katedra energoelektroniki i napędów elektrycznych

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Kierunek studiów: ED
Specjalność: AP
Przedmiot: Elementy i Podzespoły Automatyki 3
Kod przedmiotu: E29310
BADANIE STEROWNIKÓW DO MIKROSILNIKÓW PRĄDU
STAŁEGO
dr inż. Adam Sołbut
2004-11-15.
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI
I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
Ogólne zasady bezpieczeństwa
Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją
dydaktyczną do stanowiska laboratoryjnego.
Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu,
a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić
prowadzącego.
Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody
prowadzącego.
Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu
dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy
dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich działań.
Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez
zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą
prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania stanowiska.
Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana
przyrządu) w układzie znajdującym się pod napięciem jest
niedozwolone.
W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego
o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed
uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od tych części
czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym.
Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż
opisane w instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie
obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska.
Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym
stanowiskiem laboratoryjnym.
Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów
sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych
podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.
W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania
(np. swąd spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko
i odłączyć przewód zasilający.
Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności
serwisowe, oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane
przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu stanowiska.
Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych
podanych w instrukcji lub na obudowie urządzenia.
Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej
szmatki. Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników.
2
Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory,
zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
- Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego
wyrobu.
- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy
są one dołączone do źródła napięcia.
- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód
ochronny w kablu zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten
powinien być podłączony do przewodu ochronnego sieci.
- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia
ochronnego. Nie należy podłączać go do punktów o wyższym
potencjale.
- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać
palce nad pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać
metalowych części grotu, gdy sonda jest podłączona do źródła napięcia
- Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie
wykonywania pomiarów
3
BADANIE STEROWNIKÓW DO MIKROSILNIKÓW PRĄDU
STAŁEGO
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych właściwości wybranych
modeli sterowników scalonych do mikrosilników prądu stałego, ich
właściwości statycznych i dynamicznych.
2. Układ sterujący TDA7274
Schemat ideowy stabilizatora prędkości obrotowej silnika PRM 33-1.5
z układem TDA7274 oparty jest na schemacie podanym w nocie aplikacyjnej
tego układu. Dla potrzeb ćwiczenia laboratoryjnego przewidziano możliwość
konfiguracji układu za pomocą przełącznika SW2 typu DIP7. Możliwa jest
zmiana wartości rezystora pomiarowego poprzez włączanie przełącznikami S1,
S2, S3 rezystorów R1, R2, R3. Wartość rezystora R2 dobrano z warunku:
R 2 ≤ K ⋅ Rt
gdzie: K- współczynnik proporcjonalności między prądem pomiarowym
a prądem rzeczywistym silnika, K=50; Rt- rezystancja wewnętrzna silnika
PRM 33-1.5, Rt = 11.2Ω.
R 2 = 50 ⋅ 11.2 = 560Ω
Przyjmuję wartość rezystora R2 równą 510Ω. Rezystor R1 ma wartość dwa razy
mniejszą od R2, a R3 dwa razy większą od R2.
Przełącznikiem S5 włączmy szeregowo z silnikiem dodatkowy rezystor R4,
który może symulować wzrost temperatury silnika. Uzwojenia wykonane są
z drutu miedzianego charakteryzującego się wzrostem rezystywności
w przybliżeniu 0.4% / °C. Zatem dołączona rezystancja R4 = 2.4Ω symuluje
wzrost temperatury twornika o około 50°C.
Rezystor R5 włączany również szeregowo z twornikiem silnika za pomocą
przełącznika S6 może być kluczowany tranzystorem T1. Tranzystor ten
sterowany jest generatorem napięcia prostokątnego o regulowanej częstotliwości
i wypełnieniu. Pozwala to zbadać reakcję układu na szybkie zmiany rezystancji
w obwodzie twornika.
Przełącznikiem S4 zwiera się rezystory R4 i R5 w czasie pozostałych badań
układu. Wtedy do wyjścia 4 TDA7274 silnik zostaje włączony bezpośrednio.
Przełącznikiem SW-1 zmienia się prędkość zadaną, zwierając lub rozwierając
rezystor R7. Rezystor ten jest dobrany doświadczalnie tak, aby jego włączenie
(przy prądzie twornika równym 100 mA) powodowało wzrost prędkości silnika
z 1000 do 2000 obr/min. Przełącznik SW-1 posiada dodatkową parę styków
pozwalającą dołączenie separowanego galwanicznie układu synchronicznego
wyzwalania oscyloskopu. Ułatwia to w znacznym stopniu rejestrację
4
przebiegów czasowych w stanach dynamicznych układu, wywołanych zmianami
prędkości zadanej.
