CC BY
79СХЕМА СИЛОВОГО БЛОКА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМЕ СКАНИРОВАНИЯ РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННОГО ПРИБОРА
Шмакова Ю.В. (arnita@yandex.ru)
Московский институт стали и сплавов (Технологический университет)
В области рентгеноструктурного анализа широко применяется многоканальный регулируемый электропривод мощностью до 50 Вт. При разработке схемотехнических решений силового канала и алгоритмов управления силовыми ключами необходимо учитывать:
- особенности, характерные для любого типа электродвигателя, как нагрузки для преобразователя: сильно индуктивный характер, наличие противо-ЭДС вращения, возможные кратковременные, но многократные перегрузки по току, близость начального этапа пуска к режиму короткого замыкания, рекуперация механической энергии в динамических и тормозных режимах, взаимосвязь электрических и магнитных контуров разных фаз;
- возможность работы в широком диапазоне скоростей сканирования;
- обеспечение плавного вращения и высокого качества демпфирования работы шагового двигателя (ШД) во всем частотном диапазоне;
- обеспечение взаимозаменяемости отдельных составных частей силового блока;
- переход к системам бездатчикового управления, использующим специальные цифровые наблюдатели.
На основании ранее сформулированных положений [1] и разработанных алгоритмов, а также учитывая результаты математического моделирования процессов, протекающих в системе шаговый двигатель - импульсный усилитель мощности (ШД-ИУМ) [2], автор предлагает следующую схему силового модуля (рисунок 1), состоящую из усилителей мощности сигналов управления тремя биполярными ШД типа ДШИ-200 (ось гониометра), 8М-200 (оси гониометрической приставки) и двигателем постоянного тока типа ДПМ-25 (или их аналогами), субблока формирования сигналов с датчиков нулевого положения управляемых осей
и источника питания +24/48В. При разработке схемы силового блока использовался комплект технической документации фирмы SGS-Thomson Microelectronics [3 - 8].
Рисунок 1 - Структурная схема силового блока.
Полная схема силового блока канала управления рентгеновским дифрактометром приведена на рисунке 2.
Напряжение питания +48В подается на усилители по команде интерфейсного блока, поступающей на оптотиристор VD7.
Силовой канал состоит из токового контроллера L6506 и мостового драйвера L6204 (для двигателей гониометрической приставки) или двух мостовых драйверов L6203 (при управлении ШД на оси гониометра) (микросхемы производства фирмы SGS-THOMSON MICROELECTRONICS). Токовый контроллер L6506 используется
для управления пиковым током в обмотках биполярного ШД, который ограничен величиной Ц^/^, где и^ - напряжение на ножках 16-17 ИМС Ь6506 (выходное напряжение делителя Я1/Я3), - токовый датчик. Таким образом, первый и второй силовые каналы настроены на ток 0,5А, третий - на ток 1,5А. Управление значением максимального тока осуществляется через аппаратную ШИМ, которая имеет место при подключении ЯС-цепи на ножку 1 ИМС Ь6506. Значения Я и С выбираются следующим образом:
время наличия синхросигнала за период Т2= 0,69*С*(Я*Ят)/(Я+Ят), время отсутствия синхросигнала за период Т1= 0,69*С*Я, коэффициент заполнения БС=Т2/(Т1+Т2) при Я>10Юм, где Яш - внутреннее сопротивление, равное 1 кОм ± 30%. Диапазон задания частоты ШИМ составляет 5-30 кГц.
В документации на мостовые драйверы Ь6203, Ь6204 рекомендуется подсоединение ЯС-цепочки параллельно обмоткам ШД. Величины сопротивления и емкости принимаются, исходя из следующих соотношений Я=Ш/1р, С=1р/^и^) , где Ш - напряжение питания моста, dU/dt - скорость спада выходного напряжения (обычно принимается 200У/цб).
Сигналы с датчиков нулевого положения для каждой управляемой оси дифрактометра передаются в интерфейсный блок и контролируются программно. В качестве датчиков положения используются щелевые оптические датчики (например, типа КЗПРЛ01 с апертурой 0,25-0,5 мм или аналогичные), установленные на гониометрической приставке (2 штуки) и внутри окружности гониометра.
Управление двигателем постоянного тока типа ДПМ-25 (в основном применяется при работе со стандартными гониометрическими приставками при исследовании порошковых образцов для обеспечения быстрого вращения образца относительно оси ф и т.п.) осуществляется по сигналу от интерфейсного блока с помощью микросхем Ь6506 и Ь6203. Параметры электрических цепей подбираются аналогично описанному выше для ШД и настроены на максимальный ток 0,8 А и частоту ШИМ - 20 кГц. Напряжение питания мостового драйвера двигателя постоянного тока составляет 24 V. Выбор частоты работы ШИМ произведен, исходя из значений электромеханической и электромагнитной постоянных двигателя, напряжения источника питания и принятого значения допустимых пульсаций тока в обмотке двигателя на уровне 3%, по известной методике [9].
Включение одного или нескольких силовых каналов в рабочий режим осуществляется по сигналам выбора номера управляемого двигателя, поступающего от управляющей ЭВМ через интерфейсный блок.
Кроме собственно регулирования подводимых к двигателю тока, напряжения и частоты, преобразователь должен выполнять и функции защиты как себя самого, так и привода в целом при возникновении перегрузок или аварийных ситуаций. Наличие многоуровневой защиты как на программном, так и на аппаратном уровне (максимально-токовая, обрыв фаз в нагрузке, понижение или повышение напряжения в цепи постоянного тока, тепловая, исключение длительной работы двигателя на резонансных частотах), особенно важно, так как в значительной степени определяет надежность работы устройства и его живучесть.
