РефератыКоммуникации и связьУсУстройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

Содержание


Введение


1. Анализ исходных данных и выбор схемы


2. Принцип работы устройства


3. Расчёт цепи схемы управления


3.1. Расчёт генератора линейно изменяющегося напряжения


3.2. Расчёт сравнивающего устройства


3.3. Расчёт исполнительного устройства


4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя


Заключение


Список используемой литературы


Введение

Машины постоянного тока до сих пор активно применяются в качестве двигателей (ДПТ) и генераторов (ГПТ). ДПТ имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и сравнительно мягкие механические характеристики, а кроме того мало подвержены внешним воздействиям. Благодаря этому они активно используются в промышленности, особенно в областях регулирования и системах автоматики.


Исполнительные двигатели постоянного тока (ИДПТ) являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных механизмов. Поэтому двигатель является либо чисто инерционным звеном, либо инерционным звеном, соединенным совместно с другими звеньями, он обладает способностью сглаживать пульсации управляющего напряжения U
у
, усредняя его. Это позволяет использовать регулирующие устройства, работающие в импульсном режиме (управляемые выпрямители, широтно-импульсные усилители и т.п.), когда изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к двигателю, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится накопительное напряжение.


Конструкция ДПТ сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.


Эта работа направлена на построение устройства управления (УУ) к одному из многих представителей класса ИДПТ. Здесь будут рассматриваться основные принципы построения УУ ИДПТ и приведен расчет одного устройства для двигателя с мощностью P
= 75 Вт и скоростью вращения n
= 5000 об/мин.


1. Анализ исходных данных и выбор схемы


В данной курсовой работе предлагается рассчитать схему импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока (ИДПТ).


Наиболее подходящим по бланку задания двигателем является СЛ-525, т.к. у него высокая продолжительность непрерывной работы (2000 ч.), высокий КПД (59%). В дальнейшем будем использовать этот двигатель, все расчеты ведутся по его данным.


В соответствии с бланком задания двигатель СЛ-525 питается от двух независимых источников напряжения (двигатель с независимым возбуждением), которые подают энергию соответственно на якорную обмотку и обмотку возбуждения. Из этого следует, что принципиально возможно два варианта управления: якорное, когда обмотка возбуждения подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением (а на якорную обмотку подают напряжение управления только при необходимости вращения двигателя) и полюсное, при этом якорная обмотка подключена на источник с неизменным напряжением, а напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, изменяется. Фактически при полюсном управлении изменяется магнитный поток. Данный способ применяется сравнительно редко, т.к. при Uв = 0 в ИДПТ имеется остаточный поток, а, следовательно, и небольшой электромагнитный момент, приводящий к самоходу двигателя, что недопустимо в точных системах, где применяются двигатели. Кроме того, при данном способе управления регулировочные характеристики могут быть неоднозначны и нелинейны, что также можно отнести к недостаткам этого способа управления.


Поэтому в основу расчета следует положить принцип якорного управления двигателем. Одним из недостатков этого способа является большая мощность управления. Именно с целью ее уменьшения и следует использовать принцип импульсного управления двигателя по якорной обмотке.


При таком способе двигатель управляется напряжением, подводимым к якорю с определенной длительностью. Для оценки длительности импульса вводится относительная величина, равная и называемая коэффициентом заполнения (обратная величина - - скважность).


В этой формуле tu
- время импульса, Т - период следования импульсов.


Работа двигателя при импульсном управлении состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, причем периоды разгона должны быть малы по сравнению с электромеханической постоянной времени двигателя - тогда скорость вращения якоря w(t) не успевает к концу периода достигнуть установившегося значения.


Мгновенная скорость якоря электродвигателя будет непрерывно колебаться относительно среднего значения wСР
, которое при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется коэффициентом заполнения t. Причем амплитуда этих колебаний тем меньше, чем больше отношение электромеханической постоянной двигателя к периоду следования импульсов Т. С ростом частоты управляющих импульсов и с увеличением электромеханической постоянной времени амплитуда колебаний скорости уменьшается. Среднее значение скорости увеличивается с ростом относительной продолжительности импульсов, подаваемых на электродвигатель, и зависит от момента нагрузки и напряжения импульса Umax
, что необходимо учитывать при применении данного способа управления.


Вообще, к импульсному регулированию существуют два подхода:


- При постоянном t изменяется напряжение питания, тогда управление сводится к подаче энергии в цепь якоря, изменяемой по величине, но в фиксированные моменты времени. Способ практически не используется, т.к. имеется полная аналогия якорного управления.


