ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
28260620102004
NÁVRH A REALIZÁCIA RIADENIA POHONU S BLDC
MOTOROM V 4Q REŽIME
2010
Bc. Zdeno Biel
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
NÁVRH A REALIZÁCIA RIADENIA POHONU S BLDC
MOTOROM V 4Q REŽIME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Študijný program:
2675836 Výkonové elektronické systémy
Študijný odbor:
5.2.9 Elektrotechnika
Školiace pracovisko: Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra mechatroniky a elektroniky
Školiteľ:
Ing. Vladimír Vavruš, PhD.
2010
Bc. Zdeno Biel
Abstrakt
Práca rieši návrh meniča pre pohon BLDC motora s možnosťou rekuperácie. V prvej
časti práce sú popísané vlastnosti pohonov s jednosmernými motormi, ich výhody a
nevýhody, a stručný prehľad používaných meničov pre ich riadenie. Ďalej je v práci
popísaný BLDC motor, jeho vlastnosti, rôzne typy BLDC motorov, princíp komutácie,
riadenie otáčok pomocou PWM.
Ďalšia časť práce sa zaoberá návrhom meniča pre riadenie daného BLDC motora.
Popisuje návrh výkonovej časti meniča, budiacich obvodov, obvodov pre snímanie napätí a
prúdov, napájacieho zdroja pre tieto obvody.
V poslednej časti práce je popísaný návrh DC/DC meniča pre riadenie toku energie
medzi pohonom a napájacím akumulátorom. Rieši sa tu návrh výkonovej časti tohto
meniča a návrh štruktúry regulačného obvodu. Pre daný menič je zostavený simulačný
model, pomocou ktorého je overená funkčnosť zvolenej riadiacej štruktúry pre rôzne
prevádzkové stavy pohonu.
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Bc. Zdeno Biel
Akademický rok: 2009/2010
Názov práce: Návrh a realizácia riadenia pohonu s BLDC motorom v 4Q režime
Počet strán: 41.
Počet obrázkov: 40
Počet tabuliek: 2
Počet grafov: 0
Počet príloh: 7
Počet použ. lit.: 10
Anotácia v slovenskom jazyku:
Táto práca sa zaoberá návrhom meniča pre riadenie BLDC motora s možnosťou
rekuperačného brzdenia. V práci je tiež popísaný návrh obojsmerného DC/DC meniča pre
riadenie toku energie medzi motorom a akumulátorom.
Anotácia v anglickom jazyku:
This work deals with design of converter for BLDC motor with the possibility of
regenerative braking. Work also describe design of bidirectional DC/DC converter to
control the flow of energy between motor and battery.
Kľúčové slová:
BLDC motor, DC/DC menič, rekuperačné brzdenie, 3-fázový striedač
Vedúci diplomovej práce: Ing. Vladimír Vavruš, PhD.
Recenzent: __________________________
Dátum odovzdania práce: 7. máj 2010
Obsah
1
Úvod ............................................................................................................................... 1
2
Vlastnosti pohonov s jednosmernými motormi .............................................................. 2
3
Štruktúry meničov pre jednosmerné pohony ................................................................. 3
4
5
6
7
3.1
Meniče so sieťovou komutáciou: ............................................................................ 3
3.2
Meniče s nútenou komutáciou ................................................................................ 4
3.3
Meniče pre štvorkvadrantové aplikácie .................................................................. 5
BLDC motor ................................................................................................................... 7
4.1
Konštrukcia BLDC motora ..................................................................................... 8
4.2
Komutácia BLDC motora ..................................................................................... 10
4.3
Princíp komutácie s použitím Hallových snímačov .............................................. 11
4.4
Riadenie otáčok BLDC motora pomocou PWM .................................................. 15
Návrh meniča pre pohon BLDC motora ...................................................................... 17
5.1
Požadované vlastnosti meniča............................................................................... 17
5.2
Výkonová časť meniča .......................................................................................... 18
5.3
Budiaci obvod ....................................................................................................... 19
5.4
Obvody snímania prúdu a napätia ......................................................................... 25
5.5
Ochranné funkcie budiča....................................................................................... 26
5.6
Obvod napájacieho zdroja ..................................................................................... 28
5.7
Riadiaci obvod ...................................................................................................... 29
Návrh obojsmerného DC/DC meniča ........................................................................... 30
6.1
Výkonová časť meniča .......................................................................................... 31
6.2
Návrh cievky meniča............................................................................................. 32
6.3
Návrh riadenia obojsmerného DC/DC meniča ..................................................... 35
6.4
Návrh schémy zapojenia obojsmerného DC/DC meniča ...................................... 39
Záver ............................................................................................................................. 41
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 3.1: Typy usmerňovačov a priebehy výstupných napätí ............................................... 4
Obr. 3.2: Jednosmerný impulzový menič pre pohon JSM .................................................... 5
Obr. 3.3: Mechanické charakteristiky jednosmerného motora s cudzím budením ............... 5
Obr. 3.4: Štvorkvadrantový pohon s riadenými usmerňovačmi ............................................ 6
Obr. 3.5: Intervaly činnosti štvorkvadrantového meniča ....................................................... 6
Obr. 4.1: Valcový typ BLDC motora .................................................................................... 8
Obr.4.2: Diskový motor s vnútorným rotorom ...................................................................... 9
Obr. 4.3: Diskový motor s vonkajším rotorom ...................................................................... 9
Obr. 4.4: Možnosti usporiadania permanentných magnetov na rotore ................................ 10
Obr. 4.5:Bloková schéma riadenia BLDC motora ............................................................... 12
Obr. 4.6: Rozloženie vektorov magnetického poľa statora ................................................. 12
Obr. 4.7: Princíp komutácie BLDC motora ......................................................................... 13
Obr. 4.8: Priebehy napätí, prúdov a signálov z Hallovych snímačov BLDC motora .......... 14
Obr. 4.9: Smery prúdov pri unipolárnej PWM .................................................................... 15
Obr. 4.10: Priebehy PWM signálov a fázových prúdov ...................................................... 15
Obr. 4.11: Smery prúdov pri bipolárnej PWM .................................................................... 17
Obr. 4.12: Priebehy PWM signálov a fázových prúdov ...................................................... 17
Obr. 4.13: Priebehy PWM signálov pri nezávislom spínaní................................................ 17
Obr. 4.14: Priebehy PWM signálov pri komplementárnom spínaní.................................... 17
Obr. 5.1: Schéma zapojenia výkonovej časti meniča .......................................................... 19
Obr. 5.2: Principiálna schéma aplikácie budiaceho obvodu ................................................ 21
Obr. 5.3: Princíp činnosti budiča horných tranzistorov ....................................................... 22
Obr. 5.4: Schéma zapojenia budiaceho obvodu ................................................................... 23
Obr. 5.5: Priebehy napätí a prúdov tranzistora pri vypínaní ................................................ 24
Obr. 5.6: Priebehy napätí a prúdov tranzistora pri zapínaní ................................................ 24
Obr. 5.7: Schéma zapojenia obvodu merania prúdu ............................................................ 25
Obr. 5.8: Schéma zapojenia nadprúdovej ochrany .............................................................. 27
Obr. 5.9: Priebehy signálov pri detekcí desaturácie ............................................................ 27
Obr. 5.10: Priebehy veličín fázového komparátora ............................................................. 28
Obr. 5.11: Schéma zapojenia obvodu napájacieho zdroja ................................................... 28
Obr. 5.12: Bloková schéma regulácie BLDC motora .......................................................... 30
Obr. 6.1: Obojsmerný DC/DC menič v znižovacom režime ............................................... 31
Obr. 6.2: Obojsmerný DC/DC menič vo zvyšovacom režime ............................................ 32
Obr. 6.3: Bloková schéma riadenia obojsmerného DC/DC meniča .................................... 36
Obr. 6.4:Priebehy veličín DC/DC meniča ........................................................................... 37
Obr. 6.5: Príklad zmeny zaťažovacieho momentu pri zmene sklonu terénu ....................... 38
Obr. 6.6: Priebehy veličín pri nabíjaní akumulátora na maximálne napätie........................ 38
Obr. 6.7: Schéma zapojenia výkonovej časti obojsmerného DC/DC meniča ..................... 39
Obr. 6.8: Obvod snímania prúdov ....................................................................................... 39
Obr. 6.9: Schéma zapojenia budiacich obvodov DC/DC meniča ........................................ 40
Tab. 4.1: Kombinácie signálov pre rotáciu v smere hodinových ručičiek .......................... 14
Tab. 4.2: Kombinácie signálov pre rotáciu v protismere hodinových ručičiek ................... 14
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
BLDCM
Brushless Direct Current
motor
Bezkomutátorový
jednosmerný motor
PWM
Pulse width modulation
Šírkovo impulzová modulácia
Jednosmerný motor s cudzím
budením
JSMCB
EC
Electronically commutated
Elektronicky komutovaný
DC
Direct current
Jednosmerný prúd
MOSFET
Metal oxide semiconductor
field effect transistor
Tranzistor riadený poľom
IGBT
Insulated gate bipolar transistor
Bipolárny tranzistor s
izolovaným hradlom
OZ
Operačný zosilňovač
SMD
Surface mount devices
Súčiastky pre povrchovú
montáž
A/D
Analog to digital
Analógovo číslicový
DSC
Digital sgnal controller
Digitálny signálový kontrolér
Zoznam symbolov
Symbol
Jednotka
Význam symbolu
Me
[Nm]
Elektromagnetický moment
ω
[rad s-1]
Uhlová rýchlosť
ΨS
[Wb]
Spriahnutý magnetický tok statora
Qg
[C]
Náboj hradla
Uf
[V]
Napätie na dióde v priepustnom smere
RDSon
[Ω]
Odpor kanála MOSFET tranzistora v zopnutom
stave
ID
[A]
Prúd MOSFET tranzistora
A
[-]
Zosilnenie operačného zosilňovača
UDCB
[V]
Napätie jednosmerného medziobvodu
δ
[-]
Činiteľ plnenia
UO
[V]
Výstupné napätie meniča
U1
[V]
Vstupné napätie meniča
f
[Hz]
Spínacia frekvencia
∆I
[A]
Zvlnenie napätia
IO
[A]
Výstupný prúd
T
[s]
Perióda
L
[H]
Indukčnosť
Ief
[A]
Efektívna hodnota prúdu
SCu
[m2]
Prierez drôtu
2
σ
[A/m ]
Prúdová hustota
BS
[T]
Indukcia nasýtenia
N
[-]
Počet závitov
Se
[m2]
Efektívny prierez jadra
av
[-]
Činiteľ vinutia
SV
[m2]
3
Plocha okna pre vinutie
Ve
[m ]
Efektívny objem jadra
Le
[m]
Efektívna dĺžka siločiary
µ0
[H m-1]
Permeabilita vákua
µe
[H m-1]
Efektívna permeabilita
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
1 Úvod
Bezkomutátorové jednosmerné motory (BLDC motory) v mnohých aplikáciách
nahrádzajú klasické jednosmerné motory. Hlavným dôvodom je to, že pri zachovaní
výhodných vlastností klasických jednosmerných motorov odstraňujú ich nedostatky.
BLDC motory pre svoje výhodné vlastnosti bývajú často používané aj pre pohon
rôznych dopravných prostriedkov napr. elektromobily, bicykle, motocykle atď. Takéto
dopravné prostriedky sa stávajú dnes veľmi populárne. Dôvodom je jednoduchá prevádzka
a údržba, nízke prevádzkové náklady, a nezaťažujú životné prostredie emisiami.
Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom meniča s možnosťou rekuperácie pre pohon
kolobežky využívajúci práve BLDC motor. Tento motor je umiestnený priamo v kolese,
čím dochádza k úspore miesta, zníženiu mechanických strát a hmotnosti. V práci je tiež
riešený návrh DC/DC meniča pre riadenie nabíjacieho prúdu pri rekuperácií.
1
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
2 Vlastnosti pohonov s jednosmernými motormi
Pohony s jednosmernými motormi dosahujú veľmi dobé regulačné vlastnosti, ktoré
vyplývajú z princípu činnosti jednosmerných strojov. Jednosmerný motor svojou
konštrukciou zabezpečuje optimálny uhol medzi vektormi magnetického poľa statora a
rotora, a tým maximálny moment v širokom rozsahu otáčok a dobré vlastnosti v
dynamických režimoch. V jednosmerných pohonoch bývajú najčastejšie používané
jednosmerné motory s cudzím budením. U pohonov menších výkonov to môžu byť tiež
motory s permanentnými magnetmi. Otáčky takéhoto motora sú priamo úmerné napätiu
kotvy a moment je priamo úmerný prúdu kotvy. Z toho vyplýva možnosť jednoduchého
riadenia otáčok (resp. momentu) v širokom rozsahu a jednoduchá reverzácia . U
cudzobudených motorov je tiež možné ďalšie zvyšovanie otáčok odbudzovaním. Ďalšou
výhodou je relatívne jednoduchý matematický opis jednosmerného motora.
