Расчетно-пояснительная записка

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ НА ТЕМУ:

Следящий привод для управления несъемной подвижной пушечной установкой

 

Студент СМ7-81Б                                                 _________________                    Д. В. Глушков

               (Группа)                                                                       (Подпись, дата)                             (И.О.Фамилия)           

 

Руководитель ВКР                                                     _________________                                     Ю. Р. Кузин

                                                                                                        (Подпись, дата)                              (И.О.Фамилия)           

 

Нормоконтролер                                                         _________________                    В.А. Панков

                                                                                                           (Подпись, дата)                               (И.О.Фамилия)           

 

 

2019 г.

Реферат

Расчетно-пояснительная записка содержит 111 с., 85 рисунков, 18 таблица, 30 источников, 2 прил.

Следящий привод для управления несъемной подвижной пушечной установкой.

Объектом исследования является следящий привод несъемной пушечной установкой НППУ-280-1, разработанной заводом-производителем АО «Аэроэлектромаш».

Цель выпускной квалификационной работы - разработка системы управления, её синтез и проектирование блока усилителя мощности для двигателя постоянного тока, а также рассмотрение и исследование методов непроизвольного переключения оптопар.

Результаты выпускной квалификационной работы:

- Создана математическая модель привода в среде Matlab Simulink

- Проведен анализ синтез математической модели и синтез корректирующих устройств

- Разработана принципиальная схема импульсного усилителя мощности ДПТ

- Спроектирована печатная плата усилителя мощности в САПР Altium Designer

- В среде КОМПАС 3Д была разработана конструкторская документация на усилитель мощности

- Рассмотрена проблема непроизвольного переключения оптронов вследствие наведения помех, найдены возможные конструктивные варианты решения

- Проведена экспериментальная часть одного из вариантов устранения непроизвольного переключения оптронов

 

 

Содержание

Реферат. 5

Содержание. 6

Обозначения и сокращения.. 8

Введение. 9

Техническое задание. 11

1. Исследовательская часть. 13

1.1. Математическая модель привода. 13

1.2. Расчет горизонтального канала. 16

1.2.1. Анализ нескорректированной системы.. 16

1.2.2. Синтез последовательного корректирующего устройства. 20

1.2.3. Синтез параллельного корректирующего устройства. 25

1.2.4. Проверка устойчивости внутреннего контура. 30

1.2.5. Введение в систему нелинейностей. 31

1.3. Расчет вертикального канала. 35

1.4. Анализ полученных результатов в программе Matlab и заключение. 36

2. Конструкторская часть. 36

2.1. Принцип работы усилителя мощности по схеме полного моста. 37

2.2. Выбор компонентов полного моста. 38

2.2.1. Подбор силовых полевых транзисторов. 38

2.2.2. Выбор ограничительных диодов. 40

2.2.3. Выбор драйвера управления и защиты СТК.. 41

2.2.4. Подбор компонентов защиты СТК по перенасыщению.. 45

2.3. Разработка схемы управления драйверами СТК.. 48

2.3.1. Схема управления драйвера верхнего ключа. 52

2.3.2. Схема управления драйвера нижнего ключа. 57

2.4. Разработка схемы управления муфтой. 58

2.5. Разработка блока рекуперации. 64

2.6. Подбор вторичных источников питания и стабилизаторов напряжений 69

2.6.1. Выбор вторичных источников питания. 69

2.6.2. Выбор стабилизаторов напряжения. 71

2.6.3. Расчет тока потребления. 73

2.7. Выбор микроконтроллера. 75

2.8. Выбор разъема. 76

2.9. Описание работы схемы усилителя мощности. 78

2.9.1. Нормальный режим работы.. 78

2.9.2. Режим работы при наезде на концевой выключатель. 80

2.9.3. Ручное включение муфты.. 82

2.10. Разработка печатной платы.. 82

3. Научно-исследовательская часть. 85

3.1. Теоретическая часть. 85

3.1.1. Введение. 85

3.1.2. Постановка задачи. 86

3.1.2. Понятие Common-Mode Rejection. 89

3.1.3. Непроизвольное переключение оптопары.. 91

3.1.4. Устранение помех при включенном светодиоде. 94

3.1.5. Устранение помех при выключенном светодиоде. 94

3.2. Практическая часть. 96

3.2.1. Выбор оптрона. 96

3.2.2. Разработка принципиальной электрической схемы.. 97

3.2.3. Используемое оборудование. 100

3.2.4. Ход исследования. 101

3.2.5. Заключение. 107

Заключение. 108

Список использованных источников.. 109

Приложение А.. 112

Приложение Б. 116

 