+Uz
S2
S1
S3
S5
C1
4.7uF
270
R1
510
R2
GEN
S4
SW2
DIP7
1K2
R3
S6
2Ω 4
R4
24
R5
T1
BC313
2K2
R8
GEN
1K6
R6
U1
6
3
5
Vref control
Vs
GND OUT
8
B4_1
12K
R7
4 22K
SW1
PRM-33-1.5
C2
1uF
DC
B4_2
P1
GND
TDA7274
BLOK 1- TDA7274
Rys.1 Schemat ideowy stabilizatora prędkości obrotowej mikrosilnika prądu stałego
z układem TDA7274
3. Blok 2 – układ sterujący UL1901
Układ UL1901 jest bardzo popularnym w Polsce stabilizatorem prędkości
obrotowej mikrosilników prądu stałego. W zależności od konfiguracji układu
UL1901 możliwe jest wybranie odpowiedniego zakresu regulowanej siły
elektromotorycznej. Dzięki temu układ może współpracować z szeroką gamą
silników o różnej rezystancji wewnętrznej i sile elektromotorycznej, a także
pozwala dobrać potrzebny zakres prędkości obrotowej sterowanego silnika.
Potencjometr Potencjometr Obliczona
P1 podłączony P1 podłączony wartość
Zakres siły
między końc. między końc.
Rp
elektromotory
2 i 14
1 i 13
cznej
Rt / 2.7
0.5 ÷ 5.4 V
1÷3V
0.1 ÷ 10 V
1.8 ÷ 6 V
Rt / 61
Tab.1 Wartości regulowanej siły elektromotorycznej w zależności od konfiguracji układu
UL1901.
5
+Uz
S1
B4-3
SW3
P2
4K7
S2
S3
GND
B4-4
1Ω
R10
1K3
1Ω 86 3 Ω7
R11 R12
R9
GEN.
5 14
4
10
11
6
7 9
SW4
DIP7
S5
S4
C3
4n7
2Ω4
R13
8
U2
UL1901
S6
24Ω
2
R14
T2
BC313
2K3
R15
GEN.
PRM33-1.5
BLOK 2- UL1901
Rys.2 Schemat ideowy stabilizatora prędkości obrotowej mikrosilnika prądu stałego
z układem UL1901.
W omawianym układzie potencjometr regulacji prędkości obrotowej silnika
włączono między końcówki 2 i 14 układu scalonego, a wyprowadzenia 6, 7
zostały zwarte. Obliczona wartość rezystora pomiarowego wynosi:
R11 =
Rt 11.2
=
= 1.86Ω
6
6
Podobnie jak w bloku pierwszym z układem TDA7274 i tutaj możliwa
jest zmiana wartości rezystora pomiarowego poprzez odpowiednie ustawienie
przełącznika konfigurującego SW4.
Przełącznikiem SW4 można również wybrać wartość rezystancji
włączonej szeregowo z silnikiem. Rezystory te mają taką samą wartość jak
w bloku pierwszym i podobnie jak tam mogą być kluczowane tranzystorem T2.
Tranzystor ten zasilany jest z generatora napięcia prostokątnego
(wyprowadzenia GEN. na schemacie ideowym).
Załączenie przełącznikiem SW3 rezystora R9 powoduje wzrost prędkości
obrotowej silnika z 1000 do 2000 obr/min (przy prądzie twornika równym
100 mA). W stanie normalnej pracy układu rezystor R9 jest zwarty i nie ma
wpływu na obroty silnika.
6
4. Blok zasilacza
Zasilacz stanowiska laboratoryjnego składa się z dwóch separowanych
galwanicznie zasilaczy. Pierwszy z nich służy do zasilania układów sterujących,
drugi zasila blok 4- układ synchronicznego wyzwalania oscyloskopu.
Zasilacz główny zbudowany jest na klasycznym stabilizatorze napięcia µA723.
Układ ten umożliwia regulację stabilizowanego napięcia wyjściowego.
Rezystorami R16 i R17 ustala się zakres zmian napięcia wyjściowego zasilacza.
W tym przypadku wynosi on 2÷6 V.
Układ µA723 posiada w swojej strukturze ograniczenie prądowe, którego
wartość ustalana jest rezystorem R18. Prąd wyjściowy zasilacza ograniczony
jest na poziomie 500 mA. Dzięki temu układy sterujące TDA7274 i UL1901
zabezpieczone są przed przeciążeniem. Maksymalny prąd wyjściowy układu
TDA7274 wynosi 700 mA. Dla układu UL1901 maksymalny prąd wyjściowy
jest jeszcze większy i wynosi 1.8A
GEN.
GEN.
T4
BC313
GND
B4- 5
B4- 6
24Ω
R20
B1 +Uz
B2 +Uz
U3
UA723PC
220V
B1
100mA
D1-D8
2x 1PM4
SW7
SW6
DIP2
SW5
T3
BDP285
R18
11
12
7
SW8
6
VO
V-
ILIM
ISENSE
COMP
R16
1K5
1
TR1
TS 8/10
C6 1000uF
C7
+
C4 2200uF
V+
VREF
5
1Ω
10
2
3
13
-
P3
C5
2n2
4
2K3
4K7
U4
LM7805
Vin
R17
Vout
GND
2
100nF
3
+5V
CQAP441B
D9
C8 100nF
R19 20K
AGND
Blok 3- zasilacz
Rys. 3 Schemat ideowy zasilacza.
Zasilacz układu synchronicznego wyzwalania oscyloskopu wykonany jest
na bazie standardowego stabilizatora trój końcówkowego typu LM7805.