Hlavné nevýhody jednosmerného motora vyplývajú z použitia komutátora, ktorý
podlieha mechanickému opotrebeniu, a tým znižuje spoľahlivosť a zvyšuje náklady na
údržbu stroja. Zmena prúdu pri komutácií spôsobuje iskrenie na komutátore, čím tiež
dochádza k opotrebovávaniu lamiel komutátora a kief, a taktiež ku vzniku
elektromagnetického rušenia. So zvyšovaním otáčok sa dĺžka oblúka zvyšuje. Preto musia
byť maximálne otáčky obmedzené. V niektorých aplikáciách môže tiež nastať problém s
odvodom tepla, keďže hlavná časť Jouleových strát vzniká v rotore JS motora.
Jednosmerné pohony sú vyrábané s výkonmi od jednotiek W až do desiatok MW. V
priemysle sú nasadzované v oblastiach, kde sa vyžaduje presná regulácia rýchlosti, polohy
alebo momentu, ako sú.:
•
pohony papierenských alebo tlačiarenských strojov
•
pohony dopravných zariadení - pojazd a zdvih žeriavov, lanovky, ťažné stroje,
rýchlovýťahy
•
oceliarsky priemysel: pohony valcovacích stolíc, navíjačiek a odvíjačiek,
dopravníkov, nožníc, profilovacích strojov apod.
•
vrtné súpravy
•
hlavné pohony rotačných pecí v cementárňach
•
gumárenský priemysel: miešačky gumy, kalandre
•
pohony obrábacích strojov
•
elektrická trakcia: pohony lokomotív, električiek, trolejbusov, elektromobilov
•
dynamometre pre testovanie spaľovacích motorov, turbín, prevodoviek a pod.
2
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
(Zboray, 2000)
3
Štruktúry meničov pre jednosmerné pohony
Z hľadiska usporiadania výkonovej časti možno meniče rozdeliť na dve hlavné skupiny:
•
meniče so sieťovou komutáciou - usmerňovače
•
meniče s vlastnou komutáciou - impulzové
(Zboray, 2000)
3.1
Meniče so sieťovou komutáciou:
Pohony s týmito meničmi sú používané najmä v priemyselných aplikáciách. Využívajú
hlavne mostové zapojenia usmerňovačov, ktoré môžu byť:
•
neriadené - sú to diódové usmerňovače, ktoré neumožňujú riadenie výstupného
jednosmerného napätia. Používajú sa väčšinou len pre napájanie budiaceho vinutia
v aplikáciách, kde nie je potrebná zmena budiaceho prúdu. (Obr. 3.1.a)
•
poloriadené - využívajú kombináciu diód a tyristorov, a umožňujú zmenu
výstupného napätia a tým aj zmenu otáčok motora. (Obr. 3.1.b)
•
riadené - sú zložené z tyristorov, umožňujú dosiahnuť na výstupe aj záporné
napätie. Tento typ meniča môže pracovať aj v tzv. striedačovom režime, kedy
motor pracuje ako dynamo a energia je dodávaná do napájacej siete. Umožňuje
riadenie motora v I. a II. kvadrante mechanickej charakteristiky n=f(M). (Obr.
3.1.c,d)
Z hľadiska počtu fáz napájacieho striedavého napätia sa delia na:
•
jednofázové - pre napájania pohonov nižších výkonov (do cca 50A ), alebo
napájanie budenia. Vyznačujú sa horšou dynamikou a vyšším zvlnením prúdu. V
najnepriaznivejšom prípade môže oneskorenie odozvy na výstupe dosiahnuť až
10ms. (Obr. 3.1.a,b,c)
•
trojfázové - používajú sa aj pre pohony najväčších výkonov. Dosahujú menšie
zvlnenie prúdu a lepšiu dynamiku ako dvojfázové. (Obr. 3.1.d)
•
viacfázové - sú to hlavne 12 - impulzové usmerňovače. Sú realizované pomocou
dvoch trojfázových mostových usmerňovačov napájaných z dvoch trojfázových
sústav
navzájom posunutých o 30°. Toto posunutie sa dosiahne rôznym
zapojením dvoch 3-fázových transformátorov (Y/y, D/y).
3
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Ud
˜
Ud
˜
Ud
Ud
Ud
˜
Ud
t
t
t
a.)
b.)
c.)
Ud
3
Ud
˜
t
d.)
Obr. 3.1: Typy usmerňovačov a priebehy výstupných napätí
3.2
Meniče s nútenou komutáciou
Sú to jednosmerné impulzové meniče, ktoré slúžia k riadeniu veľkosti jednosmerného
napätia. Stredná hodnota výstupného jednosmerného napätia sa mení zmenou pomeru doby
zopnutia a doby vypnutia výkonových polovodičových prvkov meniča.
Používajú sa v prípadoch jednosmerných pohonov napájaných zo zdroja js napätia
(jednosmerná trakcia, pohony napájané z akumulátorov atd.). Takéto meniče sa nazývajú
priame jednosmerné meniče.
Jednosmerné impulzové meniče tiež nahrádzajú riadené usmerňovače v aplikáciách,
kedy je potrebná vyššia dynamika pohonu. V takomto prípade sú napájané z js
medziobvodu (nepriame jednosmerné meniče). Schéma zapojenia takéhoto meniča je na
Obr. 3.2. Vstupné striedavé napätie je najskôr usmernené a z neho je ďalej napájaný js
menič. Takéto zapojenie má oveľa lepšie dynamické vlastnosti ako riadený usmerňovač.
Táto vlastnosť vyplýva z toho, že výkonové tranzistory meniča sú riadené šírkovoimpulzovou moduláciou (PWM) s frekvenciou oveľa vyššou ako je frekvencia sieťového
napätia (až do 100 kHz).
4
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
uM
iM
3
˜
M
t
Obr. 3.2: Jednosmerný impulzový menič pre pohon JSM
3.3
Meniče pre štvorkvadrantové aplikácie
Štvorkvadrantové (4Q) riadenie umožňuje prevádzkovanie js motora vo všetkých
štyroch kvadrantoch mechanickej charakteristiky ω=f(M) (Obr. 3.3). Umožňuje riadenie
motora pre oba smery otáčania v motorickom aj generátorickom režime. Meniče pre
štvorkvadrantové riadenie (4Q meniče) musia byť schopné pracovať s oboma polaritami
výstupného napätia aj prúdu.
Me
ω0
ω
II.
Motor
ω
ω
I.
Generátor
Me
Me
ω
Motor
Generátor
Me
IV.
III.
Me
-ω0
ω
Obr. 3.3: Mechanické charakteristiky jednosmerného motora s cudzím budením
Zo skupiny meničov so sieťovou komutáciou je schopný pracovať v 4Q režime tzv.
reverzačný usmerňovač. Je zložený z dvoch riadených usmerňovačov zapojených na
jednosmernej strane antiparalelne. Potom môže prúd motora pretekať oboma smermi.
Kladný prúd dodáva usmerňovač A a záporný usmerňovač B. Oba meniče môžu pracovať
aj v striedačovom režime, čím umožňujú rekuperačné brzdenie pohonu. Schéma zapojenia
takéhoto meniča je na Obr. 3.4.
5
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
B
A
UA
˜
M
UB
˜
Obr. 3.4: Štvorkvadrantový pohon s riadenými usmerňovačmi
V aplikáciách náročnejších na dynamiku pohonu, ako sú polohové servomechanizmy,
sa používajú štvorkvadrantové js impulzové meniče. Výkonovú časť takéhoto meniča tvorí
mostové zapojenie štyroch výkonových tranzistorov doplnených antiparalelne zapojenou
diódou. Tranzistory sú spínané šírkovo impulzovou moduláciou, ktorá môže byť bipolárna
alebo unipolárna. Činnosť meniča v jednotlivých kvadrantoch je znázornená na Obr. 3.5.
Smer prúdu v aktívnej časti periódy je znázornený plnou čiarou a v pasívnej časti
čiarkovanou čiarou.
T1
D3
D1
Ud
T3
T1
Ud
M
D4
M
D4
D2
I. Kvadrant
Motorový režim
T1
Ud
T2
T4
III. Kvadrant
Motorový režim
T3
T1
D2
T3
D3
D1
Ud
M
D4
D2
II. Kvadrant
Generátorový režim
D3
D1
T2
T4
T2
T4
T3
D3
D1
M
T2
T4
D4
D2
IV. Kvadrant
Generátorový režim
Obr. 3.5: Intervaly činnosti štvorkvadrantového meniča
Vývoj v oblasti výkonových polovodičových meničov a v oblasti mikroelektroniky
priniesol možnosť aplikácie moderných spôsobov riadenia (vektorové riadenie, priame
momentové riadenie) striedavých motorov, a tým dosiahnuť vlastnosti jednosmerných
pohonov. Navyše striedavé motory (asynchrónny motor, synchrónny motor) nepotrebujú
ku svojej činnosti komutátor a preto netrpia nedostatkami s mím spojenými. Z toho dôvodu
6
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
sú jednosmerné pohony v mnohých prípadoch nahradzované striedavými s príslušným
riadením.
4 BLDC motor
Jednou z možností náhrady klasického jednosmerného motora je použitie BLDC
motora. Názov motora je skratkou z anglického Brushless Direct Current motor
(bezkomutátorový jednosmerný motor). Často sa tiež používa názov EC motor
(Electronically Commutated Motor - Elektronicky komutovaný motor). Ako už z názvu
vyplýva jedná sa o jednosmerný motor, v ktorom je mechanický komutátor nahradený
elektronickým obvodom. Prepínanie prúdu do jednotlivých sekcií vinutia sa deje
prostredníctvom elektronického obvodu (výkonového polovodičového meniča) doplneného
o príslušný riadiaci obvod.
Hlavné výhody BLDC motora vyplývajú práve z absencie mechanického komutátora.
Vďaka čomu dosahuje:
•
dlhšiu životnosť
•
vyššiu spoľahlivosť
•
vyššie otáčky (rádovo desiatky tisíc ot/min)
•
nižšiu hlučnosť
Oblasti použitia BLDC motora sú najmä:
•
letectvo a kozmonautika, tj. letecké prístroje, kamery, antény radarov, pohony
kozmických sond,
•
automobilová technika, napr. zlepšenie jazdného komfortu, prestavovanie polohy
sedačiek, reflektorov , spätných zrkadiel, systémy aktívnej a pasívnej bezpečnosti
v dopravných prostriedkoch,
•
lekárska technika, tj. krvné čerpadlá, dentálne zariadenia, elektrokardiografy,
elektroencefalografy, mamografy, ortopedické zariadenia, dávkovače liekov,
•
prístrojová technika, napr. vážiace zariadenia, splietanie vláken vláknovej optiky,
geotechnické merania, laserové nivelačné prístroje, polohovanie solárnych
kolektorov,
•
priemyslová automatizácia a robotika, hlavne manipulátory a koncové efektory
robotov, stroje na osadzovanie plošných spojov, výroba CD-ROM, laserové
značkovače, výmenníky nástrojov, stroje pre laserové rezanie a zváranie atd.
(Singule, 2009)
7
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
4.1
Konštrukcia BLDC motora
BLDC motor má na rozdiel od klasického DC motora vinutie na statore. Jeho
konštrukčné usporiadanie je podobné synchrónnemu motoru s permanentnými magnetmi.
Statické a dynamické vlastnosti BLDC motora sú však podobné jednosmernému motoru.
Stator motora je zložený z plechov. Tieto plechy bývajú zo špeciálnych zliatin kvôli
zníženiu strát v železe pri vysokých otáčkach motora. Na statore je uložené najčastejšie
trojfázové vinutie, ktoré môže byť zapojené do hviezdy alebo do trojuholníka. Častejšie
býva používané zapojenie do hviezdy, ktoré umožňuje použiť vodiče s menším prierezom.
Vinutie motora môže byť rovnomerne rozložené po obvode statora. Potom sa jedná
o BLDC motor s homogénnym vinutím (Obr. 4.1).
Obr. 4.1: Valcový typ BLDC motora
Konštrukčné usporiadanie tohto typu motora je veľmi podobné synchrónnemu motoru s
permanentnými magnetmi. Podstatnou vlastnosťou tohto typu BLDC motora je, že motor
nemá reluktančný moment. Preto sa vyznačuje plynulým chodom a nezvlneným
momentom.