 

 

Обозначения и сокращения

НИИ – научно-исследовательский институт

НУК – научно-учебный корпус

СТК – силовые транзисторные ключи

ОПК – оборонно-промышленный комплекс

ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

ЛФЧХ – логарифмическая фазо-частотная характеристика

УГО – условно-графическое обозначение

ДПТ – двигатель постоянного тока

ЭКБ – Электронная компонентная база

МПП – многослойная печатная плата

CMR –common-mode rejection

CMRR – common-mode rejection ratio

CMTI – common-mode transient immunity

 

Тема выпускной квалификационной работы: Следящий привод для управления несъемной подвижной пушечной установкой.

Целью выпускной квалификационной работы является разработка системы управления, её синтез и проектирование блока усилителя мощности для двигателя постоянного тока (ДПТ).

 

Введение

В преддверии 1-й мировой войны, вследствие стремительного развития научной, технической, экономической сфер деятельности человека, начинают появляться оборонно-промышленные комплексы (ОПК) у влиятельных государств. В межвоенный период стратегия усовершенствования ОПК выходила на первый план дальнейшего развития большинства европейских и американских стран. После 2-й мировой войны и в ходе «холодной войны» оборонно-промышленный комплекс начинает набирать безумные темпы развития. С появлением ракетно-ядерного вооружения возникают такие научные и производственные направления, как вычислительная техника, системотехника, радиолокация, прикладная математика и т.п. [1].

В 50-ых годах XX века особое внимание уделяется созданию мощных и точных следящих систем и приводов наведения для разрабатываемых комплексов вооружения армии и флота. Следящий привод представляет собой замкнутую активную динамическую систему, управляющую перемещением объекта регулирования, при этом регулируемая величина с той или иной степенью точности воспроизводит приложенное к системе управляющее воздействие. Следящие системы нашли применение во многих видах вооруженных сил, вот некоторые из них: приводы наведения антенн, наземных пусковых установок зенитно-ракетных комплексов, рулевые гидроприводы баллистических ракет, трансмиссий танков, системы ориентации искусственных спутников Земли и т.п. Пионерами в создании и развитии следящих приводов являются нынешние ОАО «Аэроэлектромаш» (http://aeroem.ru/) и АО «ЦНИИАГ» (http://cniiag.ru/).

После подписания федерального закона от 6 марта 2006г. «О противодействии терроризму» [2] стала актуальна череда развития вооружения военной техники на следящих приводах для подавления возможных или совершенных террористических актов на суше, на земле или в воздухе.

В данной работе задействуется несъемная подвижная пушечная установка НППУ-280-1 на следящем приводе [3], предназначенная для вооружения боевых вертолетов (Рисунок 1). Система управления которой разрабатывается заводом ОАО «Аэроэлектромаш» совместно с НИИ НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Рисунок 1. Несъемная подвижная пушечная установка НППУ-280-1

Для успешного управления пушечной установкой необходимо решить задачу теории автоматического управления, синтезировать корректирующие устройства для корректной работы системы и разработать усилитель мощности для ДПТ, управляющего горизонтальным и вертикальным каналами наведения.

 

 

 

 

Техническое задание

Аппаратура предназначена для управления установкой У-280М с автоматической пушкой 2А42 в составе изделия 9А-4349-1М на изделии «296».

Установка подвешивается к корпусу изделия «296» снизу и обеспечивает углы обстрела:

по горизонту - вправо (115±1) °, влево (115±1) °;

по вертикали - вверх (5±1) °, вниз (40±1) °;

углы поворота установки, не более:

по горизонту - вправо 119 °, влево 119 °;

по вертикали - вверх 8 °, вниз 45 °.

Приводы вертикального и горизонтального наведения укомплектованы однотипными мотор-редукторами в составе:

· двигатель;

· редуктор;

· датчик положения грубого отсчета;

· датчик положения точного отсчета;

· кулачковый механизм с концевыми выключателями походного и крайних положений.

Двигатель: Д-600ТФ  постоянного тока с независимым возбуждением.

