSM 60 s tachogenerátorom chladením. Obr. 2.18 Prevádzková charakteristika motora NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 40

Technické údaje motora [23]: Menovité parametre: Napätie: U N = 12 V Moment: M N = 0,108 Nm Otáčky: n N = 5320 min -1 Prúd: I N = 7,5A Výkon: P N = 59 W Účinnosť: η = 65% Ostatné parametre: Otáčky naprázdno: 6270 min -1 Moment zotrvačnosti rotora: 38.10-7 kgm 2 Elektrická časová konštanta: 160 µs Elektromechanická časová konštanta: 4,5µs Celkový odpor pri 20 ºC 0,42 Ω Prúd naprázdno 1,5A Straty naprázdno 18W Indukčnosť 60 µh NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 41

3. Navrhnutie riadiaceho obvodu 3.1 Riadenie a regulácia Elektrický pohon je sústava elektromechanických zariadení pre elektromechanickú premenu energie riadenú vstupnými požadovanými hodnotami veličín (ω žiadané, φ žiadané ), ktoré sú určené nadradeným riadiacim systémom, alebo obsluhou a výstupné veličiny sú parametre mechanického pohybu (ω skutočné, φ skutočné). Spätnoväzobné signály nám dávajú informácie o skutočnom stave výstupu. Základná štruktúra regulovaného pohonu je na obr. 3.1. Obr. 3.1. Základná štruktúra regulovaného pohonu Regulácia môže byť na: žiadaný moment, žiadanú uhlovú rýchlosť (otáčky), žiadanú polohu. Regulácia uhlovej rýchlosti. Štruktúra elektrického pohon pre reguláciu rýchlosti musí byť riešená tak, aby pri zmene záťažného momentu motor vytvoril požadovaný dynamický moment. Smer tohto momentu určuje regulačná odchýlka rýchlosti. Pri regulácii nesmie dôjsť k prúdovému preťaženiu kotvy. Ochrana napájacích zdrojov musí zamedziť prekročeniu prípustnej hodnoty prúdu. Toto nám zabezpečuje prúdová spätná väzba s príslušným regulátorom. Na obr. 3.2 b) je uvedená najpoužívanejšia funkčná bloková schéma. Má sériové zapojenie regulačných obvodov s podradenou prúdovou slučkou. Maximálna prípustná hodnota prúdu je nastavená obmedzovacím členom OČ na výstupe nadriadenej rýchlostnej slučky, ako žiadaná hodnota prúdu. Regulácia polohy. Polohový systém vznikne z reverzačného rýchlostného systému nadradením polohovej slučky. Regulovanou veličinou je uhlová alebo lineárna poloha. Regulácia NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 42

polohy so často vyskytuje v technickej praxi a v robotike je jednou z hlavných požiadaviek. Poloha je zadávaná nadradeným technologickým riadiacim systémom. Podľa spôsobu zadávania môžeme rozdeliť systémy na sledovacie, u ktorých žiadaná hodnota polohy sa mení spojite a cieľové, u ktorých žiadaná hodnota sa mení skokovo. Na obr. 3.2 a) je znázornená funkčná bloková schéma. Obr. 3.2 a) regulácia polohy; b) regulácia uhlovej rýchlosti 3.2 Riadiaci systém pohonu 3.2.1 Digitálny signálový procesor Výkonová časť navrhnutého meniča bude ovládaná digitálnym signálovým procesorom od firmy Freescale pod označením DSP56F805 [13]. Jedná sa o 16 bitový procesor. Osadený je vo vývojovej doske firmy Freescale Semiconductor obr. 3.3. Bloková schéma vývojovej dosky je na obr. 3.4. Vlastnosti DSP56F805 a vývojovej dosky: Frekvencia 80 MHz 2 x 4 kanálový 12-bit A/D prevodník JTAG a RS232 zbernicu 2 x 6 kanálový PWM Obr. 3.3 Vývojová doska Freescale NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 43

