ДВУХТАКТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Рис. 4.21 иллюстрирует данный принцип управления на комплиментарных приборах для шагового двигателя (без центрального вывода) с источником питания 24 В и логических микросхемах на 15 В.

Hair-9ter

СИГНАЛЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 4.21. Двухтактное управление ишговым двигателем.

На зтом рисунке показана одна из двух обмоток управления, а также комплект логических управляющих схем. Управляющая часть состоит из 4-х N-канальных и 4-х Р-канальных МДП-транзисторов (для 2-х обмоток). M093-FC07 имеет полную индуктивность обмоток 31,76 мГн, полное сопротивление обмоток 2,46 Ом и ток вращения 2 А на обмотку.

Фазовые сдвиги осуществляются регистровым сдвигом, как это описывалось ранее. Схема на рис. 4.21 обеспечивает полношаговое и полушаговое перемещение при использовании 2-х КМОП регистров (для полношагового можно использовать только один 4-х-бито-вый регистр); Сигналы управления для N-канальных транзисторов непосредственно поступают от КМОП регмстров. А сигналы управления для Р-канальных транзисторов через транзисторы Q9, Q10. Емкость источника питания при подключении в мостовой схеме Р-канальных транзисторов должна быть достаточной для обеспечения заряда емкостей Р-канальных транзисторов и коллекторных токов. В переходном процессе переключения возможно включение обоих комплиментарных транзисторов. Для исключения броска тока стока напряжение затвор-сток для Р-канального МДП-прибора ограничен величиной 10 В. Мощные МДП-транзисторы конструктивно имеют сток-истоковые диоды. Схема на рис. 4.21 использует эти диоды для замыкания переходного тока обратно в источник, защищая МДП-транзистор от энергии, запасенной в обмотках.

Диоды сток-исток, однако, имеют время включения порядка 300 ns. Тогда емкость величиной 0,1 мкф, включенная параллельно обмотке, ограничивает dv/dt до отпирания диодов. Ток в обмотке ограничивается резистором 9 Ом мощностью 5 Вт.

ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКА В ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

Схема на рис. 4.21 использовала резистивное ограничение тока. При 2 А тока через обмотку (4 А в

двух) от источника в 24 В будет отбираться 96 Вт, но только 25% этой энергии будет передаваться к двигателю. Поэтому желательны другие (более экономичные) формы ограничения тока. Подобные схемы показаны на рис. 4.22.

IMS Св&

II обмотка двигателя JT

Comparator

Vret

Comparator

Rret

Pujc. 4.22. Ограничение тока в переключателях с помощью компараторов.

24 Volts

обмотка I-.i .двигателя

SO О-

импульсы

сдБига

(по ефчэоыту)

Half-Step О-

НС14194

НСМ194

СИГНАЛЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 4.23. Полная схема управления шаговым двигателем с ограничением по току.

Пусть ток течет слева направо. При этом на положительном входе компаратора (при условии RH Rie() напряжение примерно 0,2 В. При отсутствии тока напряжения на датчике (резистор 0,1 Ом) отсутствует и на выходе компаратора высокий уровень. При протекании тока в 1 А открыты левый Р-канальный и нижний N-канельный транзисторы, а ток через обмотку обеспечивается от источника питания. Ток 1 при этом нарастает со скоростью di/dt - V/L. Когда 1 увеличится до 2 А, то на датчике 0,1 А упадет напряжение 0,2 В и на правом компараторе установится низкий уровень. При этом Р-канальный транзистор выключается, а ток через обмотку двигателя замыкается по пути тока Ig. Когда на выходе компаратора низкий уровень, на входе + устанавливается напряжение порядка ,,70 мВ. Ток следует по пути Ig пока напряжение на резисторе 0,1 Ом не упадет ниже этого ги-стереэисного уровня. А потом опять включается Р-канальный транзистор.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

1. 2 x МС14194В. CMOS 4-бит. сдвиг, регистр

2. 1 x МС 14081 В. CMOS схема И .