Vinutie motora môže byť tiež vyhotovené ako sústredné cievky navinuté na póloch
statora. V takomto prípade sa jedná o motor s vinutím na póloch statora. Sú určené pre
aplikácie, kde je požadovaný veľký moment v celom rozsahu otáčok. Maximálne otáčky sú
však menšie, než u motorov s homogénnym vinutím. Tieto motory sa obvykle konštruujú
v plochom prevedení s vnútorným statorom a vonkajším rotorom. Vonkajší rotor týchto
motorov je tvorený magnetickým prstencom, zloženým z permanentných magnetov
na báze vzácnych zemín (obvykle FeNdB). Jedná sa o mnohopólový magnet. Tieto motory
je možné konštruovať s podstatne menšou vzduchovou medzerou, než majú motory
s rozloženým vinutím. Pretože navyše elektromagnetická sila vzniká na najväčšom
možnom priemere, vyznačujú sa tieto motory typicky väčším momentom, než motory
8
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
s rozloženým vinutím. Na vnútornom statore je na póloch (zuboch) umiestnené trojfázové
vinutie s daným počtom zubov na fázu. Konštrukčné usporiadanie EC motorov s vinutím
na póloch statora prináša oproti motorom s homogénnym vinutím lepšie využitie medi
vinutia v dôsledku redukcie dĺžky vodičov funkčne neužitočných čiel vinutí. Dôsledkom je
až o 20 % vyšší moment pri rovnakom objeme stroja v porovnaní s motorom
s homogénnym vinutím. Preto dosahujú tieto motory veľkých hodnôt mernej hmotnosti
[W/kg] a merných rozmerov [W/m3] pri dobrých dynamických vlastnostiach. Výhodou je
tiež nižšia cena motora oproti motoru s homogénnym vinutím zrovnateľného výkonu. Pri
návrhu pohonu je však treba počítať s existenciou reluktančného momentu, ktorý je
dôsledkom premenlivej magnetickej vodivosti magnetického obvodu stroja. Použitím
vhodných magnetických materiálov a rôznymi konštrukčnými opatreniami je však možné
tento moment znížiť na minimum. (Singule, 2009)
Konštrukčné usporiadania diskového BLDC motora s vinutím na póloch a vnútorným
rotorom je na Obr.4.2 a s vonkajším rotorom na Obr. 4.3.
Obr.4.2: Diskový motor s
vnútorným rotorom
Obr. 4.3: Diskový motor s
vonkajším rotorom
Rotor BLDC motora sa skladá z permanentných magnetov, ktoré môžu tvoriť dve až
osem pólových dvojíc. Jednotlivé póly magnetov sú rozložené striedavo po obvode rotora.
Permanentné magnety sú vyrábané z materiálov : Neodym (Nd), Samarium Cobalt
(SmCo), alebo zo zliatiny Neodym, Železo, Bór (NdFeB). Magnety môžu byť uložené na
povrchu alebo vo vnútri rotora Obr. 4.4.
9
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Obr. 4.4: Možnosti usporiadania permanentných magnetov na rotore
4.2
Komutácia BLDC motora
Komutácia v BLDC motore znamená pripájanie napätia danej polarity ,v závislosti od
polohy rotora, na jednotlivé fázové vinutia motora. V prípade BLDC motora sú v
jednotlivých komutačných intervaloch napájané vždy len dve fázy statorového vinutia,
ktoré sa v danom intervale podieľajú na tvorbe požadovaného vektora statorového
magnetického toku. Aby bol moment generovaný motorom čo najefektívnejší, musí byť pri
komutácií dodržaná podmienka kolmosti vektora magnetického poľa rotora a statora. Aby
mohla byť táto podmienka splnená je potrebné poznať aktuálnu polohu vektora
magnetického poľa rotora.
Pre určenie polohy rotora býva najčastejšie používaná trojica snímačov pracujúcich na
princípe Hallovho javu. Tieto snímače bývajú zabudované priamo v motore aj s príslušným
elektronickým obvodom. Tento obvod upravuje signály zo sond tak, že na výstupe
dostávame trojicu logických signálov, ktoré udávajú polohu rotora. Jednu elektrickú otáčku
rotora tak môžeme rozdeliť na 6 sektorov, ktorým prislúcha 6 kombinácií výstupných
signálov zo snímačov. Podľa toho, ktorá kombinácia signálov je snímačmi generovaná,
vieme určiť natočenie vektora magnetického poľa rotora.
V niektorých špeciálnych prípadoch môže byť pre určenie polohy vektora magnetického
poľa rotora použitý inkrementálny snímač (IRC). Tento snímač produkuje na výstupe
dvojicu pravouhlých signálov so stovkami až tisíckami impulzov za jednu otáčku rotora.
Tieto signály sa v riadiacom obvode dekódujú, a tak získame informáciu o polohe vektora
magnetického poľa rotora. Tento spôsob snímania má oveľa väčšiu rozlišovaciu schopnosť
ako snímač s Hallovými senzormi, ktorý dáva informáciu o zmene polohy rotora u
dvojpólového stroja 6 krát za otáčku. Použitie inkrementálneho snímača pri riadení BLDC
motora umožňuje spínať výkonové prvky meniča tak aby bol motor napájaný
10
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
kvázisínusovým prúdom. Takéto riadenie sa vyznačuje oveľa menším zvlnením momentu
motora.
V súčasnosti je tiež často používané tzv. bezsnímačové riadenie BLDC motorov. Poloha
vektora magnetického poľa rotora je v tomto prípade získavaná z priebehu indukovaného
napätia. Indukované napätie sa sníma v tej fáze, ktorou v danom komutačnom intervale
neprechádza prúd (nieje pripojená k zdroju napätia). Pre určenie polohy vektora
magnetického poľa rotora stačí snímať prechod indukovaného napätia jednotlivých fáz
nulou. Riadiaci mikroprocesor na základe tejto informácie určí, jednotlivé intervaly
komutácie.
4.3
Princíp komutácie s použitím Hallových snímačov
Komutácia BLDC motora sa uskutočňuje prostredníctvom trojfázového striedača v
mostovom zapojení. Spínaním jednotlivých polovodičových prvkov striedača, je možné
dosiahnuť 6 rôznych vektorov statorového magnetického poľa. Rozloženie týchto vektorov
pre dvojpólový stroj je znázornené na Obr. 4.6. Tieto vektory rozdeľujú rovinu na 6
sektorov. Pre každý sektor je definovaná iná kombinácia stavov signálov ABC Hallových
snímačov.
Signály pre spínanie jednotlivých prvkov meniča sú generované riadiacim obvodom na
základe informácie o polohe vektora rotorového magnetického toku z Hallových snímačov.
Bloková schéma riadenia BLDC motora je na Obr. 4.5. Signály z Hallových snímačov sú
privedené do riadiaceho obvodu, ktorý ich vyhodnotí a na základe toho vygeneruje riadiace
signály pre polovodičové prvky meniča. Tieto signály sú upravené v budiacom obvode tak,
aby boli schopné budiť tranzistory T1 - T6 meniča. Vždy je zopnutá jedna zo šiestich
kombinácií, tak aby bola dodržaná podmienka kolmosti magnetického poľa rotora a
statora. Vstup meniča je napájaný jednosmerným napätím. Na výstup meniča sú pripojené
jednotlivé fázy statorového vinutia motora.
11
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
+UDC
T3
T1
T5
A
C
B
T2
T4
T6
-UDC
PWM1
PWM2
PWM3
PWM4
BUDIACI OBVOD
PWM5
J
S
S
J
Hallove snímače
PWM6
RIADIACI
OBVOD
Obr. 4.5:Bloková schéma riadenia BLDC motora
Obr. 4.6: Rozloženie vektorov magnetického
poľa statora
Na Obr. 4.7 je zobrazený princíp komutácie pre dvojpólový stroj. Aktuálnej pozícií
rotora na Obr. 4.7.a zodpovedá kombinácia signálov z Hallových snímačov ABC [110].
Fáza A je pripojená na kladný pól jednosmerného napájacieho napätia +UDC cez zopnutý
tranzistor T1 striedača. Fáza C je pripojená na záporný pól -UDC cez zopnutý tranzistor T6.
Fáza B zostáva nepripojená . Prúd IM prechádza z napájacieho zdroja cez T1 a fázu A do
fázy C a cez zopnutý T6 späť do zdroja. V tomto intervale je generovaný vektor
statorového magnetického toku ΨS1 v smere zobrazenom na Obr. 4.7.a . Pôsobením tohto
12
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
poľa sa rotor otáča v protismere hodinových ručičiek a uhol medzi vektorom statorového a
rotorového toku sa zmenšuje. Keď tento uhol dosiahne hodnotu 60° zmení sa hodnota
signálov z Hallových snímačov z ABC [110] na ABC [100]. Riadiaci obvod zachytí túto
zmenu a vygeneruje novú kombináciu riadiacich signálov pre striedač. Tranzistor T6 sa
vypne a zopne sa T4. Nastane komutácia medzi fázou C a B. Fáza A zostáva pripojená na
+ UDC a na - UDC sa pripojí fáza B cez zopnutý tranzistor T4. Fáza C zostáva teraz
nepripojená. Prúd IM tečie zo zdroja cez T1, Fázu A a B, a cez zopnutý T4 späť do zdroja.
Tomuto intervalu zodpovedá vektor statorového toku ΨS2 v smere zobrazenom na Obr.
4.7.b. Uhol medzi vektormi statorového a rotorového magnetického toku sa zväčší na
hodnotu 120° a rotor sa naďalej otáča v protismere hodinových ručičiek.
Ďalší komutačný interval nastane, keď sa uhol medzi vektormi magnetických tokov
statora a rotora opäť zmenší na hodnotu 60° a zmení sa stav signálov z Hallových
snímačov z hodnoty ABC [100] na hodnotu ABC [101]. Podobne sa komutácia opakuje
každých 60°.
Tu je možné vidieť, že týmto spôsobom riadenia (six-step control technique) nieje
možné udržať uhol medzi statorovým a rotorovým magnetickým tokom presne 90°, ale
tento uhol sa mení od 60° do 120° elektrických. Toto má za následok zvlnenie momentu
motora.
Hodnoty signálov z Hallových snímačov pre jednotlivé komutačné intervaly a im
zodpovedajúce kombinácie napätí pripájaných na jednotlivé fázy statorového vinutia sú
popísané v Tab. 4.1 pre otáčanie rotora v smere hodinových ručičiek, a v Tab. 4.2 pre
otáčanie v protismere hodinových ručičiek.
+UDC
+UDC
IM
smer otáčania
rotora
smer otáčania
rotora
IM
Fáza A
Fáza A
Fáza B
Fáza C
Fáza B
Fáza C
IM
IM
-UDC
-UDC
ΨS2
ΨS1
a.)
b.)
Obr. 4.7: Princíp komutácie BLDC motora
13
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Tab. 4.1: Kombinácie signálov pre rotáciu v smere hodinových ručičiek
Signály z Hallových snímačov
Kombinácie výstupných napätí striedača
A
B
C
Fáza A
Fáza B
Fáza C
1
0
0
-UDC
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
Nezap.
+UDC
+UDC
+UDC
+UDC
Nezap.
-UDC
-UDC
Nezap.
Nezap.
-UDC
-UDC
-UDC
Nezap.
Nezap.
+UDC
+UDC
Tab. 4.2: Kombinácie signálov pre rotáciu v protismere hodinových ručičiek
Signály z Hallových snímačov
Kombinácie výstupných napätí striedača
A
B
C
Fáza A
Fáza B
Fáza C
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
+UDC
+UDC
-UDC
Nezap.
-UDC
-UDC
Nezap.
+UDC
+UDC
Nezap.
-UDC
-UDC
Nezap.
Nezap.
-UDC
Nezap.
+UDC
+UDC
Priebehy fázových prúdov motora ia, ib, ic a indukovaných napätí uia, uib, uic sú
zobrazené na Obr. 4.8. Priebehy fázových prúdov BLDC motora majú obdĺžnikový tvar,
na rozdiel od synchrónneho motora s permanentnými magnetmi, ktorého fázové prúdy
majú sínusový priebeh. Priebehy indukovaných napätia jednotlivých fáz motora majú
lichobežníkový tvar. Na obrázku sú tiež priebehy jednotlivých signálov z Hallových
snímačov.
uia
ωt
ia
uib
ωt
ib
uic
ωt
ic
Hall A
ωt
Hall B
ωt
Hall C
0
60
120
180
240
300
ωt
360
60
120
180
240
Obr. 4.8: Priebehy napätí, prúdov a signálov z Hallovych snímačov BLDC motora
14
Žilinská univerzita v Žiline - KME
4.4
Diplomová práca
Riadenie otáčok BLDC motora pomocou PWM
U BLDC motora je možné meniť otáčky zmenou veľkosti napájacieho jednosmerného
napätia, podobne ako o klasického jednosmerného motora. Pre riadenie strednej hodnoty
napájacieho napätia motora býva najčastejšie používaná šírkovo impulzová modulácia
(PWM). Pre toto riadenie sa využíva práve trojfázový striedač, ktorý zabezpečuje aj
komutáciu motora. Tranzistory meniča, ktoré v danom komutačnom intervale majú byť
zopnuté, nebudú trvale otvorené, ale budú spínané pomocou PWM. Potom sa bude stredná
hodnota napätia pripájaného na jednotlivé fázy motora meniť v závislosti od striedy PWM
signálu.