Характеристики Д-600ТФ:

· Номинальное напряжение якоря,  -     50 В;

· Номинальный ток якоря,   - 17,5 А;

· Момент инерции ротора, -   5*10^-4 кгм²;

· Номинальный развиваемый момент, - 0,98 Нм;

· Номинальная скорость, - 6000 об/мин.;

· Сопротивление якоря, - 0,15 Ом;

· Индуктивность якоря, - 0,3 мГн.

В неподвижном состоянии привода вал двигателя блокируется муфтой.

Передаточное отношение редуктора между двигателем и выходным валом - 97.

Мотор-редуктор в составе привода горизонтального наведения вращает подвижное основание с приводом вертикального наведения. Мотор-редуктор в составе привода вертикального наведения поворачивает качалку с пушкой. Передаточное отношение от выходного вала редуктора горизонтального канала к основанию - 11. Передаточное отношение от выходного вала редуктора вертикального канала к качалке - 11.

К расчету были приняты следующие данные о нагрузке в горизонтальном и вертикальном каналах:

Моменты инерции (по выходному валу):

· горизонт 147 кгм ²,

· вертикаль 18 кгм ².

Номинальное напряжение питания аппаратуры управления:

· постоянного тока 27 В;

Потребляемый ток:

· по цепи 27 В  не более 25 А (кратковременно, при стрельбе);

· по цепи 27 В от аккумуляторной шины не более 20 А.

К расчету принять следующие требования к аппаратуре управления:

· наименьшая скорость слежения, не более 0,004 рад/с (0,229 ° /с);

· наибольшая скорость слежения, не менее 0,52 рад/с (29,79 ° /с);

· скорость переброса не менее 0,785 рад/с (45 ° /с);

· наибольшее ускорение слежения не более 0,52 рад/с ² (29,8 ° /с ²);

· время разгона установки до 0,9 скорости переброса не более 0,3с;

· статическая ошибка не более 3,5 угловых минут.

Для выполнения этих требований аппаратура должна обеспечивать:

наибольшее значение статического электрического угла рассогласования не более 3,5 угловых минут;

среднее значение динамического электрического угла рассогласования при слежении за целью не более 9 угловых минут;

наибольшее значение электрического угла рассогласования при отработке гармонических воздействий с частотой 1,5 Гц и амплитудой 1,5 ° при наибольшем суммарном моменте должно быть не более 14 угловых минут.

Время успокоения установки от первого согласования до момента снижения амплитуды ошибки до величины, не превышающей значения 3,5 угловых минут не должно превышать 1,2 с.

 

Исследовательская часть

Расчет вертикального канала

Вертикальный канал отличается от горизонтального лишь тем, что приведенный момент инерции меньше, чем у горизонтального. Передаточные функции двух каналов были приведены выше. Как не сложно заметить, данные уравнения мало отличаются друг от друга, и вертикальный канал рассчитывается и синтезируется аналогично горизонтальному. Поэтому расчет вертикального канала в данной работе не приводится, так как полагается, что он абсолютно точно повторяет расчет горизонтального.

1.4. Анализ полученных результатов в программе Matlab и заключение

Все графики в программе Matlab были приведены выше, проанализированы и описаны. В итоге, из системы, которая не отвечала требованиям по точности и принципу действия, была получена система, которая соответствует всем показателям, приведенным в техническом задании, а именно требования по точности при двух разных входных гармонических сигналах, требованию по устойчивости и быстродействию системы.

 

Конструкторская часть

Для управления ДПТ необходимо разработать принципиальную схему и спроектировать плату усилителя мощности.

Усилитель мощности – электронное устройство для усиления входного сигнала. В усилительных элементах чаще всего используются явления электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. В выпускной квалификационной работе описывается принцип работы, ход разработки и подбора элементной базы усилителя мощности ДПТ, построенного на MOSFET транзисторах, включенных по схеме полного моста [9], известного в англоязычной литературе как H-bridge.

Выбор схемы включения типа полного моста нашел широкое применение в робототехнике, так как он позволяет обеспечивать двигательный, тормозной и реверсивный режимы работы привода.

Управляющее воздействие, прикладываемое на вход усилителя мощности – сигнал ШИМ с частотой 20кГц и амплитудой 5В, который подается с микроконтроллера.

