Гирокомпас "Гюйс"

1. Обеспечение высокого уровня КПД является наиболее важной задачей при реализации устройства, т.к. его максимальная мощность достаточно высока (50Вт).
2. В определенные моменты времени на выходе преобразователя требуется получить напряжение большее, чем входное напряжение питания.
3. При аналоговом управлении получить заданную точность выходного напряжения (17,5±0,2В) в требуемом диапазоне рабочих температур (от -15 до +55°С) достаточно сложно, к тому же это потребует дополнительных регулировочных операций, что приведет к увеличению трудоемкости.

Следующим основным элементом является формирователь трехфазного напряжения заданной частоты (см. рис.1.1). Данное устройство непосредственно связано с обмотками гиромотора и в определенные моменты времени должно коммутировать напряжение с преобразователя. Моменты времени, в которые должна происходить коммутация задаются с помощью устройства управления, поэтому формирователь должен иметь управляющие входа, которые были бы совместимы с логическими уровнями, выдаваемыми устройством управления.

Устройство  управления (УУ) – это “мозг” всей схемы. Его основной задачей является анализ поступающих в него сигналов и выдача соответствующих сигналов управления, а также задание временных интервалов (функции таймера).

Сигналами управления для импульсного преобразователя  будут сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а также сигнал отключения при сбое. Кроме этого УУ должно формировать временной интервал длительности режима “ФОРСАЖ” и паузы между импульсами в режиме “ЦИКЛИЧЕСКОЕ ПЕРЕВОЗБУЖДЕНИЕ”. Входным сигналом УУ является напряжение на выходе преобразователя, в зависимости от которого и будет варьироваться длительность ШИМ.

Для получения трехфазного сигнала  УУ должно сформировать три прямоугольных  сигнала сдвинутых по фазе на 120° (рис.1.2.). Входным сигналом для УУ будет сигнал с двигателя, для определения угла рассогласования q. Если угол q превысит 60°, то существует опасность выхода двигателя из синхронизма. Для избежания подобной ситуации при q > 60° УУ должно до допустимых пределов снижать длительность пауз между сигналами “циклического перевозбуждения”, а при невозможности дальнейшего снижения и достижении q = 90° выдать сигнал “авария”.

Для реализации устройств управления современная электронная промышленность (правда, в основном зарубежная) предлагает огромное количество изделий, это – микроконтроллеры, программируемые логические схемы (ПЛИС), цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) и пр. В данном проекте наиболее целесообразным является применение микроконтроллера, т.к. он обладает следующими достоинствами:

• Большая гибкость при реализации устройства;
• Сравнительная дешевизна;
• Очень большой выбор (можно подобрать с любыми требуемыми характеристиками).

Кроме уже названных основных блоков (см. рис.1.1.), для реализации устройства потребуются дополнительные блоки.

Согласно п.3.1.4 технического задания, устройство должно обеспечивать защиту от короткого замыкания с индикацией о неисправности. Эту функцию будет выполнять детектор тока. Выходной сигнал с детектора тока будет подаваться на УУ, которое в случае превышения тока должно отключить импульсный преобразователь и выдать сигнал “авария” на индикатор.

Для фильтрации входного напряжения от помех, которые, как правило, присутствуют в цепях питания, а также для защиты входной цепи питания от помех создаваемых импульсным преобразователем необходим входной фильтр.

В режиме циклического перевозбуждения импульсы имеют небольшую длительность и очень большую скважность, поэтому использование импульсного преобразователя для получения необходимого уровня напряжения этих импульсов нерационально. В данном случае наиболее целесообразно использовать умножитель (удвоитель) напряжения на конденсаторе, т.к. КПД его будет намного больше, габариты и стоимость меньше, а также для него потребуется более простое управление (не нужен сигнал ШИМ).

Как уже говорилось, входным сигналом УУ является напряжение на выходе преобразователя, но УУ представляет собой цифровую схему, поэтому сначала сигнал должен быть преобразован в цифровую форму. Для этого необходим аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Скорость преобразования АЦП должна быть не ниже чем частота ШИМ, а разрядность должна быть такой, чтобы обеспечивать необходимую точность для регулирования выходного напряжения импульсного преобразователя.

Чтобы обеспечить высокую точность аналого-цифрового преобразования потребуется также прецизионный источник опорного напряжения (ИОН).

Диапазон выходного напряжения импульсного преобразователя лежит  в пределах от 0 до 36В, а входное напряжение на АЦП не может превышать опорное, поэтому для согласования сигналов необходим делитель напряжения.

