РАЗРАБОТКА Н-МОСТА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

При проектировании устройств электронного управления электродвигателями постоянного тока нередко стоит задача предварительной проверки схемотехники для уточнения параметров электронных компонентов, оценки переходных процессов и процессов, происходящих при работе электропривода и системы управления в целом. Для этого используют различные системы моделирования и симуляции, что позволяет снизить конечную стоимость устройства, увеличить скорость разработки и уменьшить брак.

Для моделирования электронных систем удобно использовать программу Proteus. В данной работе будет рассмотрен пример моделирования Н-моста для управления двигателем постоянного тока [1].

Для реверсивного управления двигателем постоянного тока с возбуждением от магнитов постоянного тока и номинальным напряжением якоря 12В применяют Н-мост на биполярных или полевых транзисторах.

Применение такой схемы управления позволяет уменьшить габариты системы управления, а также сделать ее компактной для маломощных двигателей. Однако расчет транзисторов и резисторов на этапе проектирования является достаточно сложной задачей, так как многие параметры двигателя нам неизвестны. Для упрощения этой задачи можно прибегнуть к моделированию системы управления и предварительной оценки правильности проведенных расчетов. В качестве среды моделирования можно использовать Proteus – достаточно простой и удобной среды моделирования электронных цифровых схем [2].

На рисунке 1 представлена модель Н-моста на биполярных транзисторах

Рисунок 1. Н-мост на биполярных транзисторах

Для моделирования схемы управления в качестве примера рассмотрим двигатель постоянного тока мощностью Pн= 30Вт с напряжением якоря Uа=12В.

Управление Н-мостом предполагается управлять через Arduino, однако, максимальный ток дискретных выходов данного контроллера составляет максимум 15мА, следовательно, для управления силовыми ключами Q5, Q6, Q1, Q2 необходимо подобрать транзистор Q9 и Q10 с большим коэффициентом усиления.

Ток базы транзисторов Q5, Q6, Q1, Q2:

                                                                                                                                                                          (1)

где β – коэффициент усиления транзистора по току,

β=21 (для КТ819,818)

I_н – ток нагрузки А,

I_н=5А

 

Сопротивление базы транзисторов Q5, Q6, Q1, Q2:

                                                                                                                                                             (2)

здесь U – напряжение питания,

U=12В

U_tv – падение напряжение на переходе эмиттер-база,

U_tv=0,7В

Ток базы транзисторов Q9 и Q10:

где β – коэффициент усиления транзистора по току,

β=200

I_н – ток нагрузки (максимальный) А,

I_н=0,23А

Сопротивление базы транзисторов Q9 и Q10:

здесь U – напряжение питания,

U=5В

U_vt  – падение напряжение на переходе эмиттер-база,

U_tv=0,7В

Результаты моделирования представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Результаты моделирования работы Н-моста

По рисунку 2 можно сделать вывод об адекватных расчетах электронных элементов Н-моста в первой итерации.

Следующим этапом проектирования системы управления двигателем является разработка схемотехники и трассировка платы [3].

На рисунке 3 представлена трассировка платы схемы управления.

Рисунок 3. Трассировка платы управления

На рисунке 4 показана модель платы, которая позволяет визуально оценить расположение электронных компонентов на плате.

Рисунок 4. 3D-модель платы управления

Выводы: в данной работе рассмотрен процесс разработки платы управления электродвигателем постоянного тока с применением программ моделирования и симуляции, что позволило оценить работоспособность предложенной схемы. Полученные результаты моделирования могут в дальнейшем использоваться при создании подобных устройств.