Дополнительно в схеме усилителя мощности присутствует электромагнитная муфта. Ее функциональное назначение заключается в том, чтобы фиксировать вал электрического двигателя в неподвижном положении при его неиспользовании и при срабатывании концевых выключателей крайних положений при наезде пушечной установки на них. Структурная схема усилителя мощности отображена в Приложении А.

Усилитель мощности будет построен полностью на отечественной компонентной базе, согласно перечню ЭКБ [10], так как изделие будет использоваться в военной отечественной технике.

Расчет тока потребления

По техническому заданию потребление от аккумуляторной шины не должно превышать 20А. Рассчитаем получившееся значение тока потребления при максимальном режиме работы схемы, хоть таковой и не наступает. То есть будем учитывать ток потребления всех микросхем в динамическом режиме, ток протекающий через транзисторы, если бы они все были открыты, при это соблюдая еще тот момент, что у ВИП и стабилизаторов напряжения есть свое ограничение на ток нагрузки (см. Плакат 1)

По цепи +15V_1:

По условию, нагрузочный ток ВИП U1 не должен превышать ток 400мА. Ток потребления микросхемы 1474ХХ3Т DD4 составляет 18мА, ток потребления микросхемы 1463УБ1У DD7 2.2мА, при открытом транзисторе VT38 ток, протекающий через него составляет 33мА. В итоге суммарное значение тока потребления 54мА

По цепи +5V_1:

По условию, нагрузочный ток стабилизатора напряжения U5 не должен превышать 500мА. Ток потребления микросхемы 1564ТЛ3 DD2 8мкА в статическом режиме, данных для динамического режима нет, но примем 15мА. Ток потребления микросхемы 249ЛП8Т DD1 составляет 16мА. Итого 31мА.

По итогу суммарно по цепи +15V_1 и +5V_1:

Ток потребления микросхемы U5 можно вычислить применив закон сохранения энергии, в идеальном случае

; (62)

; (63)

; (64)

Прибавляя получившееся значение к току потребления U1 получаем ток потребления аккумуляторной шины аналогично с помощью уравнений (62) и (63).

; (64)

 

По цепи +15V_3 и +5V_3 расчет получится аналогичным, поэтому

; (65)

По цепи +15V_DW:

Ток потребления 1474ХХ3Т DD9, DD12 и DD19 составляет 18*3мА, то есть 54мА. Ток потребления компаратора 1467СА1Т DD8 составляет 1мА. Ток потребления через резисторы R69 и R75 составляет 1.5мА. Ток потребления усилителя 1463УБ1У DD6 составляет 2.2мА. Итого топ потребления по цепи +15V_DW составляет 59мА.

По цепи +5V_DW:

Состоит из тока потребления трех оптопар 249ЛП8Т и DD1, DD10 и DD20, что получается 48мА. Ток потребления 1564ТЛ3 DD11A составляет 15мА. В итоге получаем 63мА.

; (66)

; (67)

По цепи +5V:

Для ВИП ВР24-6 (24->1х5) максимальный ток нагрузки составляет 1А. Из данного требования рассчитаем ток потребления общий, а потом ток потребления самого ВИП от аккумуляторной цепи. Ток потребления 1554ТЛ2ТБМ для двух микросхем DD5 и DD3 составляет 8мкА для статического режима, примем 60мА для динамического. Через R1 и R10, и VT1 90мА. Через R2 и VT4 20мА. Через R9 и VT2 40мА. Через R76 и R80 20мА. Через R78 и VT17 40мА. Через R63 и VT10 3мА. Ток потребления D-триггера 1564ТМ2 DD18 12мА. В итоге 285мА.

; (68)

По цепи +27V:

Напрямую от аккумуляторной цепи питаются обмотки управления и возбуждения электромагнитной муфты, и протекает еще ток через транзисторы VT39 и VT32. Через одну обмотку примем ток текущий в 1.5А, получается для двух обмоток 3А. через транзисторы VT39 и VT32 течет ток номиналом 36мА. В итоге примем 3.1А.

; (69)

 

Итоговое потребление по цепи +27V:

; (70)

Общий ток потребления получился 3.3А, но это только для одного из каналов (вертикальный или горизонтальный). Умножая значение, получившееся в уравнении (70) в два раза и делая скидку на токи утечек получаем, что общий ток потребления усилителя мощности составляет ~7А. Что соответствует предъявляемому условию на ток потребления до 20А по техническому заданию.