3. 1 x MLM399P. Компаратор

TMOS мощные ПТ

1. 01-04 4 x МТР8Р08 или МТ8Р08 (Р-канал)

2. 05-08 4 x MTP12N08 или MTM12N08 (п-канал)

Транзисторы 1. 09-012 4 x MPS 8099. при Резисторы

1. 4 x 0,1 Ом, 2 Вт

2. 4 x 680 Ом, 1/4 Вт

3. 5 x 1,0 к, 1/4 Вт

4. 2 x 10 к, 1/4 Вт

5. 1 x 30 к, 1/4 Вт

6. 1 x 30 к переменное 1/4 Вт

7. 6 x 100 к, 1/4 Вт

8. 2 x 22 МОм 1/8 Вт

Стабилитрон

1 x MZ4679, 2 В

Конденсаторы

3 X 0,1 мкф x 100 В

4 x 50 пФ x 50 В

Рис. 4.24.

На рис. 4.23 показана полная схема управления обмоткой двигателя с ограничением по току.

А на рис. 4.24 перечислен список комплектующих деталей.

Hall.Slep

Рис. 4.25. Полно-или полушаговый двигатель с синхронным выпрямителем.

Цепь на рис. 4.23 имеет ограничение на 8 А постоянного тока. При использовании специальных Р-канальных МДП-транзисторов напряжение питания может составлять до 70 В. Это позволяет передавать в каждую обмотку 560 Вт. При этом требуются быстродействующие компоненты для защиты.

ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОННОГО ВЫПРЯМЛЕНИЯ

В схеме 4-23 при потреблении в 26,4 Вт и токе 2 А на обмотку к двигателю M093-FC07 поступает 78,8% энергии. Расчеты показывают, что более чем 50% мощности контролируемого тока идет на потери в сток-истоковом диоде при протекании тока l. Эти потери можно понизить посредством управления нижним N-канальным транзистором как синхронным выпрямителем. Такая схема показана на рис. 4.25.

В этой схеме нижний N-канальный транзистор синхронно включается при выключении верхнего Р-канального транзистора от сигнала компаратора. В этой схеме достигается к.п.д. в 88,4% при токе 2 А на обмотку.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОСТОВЫХ СХЕМ

Мощные МДП-транзисторы обладают несравненными преимуществами в низковольтных мостах. В этой части МДП-приборы сравниваются биполярными дискретными приборами и биполярными сборками Дарлингтона.

Схемы и принципы сравнения:

- двигатели постоянного тока на 2 А (15 А пускового тока);

- 12 В - автомобильное питание, 32 В максимум, 14 В номинальное;

- вход Н типа, 2 мА требуемой чувствительности;

- вставки дискретных драйверов;

- максимальная температура окружающей среды 100°С, максимальная температура перехода 150*С;

- используемые приборы по выходной мощности применены по максимуму справочных данных.

Дискретный биполярный преобразователь н типа

Транзисторы Т1Р35 и TIP36 мощного типа выбраны из-за их низкой стоимости и высокой токовой способности (запас по току). Для управления в базу им требуется 1,5 А для переключения тока нагрузки в 15 А. Эта величина тока управления может быть снижена на 30%, если воспользоваться максимальной величиной hf (Bn), но для использования в разработках желательно применение типовых значений параметров. Для данного преобразователя требуются транзисторы управления средних размеров и высоковаттные и низковольтные резисторы в базовой управляющей цепи. В перспективе данный преобразователь мог бы управляться от логических схем или микроконтролеров.

Для защиты от перенапряжения применен двусторонний стабилитрон. 6 схемах с транзисторами Дарлингтона и МДП-типа в приборах имеются обратные диоды и тогда защитных стабилитронов не требуется. Защитные емкости и резисторы могут быть испольэоааны во всех трех типах выходных приборов.

Как следует далее, биполярный прибор не очень практичен из-за высоких потерь по цепи управления. В большинстве ситуаций полевые приборы или транзисторы Дарлингтона предпочтительнее.