16 časovače Vstupno /výstupné porty B, D, E 31,5K x16-bit Flash pre program 512 x 16-bit RAM pre dáta 4K x 16-bit Flash pre dáta 2K x 16-bit RAM pre dáta 2K x 16-bit boot Flash DIPLOMOVÁ PRÁCA Obr. 3.4 Bloková schéma vývojovej dosky [13] Výkonová časť meniča bude prepojená s riadiacim systémom cez univerzálnu 40 pinovú zbernicu UNI_3. V Tab. 4 sú popísané piny, ktoré sa využijú na prepojenie meniča s DSP. Štvoricu tranzistorov T1 T4 ovládame komplementárnou šírkovou impulznou moduláciou výstupmi PWM AT, AB, BT a BB. Tieto výstupy sú pripojené u DSP na PWM 0 až PWM 3. Digitálna GND a analógová zem GNDA je navzájom oddelená, aby sme vylúčili vzájomnému rušeniu. DSP bude napájané z osobitného zdroja, preto sme piny pre napájanie nechali nezapojené. Ďalej využívame päticu 12 bit A/D prevodníkov na meranie analógových veličín napätia, prúdu a otáčok. Brzdenie odborníkom ovládame portom B bitom 5, ktorý je nastavený ako výstupný. Identifikácia meniča prebieha tiež NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 44

prostredníctvom portu B a bitom 7, ktorý je v tomto prípade vstupný. Prechod nulou a snímanie nuly pri kaskádnej regulácii nevyužijeme. PIN Označenie Pripojenie Popis 1 PWM AT PWM 0 PWM T1 3 PWM AB PWM 1 PWM T2 5 PWM BT PWM 2 PWM T3 7 PWM BB PWM 3 PWM T4 2, 4, 8, 6, 10 NC nepripojený PWM 4, 9, 11 nevyužitý PWM fázy C PWM 5 12, 13 GND digitálna zem 14, 15, 16, 19 nevyužitý napájanie DSP 17, 18 GNDA analógová zem 20 NC nepripojený 21 Udc AN0 AN0 meranie nap. Udc 22 Idc AN1 AN1 meranie prúdu Idc 23 Ia AN2 AN2 meranie prúdu Ia 24 Ib AN3 AN3 meranie prúdu Ib 25 otáčky AN4 AN4 meranie otáčok 26 nevyužitý AN5 prevodník A/D 27, 28, 37 NC nepripojený 29 brzdenie PB5 5. bit portu B 30 identifikácia PB7 ident. meniča 31, 32, 33 nevyužitý prechod nulou 34 A prechod nulou 35 B 36 nevyužitý prechod nulou C 38 snímanie nuly A 39 snímanie nuly B 40 nevyužitý snímanie nuly C Tab. 4 UNI_3 zbernica 3.2.2 Snímač otáčok Ako snímač otáčok využijeme tachogenerátor MEZ NÁCHOD K4A5. Sú to prvky regulačných sústav, v ktorých vstupná veličina je mechanická (otáčky) a výstupná veličina je elektrická (výstupné napätie). Túto ich vlastnosť charakterizuje výstupná charakteristika, to znamená závislosť výstupného napätia od otáčok rotora. Na tachogenerátory sa kladú tieto požiadavky: čo najmenšia odchýlka výstupnej charakteristiky od lineárnej, čo najmenšia zmena fázy výstupného napätia proti budiacemu napätiu pri zmene otáčok, NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 45

čo najväčšia strmosť výstupnej charakteristiky, malý moment zotrvačnosti rotora, malá elektromagnetická časová konštanta. Používajú sa ako prvky regulačných sústav, kde plnia funkcie: stabilizujú sústavy s uzavretým regulačným cyklom, indikujú otáčky. Technické údaje tachogenerátora K4A5 : Rozsah: 2V/1000 ot/min -1 Maximálne otáčky: 7000 ot/min -1 Výstup tachogenerátora bude pripojený na vstup A/D prevodníka. Medzi jeho výstupom a A/D prevodníkom musí byť zapojený konvertor. Návrh konvertora je nasledovný: Maximálne otáčky tachogenerátora sú 7000 ot/min -1. Z toho vyplýva, že pri rozsahu 2V/1000 ot/min -1 výstupné napätie pri maximálnych otáčkach bude 14V. Vstupný rozsah A/D prevodníka je max 3,3V. Schéma zapojenia konvertora tachogenerátora je na obr. 3.5. Obr. 3.5 konvertor tachogenerátora Pri 14V požadujeme I TG = 1mA I2, I3 0A, R5=1,6kΩ, R U TG 1,6V 2 I 14V 1,6V = 2 1.10 A 6, R7 = 3 TG = 6200kΩ = 6,2kΩ Zosilnenie operačného zosilňovača IC3A: R A = R 2 10kΩ = 10kΩ 3 = 1 Ofset operačného zosilňovača IC3A je : U ofset =1,65V = Obr. 3.6 Skonštruovaný konvertor NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 46