Выбор микроконтроллера

При разработке усилителя мощности встает вопрос выбора микроконтроллера, управляющего работой полного моста, а также участвующего в организации обратных связей и реализации корректирующих устройств. Так как данный усилитель мощности будет устанавливаться на военную технику авиационного применения, то было бы логично использовать для этого специализированный микроконтроллер, поддерживающий определенные авиационные интерфейсы, задокументированные по ГОСТ.

Была выбрана микросхема 1986ВЕ1Т [26], являющаяся 32-разрядным микроконтроллером авиационного применения. Краткие сведения о 1986ВЕ1Т:

· RISC архитектура с тактовой частотой до 144МГц

· 128 кбайт флэш-памяти программ и 48 кбайт ОЗУ

· Интерфейсы UART, SPI, Ethernet, авиационные интерфейсы по ГОСТ 18977-79 и ГОСТ Р52070-2003.

· Наличие контроллера USB интерфейса со встроенным аналоговым приемопередатчиком и двух контроллеров CAN интерфейса.

· Четыре 32-разрядных таймера с 4 каналами схем захвата и ШИМ, 24-разрядный таймер и два сторожевых.

· 12-разрядный АЦП с возможностью оцифровки информации с 8 каналов, встроенного датчика температуры и опорного напряжения, два 12-разрядных АЦП.

Вдаваться в полные аппаратные и технические подробности микроконтроллера 1986ВЕ1Т не будем. Скажем лишь, что напряжение питания микроконтроллера от 3В до 3.6В. Исходя из этих соображений, между микроконтроллером и схемой усилителя мощности (на вход которого от микроконтроллера должны приходить уровни КМОП) должны стоять дополнительные блоки, осуществляющие конвертацию 3В в 5В, а также выполняющие иные функции. Данные блок в расчетно-пояснительной записке также рассматриваться не будут.

Выбор разъема

Разъем необходим при разработке печатной платы. Через него будут проходить сигналы на управление усилителем мощности, а также через данный разъем будет подключаться якорь ДПТ (обмотка якоря ДПТ).

Выбираем разъем СНП260-135РП31 [27], с основными характеристиками в Таблице 17.

Таблица 17. Параметры разъема СНП260-135РП31

Параметр	Значение
Число контактов	135
Сопротивление электрического контакта, мОм	1.5
Максимальное рабочее напряжение, В	250
Рабочий ток на каждый контакт, А	1.8
Максимальная частота переменного тока, МГц	3

 

Распиновка разъема представлена на Плакате 2. Все сигнальные линии соединены с единственным контактом. Для питания обмоток якоря ДПТ необходимо соединять контакты, так как рабочий ток на контакт должен составлять 1.8А. То есть, необходимо объединять контакты для меток MOTOR1, MOTOR2, UDW. Из расчета того, что для ДПТ номинальный ток якоря составляет 17.5А, то примем допустимый рабочий ток через объединенные контакты в 50А. Для этого необходимо соединить по 21 контакту для меток MOTOR1, MOTOR2 и UDW..  Аналогично поступим с сигналом, приходящем с источника напряжения полного моста, метки POWER. Так как ток потребления по аккумуляторной шине 27В составляет приблизительно 7А, а для запаса по току примем ток потребления в 10А. Таким образом +27V объединяем в 6 контактов, с полученным рабочим током в 11А. Оставшиеся незадействованные контакты объединяем с общим проводом аккумуляторной шины G27V.

На Рисунке 53 отображен внешний вид разъема СНП260-135РП31.

Рисунок 53. Внешний вид разъема СНП260-135РП31

 

Нормальный режим работы

Нормальным режимом работы усилителя мощности назовем такой режим, при котором ДПТ находится в двигательном режиме, без наезда на концевые выключатели и без использования электромагнитной муфты. Все следующие обозначения элементов и меток берутся с Плаката 1.

Как было сказано выше, концевые выключатели не будут участвовать в данном режиме, значит, на метках DOWN_LEFT и UP_RIGHT обрыв цепи. В нормальном режиме работы усилителя мощности сигнал, управляющий драйверами СТК, приходит с процессора (метки SW1_CPU, SW2_CPU, SW3_CPU, SW4_CPU). Для начала опишем работу для движения вала ДПТ в одну сторону, принцип работы схемы для движения вала ДПТ в обратную сторону – аналогичен и его рассматривать не будем.

