|
| Электропроводка: общие правила и распространенные ошибки |
В небольшой статье, размещенной на сайте компании 4QD, обсуждаются основные проблемы и способы их решения, возникающие при создании электропроводки роботов.
Оглавление
Контроллеры, задействованные в промышленном оборудовании (например, широтно-импульсные переключатели), часто должны оперировать с сильными токами (несколько сотен ампер) и высокими частотами (~20 кГц). В таких условиях необходимо уделять особое внимание электропроводке. Соответственно, данная статья и посвящена изложению общих принципов, которыми следует руководствоваться при размещении проводов, предназначенных для пропускания токов большой амплитуды и частоты.
Эти правила верны для любого типа механизмов, независимо от типа используемых контроллеров и величины рабочего напряжения. Более того, обычно ими руководствуются и при создании высококачественных усилителей, когда отсутствие сильных токов компенсируется существенной нелинейностью сигналов.
Так что изложенные в данной статье правила размещения проводки достаточно универсальны, хотя нарушение их приведет к более заметным последствиям именно при использовании широтно-импульсных переключателей (ШИП) электромоторов.
На нижеприведенной диаграмме изображено, как ток от положительной клеммы батареи проходит через контроллер, затем питает двигатель и возвращается к отрицательной клемме. Контроллер управляет подачей питания на двигатель, включая и выключая ток батареи примерно 20 000 раз в секунду.
В таких условиях провода нельзя рассматривать как идеальные проводники. Они обладают сопротивлением и индуктивностью. Это неизбежно приводит к падению напряжения на самих проводах. Особенно важную роль играет индуктивность вследствие частого переключения тока. Как известно, сопротивление зависит от длины и диаметра провода, а индуктивность - от его длины и пространственного расположения (здесь толщиной провода можно пренебречь).
Также провода обладают и другими характеристиками, например, способностью излучать и поглощать электромагнитные сигналы. Это означает, что провода являются источниками интерференции. Эффект интерференции всегда должен быть минимизирован, что достигается выполнением все тех же общих правил.
Вследствие способности к интерференции сигналы в близкорасположенных проводах неизбежно начинают влиять друг на друга, что также необходимо учитывать.
В Интернете есть описание устройства ШИП скорости мотора и имеющихся там токов и переходных напряжений.
![Электропроводка]()
src="/netcat_files/11_705.GIF" width=663 border=0>
Участок цепи батареи состоит из провода от А до В, самой батареи и провода от С до Е. Все эти элементы цепи имеют собственную индуктивность и сопротивление, поэтому при переключении тока на них будет происходить падение напряжения. Контроллер может учесть эти эффекты, но он не имеет информации об относительной длине проводов АВ и СЕ. Единственная информация, доступная контроллеру, - это общее значение импеданса рассматриваемой цепи. В статье про ШИП скорости мотора объяснены причины, по которым импеданс этой цепи всегда необходимо максимально уменьшать. Дело в том, что работа, совершаемая развязывающими конденсаторами, зависит непосредственно от импеданса цепи батареи. Они могут перегореть, если не понизить значение предельно допустимого тока контроллера.
Для уменьшения индуктивности цепи батареи провода AB и ED необходимо расположить как можно ближе друг к другу, желательно их даже переплести (по возможности). Индуктивность есть функция от площади контура. Поэтому при сближении проводов от положительной и отрицательной клемм площадь образуемого ими контура уменьшается, что, в свою очередь, приводит к уменьшению индуктивности, а также шума, излучаемого контуром. Ведь по цепи идут сильные токи, и она может стать сильным генератором шума, наводящим помехи на другую проводку.
Аналогично, для уменьшения индуктивности в цепи двигателя нужно расположить провода HI и JK как можно ближе друг к другу (желательно сплетенными вместе) и подальше от чувствительных к шуму цепей.
Так как в контурах двигателя и аккумулятора идет один и тот же ток, то они не интерферируют друг с другом. Поэтому при необходимости их можно разместить рядом.
Рассмотрим входной сигнал. Источник его не важен - это может быть микропроцессор, или логический контроллер, или другое устройство. На диаграмме изображен потенциометр, подключенный к контроллеру в точках F и G. Будем считать, что на G подается фаза, обычно это достигается подключением к аккумуляторному минусу (точка E) внутри контроллера.
Часто заземление соединяют с какой-либо точкой вдали от точки подключения фазы. На диаграмме заземление осуществлено в точке D вблизи батареи.
