Гирокомпас "Гюйс"

Управление ключами, а также  задание временных интервалов производится устройством управления.

1.3.3. Разработка формирователя трехфазного  напряжения.

На сегодняшний день существуют специализированные микросхемы, объединяющие в себе мощные выходные МДП-транзисторы  с защитными диодами, схему управления транзисторами, причем ее входа совместимы с логическими уровнями сигналов, а также имеют встроенные схемы защиты от перегрева и короткого замыкания в нагрузке.

Существует  два основных типа вышеназванных  микросхем – это полумостовой драйвер и  мостовой драйвер. Отличие заключается в том, что первый может коммутировать напряжение только на один вывод, при этом другой вывод является общим. Мостовой же драйвер имеет возможность коммутации одновременно на два вывода, исключая состояние, когда напряжение подано сразу на оба вывода, что позволяет управлять направлением вращения двигателя.

Поскольку разрабатываемая плата предназначена  для питания трехфазного синхронного двигателя и во время работы не требуется управлять направлением вращения, то наиболее целесообразным является использование трехфазного полумостового драйвера.

Соответствует всем предъявляемым  в данной разработке требованиям (см. п.1.2) микросхема L6234 производимая компанией SGS-THOMSON MICROELECTRONICS. Она имеет следующие основные характеристики:

• Напряжение коммутации (и питания) от 7 до 52 В
• Предельно допустимый ток 5А
• Защита от короткого замыкания
• Совместимость управляющих входов с ТТЛ и КМОП
• Частота коммутации до 50 кГц
• Отключение при перегреве
• Встроенные быстродействующие диоды

Функциональная схема и рекомендуемая схема включения микросхем приведена на рис. 1.7.

1.3.4. Разработка детектора превышения  тока.

Для построения схемы детектора  тока воспользуемся резистором малого номинала, включенным в разрыв цепи питания. Малый номинал резистора необходим, прежде всего, для того, чтобы не вносить искажений в цепь питания (падение напряжения на резисторе), и, чтобы снизить потери в этом резисторе, а, следовательно, и его габариты.  Изменение падения напряжения на резисторе пропорционально изменению тока в цепи.

Поскольку номинал резистора очень  мал, то приходится использовать различные  схемотехнические приемы для усиления сигнала. Воспользуемся для этой цели операционным усилителем с дифференциальным входом. Схему включения и рекомендации по расчету дифференциального усилителя можно найти в [1, 7].

Сигнал превышения тока передается в УУ, т.е. в микроконтроллер, следовательно, его необходимо привести к логической форме. Это можно реализовать с помощью аналогового компаратора. Реализация схемы детектора превышения тока представлена на рис. 1.8.

Резистор R1 – проволочный резистор номиналом 0,1 Ом. Резисторы R2, R3, R4, R13 необходимы для построения дифференциального операционного усилителя DA6. Делитель R21, R20 задает порог срабатывания аналогового компаратора DA4.

1.3.5. Разработка прочих узлов  устройства.

Входной фильтр. Наибольшее распространение в источниках питания получил фильтр с двумя компонентами, включенными по Г-образной схеме (рис. 1.9,а,б). Последовательный компонент обладает большим сопротивлением переменному току, а параллельный компонент — малым сопротивлением переменному току. В качестве последовательного компонента используется резистор или дроссель [2].

Недостатком резисторов в схемах сглаживающих фильтров является большая потеря мощности постоянного тока, поэтому для фильтрации напряжения на входе будем использовать индуктивно-емкостный фильтр (см. рис.1.9.б).

Схема измерения угла рассогласования.

Схема представляет собой аналоговый компаратор DA7, отслеживающий переход через 0 напряжения на одной из обмоток двигателя в моменты времени, когда на нее не подано напряжение.

Блок индикации.

Данное устройство состоит из двух светодиодов зеленого (для индикации режима “ФОРСАЖ”) и красного цвета (для индикации “авария”). Светодиоды подключены через резисторы непосредственно к выводам микроконтроллера.

Делитель напряжения.

Представляет собой два прецизионных резистора с допустимым отклонением от номинала ±0,5%.

АЦП, ИОН, линейный стабилизатор на +5В.

Эти устройства включены по стандартной  схеме включения приводимой в технической документации (Data Sheet).

 

1.4. Обоснование выбора элементной  базы.

