3. Разработка аппаратной части
3.1 Анализ работы объекта управления
По заданию требуется разработать систему управления для электровоза на базе вентильного двигателя с постоянными магнитами.
Также нужно учитывать необходимую защиту от перегрева двигателя и силового преобразователя, от сквозного короткого замыкания в мостовом инверторе при силовом преобразователе и от возможных ошибок основных ключей.
Пуск ДПт происходит сразу же при включении зажигания ЛА и появления напряжения на входе платы управления. Работа происходит в автоматическом режиме. Из средств индикации и управления только основной индикатор на главной панели управления ЛА, включающийся на постоянное включение при любой ошибке, с одновременным отключением двигателя ЭУР от управляющей системы. Внешний вид ДПТ зависит от конструкционного исполнения, равно как и блок силового управления с размещенной в нем главной платой управления.
3.2 Построение структурной схемы для программы управления автоматизируемой системы
Собственно разработанная структурная схема для программы управления автоматизируемой системы приведена на рис.1.
Рис.1 Структурная схема
Обозначения для структурной схемы:
СУ – система управления.
СП – силовой преобразователь.
ИД –исполнительный двигатель.
Drivers – драйвера ключей мостового инвертора.
Б/С– система подачи электропитания злектровоза.
HL – блок индикации состояния системы.
Dtопр – датчик температуры силового преобразователя
DtоM – датчик температуры управляемого двигателя
Пунктирный контур показывает структурные блоки, электрически размещенные на главной плате управления. Пунктирные линии – механические связи. Сплошные линии – электрические связи.
3.3 Компоновка принципиальной электрической схемы
СУ
Главным звеном системы управления является микроконтроллер АТ89С52, который управляет мостовым инвертором через драйвера.
AT89C52 - быстродействующая CMOS 8-разрядная микроЭВМ с 2 Кб электрически стираемой флэшПЗУ (PEROM). Соединение универсального 8-разрядного процессора с флэш-памятью на одном кристалле, делает AT89C52 мощной микроЭВМ, которая обеспечивает гибкое и недорогое решение многих прикладных задач управления.
AT89C52 обеспечивает следующие стандартные возможности: 2 Кб флэш-памяти, 128 байтов ОЗУ, 36 линий ввода/вывода, три 16-разрядных таймера/делителя (один из них с захватом), пяти векторная, трехуровневая система прерываний, полно/дуплексный последовательный порт и тактовый генератор.
СП
Упрощенная схема силового преобразователя, представляющий собой мостовой инвертор представлена на рис.2
Рис.2 Силовой преобразователь – мостовой инвертор
Driver
Для управления мостовым инвертором используются четыре драйвера IR2125. Основное назначение драйверов – это согласование выходного сигнала контроллера с параметрами управления ключей. Драйвер управляются прямыми сигналами, т.е. высокий уровень на входе соответствует высокому уровню на выходе. Входы управления защищены от помех. Также драйвера имеют выходы обратной связи, при ошибке на которых появляется сигнал высокого уровня. Также в нашем проекте предусмотрена защита от сквозного короткого замыкания для пар ключей VT1-VT3 и VT2-VT4 плюс задержка на фронте управляющего сигнала для ключа сразу после закрытия другого парного.
ДПТ
Собственно управляемый двигатель, принцип работы которого схож с синхронным при учете замены ОВ на ПМ. Для получения вращающегося поля и момента на выходе определенной величины необходимо подавать в каждую из трех (в зависимости от ОУ, для КП рассматриваем управление одной независимой фазной обмоткой) синусоидальный ток соответствующей величины, формируемый напряжением одинаковой амплитуды при помощи ШИМ.
HL
Блок индикации состояния системы состоит из 3 светодиодов, один из которых индицирует нормальное состояние системы, а 2 других предупреждают о перегреве.
Dtопр, DtоM
Датчики температуры представляют собой терморезисторы с положительным ТКС, т. е. с увеличением температуры сопротивление терморезисторов, а, следовательно, и напряжение на них увеличиваются. Это напряжение подается на инвертирующий вход компаратора. При превышении его над опорным напряжением, подаваемым на неинвертирующий вход, компаратор срабатывает, и выходной сигнал меняется с низкого уровня на высокий. Этот сигнал, информирующий о превышении температуры, подается на ножку микроконтроллера. В соответствии с этим микроконтроллер исполняет команды по остановке двигателя. Таким образом, двигатель и силовой преобразователь не перегреваются выше допустимой температуры.
Конечный вариант разработанной электрической схемы представлен в приложении 1.