Rezistory R6, R5 a R7 tvoria vstupný napäťový delič. V závislosti od otáčok sa mení indukované napätie na tachogenerátore. Úbytok napätia na rezistore R5 sa pripočíta k ofsetu 1,65V. Pri zmene smeru otáčok sa zmení zmysel prúdu a úbytok napätia sa z ofsetu odpočíta. Pri nulových otáčkach výstupné napätie za OZ je rovné U ofset =1,65V. 3.3 Nastavenie PI regulátora Proporcionálne integračne derivačné (PID) regulátory sú bezkonkurenčne najpoužívanejšie regulátory v priemysle. Uvádza sa dokonca, že až 95% všetkých regulačných algoritmov je typu PID a že veľká väčšina z nich najviac používa len proporcionálnu a integračnú zložku [21]. PI regulátor odstraňuje v uzavretom regulačnom obvode s regulovanou sústavou trvalú regulačnú odchýlku. Na začiatku regulačného pochodu prevláda vplyv P zložky, s narastajúcim časom preberá vplyv I zložka. Zákon riadenia proporcionálno-integračného (PI) regulátora v lineárnej oblasti je daný vzťahom [12]: u 1 () t = K e( t) + e() t dt. [3.1] Ti kde: e( t) w() t y( t) = [3.2] kde K je zosinenie a Ti integračná časová konštanta regulátora. Prítomnosť integrátora zaisťuje veľmi žiadanú vlastnosť regulátora a to nulovú regulačnú odchýlku v ustálenom stave pri konštantnej požadovanej hodnote. Je to jednoduché dokázať. Keby tomu tak nebolo, dochádzalo by v dôsledku integrácie nenulovej odchýlky k zmene výstupu regulátora u a uzavretá slučka by nebola v ustálenom stave. Zo vzťahu [3.2] je e(t) regulačná odchýlka, w(t) žiadaná hodnota a y(t) skutočná hodnota. Prenos je daný: 1 1 u( s) F( s) = K. 1 +. = [3.3] Ti s e( s) Kde s je Laplaceov operátor, u(s) výstup a e(s) vstup sústavy. PI algoritmus v diskrétnej časovej oblasti: u T = SC f if isc f [3.4] T ( k) K. e ( k) + u ( k 1) + K. e ( k) f. kde: e( k) w( k) y( k) i = [3.5] NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 47

K SC je proporcionálne zosilnenie, e f (k) regulačná odchýlka s krokom k v diskrétnej časovej oblasti, ( k 1) u if je výstup integrátora s krokom k-1 v diskrétnej časovej oblasti a K isc je integračné zosilnenie. Platí: u( k) u f = [3.6] ( k) ( k) u max ( ) w k w f = [3.7] ( k) w max ( k) y y f = [3.8] ( k) y max ( k) e e f = [3.9] e max e K K. max SC = u K isc= max T e K. T u i max max [3.10] [3.11] 1/s obdĺžnikovou náhradou platí: u ( k) u ( k 1 ) + T e( k) = [3.12] i i. potom: K SC = PG. 2 PGS [3.13] K isc = IG. 2 IGS [3.14] kde PG je proporcionálny zisk, IG je integračný zisk, PGS váha proporcionálneho zisku a IGS váha integračného zisku. Proporcionálny a integračný zisk je v rozsahu <0,5, 1> a váha proporcionálneho a integračného zisku je v rozsahu <-14, 14>. Proporcionálny a integračný zisk môže byť vypočítaný nasledujúcimi vzťahmi: ( 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] NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 48

Napríklad ak zosilnenie K=0,05 potom súčiniteľ veľkosti a proporcionálny zisk sú dané vzťahmi [3.15] a [3.18]. log ( 0,5) log( 0,05) log1 log( 0,05) log 2 váha log 2 3,3219 váha 4,3219 váha napríklad: váha=4 potom: zisk = K.2 = 0,05.2 4 = 0, 8 PI regulátor je vhodný ak sa regulovaný systém blíži k systému 1. radu. Perióda vzorkovania je často volená čo možno najmenšia, aby regulátor pracoval ako spojitý. Regulovaná veličina pred vzorkovaním nesmie byť zašumená prípadne musí byť vhodne vyfiltrovaná analógovým filtrom, perióda vzorkovania musí byť trvalo dodržiavaná aspoň s 10% presnosťou a zákon riadenia musí byť počítaný v aritmetike s dostatočnou dĺžkou slova. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 49