Одной из основных проблем, которые  приходится решать при разработке устройств содержащих импульсный преобразователь напряжения, является повышение частоты с целью уменьшения его массы и габаритов. Уменьшение массы и габаритов преобразователя становится заметным при повышении частоты от 10-20 до 100-200 кГц за счет снижения массы реактивных элементов: трансформаторов, дросселей и конденсаторов сглаживающих фильтров. Переход к высоким частотам преобразования вызывает необходимость решения ряда новых задач, связанных с выбором элементов силовой части преобразователя.

Ключевые элементы (транзисторы) преобразователя должны коммутировать значительные токи (единицы ампер) при допустимом напряжении на коллекторе порядка 50-60 В и при этом обеспечивать малое время рассасывания избыточных носителей заряда в базовой области. При частоте преобразования 200 кГц длительность полуволны прямоугольного напряжения преобразователя составляет 2,5 мкс; если допустить на переходный процесс коммутации даже 10 % этого значения, то время переходного процесса выключения транзистора не должно превышать 0,25 мкс. В мощных биполярных транзисторах это трудно сделать, поэтому наиболее подходящими для высокочастотных преобразователей являются полевые транзисторы, которые должны иметь при этом малое сопротивление в режиме насыщения (не более 0,05-0,1 Ом).

Наиболее  распространенными и легкодоступными  на российском рынке (кроме отечественных) являются МДП-транзисторы фирмы International Rectifier, которая является одним из мировых лидеров по производству данной продукции. Транзисторы выполнены по современной технологии HEXFET и по параметрам на порядок, а то и больше превосходят отечественные аналоги. Кроме того, International Rectifier помимо МДП-транзисторов со стандартным напряжением управления (10 В) выпускает транзисторы с управлением логическими уровнями сигналов, т.е. напрямую от логических схем. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что в данной разработке в качестве ключевых элементов преобразователя наиболее целесообразным является использование МДП-транзисторов фирмы International Rectifier.

Диоды выбираются по прямому току и обратному напряжению. В выпрямителях высокочастотных преобразователей с выходными токами от единиц и до нескольких десятков ампер при обратном напряжении не более 30-40В необходимо применять диоды с барьером Шотки. Для более высоковольтных преобразователей могут использоваться диффузионные диоды с тонкой базой. Высокими техническими характеристиками обладают диоды серии КД269-КД271, имеющие максимально-допустимый прямой ток 5А/10А и максимальное обратное напряжение 30В/40В/50В/75В/100В.

Дроссели являются наиболее трудными узлами для миниатюризации, так как их габариты плохо совмещаются с плоскими малогабаритными ИС и другими элементами.

В сглаживающих фильтрах слаботочных  цепей широкое применение находят  высокочастотные дроссели типа Д, в  сильноточных цепях — дроссели на тороидальных сердечниках.

Конденсаторы для высокочастотных сглаживающих фильтров выбираются с учетом эквивалентного последовательного сопротивления (r_п.э), которое у керамических и пленочных конденсаторов на высокой частоте на два порядка ниже, чем у электролитических.

На  высоких частотах паразитная индуктивность выводов конденсаторов и его последовательное эквивалентное сопротивление образуют контур самовозбуждения с низкой добротностью. При частотах ниже собственной резонансной конденсатор обладает емкостным сопротивлением, а при частотах выше собственной резонансной сопротивление конденсатора носит индуктивный характер. Электролитические конденсаторы большой емкости обладают низкой собственной резонансной частотой. Вследствие того, что r_п.э электролитов существенно не изменяется на частотах свыше 20 кГц н габариты конденсаторов фильтров при заданной пульсации существенно не зависят от частоты.

Для малогабаритных керамических н пленочных  конденсаторов малое значение r_п.э является положительным фактором, поскольку при этом увеличивается их собственная резонансная частота. Однако увеличение тока утечки через конденсатор понижает его резонансную частоту. В мощных выпрямительных цепях это приводит к резкому увеличению выходного сопротивления.

Уменьшить выходное сопротивление  можно параллельным соединением нескольких конденсаторов с высокой резонансной частотой и малым индуктивным сопротивлением, а также пленочного или электролитического конденсатора с большой емкостью и керамического конденсатора с малой емкостью. Важно, что при таком включении резко снижается эффективная последовательная индуктивность конденсаторов, в которую входит индуктивность их выводов и монтажных проводов. Таким образом, сборка из двух параллельных конденсаторов по уровню сглаживания высокочастотной пульсации оказывается значительно эффективней, чем отдельный конденсатор большой емкости, который устанавливается с минимальной длиной соединительных печатных проводников.