Хотя защита от прострелов и сквозных токов реализована непосредственно внутри микросхем мостовых драйверов Ь6203, Ь6204, она не обеспечивает отключение выходов мостового драйвера от источника питания при коротком замыкании выходов между собой, на источник питания или на землю, что может вывести прибор из строя (максимально-токовая защита). Для этой цели сигналы с токочувствительных резисторов поступают дополнительно на опорные диоды УБ18-УБ24 и при превышении допустимого уровня тока, сигнал аварии передается в интерфейсный блок, который вырабатывает команду отключения питания на обмотки двигателей (провод 01) аппаратно и/или программно.
Тепловая защита реализована внутри микросхем силовых драйверов.
При совместной работе с интерфейсным блоком преобразователь обеспечивает следующие режимы работы:
- включение и плавный пуск;
- поддержание заданной частоты
- аварийное отключение и диагностика;
- длительная автономная работа в необслуживаемом режиме;
Частота коммутации силовых ключей определяется диапазоном требуемых скоростей вращения ротора ШД и нагрузкой на оси дифрактометра, управляемые ШД, (максимальная нагрузка на ось составляет величину порядка 3 кг) и поддерживается в диапазоне от 1 Гц до 8кГц.
Разработанный блок имеет выводы для подключения внешних средств измерения, обеспечивающих контроль следующих параметров: выходного тока,
выходного напряжения и выходной частоты, - а также имеет сигнализацию: о включенном и отключенном состояниях, о состоянии фаз ШД, о срабатывании защит.
Разработанный блок ориентирован на прямое цифровое управление исполнительными механизмами, соответствует требованиям ГОСТ 4.139, ГОСТ 24607, прошел все необходимые испытания по ГОСТ 26567 и может применяться при построении системы сканирования рентгеновского дифрактометра (обеспечивает подключение одного гониометрического модуля).
Основные технические характеристики предлагаемого силового блока приведены в таблице 1 .
Таблица 1 - Технические характеристики силового блока
ХАРАКТЕРИСТИКА ЗНАЧЕНИЕ
Активная номинальная мощность, Вт 6...36
Полная номинальная мощность, ВА 41
Выходной ток, А 0,1...2
Диапазон изменения частоты на выходе, Гц 1...8000 ±0,1%
Тип нагрузки биполярный ШД (3 канала); двигатель пост. тока (1 канал)
Сопротивление обмоток ШД, Ом 1,5.40
Ток перегрузки 150% номинального тока при продолжительности нагрузки 120 с и времени усреднения 10 мин.
Номинальное напряжение на входе, В 220 +10%, -15%
Номинальная частота напряжения на входе, Гц 50 ±5%.
Габаритные размеры, мм3 200x200x300
Масса, кг 5
Блок питания +48/+24 У
Цепь Кон-
Вкл.пит. 1
Общ.плюс 2
Вкл.вращ. 3
¡ащита от КЗ
Адрес Х 7
Адрес У 8
Адрес № 9
4 фаза К
3 фаза 11
2 фаза 12
1 фаза 13
18
6 фаза 24
5 фаза 23
перек.р. 14
Выкл.засл. 15
Вкл. засл. 16
Вкл. сменщик 17
Р заслонки 21
Л.концвыкл. 21
Пр.концвыкл. 22
+5У 25
Нуль № 19
Нуль У
Нуль X 4
°~Т—Г
С28
4+
^00/10У | 0
/ 02 А2 <<
/ 03 А3 ЧЧ
/ 04 А4
/ 05 А5
/ 06 А6
/ 07 А7
/ 08 А8
09 А9
/
01 0 А0
/
011 В1 Ч
/
01 2 В2 Ч
/
01 3 В3
/
01 4 В4
/
01 5 В5
/
01 6 В6
/
01 7 В7
/
01 8 В8
/
01 9 В9
/
020 В0
/
021 С1 Ч.
/
022 С2 Ч.
/
023 С3
/
024 С4
/
025 С5
/
026 С6
/
027 С7
/
028 С8
/ // Ч
03 ЧЧ 023
/ // Ч
04 024
/ // ч
01 025
Рисунок 2 - Силовой блок. Схема электрическая принципиальная.
ш
09
ХМ0
ш
09
020
026
02 7
Ш
015
020
022
023
ХР4
024
025
026
027
028
022
Литература:
1 Шмакова Ю.В. Система автоматизации рентгеновских экспериментов для дифрактометров отечественного производства.// Заводская лаборатория. - 1997. -Т.63, №11. - С.36-38.
2 Шмакова Ю.В. Математическое моделирование работы шагового двигателя в системе сканирования рентгенодифракционного прибора// Электронный журнал "Исследовано в России", 80, с. 1092-1102, 2000г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2000/080.pdf
3 L6201, L6202-L6203. DMOS full bridge driver. Advance data. SGS-Thomson Microelectronics.
4 L6204. DMOS dual full bridge driver. Advance data. SGS-Thomson Microelectronics.
5 L6506, L6506D. Current controller for stepping motors. Advance data. SGS-Thomson Microelectronics.
6 Hopkins Thomas. Using the L6506 for current control of stepping motors. AN469. SGS-Thomson Microelectronics.
7 Scrocchi G., Fusaroli G. Short circuit protection on L6203. AN279. SGS-Thomson Microelectronics.
8 Hopkins Thomas. Controlling voltage transients in full bridge driver applications. AN280. SGS-Thomson Microelectronics.
9 Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями/ М.Е.Гольц, А.Б.Гудзенко, В.М.Остреров и др. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 184с.