Но, как было сказано выше, на участке провода C-E происходит падение напряжения. Конечно, и на участке D-E тоже есть падение напряжения. Но поскольку входной сигнал отсчитывается от точки D, падение напряжения на участке D-E оказывается последовательным с входным сигналом, поэтому оно будет подано и на вход контроллера. В свою очередь, под действием этого сигнала изменится выходной сигнал контроллера, от которого зависит сам входящий сигнал. Таким образом, изменение входного сигнала, вызванное падением напряжения на участке цепи D-E, приводит к возникновению обратной связи в цепи.
Каждый раз, подключая источник сигнала, необходимо аккуратно осуществить его заземление и убедиться, что по этому заземлению не протекают сильные токи.
Допустим, вы правильно подключили источник входного сигнала (например, микрочип): между точками F и G. Но он получает ток от той же самой батареи, что и контроллер. Микрочип может быть заземлен, например, в точке D. А что, если земля батареи внутри чипа соединяется с землей входного сигнала? Тогда падение напряжения на участке D-E оказывается параллельным цепи D-L-G-контроллер-E. В результате в этом контуре может возникнуть сильный циркулирующий ток. Он протекает через цепь заземления контроллера, которая сама обладает импедансом. В результате в ней возникнут дополнительные шумы, а в худшем случае она может просто-напросто сгореть.
Итак, необходимо избегать, во-первых, возникновения обратной связи, во-вторых, появления дополнительных путей прохождения сигналов. Даже если источник сигнала и батарея заземлены раздельно, на практике эти заземления оказываются так или иначе связанными.
В большинстве случаев наиболее подходящей оказывается схема заземления типа "паутина". Для ее реализации нужно по отдельности свести в одну точку заземления от всех источников сигналов и от источника питания. Обычно этот "центр паутины" используют как общую землю ходовой части. Исходя из вышесказанного, его желательно расположить как можно ближе отрицательной клемме батареи, питающей основной контроллер, но не переусердствуйте при этом.
Очевидно, что при наличии нескольких контроллеров реализовать "паутину" уже не так просто. Но это совершенно необходимо для минимизации проблем.
Любой провод, по которому течет ток, может стать источником электромагнитных волн и индуцировать нежелательные сигналы на других проводах. Соответственно, надо максимально удалить провода, по которым идут сильные токи от проводов, по которым протекают слабые управляющие сигналы, так как первые являются сильными источниками интерференции, а вторые чувствительны к помехам.
Для обоих типов проводов справедливо общее правило: необходимо минимизировать площадь их контуров для ослабления эффекта интерференции. Это достигается сближением проводов прямого и обратного тока. Расположить их нужно параллельно друг другу, а еще лучше - переплести и заэкранировать (особенно важно для цепей, чувствительных к помехам).
В момент выключения соленоидов (например, реле, контакторы и т.п.) образуется очень сильное переходное напряжение. Это приводит к следующим проблемам. Во-первых, при размыкании контактов, питающих соленоид, возникает искрение. Контакты могут обуглиться. Во-вторых, всплеск напряжения является очень сильным источником шума. В результате слабые сигналы в чувствительных цепях могут быть забиты помехами. Хотя обычно эти два эффекта не приводят к слишком большим проблемам, хорошей практикой является организация сброса напряжения на катушках. Поперек катушки присоединяется ограничительный диод, который в обычном режиме обращен, а в момент выключения соленоида через него будет безвредно циркулировать ток. Более подробно подключение ограничительного диода к катушке обсуждается в статьях об электрических схемах.
Вообще не только реле и контакторы могут стать источниками сильного переходного напряжения. В больших механизмах бывает непросто оценить индуктивность и емкость электропроводки. Кроме того, окружающая обстановка также может быть источником сильных шумов.
Сильные пики напряжения выводят из строя МОП-транзисторы. Однако очень трудно полностью предсказать, отчего возникают пики переходного напряжения, поэтому предотвратить их на 100% трудно. Для надежности лучше поместить подавители переходного напряжения около всех чувствительных компонент.
Соответственно, такой подавитель должен быть установлен на каждом контроллере: от точки подсоединения плюса батареи к точке минуса. Для этой цели подходят МО (металл-оксидные, обычно ZnO) варисторы, их называют трансорбами, или зависящие от напряжения резисторы.
Также бывает полезно установить трансорб параллельно мотору, дополнительно к конденсаторам.
У трансорбов нет строго определенного значения ограничительного напряжения, поэтому для защиты МОП-транзистора выбирают такой трансорб, который ограничивает напряжение на значении чуть меньшем, чем максимально допустимое напряжение на транзисторе. Иногда бывает предпочтительнее использовать полупроводниковые подавители переходного напряжения, так как у них возможно более точное задание значения предельного напряжения. Но, конечно, выбор подавителя зависит от вида переходного напряжения, которое нужно устранить.
Ссылки по этой тематике
gale
4QD
|
|