При обрыве схемы в метке DOWN_LEFT с выхода микросхемы триггера Шмитта DD3 выходит высокий уровень, открывающий транзистор VT1, который позволяет выходу микросхемы DD3, на которую приходит входной сигнал с процессора, управлять базой транзистора VT4, который в свою очередь позволят открывать/закрывать транзистор VT2. При открытом (закрытом) транзисторе VT2 на выходе микросхемы DD1 образуется высокий (низкий) уровень, который через логику микросхемы DD2 формирует также высокий (низкий) уровень на входе драйвера управления и защиты СТК. Таким образом процессор управляет верхним плечом полного моста. При выходе с микросхемы DD высокого уровня транзистора VT16 нижнего плеча будет открыт, тогда транзистор VT17 будет закрыт, из чего следует, что на вход микросхемы DD10 приходит низкий уровень. Для того, чтобы не допустить открытия сразу верхнего и нижнего плеч полного моста, так как это приведет к короткому замыканию полюсов источника напряжения и выходу из строя полевых транзисторов, сигнал с процессора SW2_CPU должен принимать значение логической «единицы», которая инвертируясь микросхемой DD3B позволяет с выхода DD1B снимать высокий уровень. Логический элемент DD10 отрабатывает входную «единицу» и входной «ноль», выдавая высокий уровень напряжения на вход драйвера СТК. Таким образом нижнее плечо полного моста является закрытым. Противоположная ситуация будет происходить в управлении противоположной горизонталью. На метке SW3_CPU постоянно должна присутствовать логическая «единица», приводящая к образованию высокого уровня на входе микросхемы DD14. Напротив, метка SW4_CPU должна менять свое значение напряжения для того, чтобы микросхема драйвера СТК DD18 управляла затворами транзисторов нижнего плеча полного моста. Также, открытые транзисторы VT10 и VT30 не позволяют открыться транзисторам VT9 и VT29, которые отключат электромагнитную муфту.

Таким образом, при следующих сигналах: SW1_CPU = «0», SW2_CPU = «1» (постоянный), SW3_CPU = «1» (постоянный), SW4_CPU = «0», ток полного моста будет протекать в направлении, представленном на Рисунке 54.

Рисунок 54. Направление тока через ДПТ при сигналах управления SW1_CPU = «0», SW2_CPU = «1» (постоянный), SW3_CPU = «1» (постоянный), SW4_CPU = «0».

 

При инверсных напряжениях с процессора направление тока изменится на противоположное (Рисунок 55).

Также во время нормального режима работы может возникнуть авария по перенасыщению полевого силового транзистора. При аварии на транзисторе VT6 (VT24) на вход микросхемы DD2 (DD13) через каскад защиты СТК поступает логическая единица, которая приводит к закрытию СТК до тех пор, пока напряжение на переходе транзистора не вернется в норму.

 

Рисунок 55. Направление тока через ДПТ при сигналах управления SW1_CPU = «1» (постоянный), SW2_CPU = «0», SW3_CPU = «0», SW4_CPU = «1» (постоянный).

 

Ручное включение муфты

Также у оператора есть возможность включать/выключать электромагнитную муфту в ручном режиме. Это необходимо при бездействии пушечной установки, а также при нахождении боевой машины на вертолетной площадке, так как без фиксации пушечной установки в необходимом положении есть вероятность ее повредить при посадке.

Микроконтроллер посылает сигнал напрямую к D-триггеру и в соответствии с Таблицей 9 есть возможность принудительно отключить (соединить) электромагнитную муфту.

 

Разработка печатной платы

Следующий шаг конструкторской части ВКРБ – это проектирование печатной платы усилителя мощности. Разработка принципиальной схемы и разведенной печатной платы производилась в системе автоматизированного проектирования Altium Designer.

Ввиду того, что принципиальная электрическая схема содержит множество сигнальных шин, шин питания совместно с земляными проводами, а также силовых линий, невозможно обойтись двухслойной платой. Поэтому печатная плата была разведена в восьми слоях. В Таблице 18 приводится описание каждого из слоев.