Existuje niekoľko spôsobov PWM používanej na spínanie výkonových prvkov
trojfázového mostového striedača. Jednou z možností je tzv. unipolárna PWM. Pri tejto
PWM je vždy jeden z hornej trojice tranzistorov (T1, T3, T5) v danom komutačnom
intervale trvale zopnutý a tranzistor z dolnej trojice (T2, T4, T6) je spínaný pomocou
PWM. Smery toku prúdov pri tomto spôsobe PWM riadenia sú vyznačené na Obr. 4.9.
Obrázok popisuje komutačný interval, kedy vedú tranzistory T1 a T4. V aktívnej časti
periódy PWM signálu prúd tečie zo zdroja cez zopnutý T1, fázové vinutia A a B, a cez T4
späť do zdroja ( trasa prúdu v tomto intervale je vyznačená červenou čiarou.). Prúd
motorom v tejto časti periódy exponenciálne narastá. V pasívnej časti periódy zostáva T1
zopnutý a T2 je vypnutý. Magnetické pole naakumulované v indukčnosti vinutí teraz
pretláča prúd cez spätnú diódu tranzistora T3, cez zopnutý T1 a rovnakým smerom cez
fázové vinutia A a B. V tejto časti periódy prúd vinutiami motora exponenciálne klesá.
Napätie na fázach je nulové. Smer prúdu je na Obr. 4.9 vyznačený modrou čiarou.
Priebehy PWM signálov a fázových prúdov motora pre tento druh PWM sú na Obr. 4.10.
Obr. 4.9: Smery prúdov pri unipolárnej PWM
Obr. 4.10: Priebehy PWM signálov a
fázových prúdov
15
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Druhým typom je tzv. bipolárna PWM. Pri tejto PWM sú oba tranzistory spínané
pomocou PWM signálu naraz. Princíp spínania tranzistorov trojfázového striedača pri
tomto type PWM je znázornený na Obr. 4.11. V aktívnej časti periódy PWM signálu sú
zopnuté tranzistory T1 a T4. Fázové vinutia A a B sú pripojené na jednosmerné napájacie
napätie UDCB. Prúd tečie zo zdroja cez zopnutý T1 , fázové vinutia A a B, a cez T4 späť do
zdroja. Smer prúdu v tejto časti periódy je rovnaký ako pri unipolárnej PWM a na Obr.
4.11 je vyznačený červenou farbou. V pasívnej časti periódy sú vypnuté oba tranzistory
(T1 aj T4). Prúd sa teraz uzatvára cez spätnú diódu tranzistora T3, cez kondenzátor C1,
spätnú diódu tranzistora T2 a fázové vinutia A a B. Smer prúdu je na Obr. 4.11 vyznačený
modrou farbou. V tejto časti periódy je na fázových vinutiach A a B napätie opačnej
polarity ako v aktívnej časti periódy PWM signálu. Prúd v tomto intervale klesá rýchlejšie
ako pri unipolárnej PWM. Pri bipolárnej PWM sa na výstupe striedača v danom
komutačnom intervale striedajú kladné a záporné napäťové impulzy. Pri unipolárnej PWM
sa striedajú kladné napäťové impulzy s nulovým napätím.
Obidva druhy PWM boli v predchádzajúcom texte popísané pri tzv. nezávislom spínaní
(independent switching). To znamená, že v danom komutačnom intervale, kedy bol jeden z
komplementárnej dvojice tranzistorov (T1-T2, T3-T4, T5-T6) spínaný PWM signálom,
druhý tranzistor musel byť vypnutý. Priebehy PWM signálov pre tento druh spínania sú
zobrazené na Obr. 4.13. Tento druh PWM umožňuje riadiť BLDC motor v dvoch
kvadrantoch mechanickej charakteristiky (motorický režim pre obidva smery otáčania).
Neumožňuje riadenie motora pri rekuperačnom brzdení.
Unipolárna aj bipolárna PWM môžu pracovať tiež s tzv. komplementárnym spínaním
(complementary switching). Pri tomto druhu PWM
sú komplementárne dvojice
tranzistorov (T1-T2, T3-T4, T5-T6) spínané striedavo. To znamená, že v aktívnej časti
periódy PWM signálu je zopnutý jeden z komplementárnej dvojice tranzistorov a druhý je
vypnutý. V pasívnej časti periódy sa stavy vymenia. Priebehy signálov pri
komplementárnom spínaní sú na Obr. 4.14. Pre hodnotu striedy PWM signálu D>50% je
stredná hodnota výstupného napätia striedača kladná a pre D<50% je záporná. Pre D=50%
je stredná hodnota napätia nulová. Komplementárna PWM umožňuje riadenie BLDC
motora vo všetkých štyroch kvadrantoch mechanickej charakteristiky. Čiže umožňuje
riadenie motora aj pri rekuperačnom brzdení.
16
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Obr. 4.11: Smery prúdov pri bipolárnej PWM
Obr. 4.12: Priebehy PWM signálov a
fázových prúdov
Obr. 4.13: Priebehy PWM signálov
pri nezávislom spínaní
Obr. 4.14: Priebehy PWM signálov pri
komplementárnom spínaní
5 Návrh meniča pre pohon BLDC motora
V tejto časti diplomovej práce sa budem zaoberať návrhom meniča pre pohon BLDC
motora. Keďže daný BLDC motor je použitý pre pohon kolobežky, základnou
požiadavkou bolo aby navrhovaný menič umožňoval rekuperačné brzdenie BLDC motora.
Jedná sa o osempólový BLDC motor diskového typu s vnútorným rotorom a vinutím na
póloch statora. Motor je určený k inštalácií priamo do kolesa a obsahuje zabudovanú
planétovú prevodovku. Menovitý výkon motora je 400W a menovité napájacie napätie je
36V.
5.1
•
Požadované vlastnosti meniča
Schopnosť pracovať s trvalým prúdom minimálne 15 A. - Toto je maximálny
krátkodobý prúd, s ktorým môže daný BLDC motor pracovať. Preto by mal byť
17
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
menič pri riadení motora schopný obmedziť pracovný prúd motora na túto
maximálnu hodnotu.
•
Menič má umožňovať rekuperačné brzdenie BLDC motora.
•
Rozsah pracovného napätia min do 50V. - Menič bude napájaný z troch
akumulátorov s menovitým napätím 12V zapojených do série. Čiže menovité
napájacie napätie bude 36V. Keďže sa však predpokladá schopnosť meniča
rekuperovať, môže pri rekuperácií nastať prípad keď otáčky stúpnu nad menovitú
hodnotu, a tým aj generované napätie môže prekročiť svoju menovitú hodnotu.
•
Možnosť implementácie snímačov pre snímanie fázových prúdov motora. Snímanie aktuálneho prúdu motora je potrebné pri regulácií momentu motora.
5.2
Výkonová časť meniča
Výkonová časť meniča je vlastne hlavný obvod, ktorý zabezpečuje riadenie toku
energie zo zdroja do spotrebiča. V našom prípade sa jedná o trojfázový mostový striedač,
ktorý premieňa vstupné jednosmerné napätie na výstupné trojfázové striedavé napätie.
Tento typ meniča sa skladá zo šiestich výkonových tranzistorov, ktoré bývajú najčastejšie
typu MOSFET alebo IGBT.
Pre daný menič sme najskôr zvažovali použitie modulu, ktorý má v sebe integrované už
aj budiče koncových tranzistorov. Neskôr sme však zistili, že takéto moduly sú väčšinou
dostupné vo vyhotoveniach s IGBT tranzistormi pre napätia min. 600V. Pre danú aplikáciu
meniča je však výhodnejšie použiť MOSFET tranzistory, ktoré pri nižších hodnotách
záverného napätia (do 100V), dosahujú veľmi malé hodnoty odporu v zopnutom stave
RDSon (jednotky až desiatky mΩ). Preto na nich vznikajú aj menšie vodivostné straty, a tým
je možné dosiahnuť vyššiu účinnosť, čo je výhodné pre zariadenia napájané z
akumulátorov. Ďalšou výhodou MOSFET tranzistorov oproti tranzistorom IGBT je to, že
dosahujú lepšie dynamické vlastnosti a tým umožňujú použiť vyššie spínacie frekvencie.
Preto sme sa rozhodli použiť vo výkonovej časti meniča MOSFET tranzistory doplnené o
budiaci obvod vo forme integrovaného obvodu schopného budiť šesticu tranzistorov
trojfázového mostu.
Boli zvolené tranzistory MOSFET s kanálom N typu IRF3710 so záverným napätím
UDSS=100V, menovitým prúdovým zaťažením ID=57A a odporom v zopnutom stave
RDSon=23mΩ.
Ďalšími prvkami, ktoré sa nachádzajú vo výkonovej časti meniča sú snímače prúdu. Pre
snímanie fázových prúdov a prúdu v jednosmernom medziobvode boli zvolené rezistory s
18
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
odporom 5mΩ a stratovým výkonom 5W, ktoré slúžia ako snímacie bočníky. Úbytok
napätia na týchto odporoch je úmerný prechádzajúcemu prúdu. Pri
uvažovanej
maximálnej hodnote prúdu 15A bude toto napätie 75mV, čomu zodpovedá stratový výkon
1,125W. Toto napätie je ďalej upravované vhodným obvodom na takú úroveň, ktorú
dokáže spracovávať riadiaci obvod meniča. Schéma zapojenia výkonovej časti meniča je
na Obr. 5.1. Diódy D201 - 206 sú zenerove diódy s napätím 18V. Tieto diódy slúžia ako
prepäťová ochrana hradiel tranzistorov, keďže napätie hradla UGS nesmie prekročiť
hodnotu 20V. Eliminujú možné napäťové špičky, ktoré sa môžu objaviť v hradlovom
signáli vplyvom parazitných indukčností. Transily D208 - D213 slúžia ako prepäťová
ochrana tranzistorov, eliminujú prepäťové špičky medzi D a S.
Obr. 5.1: Schéma zapojenia výkonovej časti meniča
5.3
Budiaci obvod
Pre budenie výkonových MOSFET tranzistorov meniča bol zvolený integrovaný obvod
MC33937. Jedná sa o integrovaný obvod v puzdre SMD (SOICW54), ktorý umožňuje
budiť šesticu tranzistorov MOSFET trojfázového mosta. Tento obvod má tiež zabudované
niektoré ochranné obvody a sériové komunikačné rozhranie SPI pre nastavovanie
niektorých funkcií obvodu. Logické vstupy sú kompatibilné s 3,3V logikou.
Základné funkcie obvodu:
•
Rozsah pracovného napätia 6 - 58V.
•
Schopnosť dodať výstupný budiaci prúd min. 1A.
19
Žilinská univerzita v Žiline - KME
•
Diplomová práca
Vstavaná nábojová pumpa, umožňujúca plné otvorenie tranzistorov aj pri
zníženom napájacom napätí.
•
Možnosť nastavenia ochrannej doby (deadtime) prostredníctvom sériového
rozhrania SPI.
•
Nadprúdová ochrana s možnosťou nastavenia hodnoty nadprúdu.
•
Podpäťová ochrana.
•
Detekcia desaturácie (Desaturation Detector).
•
Porovnávanie fázového napätia (Phase Comparator).
•
Generovanie prerušenia pri detekcií poruchy.
Principiálna schéma aplikácie budiaceho obvodu je znázornená na Obr. 5.2.
PX_HS - sú vstupné riadiace signály pre horné tranzistory striedača. Tieto signály sú
aktívne v log. 0, to znamená, že daný MOSFET tranzistor bude otvorený vtedy, keď
prislúchajúci vstupný signál bude mať hodnotu log. 0.
PX_LS - sú signály pre riadenie dolnej trojice tranzistorov. Tieto signály sú aktívne v
log.1.
CS, SI, SO, SCLK- sú signály sériového rozhrania SPI.
RST - je resetovací signál. Pokiaľ má tento vstup nízku log. úroveň, budiaci obvod je v tzv.
stave nízkej spotreby. V tomto stave sú všetky výstupy deaktivované a obvod má
minimálnu spotrebu. Reset vnútornej logiky nastane pokiaľ je RST na nízkej log. úrovni po
dobu 77ns.
PHASEX - sú logické výstupy, ktoré sú na nízkej úrovni pokiaľ napätie na vývode S
(source) daného tranzistora z hornej trojice neprekročí 50% napájacieho napätia.
INT - je logický výstup, ktorý je v stave log. 1, pokiaľ je niektorým z ochranných obvodov
detekovaná porucha. Signál zostáva v stave log. 1, až pokiaľ nie je vynulovaný
prostredníctvom SPI.
EN1,EN2 - pokiaľ sú tieto vstupy v stave log. 1, sú aktivované výstupné budiče
tranzistorov.
PA_HS_G, PB_HS_G, PC_HS_G - sú budiace výstupy pre budenie hornej trojice
tranzistorov mosta.
PA_HS_S, PB_HS_S, PC_HS_S - sú vstupy pre pripojenie vývodov S horných
tranzistorov. Tieto signály sú referenčným napätím pre budiče horných tranzistorov.
PA_LS_G, PB_LS_G, PC_LS_G - sú budiace výstupy pre budenie dolnej trojice
tranzistorov mosta.