4 Softvér riadiaceho člena a experimentálne overenie funkčnosti Posledná kapitola diplomovej práce sa zaoberá overením funkčnosti meniča a naprogramovanie softvéru pre kaskádne riadenie s reguláciou uhlovej rýchlosti. Regulácia sa skladá z podradenej rýchlej prúdovej slučky a nadradenej otáčkovej pomalšej slučky. Softvér digitálneho procesora DSP56F805 bol naprogramovaný v prostredí Metrowerks Code Warrior. Odladenie regulácie a zosnímanie veličín v reálnom čase bolo uskutočnené v programe FREE Master od firmy Freescale Semiconduktor. 4.1 Overenie funkčnosti výkonového člena V nasledujúcej kapitole bude experimentálne overenie funkčnosti 4Q meniča. Všetky merania a výsledky sú vykonané na prototype 4Q meniča. Menič sme prepojili s riadiacim členom (DSP) pomocou univerzálnej zbernice UNI_3. Softvér napálený v DSP riadi výkonové tranzistory T1 až T4 komplementárnou PWM kanálmi PWM0 až PWM3 (viď. Tab.4). Priebeh PWM 0 a PWM 3 je znázornený na obr. 4.1a). Frekvencia PWM je 16 khz. Ochranná doba (dead time) je 10 ms. Na obr. 4.1 b) je priebeh prúdu kotvy nameraný prúdovou sondou a priebeh napätia na svorkách motora nameraný diferenciálnou sondou. a) b) Obr. 4.1 a) výstup PWM, b) priebeh prúdu (fialový) a napätia (modrý) na motore pri striede 1:1 NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 50

Na nasledujúcich obrázkoch je nameraný priebeh prúdu za operačnými zosilňovačmi obvodov IC8 a IC9. Na obr. 4.2 a) je priebeh prúdu DCB, to je prúd ktorý preteká rezistorom R31 (viď príloha 1). S nábežnou hranou PWM (modrá) dochádza k prekmitu prúdu, čo spôsobuje nedokonalé zopnutie tranzistora. Nábežná hrana (žltý) 7 bitu portu A zaháji spustenie A/D prevodníkov DSP. Udeje sa to vždy v strede periódy PWM, aby sme zaistili zmeranie strednej hodnoty prúdu. Na obr. 4.2 b) je zas priebeh prúdov Ia a Ib v oboch vetvách meniča. a) b) Obr. 4.2 a) PWM (modrý), prúd Idc (fialový) a miesto merania Idc prúdu (žltý), b) PWM (modrý), miesto merania prúdov Ia a Ib (žltý),prúd Ia (fialový) a prúd Ib (zelený) Obr. 4.3 závislosť otáčok motora na striede PWM NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 51

Na obr. 4.3 je závislosť otáčok striedy PWM. Ak je strieda 0,5 (na obr. 4.3 strieda=0) otáčky sú nulové. Ak je strieda väčšia ako 0.5 (na obr. 4.3 strieda>0) otáčky sú kladné. Ak je strieda menšia ako 0.5 (na obr. 4.3 strieda<0) otáčky sú záporné. 4.2 Overenie funkčnosti prúdovej slučky Jedná sa o reguláciu v otvorenej slučke. Softvérové riešenie PI regulátora je nasledovné: vychádzame z rovníc [3.13] a [3.14] kde registrami: PG(ProportionalGain) v rozsahu <0,5, 1> IG(IntegralGain) v rozsahu <0,5, 1> PGS (ProportionalGainScale) v rozsahu <-14, 14>. IGS (IntegralGainScale) v rozsahu <-14, 14>. nastavujeme proporcionálne a integračné zosilnenie. Syntax programu je nasledovná: PIparams.propGain = FRAC16(0.5); /* 0.5*2-1=0.25 */ - PG register PIparams.propGainSc = 1; -PGS register PIparams.integGainSc = 0; -IGS register PIparams.integGain = FRAC16(0.1); -IG register PIparams.posPiLimit = FRAC16(1.0); - horná limita PI regulátora PIparams.negPiLimit = FRAC16(-1.0); - spodná limita PI regulátora PIparams.integPartK_1= 0; desiredvalue = FRAC16(1.0); - žiadaná hodnota measuredvalue = FRAC16(0.0);; -skutočná hodnota PIoutput = MCLIB_ControllerPI (desiredvalue, measuredvalue, &PIparams); - výstup PI regulátora Cieľom je nastavenie PI regulátora. Nastavovanie parametrov PI regulátora je najdôležitejší problém priemyslovej regulácie, lebo jeho úspešné zvládnutie má obvykle veľmi pozitívne ekonomické dôsledky. Jednou z možností nastavenia PI regulátora je metóda pokus omyl [21]. Metóda pokus - omyl je v praxi hojne používaná a vyplýva v priamom experimentovaní. Metódou pokus - omyl sú volené hodnoty parametrov regulátora a podľa tvaru odozvy na skok v požadovanej hodnote sa subjektívne posudzuje ich vhodnosť. Existuje celá rada NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 52

pravidiel (napr. Ziegler - Nicholsonová metóda), ktoré majú zefektívniť tento proces. Jednou z nich je: 1. Vypnúť integrační zložku. Postupne zväčšujeme zosilnenie proporcionálnej zložky až vzniknú trvalé kmity. Potom zmenšíme zosilnenie na polovicu. 2. Pomaly zväčšujeme integračnú časovú konštantu až vzniknú trvalé kmity. Potom ich zväčšíme trikrát. Na obr. 4.3 je regulácia prúdu. Obr. 4.4 Žiadaná Regulácia hodnota prúdu je 2A a žiadaná hodnota (desired Žiadaná hodnota 2A (Desired Value) je porovnávaná so skutočnou hodnotou prúdu Idc. Nastavenie regulátora je nasledovné PG=0,15, PGD=-1, IG=0,01, IGS=0. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 53

Obr. 4.5 Regulácia prúdu so zmenou parametrov PI regulátora Nastavenie regulátora je nasledovné PG=0,5, PGD=-1, IG=0,02, IGS=0. Na obr. 4.5 je simulácia kde meníme žiadanú hodnotu prúdu. Nastavenie Pi regulátora je ako v prípade obrázka 4.3. Žiadaná hodnota prúdu je v čase t 1 =0A, t 2 =1A, t 3 =4A, t 4 =-1A, t 5 =-3A Obr. 4.6 Simulácia zmeny žiadanej hodnoty prúdu Idc NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 54

4.3 Overenie funkčnosti otáčkovej regulácie Jedná sa o nadradenú reguláciu v uzavretej slučke a PI regulátor je nastavený podobne ako u prúdovej slučky. Na obr. 4.7 je otáčková regulácia. Žiadaná hodnota otáčok (červená) je 1500 ot/min. PI regulátor je nastavený nasledovne: PG=0,4, PGD=-6, IG=0,001, IGS=-4. Obr. 4.7 Otáčková regulácia Obr. 4.8 Simulácia zmeny žiadanej hodnoty otáčok NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 55

Na obr. 4.9 je odskúšaná kontrola brzdy. Nakoľko regulácia motora bola bez zaťaženia, správnu funkčnosť brzdy sme nemohli odskúšať. Napätie pri ktorom zopne brzda sa blíži napájaciemu napätiu. Na funkčnosť brzdy mal skôr vplyv tvrdosti zdroja ako indukované napätie motora. Ďalší problém bol v tom, že program FreeMaster nezachytil každú špičku brzdy. Pokiaľ je brzda (break) = 1 zopne tranzistor T5 a pripojí sa brzdiaci odpor. Obr. 4.9 Kontrola brzdy 4.4 Softvér riadiaceho člena Výpis programu DSP56F805 je uvedený v prílohe 5. Štruktúra programu je nasledovná: na začiatku programu nastáva inicializácia knižníc, za ním nasleduje definícia premenných a konštánt. V hlavnej slučke programu (main) nastáva inicializácia projektu, vyvolanie kalibrácie a spustenie PWM. Za ním nasleduje inicializácia periférii, ako sú časovače, vstupno / výstupné porty, PWM, prevodníkov a nastavenie PI regulátorov prúdu a otáčok. Ďalej nasledujú jednotlivé podprogramy, ktoré sa vyvolávajú prerušením a to: blikanie ledky na porte PB2 s frekvenciou 1kHz, čím zabezpečíme vizuálny chod programu. Prerušenie pre brzdu. Prerušenie pre synchronizáciu PWM s A/D prevodníkmi, aby sme zabezpečili zmeranie strednej hodnoty meraných veličín. Prerušenie PWM, kde ovládame jej striedu registrom R0. Prerušenie od prevodníkov A/D. V tejto slučke so synchronizačným impulzom snímame jednotlivé veličiny napätia a prúdov. Ofset operačných zosilňovačov vplyvom zmeny ref. napätia sa môže časom, alebo teplotou meniť. Z tohto dôvodu je potrebná kalibrácia. Tú tvorí posledná časť programu. Inicializácia meniča pre zjednodušenie programu nebola naprogramovaná. NÍZKONAPÄŤOVÝ MENIČ PRE POHON JEDNOSMERNÉHO MOTORA 56