Напряжение питания цифровой части схемы будем получать из входного напряжения +24В с помощью линейного стабилизатора напряжения. Это необходимо, поскольку внешние +5В (от блока питания) не имеют общей земли с цепью +24В.

Для передачи в УУ информации об угле рассогласования необходима схема измерения угла рассогласования.

Кроме индикации “авария”, целесообразно  ввести индикацию “форсаж”, когда устройство находится в режиме “ФОРСАЖ”, что будет полезно при настройке и регулировке платы. Для этих целей необходим блок индикации.

Полная структурная схема приведена на рис.1.3, а также в графическом приложении к проекту.

1.3. Разработка принципиальной электрической  схемы.

Разработку принципиальной электрической  схемы будем вести согласно разработанной структурной схеме (см. рис.1.3).

1.3.1. Разработка импульсного преобразователя напряжения.

Теории построения основных типов  импульсных преобразователей (стабилизаторов) посвящено достаточно много работ [2,3]. В них, как правило, описываются три основных типа импульсных стабилизаторов, схематичное изображение которых приведено на рис. 1.4. (верхний ряд — схемы с общим минусом, нижний ряд — с общим плюсом). Регулирование выходного напряжения в импульсных стабилизаторах осуществляется скважностью переключения регулирующего элемента (биполярного или полевого транзистора), работающего в ключевом режиме (на рис. 1.4 он изображен схематически и обозначен буквой "К"). Модулированное входное напряжение поступает на индуктивно-емкостной (LC) накопитель энергии. Для обеспечения требуемых путей заряда-разряда в нем используются диоды (VD).

На рис. 1.4,а схематично показаны импульсные стабилизаторы напряжения понижающего типа, то есть такие стабилизаторы, у которых выходное напряжение меньше входного. Выходное напряжение в них определяется отношением длительности включения ключевого элемента t к периоду следования импульсов Т:

   

где t — длительность импульса включения ключевого элемента;

Т — период следования импульсов;

U_inp — входное напряжение

U_out— выходное напряжение.

Принцип работы такого стабилизатора заключается в том, что когда регулирующий (ключевой) элемент К открыт, через него, индуктивность L и нагрузку течет ток. При этом ток (благодаря свойствам индуктивности) нарастает линейно и достигает своего так называемого пикового значения. При этом также заряжается конденсатор С. Диод VD в это время закрыт. При закрывании ключевого элемента К, открывается диод VD и линейно уменьшающийся ток течет через нагрузку, конденсатор С, индуктивность L и диод VD. Очевидно, что индуктивность L должна иметь достаточную величину (иными словами — запасать достаточно энергии) для обеспечения тока нагрузки на время выключения регулирующего элемента.

На рис. 1.4,б схематично показаны импульсные стабилизаторы напряжения повышающего типа, то есть такие стабилизаторы, у которых выходное напряжение больше входного. Выходное напряжение в таких стабилизаторах определяется отношением периода следования импульсов Т к длительности выключения ключевого элемента (паузы) t:

 

где t—длительность выключения ключевого  элемента;

Т — период следования импульсов;

U_inp— входное напряжение;

U_out— выходное напряжение.

Принцип работы такого стабилизатора состоит  в том, что когда регулирующий элемент К открыт, через него и индуктивность L течет ток. В это время диод VD закрыт, и нагрузка питается от заряженного конденсатора С. При закрывании ключевого элемента К открывается диод VD, и линейно уменьшающийся ток течет через индуктивность L, диод VD, нагрузку и конденсатор С, заряжая последний.

На  рис. 1.4,в изображены импульсные стабилизаторы  напряжения инвертирующего типа. У таких импульсных стабилизаторов выходное напряжение может быть меньше или больше входного, но имеет противоположный знак. Выходное напряжение в таких стабилизаторах определяется отношением длительности включения ключевого элемента t к длительности его выключения t:

 

где t — длительность импульса включения ключевого элемента;

t — длительность выключения ключевого  элемента;

U_inp— входное напряжение;

U_out— выходное напряжение.

Принцип работы такого стабилизатора аналогичен предыдущему.

Из  всех трех приведенных типов импульсных стабилизаторов лучшими энергетическими и массогабаритными характеристиками обладают понижающие стабилизаторы (рис. 1.4, а), наиболее часто применяющиеся на практике. Применение других типов импульсных стабилизаторов отмечается значительно реже из-за значительно более высоких требований к параметрам индуктивности L и конденсатора С.