20
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
PX_LS_S - sú vstupy pre pripojenie vývodov S dolných tranzistorov. Tieto vstupy sú
potrebné pre funkciu budičov dolných tranzistorov (aby bol uzatvorený okruh budiaceho
prúdu).
AMP_P, AMP_N - sú vstupy vstavaného operačného zosilňovača OZ pre zosilnenie
signálu zo snímacieho bočníka prúdu jednosmerného medziobvodu.
AMP_OUT - je výstup tohto OZ
VLS - je vstup pre pripojenie externého kondenzátora pre vstavaný 15V stabilizátor.
VDD -je vstup pre pripojenie externého kondenzátora pre vstavaný 5V stabilizátor.
VSUP - je referenčný vstup pre vstavané ochranné obvody (Phase Comparator a
Desaturation Comparator).
VPWR - je vstup napájacieho napätia
PUMP, VPUMP - sú vývody pre pripojenie externého obvodu nábojovej pumpy.
Obr. 5.2: Principiálna schéma aplikácie budiaceho obvodu
Konkrétna schéma budiaceho obvodu pre navrhovaný menič je zobrazená na Obr. 5.4.
Dôležitými prvkami sú kondenzátory C101, C102 a C103, ktoré zabezpečujú budenie
hornej trojice MOSFET tranzistorov. Náboj týchto kondenzátorov je zdrojom prúdu pri
zapínaní daných tranzistorov.
Princíp činnosti budiča horných tranzistorov je znázornený na Obr. 5.3. Pri
zapínaní tranzistora sa tento kondenzátor vybíja do hradla. Hradlová kapacita sa nabíja, a
vplyvom tohto náboja dochádza k zopnutiu tranzistora. Smer hradlového prúdu pri
zapínaní tranzistora je na Obr. 5.3 vyznačený červenou farbou. Pri vypínaní tranzistora je
náboj z hradla odčerpávaný (vybíjanie hradlovej kapacity). Smer tohto prúdu je vyznačený
21
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
modrou farbou. Kondenzátor je vtedy vnútorným obvodom budiča nabíjaný na napätie
15V (nabíjací prúd je vyznačený zelenou farbou).
Obr. 5.3: Princíp činnosti budiča horných
tranzistorov
Minimálnu kapacitu kondenzátorov C101 - C103 je možné určiť na základe vzťahu 5.1.
‫≥ܥ‬௎
ଶொ್ೞ
(5.1)
೎೎ ି௎೑ ି௎ಽೄ ି௎೘೔೙
Kde:
UCC je napájacie napätie budiaceho obvodu
Uf je úbytok napätia na dióde, cez ktorú je kondenzátor nabíjaný
ULS je max. úbytok napätia na dolnom tranzistore v zopnutom stave
Umin je minimálne napätie potrebné na úplné otvorenie tranzistora
Qbs je náboj kondenzátora, pre ktorý platí:
ܳ௕௦ = 2ܳ௚ +
ூ೜್ೞ(೘ೌೣ)
௙
+ ܳ௟௦ +
ூ಴್ೞ(೗೐ೌೖ)
௙
(5.2)
Kde:
Qg je náboj hradla tranzistora
Iqbs(max) je maximálny záverný prúd budiaceho obvodu
Qls je náboj požadovaný koncovým stupňom vnútorného budiaceho obvodu
ICbs(leak) je zvodový prúd kondenzátora
f je spínacia frekvencia
22
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Hlavným parametrom, od ktorého závisí veľkosť kapacity kondenzátora je náboj
hradla tranzistora Qg. Jeho veľkosť sme určili z katalógových listov, a pre daný tranzistor
IRF3710 má hodnotu Qg=130nC. Hodnota maximálneho záverného prúdu budiča bola
určená z katalógových listov a má hodnotu Iqbs(max)=18µA. Qls =5nC. Hodnotu ICbs(leak)
môžeme považovať pre zvolený tantalový kondenzátor za nulovú. Po dosadení týchto
hodnôt do vzťahu 5.2 dostaneme výsledný náboj kondenzátora.
ܳ௕௦ = 2 ∙ 130 ∙ 10ିଽ +
18 ∙ 10ି଺
+ 5 ∙ 10ିଽ = 265,9nC
20 ∙ 10ଷ
Po dosadení tejto hodnoty do vzťahu 5.1 dostaneme minimálnu kapacitu kondenzátora.
Hodnotu napätia ULS dostaneme pre maximálny prúd tranzistorom zo vzťahu:
ܷ௅ௌ = ܴ஽ௌ௢௡ ∙ ‫ܫ‬஽ = 0,023 ∙ 15 = 0,345ܸ
Úbytok napätia na nabíjacej dióde Uf = 1,5V. Minimálne napätie potrebné na úplné
otvorenie tranzistora získame z katalógových listov, a pre daný tranzistor má hodnotu
Umin=10V .
‫≥ܥ‬
2 ∙ 265,9 ∙ 10ିଽ
= 168,5nF
15 − 1,5 − 0,345 − 10
Toto je minimálna hodnota kapacity. V praxi sa volí 5 až 15 krát väčšia hodnota. Preto
bola zvolená hodnota C=1µF.
Obr. 5.4: Schéma zapojenia budiaceho obvodu
23
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Dôležitým parametrom pri návrhu budiaceho obvodu je tiež hodnota hradlovej
impedancie. Táto impedancia je pre tranzistor T1 tvorená obvodom zloženým z R105,
R106 a D101. Rovnaký obvod je použitý aj pre ostatné tranzistory. V obvode je použitá
dióda typu Schottky kvôli menšiemu úbytku napätia v priepustnom smere. Aby bolo
možné dosiahnuť približne rovnaké časy zopnutia a vypnutia tranzistora, musí byť použitá
rozdielna hodnota hradlovej impedancie pri zapínaní a pri vypínaní. Táto rozdielna
hodnota je dosiahnutá tým, že pri zapínaní tranzistora prechádza hradlový prúd cez oba
odpory (R105 aj R106). Pri vypínaní tečie prúd opačným smerom (hradlová kapacita sa
vybíja) len cez R106 a diódu D101. Od hodnoty daných odporov závisí doba zopnutia a
vypnutia tranzistorov.
Čím je doba zopnutia a vypnutia kratšia, tým sú spínacie straty vznikajúce na
tranzistoroch menšie. Vysoká strmosť nárastu (poklesu) prúdu di/dt môže však spôsobovať
vznik prepäťových špičiek na parazitných indukčnostiach obvodu. Vplyvom parazitných
kapacít môže nastať rezonancia a tieto oscilácie môžu spôsobovať elektromagnetické
rušenie. Preto sa pri návrhu volí určitý kompromis medzi stratami a produkovaným
rušením. V praxi sa volí doba zopnutia (vypnutia) medzi 50ns a 250ns.
Pre určenie hodnôt hradlových odporov bol použitý simulačný model daného tranzistora
v programe PSPICE. Hodnoty odporov boli navrhnuté tak, aby
bola doba zopnutia
približne rovnaká ako doba vypnutia. Boli zvolené hodnoty R105=33Ω a R106=18Ω, pre
ktoré bola doba zopnutia a doba vypnutia približne 80ns.
Odsimulované priebehy napätí UDS, UGS a prúdov ID, IG tranzistora pri zapínaní sú
zobrazené na Obr. 5.6 a pri vypínaní na Obr. 5.5.
40.0
40
20.0
20
0
0
225.00us
UDS
225.10us
UGS
225.20us
IG*10
225.30us
ID
Obr. 5.6: Priebehy napätí a prúdov
tranzistora pri zapínaní
Time
-8.5
297.0us
UDS
297.2us
UGS
297.6us Time
297.4us
IG*10
ID
Obr. 5.5: Priebehy napätí a prúdov
tranzistora pri vypínaní
24
Žilinská univerzita v Žiline - KME
5.4
Diplomová práca
Obvody snímania prúdu a napätia
Aby bolo možné do riadiaceho algoritmu motora implementovať
implementova prúdovú regulačnú
slučku,
ku, prípadne nadprúdovú ochranu, je potrebné merať
mera aktuálnu hodnotu prúdu motora.
Pre snímanie prúdu boli použité rezistory s odporom 5mΩ
5m vo funkcií snímacích bočníkov.
bo
Úbytok napätia na týchto odporoch je úmerný meranému prúdu. Tento signál je však ďalej
potrebné upraviť na napätie v takom rozsahu, ktoré je schopný
schopn spracovávať zvolený
riadiaci člen.
len. Pre daný menič
meni sme zvolili ako riadiaci prvok DSC (Digital Signal
Controller)
ontroller) typu MC56F8006 od firmy Freescale. Tento DSC má vstavané A/D prevodníky
schopné pracovať so vstupným analógovým napätím v rozsahu 0 - 3,3V.
Pre úpravu napätia zo snímača
sníma a na napätie v požadovanom rozsahu 0 - 3,3V bol použitý
obvod znázornený na Obr. 5.7. Prúd fázy C prechádzajúci odporom R210 vyvolá na ňom
úbytok napätia. Ak uvažujeme maximálny prúd 15A, potom bude mať
ma toto napätie
hodnotu z rozsahu ±75m
75mV v závislosti od veľkosti a smeru daného prúdu. Toto napätie je
potom filtrované dolnopriepustným filtrom zloženým z R313, R314 a C303 a privedené na
vstupy operačného
ného zosilňovača
zosilň
a IC302A. Daný OZ je zapojený ako diferenčný
diferen
zosilňovač,
čo znamená, že zosilňuje
ňuje
uje len rozdiel napätí privedených na invertujúci
invertujúc a neinvertujúci
vstup. Zosilnenie daného OZ určujú
ur ujú rezistory R315=R316 a R317=R318. Zosilnenie bolo
nastavené na základe vzťahu
vz ahu 5.3 na hodnotu A=19,42. Tomuto zosilneniu zodpovedá
výstupné napätie OZ v rozsahu ±1,46
1,46 V. Toto napätie je však na výstupe OZ
O posunuté o
hodnotu +1,65V prostredníctvom zavedeného referenčného
referen ného napätia 1,65V na neinvertujúci
vstup OZ. Dané referenčné
referenčné napätie +1,65V sa získava z napätia 3,3V pomocou napäťovej
referencie IC303 typu LM385M. Na výstupe OZ potom dostávame napätie v rozsahu
ro
1,65V±1,46V=(0,19 - 3,11V). Pričom
Pri om maximálnemu zápornému prúdu zodpovedá hodnota
0,19V, maximálnemu kladnému prúdu 3,11V a nulovému prúdu 1,65V, čo je stred rozsahu
vstupného napätia A/D prevodníka.
ோ
ோଷଵ଻
‫ = ܣ‬ோଷଵଷ
(5.3)
ଵଷାோଷଵହ
Obr. 5.7:: Schéma zapojenia obvodu merania prúdu
25
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Pre snímanie napätia jednosmerného medziobvodu bol použitý jednoduchý napäťový
delič zložený z rezistorov R322 a R323. Tento delič upravuje hodnotu napätia
medziobvodu na maximálnu úroveň 3,3V, s ktorou dokáže pracovať A/D prevodník v
zvolenom DSC. Deliaci pomer deliča je nastavený tak, že napätiu jednosmerného
medziobvodu v rozsahu 0 - 60V zodpovedá napätie na výstupe deliča 0 - 3,3V.
5.5
Ochranné funkcie budiča
Základnou ochrannou funkciou je nadprúdová ochrana. Táto ochrana zabezpečuje
zastavenie činnosti meniča, keď prúd v jednosmernom medziobvode presiahne určitú
maximálnu hodnotu. Schéma zapojenia nadprúdovej ochrany je na Obr. 5.8. Pre snímanie
prúdu jednosmerného medziobvodu je použité rovnaké zapojenie ako pre snímanie
fázového prúdu. Napätie zo snímacieho rezistora 0,005Ω je vyfiltrované dolnopriepustným
filtrom zloženým z R211, R212 a C201. Ďalej je toto napätie privedené na vývody AMP_P
a AMP_N integrovaného obvodu MC33937, čo sú vlastne vstupy vstavaného OZ. Výstup
tohto OZ je privedený na vývod AMP_OUT, z ktorého je cez R216 zavedená záporná
spätná väzba. Vo vnútri integrovaného obvodu je výstup OZ pripojený aj na vstavaný
komparátor. Výstupné napätie OZ je v tomto komparátore porovnávané s napätím
privedeným na vstup OC_TH. Pomocou odporového trimra R117 je možné referenčnú
hodnotu komparátora meniť od 0 do 3,3V, čím sa vlastne nastavuje hodnota prúdu, pri
ktorej má zareagovať nadprúdová ochrana. Pokiaľ je napätie na výstupe OZ väčšie ako
napätie nastavené trimrom R117, je detekovaný nadprúd, a na výstupe komparátora je
vysoká log. úroveň. Tým dôjde k zablokovaniu výstupných budičov a všetky tranzistory
meniča budú vypnuté, čo spôsobí pokles prúdu na nulu. Výstup z komparátora je tiež
privedený na vývod OC_OUT. Tento vývod je pripojený na bázu tranzistora T402. Pri
detekovanom nadprúde sa tranzistor zopne a LED401 sa rozsvieti, čím indikuje poruchový
stav. Signál z tranzistora je tiež ďalej privedený na vstup riadiaceho DSC. Pri detekovanom
nadprúde je generované prerušenie, potom je signál na vývode INT v log.1. Opätovné
uvedenie meniča do prevádzky je možné až po privedení resetovacieho impulzu (log.0) na
vstup RST integrovaného obvodu MC33937. Reset obvodu je možné vykonať stlačením
tlačidla S401, alebo privedením log.1 na bázu tranzistora T401.