В качестве керамических конденсаторов  будем использовать применяемые на ОАО “ПНППК” конденсаторы типа К10-17б или их импортные аналоги, которые при равной емкости и стабильности имеют существенно меньшие размеры. В качестве электролитических конденсаторов хорошо себя зарекомендовали конденсаторы фирмы HITANO, имеющие сравнительно небольшие габариты, высокую надежность и большой срок службы.

Постоянные резисторы существуют двух видов – это резисторы для поверхностного монтажа (чип-резисторы) и резисторы для навесного монтажа (выводные резисторы). Чип-резисторы по сравнению с выводными имеют значительно меньшие размеры, что позволяет ощутимо снизить габариты печатной платы, кроме того, они не требуют установочных отверстий. Поскольку у разрабатываемой платы габарит является критичным параметром, то наиболее целесообразно использовать резисторы для поверхностного монтажа. Однако, технология поверхностного монтажа на “ПНППК” находится еще только в стадии освоения, поэтому будем использовать стандартные выводные резисторы, применяемые на данном предприятии – это резисторы общего назначения серии С2-33 и прецизионные С2-29.

Аналого-цифровой преобразователь выбирается с учетом следующих основных параметров:

• Разрешающая способность;
• Интегральная и дифференциальная нелинейность;
• Скорость преобразования;
• Интерфейс обмена.

Произведем оценку разрешающей  способности.

Наибольшая точность выходного напряжения, заданная в техническом задании составляет ±0,2В. Примем допустимую погрешность преобразования  в пределах ±0,1В. Таким образом допустимая погрешность D должна быть < 0,2В.

Погрешность вносится АЦП и источником опорного напряжения, поэтому погрешность каждого из них не должна превышать 0,1В. (D_АЦП < 0,1В и D_ИОН < 0,1В).

Диапазон преобразуемых напряжений 0¸36В.

Результаты расчета разрешающей  способности приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Разрядность АЦП, бит	Число значений	Разрешающая способность, В
8	256	0,144
10	1024	0,036
12	4096	0,009

 

Поскольку ошибка АЦП обычно составляет ±1 ¸ ±2 значения разрешающей способности, то приемлемый уровень точности может обеспечить только 12 разрядный АЦП.

Также чтобы не выйти за пределы погрешности интегральная и дифференциальная нелинейность должна быть не более ±4 .

Скорость преобразования должна быть выше частоты ШИМ импульсного преобразователя, т.е. не менее 100 тыс. преобразований в секунду.

При выборе интерфейса обмена будем  руководствоваться требованиями обеспечения компактности, коим наилучшим образом удовлетворяет последовательный интерфейс, т.к. позволяет значительно снизить количество выводов у АЦП и микроконтроллера, а также число линий связи между ними.

После детального изучения российского рынка АЦП, с помощью средств параметрического поиска, предлагаемого многими интернет сайтами [8, 9], был выбран АЦП соответствующий всем перечисленным выше параметрам – это MCP3201 производимый компанией Microchip Technology Incorporated и предлагаемый многими Российскими дилерами. Он имеет следующие основные характеристики:

• Разрешение 12 бит
• Дифференциальная нелинейность ±1
• Интегральная нелинейность ±1
• Последовательный интерфейс SPIÔ (Serial Peripheral Interface)
• Скорость преобразования 100 тыс. выборок/сек.
• Диапазон рабочих температур –40 ¸ +85°С
• 8 выводной корпус

 

1.5. Расчет узлов схемы.

1.5.1. Исходные данные.

Входное напряжение питания U_п = 24В;

Пределы изменения напряжения питания U_п         (DU_п = 8 В);

Минимальный ток нагрузки I_{н min} = 0,1А;

Максимальный ток нагрузки I_{н max} = 1А;

Постоянная составляющая тока нагрузки I _{н ср.} = 0,4А;

Допустимая амплитуда пульсации  тока через дроссель входного фильтра I_L~ = 0,05 А;

Минимальное выходное напряжение импульсного  преобразователя U_н.min = 15 В;

Максимальное выходное напряжение импульсного преобразователя U_н.max = 36 В;