В схеме использованы : в.1хыс1404вив,

1x UCi40eiB, Ix ЫС14071В

D.DZk

jJ; в,оп f -

leon

lOki

-jUPSUDlA

IBOn

MOTOR -ff~>-3

IS A Fk

2.0 A Nam.

TIP35 TIPSS

S.DW

B.an

upsuoiaS.

IBOn

z.aw

Также схеме Д{рлингтоне требует большего теплового радиатора, чем биполярный еналог. Но здесь имеются собственные защитные диоды.

Даннвя схеме хорошо используется при высоких непряжениях и низком уровне тока, когда снижается непряжение насыщения.

Характеристики схемы рис. 4.27: VcE( at) - 3 В при 15 А 1б - 0,08 А VcE(sBt) - 1,1 В при 2 А 1б - 0.08 А Мощность управления Рд - 1,12 Вт Мощность в двигателе MTR Рд - 8 В X 15 А - 120 Вт

MTR Рд - 11,8 В X 2 А - 23,6 Вт

- 9тfn2o - Р

новке)

Л .Лчв - 81% (при вращении) . 5.3 + 23,6

Рис. 4.26. Переключатель Н-типа на биполярных транзисторах.

Характеристика схемы рис. 4.26: Напряжение насыщения VcE(sat) ~ 1.8 В при 15 А. 1б - 1,5 А

VcE(sat) - 0,4 В при 2 А, 1б - 1,5 А Мощность управления: 14 В X 1.5 А - 21 Вт Мощность в двигателе:

MTR Р

10,4 В x 15 А - 156 Вт

MTR Рд - 13,2 В x 2 А - 26,4 Вт

КПД - J - 67.5% (75 - мощность на переключение + мощность управления)

26.4 22.6+26.4

- 53.8

Схема Дарлингтона в преобразователе Н -типа

В данном Н-мосте применены мощные транзисторы фирмы Motorola MI4030 и MI4033 в корпусах ТО-204(ТО-3). В данном случае мощность, потребляемая

Мощные МДП-транзисторы в преобразователе Н-типа

В данной конструкции применены мощные полевые приборы MTP25N05. Здесь выигрыш и по размерам и по вычисляемым потерям в сравнении с двумя предыдущими вариантами. Однако в схеме требуется источник в 34 В для смещения. Но по току это может быть источник всего лишь в iOO мкА.

Характеристики схемы рис. 4.28 Vosion) ~ 0,9 В при 15 А Напряжение затвор-исток 20 В

VDS(on) - 0,12 В при 2 А Vqs - 20 В

Мощность в цепи смещения: Рд 0,01 Вт max.

Мощность в двигателе:

MTR Рд - 12,2 В X 15 А - 183 Вт

MTR Рд - 13,76 В X 2 А - 27,5 Вт

КПД 23 - 87% (при остановке)

КПД - 27,5 0.48+27.5 (при вращении)

Рис. 4.27. Переключатель Н типа на транзисторах Дарлингстона

по цепи управления, уменьшена по сравнению с биполярным вариантом. Однако напряжение в открытом состоянии возрастает, так что надо быть внимательным к паспортным значениям номинального напряжения на двигателе.

Сревнение пераметров Н-мостов приводится в табл. 4.8.

Улучшение эффективности давления двигателем с нощью МДП-транзисторов Не рис. 4.29 предстевле-на схеме, чувствительная к изменению электродвижущей силы в двигетеле и осуществляющая задержку изменения полярности нвпряжения управления, что позволяет уменьшить пик тока в течение реверса даигателя.

В схеме используются две пары N-канальных приборов для прямого и обратного хода двигателя. Инвертор управляется от КМОП-микросхем и маломощного МДП-транзистора. Мультивибратор с тремя выходными инверторами работает на частоте 240 кГц и обеспечивают смещение на затворе даже при напряжении питания в 6 В.