Таблица 18. Слои печатной платы

Номер слоя и название	Назначение
1. Верхний слой (Top layer)	Располагаются основные микросхемы и силовые модули усилителя
2. Второй слой (Mid-layer 1)	Напряжение +27V от аккумуляторной шины, +5V с ВИП, конец обмотки якоря MOTOR2, вспомогательные сигнальные линии.
3. Третий слой (Internal Plane 1)	Напряжение +27V от аккумуляторной шины, +5V с ВИП и конец обмотки якоря MOTOR2
4. Четвертый слой (Internal Plane 2)	Земля аккумуляторной шины, конец обмотки якоря MOTOR1
5. Пятый слой (Internal Plane 3)	Напряжение якоря двигателя с источника напряжения, земля с ВИП U1, U2, U3, шина рекуперации.
6. Шестой слой (Internal Plane 4)	Земля источника напряжения питания якоря двигателя. Выход напряжений с ВИП +15V_DW, +15_V1, +15_V3 и питание обмоток муфты
7. Седьмой слой (Mid-layer 2)	Земли с ВИП U1, U2, U3, шина рекуперации, источник напряжения питания якоря двигателя, сигнальные линии управления муфтой и т.д
8. Нижний слой (Bottom layer)	Блок рекуперации (резисторы), большинство конденсаторов и резисторов, сигнальные линии управления и т.д.

 

Разводка печатной платы по слоям отображена на Плакате 3, а чертеж печатной платы на Плакате 4.

Сигнальные линии разводились проводниками шириной дорожки равной 0.305 мм (12mil). Толщина дорожки для данных линий не принципиальна, так как по ней не текут токи большого номинала – их основная задача связывать компоненты и передавать напряжение (для логических элементов).

Шины питания с ВИП, с источника напряжения, земельные шины и т.д. разводились с помощью полигонов – больших металлизированных участков платы. Полигоны позволяют удобно коммутировать цепи, рассчитанные на большие значения токов, так как площадь покрытия гораздо больше, чем у сигнальных линий.

Также предусмотрено посадочное место под разъем СНП260-135РП1, с которого выходят сигналы с микроконтроллера, подключаются обмотки двигателя и обмотки муфты. Предусмотрены отверстия для крепления усилителя мощности к поверхностям, а также посадочные места для разъемов, через которые подключаются обмотки муфты к усилителю мощности.

Толщина многослойной печатной платы высчитывается по следующей формуле:

; (71)

Где  – толщина слоя МПП,  – толщина прокладки. С учетом того, что толщина одного слоя 0,4мм, а толщина прокладки 0,38мм, тогда толщина МПП составляет около 3мм. Толщину слоя фольги выбираем максимальной возможной (для МПП это 35мкм), так как по слоям полигонов в средней части платы могут протекать значительные токи, соответственно необходима большая площадь поперечного сечения проводника для избегания перегрева слоев. Используя калькулятор, представленный фирмой по производству печатных плат «Резонит», получаем следующее распределение по слоям (Рисунок 57.1).

Рисунок 57.1. Распределение слоев МПП

 

Препрег – композиционный материал, представляет собой лист волокнистых материалов, пропитанный полимерами.

Теоретическая часть

Введение

Для начала дадим определение оптрона. Оптрон (или оптопара) – электронный прибор, состоящий из излучателя света, обычно используется светодиод, и фотоприемник (биполярный и полевые фототранзисторы, фотодиоды, фоторезисторы и т.д), связанных оптическим каналом и, как правило, объединенных в одном общем корпусе [27]. Принцип работы заключается в следующем: электрический сигнал, поступающий на вход микросхемы преобразуется светодиодом в световую энергию, которая впоследствии преобразуется обратно в электрический сигнал с выходных пинов.

В основном оптроны используются для гальванической развязки цепей, что означает передачу сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты.

 

Постановка задачи

В данной работе будем рассматривать оптроны, заключенные в корпусе микросхемы на примере оптопары HCPL-3120/J312 компании производителя Avago Technologies, функциональная схема которой приведена на Рисунке 58 [28].

Рисунок 58. Функциональная схема опртрона HCPL-3120/J312

 

Микросхема исполнена в восьмивыводном DIP корпусе. Излучателем является светодиод, а приемником интегральная схема (IC) с фотодиодом.