26
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Obr. 5.8: Schéma zapojenia nadprúdovej ochrany
Ďalším ochranným prvkom je tzv. detektor desaturácie. Tento obvod je plne
integrovaný v IO MC33937. Jedná sa o komparátor, ktorý je integrovaný vo výstupnom
budiči. Tento ochranný obvod zareaguje, pokiaľ pri vypínaní dolného tranzistora a
zapínaní horného tranzistora v danej vetve meniča, aj po uplynutí ochrannej doby a
prídavnej doby tBLANK, je výstupné napätie danej fázy menšie ako napájacie napätie
zmenšené o 1,4V (UDCB-1,4V). Po detekovaní tejto poruchy sú všetky výstupné budiče
vypnuté a je generované prerušenie na vývode INT. Priebehy fázového napätia, riadiacich
a poruchových signálov sú na Obr. 5.9 . Plnou čiarou je na obrázku vyznačený priebeh
fázového napätia pri správnej činnosti a čiarkovanou čiarou je vyznačené napätie pri
poruche.
Obr. 5.9: Priebehy signálov pri detekcí desaturácie
27
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Integrovaný obvod MC33937 má vstavaný aj ďalší ochranný prvok tzv. fázový
komparátor (Phase Comparator). Jedná sa o komparátor, ktorý porovnáva fázové napätie s
referenčným napätím, ktoré je polovicou napájacieho napätia (UDCB/2). Poruchový signál
je generovaný, ak napätie fázy nesleduje zmenu stavu meniča. To znamená, že ak je
privedený zapínací signál na horný tranzistor danej vetvy striedača, ale napätie fázy
zostáva stále na nízkej úrovni po uplynutí ochrannej doby a doby tBLANK. Podobne bude
generovaný poruchový signál aj v opačnom prípade, ak je privedený zapínací signál na
dolný tranzistor danej vetvy striedača, ale napätie fázy zostáva stále na vysokej úrovni.
Priebehy fázového napätia, riadiacich a poruchových signálov pre tento prípad sú na Obr.
5.10.
Všetky vyššie popísané ochranné funkcie je možné povoliť alebo zakázať nastavením
príslušného bitu riadiaceho registra IO 33937 prostredníctvom sériového rozhrania SPI.
Obr. 5.10: Priebehy veličín fázového komparátora
5.6
Obvod napájacieho zdroja
Obvod napájacieho zdroja musí zabezpečiť napätie 15V pre napájanie obvodu budiča
výkonových tranzistorov striedača. Ďalej je potrebné napätie 5V pre napájanie obvodu
snímačov polohy rotora priamo v motore, a napätie 3,3V pre napájanie riadiaceho DSC a
operačných zosilňovačov v obvodoch snímania prúdov. Schéma zapojenia obvodu
napájacieho zdroja je na Obr. 5.11.
Obr. 5.11: Schéma zapojenia obvodu napájacieho zdroja
28
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Na svorky X401-1 a X401-2 je privedené napätie z napájacieho akumulátora s
nominálnou hodnotou 36V. Napätie 15V je získané z napájacieho napätia pomocou
znižovacieho meniča typu buck. Znižovací menič je tvorený integrovaným obvodom
LM2575 doplneným o externú cievku L401, diódu D401, a kondenzátory C401 a C402.
Tento IO v sebe obsahuje potrebný riadiaci obvod pre znižovací menič, aj výkonový
spínací tranzistor. Menič umožňuje dodať výstupný prúd 1A. Napätie 5V je získané z 15V
pomocou lineárneho stabilizátora L7805CV. Napätie 3,3V je tiež získané pomocou
lineárneho stabilizátora LF33CDT z napätia 5V.
Kompletná schéma meniča a navrhnutá doska plošných spojov sa nachádza v časti
príloh.
5.7
Riadiaci obvod
Ako riadiaci prvok pre riadenie navrhovaného meniča a realizáciu regulačného
algoritmu bol zvolený digitálny signálový kontroler (DSC) typu MC56F8006 od firmy
Freescale. Tieto DSC v sebe kombinujú výpočtový výkon digitálnych signálových
procesorov (DSP) s funkciami mikrokontroléra. Vďaka veľkému množstvu vstavaných
periférií sa často používajú práve pre riadenie el. motorov všetkých druhov. Zvolený DSC
sa vyrába v troch rôznych puzdrách s 28, 32 a 48 vývodmi.
Základné vlastnosti DSC MC56F8006 sú:
•
16kB Flash EPROM
•
2kB RAM
•
3 analógové komparátory (ACMP)
•
2 analógovo - číslicové prevodníky (ADC) s 24 analógovými vstupmi (pre 48
vývodové puzdro)
•
2 programovateľné zosilňovače (PGA)
•
PWM modulátor so 6 výstupmi
•
Sériové komunikačné rozhrania SPI, SCI, IIC
•
Programovateľný oneskorovací blok (PDB)
•
2 16-bitové časovače (TMR)
•
Obvod reálneho času (RTC)
Bloková schéma regulácie otáčok BLDC motora je na Obr. 5.12 . Celý regulačný
algoritmus je implementovaný v riadiacom DSC 56F8006.
29
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Žiadaná hodnota otáčok je zadávaná pomocou potenciometra. Napätie z potenciometra
je privedené na A/D prevodník, ktorý ho prevedie na číselnú hodnotu ωD. Signály zo
snímačov polohy rotora sú privedené na port F. Zmena úrovne každého z týchto troch
signálov vyvolá prerušenie a zosníma sa aktuálna kombinácia signálov. Rýchlosť motora ω
sa získava výpočtom z meranej doby medzi dvoma nasledujúcimi zmenami signálov z
Hallových snímačov. Regulačná odchýlka rýchlosti eω je privedená na vstup PI regulátora
rýchlosti. Na výstupe PI regulátora získavame žiadanú hodnotu prúdu motora ID. Skutočná
hodnota prúdu I je získaná na výstupe A/D prevodníka prevodom analógového signálu z
výstupu príslušného OZ v obvode snímačov prúdu. Regulačná odchýlka prúdu je privedená
na vstup PI regulátora prúdu. Na výstupe PI regulátora prúdu dostávame hodnotu striedy D
PWM signálu. Na základe aktuálnej kombinácie signálov z Hallových snímačov sa určí,
ktoré tranzistory striedača majú byť spínané požadovaným PWM signálom. Výsledný
signál je privedený do PWM generátora, ktorý generuje PWM signály pre jednotlivé
tranzistory striedača.
Jedná sa vlastne o kaskádnu regulačnú štruktúru s nadradenou otáčkovou a podradenou
prúdovou slučkou.
+3,3V
ŽIADANÁ
RÝCHLOSŤ
Hall. sens.
UDCB
BLDC
M
3-f STRIEDAČ
iA, iB, iC,
UDCB
PWM
ADC
ωD
eω
I
eI
D
PI
ω
RIADENIE
KOMUTÁCIE
PORT F
PI
ID -
VÝPOČET
RÝCHLOSTI
56F8006
Obr. 5.12: Bloková schéma regulácie BLDC motora
6 Návrh obojsmerného DC/DC meniča
Navrhovaný pohon BLDC motora má umožňovať rekuperáciu , čo znamená že musí pri
brzdení umožňovať tok energie z motora do napájacieho zdroja. Preto bolo potrebné
30
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
vyriešiť riadenie nabíjacieho prúdu akumulátora, aby nedošlo k jeho zničeniu veľkým
nabíjacím prúdom pri rekuperácií. Pre riadenie toku energie medzi striedačom a napájacím
akumulátorom bol použitý tzv. obojsmerný DC/DC menič, ktorého návrh bude ďalej
popísaný.
6.1
Výkonová časť meniča
Schéma zapojenia výkonovej časti navrhovaného obojsmerného DC/DC meniča je na
Obr. 6.1.
Daný menič pracuje pri rekuperácií ako znižovací, čím umožňuje reguláciu nabíjacieho
prúdu akumulátora. V tomto prípade je spínaný tranzistor T1. Pri zopnutom T1 tečie prúd z
jednosmerného medziobvodu cez L1 do C1 a akumulátora. Prúd cievkou L1 narastá a
kondenzátor C1 sa nabíja. Smer toku prúdu v tomto intervale činnosti je na Obr. 6.1
znázornený červenou farbou. Pri vypnutom tranzistore T1 naakumulované magnetické pole
v indukčnosti L1 vyvolá prúd, ktorý sa uzatvára cez akumulátor a spätnú diódu tranzistora
T1. Prúd cievky L1 klesá a C1 sa vybíja do akumulátora. Prúd v tomto intervale je na
obrázku znázornený zelenou farbou.
Obr. 6.1: Obojsmerný DC/DC menič v znižovacom režime
Pri motorickom režime činnosti pohonu, keď je výkon dodávaný z akumulátora do
motora, pracuje tento menič ako zvyšovací. To umožňuje udržiavať napätie v
jednosmernom medziobvode konštantné aj pri poklese napätia akumulátora. V tomto
režime činnosti je spínaný tranzistor T2. Pri zopnutom tranzistore T2 je cievka L1
pripojená na napätie UBAT. Prúd cievkou narastá, a energia sa akumuluje v podobe
magnetického poľa cievky. Smer prúdu je vyznačený na Obr. 6.2 červenou farbou. Keď sa
T2 vypne, toto magnetické pole indukuje v závitoch cievky napätie, ktoré sa pripočíta k
31
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
napätiu akumulátora a cez spätnú diódu tranzistora T1 sa na toto výsledné napätie nabíja
kondenzátor C2. Smer prúdu v tomto intervale je na Obr. 6.2 vyznačený zelenou farbou.
Obr. 6.2: Obojsmerný DC/DC menič vo zvyšovacom režime
6.2
Návrh cievky meniča
Najskôr bude vypočítaná indukčnosť cievky pre zvyšovací režim činnosti. Pre tento
režim činnosti sú zadané nasledovné parametre:
Výstupné napätie UO =45V
Minimálne vstupné napätie U1min =33V
Maximálne vstupné napätie U1max =43V
Výstupný prúd IO =15A
Spínacia frekvencia f=50kHz
Maximálne zvlnenie prúdu ∆I=1A
Pre zvyšovací neizolovaný akumulačný menič platí pre výstupné napätie v ideálnom
prípade vzťah 6.1
ଵ
ܷை = ܷଵ ଵିఋ
(6.1)
Dosadením do vzťahu 6.1 pri uvažovaní úbytku napätí dostaneme hodnoty činiteľa plnenia
δ pre oba krajné prípady.
ସଷିଵ
ߜ௠௜௡ = 1 − ସହା଴,ହ = 0,077
ଷଷିଵ
ߜ௠௔௫ = 1 − ସହା଴,ହ = 0,3
32
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Indukčnosť cievky určíme na základe vzťahu 6.2
்
‫ܷ = ܮ‬ଵ ∙ ߜ ∆ூ (6.2)
Dosadením do vzťahu získame hodnotu indukčnosti pre krajné prípady
‫ܷ = ܮ‬ଵ௠௔௫ ∙ ߜ௠௜௡
‫ܷ = ܮ‬ଵ௠௜௡ ∙ ߜ௠௔௫
்
= 42 ∙ 0,077 ∙
்
= 32 ∙ 0,3 ∙
∆ூ
∆ூ
ଶ଴∙ଵ଴షల
ଵ
ଶ଴∙ଵ଴షల
= 64,7μH
= 192μH
ଵ
Aby sa neprekročilo požadované zvlnenie, volí sa väčšia hodnota.
Pre znižovací režim činnosti sú zadané nasledovné parametre:
Minimálne výstupné napätie UOmin =36V
Maximálne výstupné napätie UOmax =43V
Minimálne vstupné napätie U1min =36V
Maximálne vstupné napätie U1max =50V
Výstupný prúd IO =2A
Spínacia frekvencia f=50kHz
Maximálne zvlnenie prúdu ∆I=1A
V krajnom prípade môže dosahovať činiteľ plnenia hodnotu δmax=1
Pre druhý krajný prípad dostaneme činiteľ plnenia zo vzťahu 6.3
ܷை = ܷଵ ∙ ߜ (6.3)
ߜ௠௜௡ =
ܷை௠௜௡ 36
=
= 0,72
ܷଵ௠௔௫ 50
Pre výpočet indukčnosti platí vzťah 6.4
்
‫ܷ( = ܮ‬ଵ௠௔௫ − ܷை௠௜௡ )ߜ௠௜௡ ∆ூ (6.4)
‫( = ܮ‬50 − 36) ∙ 0,72
20 ∙ 10ି଺
= 201, 6μH
1
Pri návrhu cievky bude počítané s hodnotou 200µH a bude sa uvažovať zvyšovací režim
činnosti, kedy menič prenáša najväčší výkon.