Zasilacz ten jest separowany galwanicznie od zasilacza głównego i pozostałej
części układu.
7
Na potrzeby ćwiczenia laboratoryjnego zasilacz został wyposażony
w układ kluczowanej rezystancji. Układ ten służy do symulowania zmian
napięcia zasilającego przy badaniu wpływu tych zmian na stabilizację prędkości
obrotowej silnika. W czasie pozostałych badań rezystor R20 i tranzystor T4 są
zwierane przełącznikiem SW6 typu DIP2.
Przełącznik SW7 służy do załączania i wyłączania napięcia zasilającego
podczas badania zachowania się układów sterujących w czasie rozruchu
i hamowania.
Przełącznikiem SW8 załącza się napięcie zasilające do wybranego układu
stabilizatora prędkości obrotowej silnika.
5. Układ synchronicznego wyzwalania oscyloskopu
Stanowisko laboratoryjne zostało wyposażone w układ synchronicznego
wyzwalania oscyloskopu w celu ułatwienia rejestracji przebiegów czasowych
w stanach dynamicznych. Układ ten jest separowany galwanicznie od pozostałej
części stanowiska, dzięki czemu nie ma groźby powstania zwarcia przez masę
oscyloskopu podczas niewłaściwego podłączenia sądy.
Przełączniki SW1, SW3 i SW7 wyposażone są w dwie pary styków. Jedne
z nich wykorzystano do wyzwalania przerzutnika monostabilnego UCY74121.
Zmiana stanu z niskiego na wysoki na wejściu B, powoduje wyzwolenie
przerzutnika. W obwodzie wejścia B zastosowany jest układ Shmitta, dzięki
czemu przerzutnik może być wyzwalany sygnałem wolnozmiennym.
Układ działa poprawnie jedynie w przypadku, gdy tylko jeden
z przełączników SW1, SW3 lub SW7 zwiera wejście B do masy. Przełączniki
w pozycji załączonej dają stan wysoki na wejściu B, a wyłączenie jednego
z nich zwiera to wejście do masy.
B1-1
B2-3
B3-5
B1-2
B2-4
B3-6
C7 2.2uF
20k
+5V
AGND
R22
2k3
R21
3
4
5
14 11
R
U5
SN74121
10
C
B
Q
A1
A2
Q
1
6
WY SYN.
AGND
Blok 4 -układ synchronicznego wyzwalania oscyloskopu
Rys.4 Schemat ideowy układu synchronicznego wyzwalania oscyloskopu.
8
Zmiana stanu na wejściu B powoduje wygenerowanie na wyjściu 6
pojedynczego impulsu o czasie trwania zależnym od wartości rezystora R22
i kondensatora C7. W tym przypadku czas ten wynosi:
t w = ln 2 ⋅ C 7 ⋅ R 21 = 30ms
Impuls generowany
wyzwalającego.
na
wyjściu
układu
jest
niezależny
od
RA
3
510Ω
1k2
Vs Control
8
4.7µF
5
6
24Ω
3
2Ω4
2
gen.
RS
on
RB
GND OUT
7
1
1µF
6 V
ref
5
power
4
1
270Ω
V
sygnału
∆n
4
V
off
A
1
on
off
GND
+Uz
1
regulacja
prędkości
+
24Ω
_
3Ω7
5
6
24Ω
3
2Ω4
∆n
2
1Ω86
Rp
1
1Ω
gen.
V
V
regulacja
prędkości
4k7
_
2
5
-Vref +Vref
6
7
4
10
11
Vcc
+
OUT
GND
4
14
4n7
1
V
8
9
gen.
A
7
on
regulacja
napięcia
zasilającego
off
2...6 V
Rys. 5 Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego.
9
6. Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko (rys.5) zostało wyposażone w gniazda radiowe do
podłączenia badanego silnika oraz przyrządów pomiarowych. Na płytę czołową
zostały wyprowadzone potencjometry regulacji prędkości obrotowej silnika oraz
regulacji napięcia zasilającego. W układzie przyjęto konwencję, że wszystkie
przełączniki załączane są do góry.
Czerwona dioda elektroluminescencyjna sygnalizuje włączenie zasilania
stanowiska laboratoryjnego.
Gniazdo synchronicznego wyzwalania oscyloskopu zostało umieszczone
z boku obudowy.
7. Program ćwiczeń laboratoryjnych
a) wykonać pomiary charakterystyk mechanicznych dla przy zasilaniu
silnika z obu sterowników dla różnych wartości rezystancji w obwodach
sterujących
b) zarejestrować przebiegi napięć i prądów silnika dla wybranych punktów
pomiarowych sterownika
c) zarejestrować przebiegi prądu twornika dla wybranych stanów
przejściowych
d) zbadać wpływ napięcia zasilania sterownika na pracę układu
6. Literatura
a) Sochocki R.: Mikromaszyny elektryczne. Warszawa 1996.
b) Jaszczuk W. (red), Mikrosilniki elektryczne. Badanie własności
statycznych i dynamicznych, PWN, Warszawa 1991.
c) Glinka T., Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi,
Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995.
10