5. VÝKONOVÉ ZESILOVAČE A SERVOZESILOVAČE S MODULACÍ 5. Úvod Převážná čás aplikací řídící echniky vyžaduje konsrukci výkonových akčních členů ve velmi širokém rozsahu požadovaných výkonů. Zaímco řízení výkonů do cca W lze celkem bez poíží realizova lineárními zesilovači ve řídě A, AB nebo B, řízení výkonů vyšších je ímo způsobem nehospodárné. Řízení výkonů nad cca W se proo éměř výhradně provádí pomocí zesilovačů, ve kerých ranzisory či jiné výkonové prvky pracují v režimu spínačů s vhodnou pulzní modulací. Nejčasěji se používá zv. pulzní šířková modulace ( pulse widh modulaion) a zesilovače pracující s ouo modulací se používají pro řízení ss i s servomoorů, řífázových indukčních moorů, jsou základní součásí impulsních napájecích zdrojů a spekrum jejich použií se zejména v posledním období velmi rychle rozšiřuje. Základem popisovaného zesilovače nebo servozesilovače je vždy PW moduláor, na jehož vsupu je řídicí signál a na jeho výsupu je modulovaný signál, kerým se přímo ovládá výkonový spínač nebo sousava spínačů. V roli výkonového spínače může bý v dnešní době velmi pesrý výběr možných ypů. Nejčasěji se jedná o BJT (bipolar juncion ransisor), MOSFET, IGBT (insulaed gae bipolar ransisor), GTO (gae urn off hyrisor) a pod. Výkonové spínače vyjmenovaných ypů jsou buď samosané nebo se vyrábějí ve formě výkonového bloku obsahujícího úplné výkonové propojení všech použiých spínačů. V někerých případech výkonový blok obsahuje veškeré obvody příslušných předzesilovačů. V éo měřicí úloze se zaměříme pouze na řízení výkonů ss. servomoorů, měřené zapojení lze však velmi jednoduše upravi i pro řízení sřídavých záěží. 5. PW modulace Signál, kerý převádíme na může bý buď analogový (obvykle napěí nebo proud) a nebo číslicový s délkou slova podle požadované přesnosi. Převodník U/ se obvykle nazývá PW moduláor. Takový moduláor obsahuje obvykle několik operačních zesilovačů, jejichž zapojení se modifikuje podle požadavků na řízení. Řízení může bý buď jednokvadranové, dvoukvadranové nebo čyřkvadranové. Každý yp řízení vyžaduje určiý yp PW modulace. Zvlášní kapiolu voří y aplikace, kde řídicí signál vzniká v číslicových nebo mikropočíačových obvodech. V ěcho případech je zbyečné vyváře převody D/A a posléze A/. Jeli vsupem číslo, pak převod číslo/ je úloha pro programovaelné časovače, keré jsou obvykle součásí mikropočíače. Někeré jednočipové mikropočíače již mají převod číslo/ jako hardwarové vybavení. V éo úloze však předpokládejme, že vsupem zesilovače je napěí. 5.. PW moduláor Základní princip PW moduláoru je naznačen obr. 5.. Generáor rojúhelníkového napěí U f s ampliudou U fmax má frekvenci f op. Napěí U i je napěí řídicí. Rozsah řídicího napěí je závislý na ypu použié PW modulace. Pro jednokvadranové řízení se používá obvykle unipolární modulace. 5
V om případě je vsupní rozsah napěí dán: U i U i max, kde U i max = U f max. Uf řídicí napěí Ui Obr. 5. Základní princip PW modulaoru Výsupem PW moduláoru je impulsní napěí, keré ovládá výkonový spínač zesilovače. Nejjednodušší unipolární modulace se uplaní u jednokvadranového řízení podle obr.5..při jednokvadranovém řízení je spínač v sérii se záěží. Lze řídi přívod energie do záěže, např. do mooru, nelze však ovláda brždění mooru. Používá se pouze pro nejjednodušší aplikace. Příklad zesilovače s jednokvadranovým řízením je na obr.5..na vsup PW moduláoru se přivádí řídicí napěí v rozsahu: U i U i max.vlasní frekvence PW moduláoru dána: f op = T max,akivní čás periody se mění v rozsahu: T i T max. Délka akivní čási periody je dána vzahem: T i = K U i proud Ik U i = f() proud Iak D Ub L U i U im Iak R Ik Tr vede [V] vede Tr Tr Tr D D D Tr Ti Ti Ti Ti Tm Tm Tm Tm Obr. 5. Jednokvadranové řízení s unipolární PW modulací Poznamenejme, že zesilovač musí bý doplněn o aniparalelně zapojenou diodu (záchyná dioda, rekuperační dioda, nulová dioda), zabezpečující nepřerušený proud L,R záěže v okamžiku vypnuí spínače. Na diodu jsou požadavky: I AKMAX = I KMAX a don roff 5
5.. Dvoukvadranové řízení Jednokvadranové řízení moorů neumožňuje řízení při rekuperaci či brždění. Teno nedosaek odsraňuje dvoukvadranové řízení. Příkladem akového řízení je např. zapojení na obr. 5.. Exisuje několik možnosí řízení v omo zapojení. Předpokládámeli, že záěž L,R předsavuje ss. moor, pak jedna z možnosí řízení je přivedení unipolární modulace podle obr. 5. na vsup a rvalé rozepnuí ranzisoru T. V omo kvadranu pracuje záěž v moorovém provozu. Změníli se znaménko záěže a moor se sane generáorem, pracuje zapojení v druhém kvadranu. Tranzisor T bude v omo případě rvale rozepnuý a na T se bude přivádě modulace, kerá zabezpečí řízené brždění. Kombinací řízení je více. Např. časo se používá řízení, kdy plaí: =. V akovém případě se však použije bipolární PW modulace, kerá převádí na obě polariy vsupního signálu U i. Zapojení na obr. 5. je univerzální a jeho použií není omezeno pro řízení pouze moorů. Je základem různých ypů sřídačů a způsob řízení na vsupech a se liší případ od případu. Jako případ časo používaný i pro dvoukvadranové řízení si ukážeme princip PW modulace pro bipolární operace. Způsob éo modulace je na obr. 5.4. Její využií se ovšem nejvíce uplaní u řízení čyřkvadranového, keré má nejbohaší možnosi použií. Ub T T L R Obr. 5. Dvoukvadranové řízení Při éo modulaci je charakerisická sřída impulsů = při nulovém řídicím napěí. Význam éo vlasnosi ukážeme při činnosi servozesilovače ve čyřkvadranovém uspořádání. 5.. Čyřkvadranové řízení Čyřkvadranové řízení umožňuje řízení mooru pro oba směry oáčení, umožňuje rekuperaci do síě a řízené brzdění. Je o edy echnika, nezbyné pro řízení servomoorů a základní princip bipolární modulace je na obr. 5.4. Principiální zapojení nejčasěji používaného zapojení silové čási servozesilovače je na obr. 5.5. Spínače 4 jsou obvykle nahrazeny spínacími ranzisory, nejčasěji ypu MOSFET pro proudy do cca 5A. Pro vyšší proudy (5 5A), napěí řádu sovek V a vysoké spínací rychlosi se používají sále více ranzisory IGBT. Běžně se pro řízení používá modulace pro bipolární operace podle obr. 5.4. Ve smyslu označení na obr. 5.5 jsou spínače řízeny:, 4, 5
Ui Uf (V) Uf Ui Top Ti Ti Obr. 5.4 Princip bipolární modulace polohových i rychlosních servomechanizmů. Jesliže je řídicí napěí U i =, pak přesně po dobu jedné půlperiody se na moor přivádí jedna polaria a po dobu druhé půlperiody polaria opačná. Sřední hodnoa napěí na záěži je rovna nule, moor se neočí, ale efekivní hodnoa napěí na záěži je nenulová. Jouleovo eplo, keré ímo vzniká se musí odvádě. Pokud je akové řízení uplaňováno u polohových servomechanizmů, musí bý konsrukce mooru omuo provozu přizpůsobena. Ub 4 GND Obr. 5.5 Zapojení pro čyřkvadranové řízení 54
V případech, kdy nelze použí popisovaný yp PW modulace, je možno použí upravené unipolární modulace, kerá zajišťuje při U i = nulovou sřední i efekivní hodnou napěí na záěži. Princip akové modulace je znázorněn na obr. 5.6. U mod U i U i sign U i Ti Ti Ti Obr. 5.6 Unipolární modulace pro čyřkvadranové operace Všechny dosud popsané ypy modulace lze vyjáři jejich saickými charakerisikami, jak znázorňuje obr. 5.7. Ti Tmax unipol.. 4 kvadr. bipol. 4kv.,5 uni. kv. Ui Uimax Obr. 5.7 Saické charakerisiky používaných ypů modulací 5. Obecné čyřkvadranové řízení Řízení ss. moorů se zapojením podle obr. 5.5 lze zobecni a vymezi sekvenci spínání jednolivých spínačů ve všech čyřech kvadranech. Pro akové řízení je nezbyné každý spínač doplni o aniparalelní diodu. Diody velmi časo bývají nainegrovány na sejném čipu jako vlasní spínač. Zejména v poslední době přední svěové firmy vyrábějí 55
různé variany spínačů podle obr. 5.5 jako jedinou součásku, kerá se ovládá logickými signály pro jednolivé spínače. Způsob ovládání jednolivých spínačů v příslušných kvadranech pro obecné řízení, zahrnující řízení vpřed, vzad a rovněž rekuperaci nebo řízené brždění pro oba směry zachycuje obr. 5.8. Zapojení podle obr. 5.5 je univerzální zapojení, keré umožňuje řízení nejenom ss záěže, ale i záěže sřídavé. Řízení s. jednofázových servomoorků ypu Ferraris např. vyžaduje pouze jiný algorimus spínání jednolivých spínačů můsku. Společným problémem pro všechny aplikace je vyloučení zv. prohoření spínačů jedné věve můsku. Teno problém může nasa při přechodovém ději, kdy jeden spínač z dvojice vypne a druhý současně zapne. Pokud doby sepnuí a rozepnuí obou spínačů jsou výrazně odlišné, dojde v akovém případě při přepínání k proudové špičce. Ta může ohrozi mnohé součásky zapojení. U průmyslových aplikací ohoo druhu se do přepínání vkládá jisé malé zpoždění (dead ime) pro vyloučení popisovaného jevu. I. kvadran II. kvadran moorový režim generáorový režim (rekuperace) Ub Ub on off T T D D D D4 T T4 SM T T D D D D4 SM T T4 off off = = III. kvadran moorový režim Ub IV. kvadran generáorový režim (rekuperace) Ub T D D T on off T D D T T SM D D4 T4 off off T D D4 SM T4 Obr. 5.8 Obecné řízení záěže ve čyřkvadranovém režimu. 56
5.4 POPIS ZAPOJENÍ MĚŘICÍHO PŘÍPRAVKU Přípravek je rozdělen na dvě základní čási. Jednu čás voří řídicí jednoka, obsahující PW moduláor s příslušnými obvody pro bipolární i unipolární modulace (obr. 5.9 a obr.5.). Druhá čás přípravku obsahuje logiku řízení a výkonové obvody (obr. 5.) obsažené v řízeném můsku L6. Řídicí čás obsahuje především generáor rojúhelníkového napěí. Generáor vznikne propojením výsupu operačního zesilovače Ua zapojeného jako neinverující inegráor ypu Howland se vsupem operačního zesilovače Ub, kerý je zapojen jako inverující komparáor s hyserezí. Výsup komparáoru je propojen se vsupem neinverujícího inegráoru. Změnu vlasní frekvence generáoru je možno dosáhnou změnou kapaciy inegračního kondenzáoru C. Hysereze komparáoru je plynule nasavielná rezisorem R6 (nasavení má pochopielně rovněž zásadní vliv i na vlasní frekvenci moduláoru). Schéma zapojení na obr. 5.9 a obr 5. se liší pouze o diodu D a rozsah řídicích napěí. R k R k R6 R7 k R R k 5V C Ua 4 R4 k Umod Ui R5 k R8 k R9 k Ub Uc Ud 4 4 4 Uo ' signui' 5V obr. 5.9 Zapojení řídicí čási pro symerické řídicí napěí 57
R R k k R k Ua 4 R4 k C ABSOLUTNÍ HODNOTA U Umod Ui R5 k R8 k R9 k R6 R7 k Ub Uc 4 ' 4 D Uo R 5V Ui Ud signui' 4 5V Obr. 5. Zapojení řídicí čási pro nesymerické řídicí napěí Dioda D ve zpěné vazbě komparáoru umožňuje zásadně měni saickou charakerisiku komparáoru. Tři kombinace připojení diody vyvářejí ři různé saické charakerisiky a ím i ři ypy rojúhelníkového výsupního napěí podle obr. 5.. bez diody ( obr.5.9) Uo s diodou ( obr.5.) Uo s diodou ( obr.5.) zapojenou obráceně Uo U mod U mod U mod U U U a) b) c) Obr. 5. Vliv různě zapojené diody u komparáoru (Ub) na výsupní rojúhelníkové napěí moduláoru U mod 58
Vlasní PW modulace vzniká na komparáoru (Uc) porovnáním napěí U s řídicím napěím U i.výsupní napěí moduláoru je označeno, má obdélníkový průběh a jeho ampliuda je omezena sauračním napěím komparáoru Uc. Proože řízený můsek L6 vyžaduje řídící napěí úrovně TTL, je nuno výsupní napěí moduláoru upravi na logickou úroveň TTL. Příslušné převodníky jsou součásí výkonové čási přípravku. Pokud zapojíme převodník podle obr. 5.9, výsupní signál obsahuje veškeré informace pro čyřkvadranové řízení s bipolární modulací a vsupní napěí může dosahova hodno U Ui U.Výsup komparáoru Ud informuje o polariě řídícího napěí Ui a pro uo aplikaci jej nemusíme zapojova. Při zapojení podle obr. 5. přivádíme řídící napěí na obvod absoluní hodnoa U. Na vlasním vsupu moduláoru bude napěí v rozsahu U i U. Diodou D je změněna hyserese komparáoru podle obr. 5.b. Se zapojením lze modelova řízení jednokvadranové i vícekvadranové a přiom využijeme obou signálů ( a SIGNUi). Způsob zapojení bude popsán níže. 5.4. Výkonová čás servozesilovače Výkonová čás je vořena řízeným můskem L6 zapojeným podle schéma na obr.5.. Proože eno můsek nemá vyveden výsup SENSE pro každou věev můsku, byly z důvodu možnosi sledování průběhu proudu v obou věvích použiy dva můsky a z každého můsku byla použia pouze jedna věev spínačů, jak ukazuje celkové zapojení výkonové čási přípravku podle obr. 5.. Nejprve se však s pomocí obr. 5. seznámíme s vniřním zapojením můsku L6. Můsek L6obsahuje veškeré budící obvody a čyři výkonové spínače pro spínání proudů záěže do 5A. Pro buzení horních ranzisorů obou věví je použia nábojová pumpa, kerá umožňuje funkci nejen při periodickém režimu práce ak, jak je běžné u věšiny podobných výkonových budičů, ale umožňuje i jejich saické řízení. Budič zajišťuje opimální buzení s velmi malým vniřním odporem a proo výkonové spínače mají velmi dobré dynamické vlasnosi. Vsup Enable je výběrový signál pro celý budící obvod.v mnoha zapojeních se eno signál používá pro odpojování záěže při nadproudu nebo při výskyu jiných poruch. V následujícím exu popíšeme základní vlasnosi ohoo poměrně populárního řícícího obvodu pro spínání záěže do proudu 5 A. 59
4V 5V U LM785CT OUT C GND U Vref IN 9 Vs L6 BOOT 8 C C F.5A n n 56n J n n 7 7 ENABLE OUT OUT ENABLE 5V 5V R C4 8 U BOOT 9 Vs L6 Vref R k C5 D LED INP IN OUT 6 6 OUT IN INP IN SENSE GND BOOT 5 5 BOOT GND SENSE IN PROUD A k R R5 J47 4 M M 4 J47 R4 R6 k PROUD B ' Převodník na úroveň TTL 5V D R7 k D Logické funkce U4A 74ALS U4B 4 6 5 74ALS signui' k R8 5V D4 D5 signui U4C 9 8 74ALS U4D 74ALS Obr. 5. Schéma zapojení výkonové čási přípravku Vsupy I.kvadran (unipolar) IV. kvadr. (unipolar) IV. kvadr. (bipolar) signui INP INP INP INP INP INP Tab.5. Pravdivosní abulky logických funkcí pro různé ypy modulace s obvodem L6 6
Obr. 5. Principiální schéma vniřního uspořádání můsku L6 5.4. Popis řízeného můsku L 6 Základní charakerisiky: napájecí napěí do 48V maximální špičkový proud 5A efekivní proud 4A ochrana proi zkrau řízení kompaibilní s TTL logikou vniřní napájení logiky eploní ochrana vysoká účinnos 5.4.. Popis vývodů řízeného můsku L 6 SENSE ENABLE GND IN IN OUT OUT BOOT,BOOT Uref dolní výsup můsku pro snímání proudu uvolnění činnosi. Při úrovni H na vsupu ENABLE je povolena příslušná činnos můsku v závislosi na vsupech IN a IN společná zem číslicový vsup pro řízení jedné poloviny můsku číslicový vsup pro řízení druhé poloviny můsku výsup první poloviny můsku výsup druhé poloviny můsku vsup pro zavedení zpěné vazby ypu boosrap pro zvýšení účinnosi řízení horních ranzisorů vniřní zdroj referenčního napěí 5.4. Propojovací možnosi výkonové čási přípravku 6
Přípravek je sesaven dvojicí obvodů L6. Používáme pouze levou věev každého můsku a její řízení je označeno vsupem INP a INP. Vsupem do přípravku jsou signály a SIGNUi, keré převedeme na signály, SIGNUi s logickými úrovněmi TTL. Pravdivosní abulka podle ab. ukazuje požadovanou logickou funkci pro různé ypy. Příslušné logické funkce pro ři základní ypy lze realizova pomocí bloku logické funkce. Sorimen 4 hradel NAND pro všechny ři ypy modulace je posačující. Výsupní svorky Proud A, Proud B umožňují měření proudu v obou věvích proi společné zemi. Přípravek je napájen ze zdroje 4V ss s nasavielným proudovým omezením A, abychom nemuseli oo základní měření komplikova dalšími sysémy proudových ochran. Napájení vniřní logiky přípravku je odvozeno od napájecího napěí 4V 5.5 Domácí příprava A Sezname se se základními principy jedno i vícekvadranového řízení. B Vypočěe hodnoy kapaciy C a rezisoru R6 v řídící čási přípravku podle obr. 5.9 a obr.5. ak, aby opakovací frekvence PW moduláoru byla v obou případech cca 5 khz (.j. pro případ zapojení řídícího napěí Ui přímo na vsup moduláoru i pro případ zapojení řídícího napěí Ui přes obvod absoluní hodnoa. Rozkmi napěí na výsupu inegráoru je v jednom případě V U 5V a v druhém případě 5V U 5V. Předpokládeje saurační napěí OZ Ub cca ± 7V. C Navrhněe a nakreslee do sešiu propojení řídicí a výkonové čási přípravku pro moorový režim řízení podle obr. 5.8. Podle ab.5. navrhněe pro ři ypy logické funkce řízení vsupů INP a INP a nakreslee jejich realizaci pomocí prvků bloku logické funkce. 5.6 ÚKOLY MĚŘENÍ. Zapoje řídící čás servozesilovače pro unipolární modulaci (obr. 5.) a nasave ak, aby převodník pracoval v rozsahu U i 5 V. Ověře paramery při nasavení řídicí čási podle předchozího bodu úkolů měření a bodu B domácí přípravy. Na výsupu změře lineariu převodu,ti = f u ) kde Ti je délka impulsu. 4. Propoje řídicí a výkonovou čás přípravku pro jednokvadranové řízení (unipolární podle ab.5.) a na výsup výkonové čási připoje odporovou záěž.(svorky M, M). Ověře lineariu celého zesilovače. 5. Na osciloskopu sleduje ypický průběh proudu záěže v celém rozsahu U i snímaný na výsupu proud A (even. B). Zakreslee v měříku alespoň jeden z průběhů a objasněe vznik jeho varu. 6. Míso zaěžovacího odporu zapoje moor. Ověře funkci řízení (lépe řečeno ovládání) jeho oáček. Opakuje měření z předchozího bodu 5. ( i 6
7. Propoje řídící a výkonovou čás přípravku pro čyřkvadranové řízení (unipolární podle ab.5. ) a pro obě polariy řídího napěí v rozsahu 5V Ui 5V zopakuje měření podle bodu, 5, 6 8. Nasave řídící čás přípravku podle obr. 5.9 pro bipolární, propoje s výkonovou čásí s nasavenou logikou pro čyřkvadranové řízení (viz. Tab. 5.). Ověře funkci s odporovou záěží. Změře závislos sřední hodnoy proudu odporovou záěží I Z = f(ui) v celém rozsahu. 9. Připoje moor a ověře opě funkci řízení oáček.. Nakreslee (v měříku) několik ypických průběhů proudů pro kladné i záporné hodnoy U i pro oba případy záěže a pokuse se objasni vznik jejich varu. 5.7 POKYNY PRO MĚŘENÍ Pro veškerá měření používeje napájecí zdroj Arima s proudovým omezením A. Při propojování řídicí a výkonové čási vypněe napájení. Pokud se při provozu na napájecím zdroji rozsvíí indikáor přeížení, vypněe okamžiě napájecí zdroj a hledeje chybu zapojení. 5.8 LITERATURA [5.] Vysoký O.: Někeré možnosi konsrukce akčních členů mikropoč. reguláorů I a II Sdělovací echnika 4/985, 5/985, Praha [5.] Kaalog obvodů firmy SGS Thomson [5.] Vysoký O.: Elekronické sysémy II, skripa ČVUT Praha 997 [5.4] Boss B. K.: Modern Power Elecronics, IEEE Press 99 6