33
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Zvlnenie prúdu pre L=200µH bude:
்
∆‫ܫ‬௅ = ܷଵ௠௜௡ ∙ ߜ௠௔௫ ∙ = 32 ∙ 0,3 ∙
௅
ଶ଴∙ଵ଴షల
ଶ଴଴∙ଵ଴షల
= 0,96‫ܣ‬
Maximálnu hodnotu prúdu dostaneme z nasledujúcich rovníc:
ܶ ∙ ‫ܫ‬ை =
ூಽ೘ೌೣ ାூಽ೘೔೙
ଶ
∙ (1 − ߜ௠௔௫ )ܶ
(6.5)
∆‫ܫ‬௅ = ‫ܫ‬௅௠௔௫ − ‫ܫ‬௅௠௜௡
(6.6)
Riešením tejto sústavy rovníc dostaneme maximálnu hodnotu prúdu cievky ILmax =21,91A.
Efektívnu hodnotu prúdu vypočítame:
‫ܫ‬௘௙ = ට
∆ூ మ
ଷ
ଶ
− ∆‫ܫ ∙ ܫ‬௅௠௔௫ + ‫ܫ‬௅௠௔௫
=ට
଴,଼ଷହమ
ଷ
− 0,835 ∙ 21,8 + 21,8ଶ = 21,4‫ܣ‬
Čistý prierez vodiča pre uvažovanú prúdovú hustotu σ=4A/mm2 vychádza:
ܵ஼௨ =
‫ܫ‬௘௙ 21,4
=
= 5,35mmଶ
ߪ
4
Z dôvodu vzniku povrchového javu (skin efektu), je pre frekvencie do 50kHz neefektívne
používať priemer vodiča väčší ako 0,6mm.
Z tabuľky vyrábaných vodičov bolo zvolené vf lanko zložené z vodičov priemeru 0,4mm s
čistým prierezom SCu=5,5mm a vonkajším priemerom d=3mm.
Pre návrh jadra cievky je možné použiť nerovnosť 6.7, kde Se je efektívny prierez jadra, BS
je indukcia nasýtenia daného materiálu jadra a pre zvolený ferit typu 3C90 platí: BS ≥0,33T
N je počet závitov cievky.
஻ೄ
ଶ
>
௅∙ூ೘ೌೣ
ே∙ௌ೐
Pre maximálny počet závitov daného jadra platí:
(6.7)
ܰ=
ௌೇ ∙௔ೇ
ௗమ
, kde SV je plocha okna pre
vinutie a pre jadro typu E platí: SV=Se. aV =0,83 je činiteľ vinutia.
Dosadením do týchto vzťahov dostaneme minimálny efektívny prierez jadra Se=535mm2.
Tejto hodnote vyhovuje jadro typu E65/32/27, ktoré má nasledovné parametre:
Efektívny objem jadra Ve=79000mm3
Efektívna dĺžka siločiary le=147mm
34
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Efektívny prierez jadra Se=540mm2
Zo vzťahu ‫ߤ = ܮ‬଴ ∙ ߤ௘ ∙ ܰ ଶ
ௌ೐
௟೐
permeabilita jadra, dostaneme:
, kde µ 0=4π.10-7 je permeabilita vákua, µ e je efektívna
ܰ=
ଶ଴଼
ඥ ఓ೐
Hľadáme také µ e , pre ktoré bude splnená nasledujúca nerovnosť:
஻ೄ
ଶ
> ߤ଴ ∙ ߤ௘ ∙ ܰ ∙
ூ೘ೌೣ
௟೐
Táto nerovnosť je splnená pre hodnotu µ e=22, čomu zodpovedá N=44 závitov.
Ďalej je potrebné overiť, či sa daný počet závitov vmestí do plochy okna pre vinutie.
Vypočítame plochu prierezu vinutia: ܵ௏ = ܰ
ௗమ
௔ೇ
= 44
ଷమ
଴,଼ଷ
= 477mm2
Maximálna plocha pre dané jadro je SV = 500mm2 , z čoho vyplýva, že je možné na jadro
navinúť daný počet závitov.
6.3
Návrh riadenia obojsmerného DC/DC meniča
Riadiaci obvod navrhovaného DC/DC meniča musí byť schopný určiť, kedy má menič
pracovať vo zvyšovacom alebo znižovacom režime. V prípade činnosti ako zvyšovací
menič (pri motorickom režime pohonu), musí regulačný obvod meniča zabezpečiť
udržanie konštantnej hodnoty napätia v jednosmernom medziobvode. Pri rekuperačnom
brzdení bude menič pracovať v znižovacom režime. V tomto prípade musí regulačný
obvod meniča zabezpečiť obmedzenie veľkosti nabíjacieho prúdu akumulátora podľa stavu
jeho nabitia. V prípade, ak je akumulátor plne nabitý, musí riadiaci obvod zabrániť
ďalšiemu toku prúdu do akumulátora.
V prípade, ak je prúd dodávaný motorom v generátorickom režime činnosti väčší ako
nabíjací prúd akumulátora, je potrebné zabezpečiť spotrebovanie tejto prebytočnej brzdnej
energie, aby nedošlo k zvýšeniu napätia v medziobvode. Na tento účel slúži brzdný odpor,
ktorý je pripájaný k obvodu v prípade, ak napätie prekročí určitú hodnotu.
Bloková schéma riadenia meniča je na Obr. 6.3. Blok výberu režimu meniča porovnáva
napätie jednosmerného medziobvodu s požadovaným napätím UDCBref.. Pokiaľ platí UDCB ≤
UDCBref , jedná sa o motorický režim činnosti pohonu, a DC/DC menič bude pracovať vo
zvyšovacom režime, čo znamená, že bude spínaný tranzistor T2. V opačnom prípade, ak
UDCB > UDCBref ,jedná sa o generátorický režim pohonu, a menič bude pracovať v
znižovacom režime činnosti.
Vo zvyšovacom režime činnosti má regulačný obvod zabezpečiť konštantné napätie
jednosmerného medziobvodu. Požadované napätie UDCBref je vstupnou riadiacou veličinou
35
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
regulačného obvodu. Skutočná hodnota napätia medziobvodu UDCB je snímaná na
kondenzátore C2. Regulačná odchýlka napätia vstupuje do PI regulátora, na výstupe
ktorého dostávame požadovaný výstupný prúd meniča. Hodnotu tohto prúdu je možné
obmedziť v obmedzovacom bloku. Odčítaním skutočnej hodnoty prúdu od žiadanej
dostávame regulačnú odchýlku, ktorá vstupuje do PI regulátora. Na výstupe PI regulátora
dostaneme signál určujúci striedu PWM signálu. Tento signál je privedený do PWM
modulátora. Na výstupe PWM modulátora je signál, ktorým má byť spínaný tranzistor T2
meniča.
V znižovacom režime činnosti je vstupnou riadiacou veličinou žiadané napätie
akumulátora. Je to vlastne napätie, ktoré má mať akumulátor v plne nabitom stave.
Regulačná odchýlka napätia vstupuje do PI regulátora, na výstupe ktorého dostávame
žiadaný nabíjací prúd. Tento prúd je potrebné obmedziť na hodnotu maximálneho
nabíjacieho prúdu pre daný akumulátor. Odčítaním meranej hodnoty prúdu od požadovanej
dostaneme regulačnú odchýlku, ktorá je privedená na vstup PI regulátora prúdu. Na
výstupe PI regulátora je signál určujúci striedu PWM signálu pre spínanie tranzistora T1.
Daný PWM signál pre spínanie T1 dostaneme na výstupe PWM modulátora.
Ak pri rekuperácií stúpne napätie medziobvodu nad určitú maximálnu hodnotu UDCBmax,
zareaguje hysterézny regulátor napätia. Na výstupe tohto regulátora sú impulzy, ktoré
spínajú tranzistor T3. Prostredníctvom T3 je pripájaný do obvodu brzdný odpor RB, na
ktorom dochádza k premene brzdnej energie na teplo, a tým sa zabráni zvýšeniu napätia
nad dovolenú hodnotu.
D1
T1
RB
L1
Hysterézny
reg. UDCBmax
+
C2
T2
+
UDCB
Budič
C1
T3
UDCBmax
Budiaci obvod
IBAT
UDCBref
UBAT
UBATref
Výber režimu
meniča
IDCB
PI
PI
Reg. UBAT Obmedzenie
nabíjacieho
prúdu
Reg. IBAT
PWM
PWM
PI
Reg. IDCB
UDCB
PI
Obmedzenie
IDCB
UDCBref
Reg. UDCB
Obr. 6.3: Bloková schéma riadenia obojsmerného DC/DC meniča
36
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Činnosť obojsmerného DC/DC meniča s popísaným regulačným obvodom bola
odsimulovaná v programe PSIM. Odsimulované priebehy veličín DC/DC meniča sú na
Obr. 6.4.
Menič je uvedený do činnosti v čase 0. Keďže v tomto čase pre napätie medziobvodu
platí: Udcb ≤ UDCBref , menič bude pracovať vo zvyšovacom režime činnosti. Napätie
medziobvodu Udcb je vyregulované na žiadanú hodnotu UDCBref =45V.
V čase 0,05s je uvedený do činnosti motor, ktorý sa rozbieha so záťažovým momentom
MZ=3Nm. Počas rozbehu motor odoberá záberový prúd. Tento nárast prúdu vyvolá mierny
pokles napätia medziobvodu. Tu však zareaguje regulačný obvod a vyreguluje napätie
opäť na hodnotu 45V. Rozbeh motora je ukončený približne v čase 0.4s
V čase 0,5s sa zvýši záťažový moment na MZ=13Nm. Prúd motora Imot sa zvýši na 6,5A
a prúd odoberaný z akumulátora Ibat stúpne na 8,5A. Napätie medziobvodu je stále
udržiavané na hodnote 45V.
V čase 0,9s záťažový moment poklesne opäť na hodnotu 3Nm. Takisto nastane pokles
prúdu motora Imot a prúdu akumulátora Ibat.
V čase 1,3s motor prejde do generátorického režimu. Motor je teraz poháňaný
momentom 13Nm. Zmení sa smer prúdu motora. Keďže nastane zvýšenie napätia
medziobvodu, je splnená podmienka UDCB > UDCBref. Menič teraz pracuje v znižovacom
režime, a nabíjací prúd akumulátora je obmedzený na hodnotu Ibat=-1,75A, čo je
maximálny nabíjací prúd pre použitý akumulátor. Keďže tento prúd nieje schopný ubrzdiť
motor tak aby sa otáčky nezvyšovali, nastane zvýšenie napätia v medziobvode. Keď toto
napätie dosiahne hodnotu 50V, zareaguje hysterézny regulátor, ktorý prostredníctvom
tranzistora T3 pripája brzdný odpor, čím sa udržuje napätie medziobvodu v hysteréznom
pásme okolo 50V. Brzdný prúd motora sa ustáli na hodnote Imot=-5A.
60
Ibat, Imot[A] Ubat, Udcb[V]
50
40
30
Ibat
Idcb
Udcb
Ubat
20
10
0
-10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
t[s]
Obr. 6.4:Priebehy veličín DC/DC meniča
37
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
Takýto priebeh zaťažovacieho momentu môže nastať napríklad pri jazde terénom
zobrazeným na Obr. 6.5. Kolobežka sa rozbieha na vodorovnom teréne. Zaťažovací
moment je minimálny. Je spôsobený len valivým odporom, prípadne trením v ložiskách
kolies a odporom vzduchu. Pohon musí pri rozbehu prekonať moment zotrvačnosti.
Keď sa sklon terénu zväčší o uhol α, začne pôsobiť záťažová sila Fz= Fg . sinα. Pre
záťažový moment potom platí MZ= FZ . R, kde R je polomer kolesa.
Následne je terén opäť vodorovný. Záťažový moment klesne na minimálnu hodnotu. Pri
jazde dole svahom so sklonom α začne pôsobiť poháňajúca sila FP. Aby sa rýchlosť
udržala na konštantnej hodnote musí proti sile FP pôsobiť rovnako veľká brzdná sila FB v
opačnom smere.
FZ
m
FB
FP
FP=-FZ
α
α
Fz= Fg . sinα
Fn
Fg= m.g
Obr. 6.5: Príklad zmeny zaťažovacieho momentu pri zmene sklonu terénu
Ďalej bolo tiež simulované nabíjanie akumulátora. V čase 0,5s začne rekuperačné
brzdenie. Do akumulátora tečie nabíjací prúd, a jeho napätie Ubat sa začne zvyšovať. Keď
toto napätie dosiahne hodnotu 43V, čo je napätie plne nabitého akumulátora, nabíjací prúd
Ibat začne klesať až na nulovú hodnotu. Priebehy veličín meniča pre tento prípad sú na Obr.
