Система автоматического управления манипулятором робота-лунохода (стр. 4 из 6)

= = =

Ни один транзистор не обладает таким коэффициентом усиления по току. Поэтому используются составные транзисторы, которые позволяют увеличить

за счет того, что _{суммарная = 1} * ₂ * ₃. Электрическая схема такой группы представлена ниже:

Рисунок 12. Схема усиления на составных транзисторах

Входной ток является током базы транзистора Т1. Т.к. существует ток базы у 1го транзистора появляется ток коллектора 1го транзистора, который является достаточным током базы для 2го транзистора. Под действием тока базы I_б2 второй транзистор открывается и появляется I_k2, который является током базы для 3го транзистора. Через транзистор Т3 начинает протекать I_k3.

Коэффициент

у третьего транзистора невысок, порядка 10, т.к. это высокомощный транзистор. У Т2 этот коэффициент меньше – порядка 40. Т1 имеет самый большой коэффициент = 100. Таким образом общий коэффициент усиления данного каскада транзисторов составляет 40000, что является достаточным для нашего случая. Однако, данная схема обладает существенным недостатком – высоким падением напряжения, равным 2.1В

Для уменьшения потерей используется схема Шиклая:

Рисунок 13. Схема Шиклая

Входной ток, протекая через базу транзистора Т1 открывает его. Возникает ток коллектора I_к1, который является током базы для n-p-n транзистора Т3. В нем возникает ток коллектора, который протекает через базу второго транзистора. Под действием этого тока он открывается и в нем возникает ток коллектора I_k2. Общий коэффициент усиления

схемы также составляет 40000, но уже при меньшем падении напряжения (1В).

Режим реверса реализуется с введением второго транзистора (n-p-n), показанного на схеме ниже:

Рисунок 14. Схема с режимом реверса

Ток, протекая через базу транзистора Т2 открывает его и возникает I_k2.

Для исключения влияния температурного фактора на разрабатываемую схему вместо управления двигателем по напряжению будем использовать управление двигателем по току. Для этого в цепь включается прецизионный по температуре резистор очень небольшого сопротивления 0.01 Ом. В этом случае при изменении температуры сопротивление резистора изменится незначительно, что как раз и дает устойчивость системы к температурному фактору. Падение напряжения на резисторе составляет:

U_пал = 0.01Ом * 10А = 0.1В

Это очень малая величина, которая не сказывается на КПД двигателя.

Рисунок 15. Схема управления двигателем по току

Рассчитаем необходимый коэффициент усиления в цепи обратной связи:

Мощность, рассеиваемую на транзисторе, можно найти по формуле:

Построим график зависимости рассеиваемой мощности P_тр от напряжения нагрузки U_н:

Рисунок 16. График рассеиваемой мощности

Из графика видно, что максимум рассеиваемой мощности приходится на напряжение ½ E_пит на нагрузке. Следует учитывать, что для отвода 10 Вт рассеиваемой мощности необходимо пространство объемом 1 литр.

Так как двигатель обладает высокой постоянной времени, то он будет продолжать вращаться еще некоторое время после снятия питания. Это свойство используют в импульсных схемах, где напряжение на нагрузку подается не постоянно, а импульсами. Двигатель в этом случае работает в так называем квазилинейном режиме.

Существует множество видов модуляции. Наиболее известные это:

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

3. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

4. Импульсная модуляция (ИМ)

ШИМ:

Рисунок 17. Внешний вид широтно-импульсной модуляции

При ШИМ период следования импульсов Т постоянен, изменяется ширина импульса T_и.

ЧИМ:

Рисунок 18. Внешний вид частотно-импульсной модуляции

Ширина импульса постоянна, различна частота их следования.

Модуляция позволяет снизить энергозатраты, что приводит к увеличению КПД. Также т.к. через транзистор не всегда течет ток, на нем меньше рассеивается мощности.

Выбираем ШИМ как наиболее простой в реализации вид модуляции – реализуется при помощи генератора пилообразного напряжения и компоратора.

Преобразуем исходную схему линейного усилителя в импульсную:

Рисунок 19. Импульсная схема усилителя

В разрабатываемой системе нет отрицательного источника питания, поэтому модернизируем исходную схему, избавившись от отрицательного источника питания:

Рисунок 20. Импульсная схема усилителя с одним источником питания

В представленной схеме для того, чтобы двигатель вращался в одну сторону в точке А создается потенциал +12В, а в точке B 0В. Для вращения двигателя в другую сторону данные потенциалы меняются местами. Если же необходимо, чтобы двигатель не вращался в обоих точках задается потенциал равный +6В.

Вывод : Окончательная импульсная схема управления двигателем с использованием одного источника питания +12В и Н-моста:

Рисунок 21. Импульсная схема управления на КМОП-транзисторах

В схеме используются КМОП транзисторы как имеющие меньшее падение напряжения.

В разрабатываемой схеме будем использовать усилитель фирмы APEX Microtechnology SA60. Его основные характеристики:

· Рабочая частота – 500 кГц;

· Полномостовой выход 0,1-80 В;

· Выходной ток – 10 А;

· Занимаемая площадь – 1 кв. дюйм;

· Герметичный и удароустойчивый корпус.

4.3 Обоснование и выбор датчика угловой скорости:

Для осуществления обратной связи в цепи управления двигателем по скорости вращения вала двигателя необходим датчик угловой скорости.

К датчикам предъявляются следующие требования:

· Линейность

· Чувствительность (разрешающая способность)

· Стабильность характеристик во времени, температуре, давлении, влажности

· Устойчивость к химическим, физическим воздействиям и т.д.

· Технологичность

Все датчики можно разделить на контактные и бесконтактные. Контактные не подходят для разрабатываемой схемы, т.к. у них низкая надежность и срок службы. Гораздо эффективнее использовать бесконтактные датчики. Они бывают следующего исполнения:

1. Резистивные:

где

- плотность материала, l – длинна, а S – площадь поперечного сечения.

Положительными качествами таких датчиков являются простота, доступность и высокая чувствительность. Отрицательными – низкая надежность (трущиеся материалы), влияние механических воздействий («ступеньки») при переключении, низкая линейность, большой начальный момент трогания.

2. Емкостные:

где S – это площадь, d – расстояние между обкладками

Данная группа датчиков обладает отсутствием трения, «тяжения» и высокой надежностью. Однако, их недостатками является нелинейность, сложность обработки сигналов, низкая точность.

3. Индуктивные – измеряется магнитное поле, которое создается током, протекающим по проводнику.

Такие датчики ценят за простоту конструкции, высокую точность, линейность и надежность. Но у них есть ряд отрицательных качеств: сложность обработки сигнала, большие масса-габаритные показатели и наличие «тяжения».