В данной разработке приходится решать задачу, когда входное напряжение может быть и выше, и ниже выходного. В таких случаях обычно используются составные импульсные стабилизаторы.[5]

Очевидно, что для построения составного импульсного  стабилизатора с выходным напряжением, лежащим в середине диапазона  входных напряжений, можно использовать последовательное включение двух стабилизаторов понижающего и повышающего типа (рис. 1.4,а,б) в различных комбинациях, либо два последовательно включенных инвертирующих импульсных стабилизатора (рис. 1.4,в). При этом первый из стабилизаторов должен создавать свое выходное напряжение за пределами диапазона входных напряжений, а второй — формировать требуемое выходное напряжение.

Составные импульсные стабилизаторы, естественно, имеют определенные достоинства и недостатки. Несомненным и, пожалуй, единственным их достоинством является снижение уровня пульсаций на выходе. К недостаткам относятся сложность и громоздкость устройства (в первую очередь из-за необходимости использования двух дросселей) и низкий КПД. Кроме того, не следует забывать, что при последовательном соединении импульсных стабилизаторов необходимо принимать меры по исключению сквозных токов через два включенных ключевых элемента, то есть, необходимо определенным образом синхронизировать работу двух стабилизаторов.

Следует также отметить, что при создании составных стабилизаторов с общим  плюсом возникают дополнительные проблемы, связанные с тем, что большинство микросхем управления предназначены для работы в схемах с общим минусом.

Анализ  вышесказанного, а также рассмотрение идеи создания комбинированного импульсного стабилизатора, изложенной в [5] наводит на мысль, что использование комбинированного импульсного стабилизатора является в данном случае оптимальным решением.

С целью попытки реализации комбинированного импульсного стабилизатора, соединим последовательно схемы понижающего и повышающего стабилизаторов с общим плюсом, как показано на рис. 1.5, а.

  При внимательном рассмотрении  этой схемы можно обнаружить, что две индуктивности L1 и L2 фактически включены последовательно. Одну из них можно убрать. Конденсатор С1 также может быть удален. При этих изменениях исходная схема преобразуется в схему, изображенную на рис. 1.5,б.

При этом, если предположить, что на этой схеме регулирующий элемент К2 постоянно выключен, схема представляет собой типичный понижающий импульсный стабилизатор, у которого имеется лишний диод VD2, не мешающий ее работе. Если же предположить, что регулирующий элемент К1 постоянно включен, то мы имеем типовую схему повышающего импульсного стабилизатора, у которого имеется лишний диод VD1, который также работе не мешает.

Таким образом, если разработать схему  управления, которая бы анализировала входное напряжение и включала либо режим понижения, либо повышения напряжения, мы получим экономичный в смысле аппаратных затрат и габаритов комбинированный импульсный преобразователь.

1.3.2. Разработка формирователя импульсов  перевозбуждения.

Основным узлом формирователя  импульсов перевозбуждения является умножитель напряжения, в котором  происходит двукратное умножение поступающего напряжения. В данном случае это даже не умножитель напряжения, а устройство, использующее  принцип умножения напряжения с помощью конденсатора являющееся собственной творческой идеей автора дипломного проекта.

Принцип работы устройства представлен  на рис.1.6. В режиме “РАБОТА” ключ К1 находится в разомкнутом состоянии, а ключ К2 замкнут (см. рис.1.6,а). Таким образом, конденсатор С5 заряжается током i через резистор R7, а напряжение на нагрузке равно напряжению на входе формирователя. В момент времени, когда происходит переключение в режим “ЦИКЛИЧЕСКОЕ ПЕРЕВОЗБУЖДЕНИЕ”, ключ К1 закрывается, а ключ К2 открывается(см. рис.1.6,б). Это приводит к тому, что заряженный конденсатор С5 оказывается подключенным к нагрузке последовательно с входным напряжением. Таким образом, напряжение на нагрузке складывается из напряжения на входе формирователя (U) и напряжения на конденсаторе С5 (U_С), что приблизительно равно двойному входному напряжению. В результате формируется импульс перевозбуждения. Конденсатор должен быть подобран так, чтобы обеспечить требуемый уровень напряжения за весь период длительности импульса циклического перевозбуждения, а сопротивление резистора должно быть таким, чтобы обеспечить достаточный ток для зарядки конденсатора в промежутке между импульсами.