6.6.
60
Ibat, Imot[A] Ubat, Udcb[V]
50
40
30
Imot
Udcb
Ubat
Ibat
20
10
0
-10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
t[s]
Obr. 6.6: Priebehy veličín pri nabíjaní akumulátora na maximálne napätie
38
2.2
Žilinská univerzita v Žiline - KME
6.4
Diplomová práca
Návrh schémy zapojenia obojsmerného DC/DC meniča
Schéma zapojenia výkonovej časti meniča je na Obr. 6.7. V tomto meniči sú použité
MOSFET tranzistory rovnakého typu ako u meniča pre riadenie BLDC motora. Pre
snímanie prúdov meniča sú tiež použité rezistory s odporom 0,005Ω. Signál úmerný
napätiu akumulátora je získaný na výstupe odporového deliča R101, R102. Napätie
medziobvodu je snímané na výstupe trimra R107. Dióda D104 zabraňuje vzniku prepätia
na parazitnej indukčnosti brzdného odporu.
Obr. 6.7: Schéma zapojenia výkonovej časti obojsmerného DC/DC meniča
Pre úpravu signálov zo snímacích odporov prúdu je použité tiež rovnaké zapojenie ako
v prípade meniča pre BLDC motor. Schéma zapojenia tohto obvodu je na Obr. 6.8.
Obr. 6.8: Obvod snímania prúdov
Na Obr. 6.9 je zobrazená schéma zapojenia budiacich obvodov výkonových MOSFET
tranzistorov meniča. Pre budenie tranzistorov T1 a T2 bol použitý integrovaný obvod
IR2110. Jedná sa o integrovaný budič horného a dolného tranzistora. Pre budenie
39
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
tranzistora T3 bol použitý IO IR4427. Tento obvod má v sebe integrované dva budiče
výkonových MOSFET/IGBT tranzistorov. V danej aplikácií je využitý iba jeden z danej
dvojice budičov.
Kompletná navrhnutá schéma pre daný menič sa nachádza v časti príloh.
Obr. 6.9: Schéma zapojenia budiacich obvodov DC/DC meniča
40
Žilinská univerzita v Žiline - KME
Diplomová práca
7 Záver
Cieľom tejto diplomovej práce bol návrh meniča pre riadenie BLDC motora s
možnosťou rekuperácie.
Aby som daný menič mohol navrhnúť, bolo potrebné sa najskôr oboznámiť s princípom
činnosti BLDC motorov, princípmi elektronickej komutácie s použitím Hallových
snímačov polohy rotora, a používanými druhmi PWM.
Po získaní týchto potrebných poznatkov som začal s návrhom meniča, jeho výkonovej
časti, budiacich obvodov, obvodov snímania prúdov, a napájacieho obvodu. Pre navrhnutú
schému zapojenia meniča som pristúpil k návrhu dosky plošných spojov pre jeho
konštrukčné vyhotovenie.
Pre bezpečné nabíjanie akumulátora v prípade rekuperačného brzdenia, bolo potrebné
vyriešiť problém obmedzenia nabíjacieho prúdu. Pre tento účel som zvolil obojsmerný
DC/DC menič, ktorý zabezpečuje riadenie toku energie medzi akumulátorom a motorom.
Pre overenie činnosti tohto meniča a zvolenej regulačnej štruktúry som zostavil simulačný
model v programe PSIM a odsimuloval priebehy veličín pri rôznych prevádzkových
stavoch pohonu. Z priebehov veličín vidno, že so zvolenou štruktúrou meniča je možné
dosiahnuť požadované správanie pri rekuperácií aj v motorickom režime.
41
Zoznam použitej literatúry
Elevich, Leonard N. 2005. 3-Phase BLDC Motor Control with Hall Sensors Using
56800/E Digital Signal Controllers: Freescale Semiconductor, 2005.
Frgal P. 2009. 3-Phase BLDC/PMSM Low Voltage Motor Control Drive : Freescale
Semiconductor, 2009.
Freescale Semiconductor. 2008. KIT33927EKEVBE Evaluation Board.
Freescale Semiconductor. 2009. MC56F8006/MC56F8002.
Freescale Semiconductor. 2009. Three Phase Field Effect Transistor Pre-driver
33937.
Merello A, Rugginenti A,Grasso M. 2002. Using monolithic high voltage gate
drivers : Intrnational Rectifier, 2002.
Singule. 2009. Akční členy s EC motory – výhodné řešení pro mechatronické
aplikace. Technika. ISSN 1337– 0022, 2009, č.9, s. 38-40.
Visinka R, Grasblum P. 2003. Low Power BLDC Drive for Fans using the
MC68HC908QY4 Reference Design : Freescale Semiconductor, 2003.
Yedamale, Padmaraja. 2003. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals :
Microchip Technology Inc., 2003.
Zboray, Ďurovský, Tomko. 2000. Regulované pohony. Košice : VIENALA, 2000.
ISBN 80-88922-13-5.
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval
samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Vladimíra Vavruša, PhD. a
používal som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa 7. 5. 2010
____________________
podpis
Prílohová časť
Zoznam príloh
Príloha A: Schéma zapojenia meniča pre BLDC motor ................................................. 1
Príloha B: Doska plošných spojov .................................................................................. 7
Príloha C: Obrazec plošných spojov ............................................................................... 9
Príloha D: Rozmiestnenie súčiastok - strana spojov ....................................................... 11
Príloha E: Rozmiestnenie súčiastok - strana súčiastok ................................................... 13
Príloha F: Schéma zapojenia obojsmerného DC/DC meniča ......................................... 15
Príloha G: Schéma simulačného modelu v programe PSIM .......................................... 18
Príloha A:
Schéma zapojenia meniča pre BLDC motor
1
Príloha B:
Doska plošných spojov
7
D
C
1
A17,5mm
2
IC402
B
J104
IC401
IC403
1 2 3
C405
C403
C404
D401
R207
R329
R327
R328
R106
L403
C406
R105
D101
J101
3
R321
IC303
1 2 3
R202
4
R323
R4012
C305
R306
R304
D103
40
901C
R102
4
IC101
MC33937
C102
R204
C103
1 2 3
mm5,71A
402T
4
D204 D211
C113
C110
R103
C112
3
J102
D210
R203
D203
1 2 3
mm5,71A
302T
1
S401
R322
T401
mm5,71A
202T
D202 D209
D208
R201
D201
1 2 3
mm5,71A
102T
D104
3
R404
R209
R501
R213
C104
R216
C108 R307
D105
R206
D206 D213
1 2 3
mm5,71A
602T
J103
D212
R205
D205
1 2 3
mm5,71A
502T
R113 R114
J105
C407
D102
IC301
2
5
1
SV301
C409
R324
R325
R326
C306
C307
C308
L401
C411
C410
C412
L402 C408
R107 R108
R319
R403
R212
R318
R310
SV501
1
R316
R314
A
1
R320
R208
C301
R302
R109 R110
R301
C106
C105
C111
C413
R111 R112
R104
R305 R303
R402
R214
T402
C101
IC501
C107
R215
R101
R308
R117 C302
R115 R116
R311
R211
C201
LED401
R312 D106
R309
D207
R210
C303
IC302
104X
C304
1
1
104 C
5
5
R317 R315 R313
SV401
2
204C
8
6
6
D
C
B
A
Príloha C:
Obrazec plošných spojov
9
10
D
1
2
3
4
5
6
D
C
6
C
5
B
4
B
3
A
2
A
1
Príloha D:
Rozmiestnenie súčiastok - strana spojov
11
12
D
C
B
A
1
1
A17,5mm
IC402
2
IC403
1 2 3
R329
C405
C403
R327
R328
C404
J104
D401
L403
C406
R106
R321
IC303
D101
R201
3
R305 R303
T401
R208
R304
40
R109 R110
R103
R102
C113
C110
D103
IC101
C103
MC33937
C102
R204
D204 D211
J102
R111 R112
D210
R203
C101
D203
R301
C106
C105
C111
C112
3
1
S401
R322
R323
4
R4012
R306
C305
R202
D202 D209
J101
D208
3
D102
D201
L401
R207
C409
R105
L402 C408
R107 R108
IC301
R104
J105
IC401
1
C407
2
SV301
5
R324
R325
R326
C306
C307
C308
C411
C410
C412
R319
R320
R402
C301
R302
C413
IC501
D104
4
R501
R404
C104
R216
C107
R213
R113 R114
R403
SV501
1
R318
R310
R206
R316
D206 D213
C303
IC302
J103
R212
R205
D105
R214
R314
D212
C108 R307
R215
R308
R117 C302
R115 R116
R311
R312 D106
D205
T402
R211
4
R209
R101
LED401
C201
R309
D207
C304
1
SV401
R210
R317 R315 R313
5
5
6
6
D
C
B
A
Príloha E:
Rozmiestnenie súčiastok - strana súčiastok
13
D
C
B
A
1
1
2
2
3 2 1
A17,5mm
T206
3 2 1
A17,5mm
T205
3
3 2 1
A17,5mm
T204
C109
3 2 1
A17,5mm
T203
3 2 1
A17,5mm
T202
4
4
C402
3
3 2 1
A17,5mm
T201
2
1
14
X401
C401
5
5
6
6
D
C
B
A
Príloha F:
Schéma zapojenia obojsmerného DC/DC meniča
15
16
D
C
B
3
2
1
SV101
J101
1
GND
GND
U_BAT_1
U_BAT
R118
R119
+
0.005/5W
R108
R101
R102
J102
56k
4k7
56k
4k7
+U_BAT
GND
R120
R121
2
U_BAT_2
220
2k7
R112
+1.65V_REF
47p
2k7
R110
R111
220
C103
GND
GATE_LS
R109
4700u/50V
C101
L101
200u
SOURCE_HS
D101
D102
GATE_HS
R103
T102
IRF3710
1
2
AGND
47k
P6KE68CA
P6KE68CA
D105
D106
AGND
3
390
R115
MC33502
3
IC101A
47k
+3.3VA
R113
47k
T101
IRF3710
3
+3.3VA
I_BAT
AGND
100n
C104
+3.3VA
0.005/5W
R1
4
+
4
220
R123
220
R122
47p
C1
SOURCE_LS
GATE_BR
4700u/63V
C102
D103
2k7
R125
2k7
R124
T103
IRF3710
5
5
6
5
D104
BYW29
J104
J103
R107
4k7
+1.65V_REF
MC33502
4
IC101B
47k
R126
47k
2
P6KE68CA
A
56k
4k7
D107
1
R114
LM385M
IC102
BZT52C18
R127
BZT52C18
BZT52C18
47k
R104
11
7
R116
R117
100k
33k
R106
47k
R105
E
S
47k
I_DCB
A
6
6
J106
U_DCB
J105
D
C
B
A
17
D
C
B
SV2
4
3
2
1
H_IN
SD
L_IN
+3V3
1
SD
MOSI
MISO
SCLK
SS
H_IN
L_IN
GND
100n
C205
GND
11
12
13
14
15
GND
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
SV1
10u/25V
C204
IR2110S
VDD
HIN
SD
LIN
VSS
IC201
GND
+
A
+3V3
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
+
VCC
COM
LO
HO
VB
VS
GND
2
IN_BR
U_DCB
U_BAT_1
U_BAT_2
I_BAT
U_BAT
U_DCB
3
2
1
8
7
6
10u/25V
C201
R203
33
D202
SK36A
D203
UF4003
R201
33
D201
GND
10n
C214
18
+
100n
C215
3
L204
FB
L203
+V_IN
IC203
GATE_LS
SOURCE_LS
SOURCE_HS
GATE_HS
FB
1
100u/50V
C209
R204
18
1u/25V
C203
1u/25V
C202
R202
GND
100n
C216
2
4
10n
C217
4
100p
C218
GND
100n
C208
+3.3VA
GND
AGND
LM2575HVS-15
OUT
FEEDBACK
IN_BR
R205
10k
L201
330u
GND
4
2
VS
OUTA
+15V
GND
100n
C211
GND
GND
5
330u/25V
5
3
6
7
10u/25V
GND
C210
+15V
5
C207
OUTB
GND
IR4427S
INB
INA
IC202
GND
100n
C206
+15V
+
SK36A
+U_BAT
+3V3
+
+
+15V
GND
3
CASE
6
ON/OFF
5
4
D205
3
SK36A
2
+
1
18
6
100n
C212
GND
R207
IC204
LF33CDT
GND
OUT
GND
IN
R206
33
D204
SK36A
6
GND
220u/16V
C213
+3V3
GATE_BR
+
D
C
B
A
Príloha G:
Schéma simulačného modelu v programe PSIM
18
19
Designed by
Title
Revision
Page 1 of 1
Download

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE