2.3.2 Выбор и анализ базиса исполнения платы шим.

При выборе элементной базы предпочтение отдается элементам и устройствам применяемым при производстве других блоков и устройств системы автоматического управления газотурбинной установкой.

Для управления и связи используется микросхема АТ89S8252 (микроконтроллер). АТ89S8252 - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. AT89S8252 имеет производительность около 1MIPS на МГц.

AT89S8252имеет следующие возможности:

• 2кбайт EEPROM;

• 256 RAM

• 32 линии ввода/вывода общего назначения;

• 3 16 битовых таймера/счетчиков;

• внешние и внутренние прерывания;

• программируемый универсальный последовательный порт;

• SPI последовательный порт для загрузки программ;

• Программируемый Watchdog Timer

• напряжение питания 2.7 – 6 В;

В качестве соединителей используются клеммные соединители фирмы WAGO 236-102 и WAGO 236-103.

Основные технические данные клеммных соединителей WAGO 236-102 и WAGO 236-103:

площадь сечения используемого провода – 2.5 мм²;

максимально допустимый ток – 3А;

максимально допустимое напряжение – 500В.

2.3.3 Разработка принципиальной схемы платы шим.

Электрическая принципиальная схема приведена на чертеже 8Т5.002.001.

Разъем ХР1 предназначен для связи с универсальным модулем ВВОДА-ВЫВОДА UNIO96-5 и последующей связи с центральным вычислителем системы. На контроллер AT89S8252 (D1) поступают сигналы:

• импульсный сигнал WRS (контакт №12);

• Сигнал программной блокировки BLS (контакт №2);

• Дискретный сигнал понижения частоты в 2 раза FS (контакт №3) .

• сигналы от задающего кварцевого резонатора – контакты №18 XTAL2 и №19 XTAL1;

• общий провод - контакт №20 GND;

• питание 5 В – контакт №31 VCC.

• Котроллером генерируются сигналы:

• Work (контакт №15);

• 3-хразрядное слово состояния (STATUSWORD) SW0...SW2 (контакты №34,33,32 соответственно).

В качестве задающего резонатора используется кварцевый резонатор РПК01-НС-49U 11059 кГц (BQ1) имеющий высокую стабильность частоты выходного сигнала.

Основные характеристики резонатора:

точность настройки ±0.003% при +25⁰С;

температурная стабильность ±0.005% в диапазоне температур от -20⁰С до +70⁰С.

Согласно требованиям электрического подключения микроконтроллера АТ89S8252 необходимо использование двух конденсаторов номиналом 33пФ. Данные конденсаторы должны быть установлены на выходе кварцевого резонатора.

Основные характеристики конденсаторов C1 и С2:

номинальная емкость – 33 пФ;

температурный диапазон от -55⁰С до +125⁰С:

рабочее напряжение 50В.

В схему ШИМ21 включен преобразователь напряжения 220АС/48DC вследствие недостаточности напряжения питания 27В для выполнения требований ТТ по времени нарастания тока в катушках ИМ. В результате возросло значение потребляемой мощности устройства до 30 … 35Вт.

Резисторы 1R1 и 1R2 , установленные последовательно с катушками ИМ, ограничивают ток в цепи до 500 мА. Резисторы выбраны марки ПЭВР, что позволяет настраивать ток на линиях различной протяженности. Мощность выбрана в соответствии с расчетом:

P=(Uип-(Iкат*Rкат))* Iкат,

где P - мощность ограничительных резисторов;

Uип – напряжение источника питания катушек ИМ;

Iкат – ток катушек ИМ;

Rкат – активное сопротивление катушки ИМ.

P =(48-(0,5*20))*0,5=19 Вт, наибольшее ближнее значение 25 Вт.

Сопротивление выбрано в соответствии с расчетом:

Во время работы со скважностью импульса тока 90% в длительном режиме резисторы способны нагреваться до температуры 147^оС. Их необходимо устанавливать вне корпуса ШИМ21 на металлический каркас. При нагреве резисторов, их сопротивления увеличиваются на величину не более 10%. Поэтому настройка тока катушек ИМ проводилась сперва на холодных резисторах затем после 10 минут работы на разогретых, сигнал управления при этом имел период 20 мс длительность 1 и 0 была одинакова. Величина сопротивления выбрана в соответствии с расчетом:

R=Uип/Iкат-Rкат,

R=48/0,5-20=61,6 Ом, наибольшее ближнее значение 82 Ом.

Силовые ключи 1VT1, 2VT1 осуществляют коммутацию катушек ИМ, подключая их к общему проводу источника питания поочередно. При отключении катушек, происходит выброс энергии накопленной в индуктивности в виде напряжения, величина которого ограничивается схемой гашения выбросов и суммируясь с напряжением ИП прикладывается к ключу. Требованиям электрических параметров соответствует транзистор марки КТ898А.

Предельные параметры транзистора КТ898А.

• Напряжение коллектор – эмиттер, В 400 (требуемое 168В)

• Ток коллектор - эмиттер, А8 (требуемое 0,6А)

• Частота переключения не менее, кГц 100 (требуемое 5 кГц)

Конденсаторы 1С1, 1С2, 2С1, 2С2 производят ускорение нарастания тока в катушках ИМ. Влияние значения форсирующей емкости на форму тока в катушках показано на рис.1 и 2 (приложение 1). Емкость конденсаторов определена методом подбора и составила 47 мкФ, марка конденсатора – K50-35 , с напряжением изолятора 100 В. Такое включение привело к росту тока до величины 500 мА за время 1 ... 1,9 мс в зависимости от ширины импульса управления, при этом ток в катушке в течении следующей миллисекунды нарастает до 550 мА, спад до 500 мА в течении 2 ... 3 мс.

Схема гашения выбросов состоит из диодов 1VD3, 2VD3 и стабилитронов 1VD6, 2VD6. Диоды включены встречно напряжению питания и пропускают ток создаваемый катушками ИМ. Стабилитроны обеспечивают крутизну спада тока в катушках ИМ. Длительность импульсов составляет 100 ... 150 мкс. Напряжение стабилизации 1VD6, 2VD6 принято 120 В.

Схема формирования квитанций исправности (далее ОС) собрана на элементах 1VD1, 2VD1, 1VD4, 2VD4, 1VD5, 2VD5, D2. Ее работа основана на регистрации выбросов эдс от катушек ИМ. Последовательно с элементами схемы гашения выбросов включены диоды 1VD4, 2VD4, 1VD5, 2VD5, на которых формируется входное напряжение оптопар 1VD1, 2VD1. Оптопары 1VD1, 2VD1 обеспечивают гальваническую развязку по каналу ОС. На выходе оптопар, при поступлении сигнала, формируются сигналы низкого уровня длительностью не более 100 мкс и поступают на входы триггера D2, на выходе которого формируются квитанции исправности аналоговой части и ИМ. Квитанция представляет собой дискретный сигнал подобный сигналам ШИМ управления.

Оптопары 1VD1, 2VD1 обеспечивают гальваническую развязку по каналу ШИМ управления. Ток на входах оптопар составляет 10 мА.

Стабилизатор напряжения питания оптопар 1VD1, 2VD1 собран на элементах DV1, C6, C7, R2. Микросхема DV1 стабилизирует напряжение питания 24В, конденсаторы C6, C7 фильтруют напряжения на входе и выходе стабилизатора DV1, резистор R2 рассеивает избыток мощности. Температура стабилизатора в нормальных условиях достигает 47^ОС, температура резистор R2 в нормальных условиях достигает 57^ОС.

Сигналы управления силовыми ключами разнесены во времени на 100 мкс, т.к. при управлении без задержек переходные процессы выключаемой катушки ИМ оказывают сильное влияние на форму тока включаемой катушки (см. рис.3, приложение 1)). Время задержки Тз=100 мкс соответствует полной длительности переходных процессов выключаемой катушки ИМ с линией связи 30 метров.