Главной проблемой всех оптронов являются шумы транзисторной пары. Связано это с наличием проходной емкости между светодиодом и базой транзистора (Рисунок 59 [28]) и наличием паразитных емкостей между анодом светодиода и выходной землей и между катодом светодиода и выходной землей. Первую проблему можно решить с помощью специального экрана (Фарадеевский экран), а вторую с помощью правильно подобранных режимов работы оптопары и грамотного включения оптрона в электрическую схему. Сбои могут произойти из-за разницы потенциалов на земельных шинах, так как они являются гальванически развязанными. Значение этой разницы потенциалов называется common mode voltage (Vcm) или в русскоязычной литературе – напряжение синфазного сигнала [29]. Об этой величине будет рассказано ниже, но именно она является источником непроизвольного переключения оптрона или наведения шумов. В данной работе приводится решение и техническая реализация подключения оптопары в электрическую схему, чтобы минимизировать уровень наводок и придать системе стабильность, исключить непроизвольные переключения даже при значительных отклонениях потенциалов земли.

Рисунок 59. Паразитные емкости

 

Синфазные сигналы могут возникнуть по разным причинам. Наиболее распространенной и показательной является ситуация в цепи управления полного моста (H-bridge) или Н-моста. На Рисунке 60 показана схема полного моста с блоком управления и драйверами затворов силовых MOSFET транзисторов для управления двигателем постоянного тока.

Рисунок 60. Схема полного моста

Полные мосты обычно применяются для регулировки скорости электрических двигателей и в импульсных источниках питания.

Краткое описание работы и устройства полного моста: пара транзисторов A1 и B1 подключаются истоком к стоку второй пары транзисторов A2 и B2. Обмотка двигателя располагается в месте соединения двух пар транзисторов, как показано на схеме. Состоянием транзисторов управляют драйвера затворов, которые в свою очередь управляются блоком управления. Когда пара транзисторов А открыта, пара транзисторов B должна быть закрыта и наоборот при смене полярности.

Синфазное напряжение в этой схеме возникает по следующей причине: драйверы затвора согласуются одновременно с цифровой землей и общей точкой полного моста (на схеме обозначены цифрами 1 и 2), которые являются гальванически развязанными. Из-за того, что общие точки являются «плавающими» по напряжению, что означает их значение потенциала может меняться в течение работы схемы, при резкой смене полярности (пара транзисторов А открывается, а пара транзисторов B закрывается или наоборот) возникают колебания напряжения, а значит возникает разница потенциалов между двумя гальванически развязанными землями. В некоторых системах такие колебания напряжения могут оказаться критическими и достигать кратковременно амплитуду в 500В при двуполярном питании +250В и – 250В.

Практическая часть

Выбор оптрона

Выбираем оптрон HCPL-2631 [30] в виду того, что он максимально схож с оптроном HCPL-3120/J312, который фигурировал в теоретической части НИРс, и он был в наличии. Функциональная схема оптрона на Рисунке 70.

Рисунок 70. Функциональная схема HCPL-2631

 

Основные характеристики оптрона:

· Напряжение питания: от 4.5В до 5.5В

· Входной ток низкого уровня: от 0 до 250 мкА

· Входной ток высокого уровня: от 6.3 до 15 мА

· Напряжение включения низкого уровня: от 0В до 0.8В

· Напряжение включения выского уровня: от 2В до Vcc

· Common mode Transient Immunity низкого выходного уровня: от 5  при входном токе 7.5 мА и нагрузке 350 Ом.

Используемое оборудование

При проведении испытаний использовалось следующее оборудование:

· Осциллограф Rigol MSO1104

· Универсальный генератор сигналов Rigol DG4162

· Тестер микросхем Formula F2K

К сожалению, в наличии не оказалось осциллографа с двумя гальванически развязанными каналами, поэтому получить изображение сигнала с генератора и выхода микросхемы HCPL-2631 одновременно не представлялось возможным. Поэтому отображение выхода генератора и выхода осциллографа будет представлено на разных изображениях для более четкого представления полученных результатов.

 

Ход исследования

1. Подключаем оснастку к адаптеру тестера

2. Коммутируем реле 1 для последовательного включения транзистора во входную цепь микросхемы

3. Подаем 5В с источника Vcc на DC-DC преобразователь, чтобы развязать землю тестера с выходной землей микросхемы HCPL-2631

4. Подаем 5В с источника Vdd для задания протекающего через светодиод тока силой 10мА

5. Подаем на базу транзистора КТ3102ЕМ напряжение 0В,