- Собственно импульсное регулирование, которое в свою очередь можно подразделить на частотно-импульсное и широтно-импульсное управление.


Названия этих методов говорят сами за себя.


Так при частотно-импульсном регулировании t
изменяется с изменением частоты следования импульсов. При этом длительность импульса не изменяется. По абсолютной величине она остается постоянной.


При широтно-импульсном регулировании частота импульсов остается постоянной, а tu
изменяется.


Для дальнейшего рассмотрения и последующего расчета следует принять именно этот способ.


2. Принцип работы устройства

Структурную схему наиболее просто и часто встречающегося варианта широтно-импульсного регулирования работы двигателя можно увидеть на рис.1.



На данном рисунке ГЛИН - это генератор линейно изменяющегося напряжения. С помощью него создается частота следования импульсов. Диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, изображены на рис.2,3.


Схема работает следующим образом. ГЛИН подает импульсы на один из входов устройства сравнения - U
(
t
)
, на другой вход поступает сигнал постоянного уровня U
оп
(рис.2, 3а). В случае, если U
(
t
)
U
оп
, на выходе устройства сравнения возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U
(
t
) >
U
оп
, на выходе наблюдается низкий уровень сигнала (логический ноль). Импульсы возникают с частотой ГЛИН. Длительность импульсов изменяется посредством регулирования величины опорного напряжения (рис.2, 3б). Источник опорного напряжения реализуется с помощью потенциометра. В качестве устройства сравнения используется компаратор напряжения. Учитывая, что сигнал, выдаваемый компаратором невелик (I
= 0,005А), его необходимо усилить. Для этого в схеме предусмотрен усилитель. В таком усилителе, как в обычном импульсном, нельзя использовать в качестве разделительных элементов конденсаторы и трансформаторы, поскольку вместе с изменением длительности импульса при неизменной частоте изменяется постоянная составляющая, которая не передается разделительными элементами. Таким образом, данный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока. В данной курсовой работе усилитель выполнен на базе ключей с резистивной связью.



Импульсный сигнал, усиленный усилителем, управляет работой квантующего элемента, который является электронным прибором (транзистором или тиристором), работающем в ключевом режиме. Когда ключ открыт, напряжение от источника питания поступает на якорную обмотку двигателя. Скачок напряжения в виде импульса приводит к разгону двигателя, а пауза определяет режим торможения двигателя. Посредством чередования разгона и торможения двигателя устанавливается средняя скорость вращения его вала. Причем пульсации скорости являются незаметными благодаря инертности двигателя и достаточно большой частоте следования импульсов (рис.2в, 3в).


В данной схеме в качестве источника переменного напряжения используется именно ГЛИН, т.к. именно он обеспечивает плавность и линейность регулирования подачи импульсов. Если бы в качестве такого источника был использован, например, источник напряжения с сигналом вида U(t) = |sinwt|, то ближе к амплитуде данного сигнала имелась бы существенная нелинейность, и регулирование не было бы плавным.


3. Расчет цепи схемы управления


3.1 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения


Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.


Как правило, высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Мы будем использовать схему изображенную на рис.4



Рисунок 4 - Схема ГЛИН


Как видно из схемы на рис.4.


При исключении из данной схемы тиристора, подключенного параллельно конденсатору C, получается интегратор. Выходное напряжение определяется выражением:



Когда выходное напряжение превысит напряжение U
оп
, тиристор откроется и конденсатор С
разрядится через него. При этом напряжение UC
=
U
вых
снизится до уровня напряжения U
откр
на тиристоре в открытом состоянии, после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током повторится. Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие [2,стр.212].


Далее выберем операционный усилитель К140УД5Б, он имеет следующие основные характеристики [3, стр.403]


Коэффициент усиления не менее Кус
= 3 ×
104


Входное дифференциальное сопротивление R
вх.диф
=2,5 МОм


Напряжение питания U
пит
= ±5..±18 В


Максимальное выходное напряжение U
вых
max
= ±11 В


Сопротивление нагрузки, не менее R
н
=1 кОм


Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]


Напряжение в открытом состоянии U
откр
= 1 В


Обратное напряжение U
обр
=10 В


Прямой ток управляющего электрода I
пр
=15 мА


Исходя из величины I
пр
зададимся U
оп
и R
б
, при этом учтем условие


, т.е .


Тогда, если ,


то получаем .


Как известно управление ДПТ, как правило, осуществляют на частотах f
=
10..1000 Гц. Тогда по формуле:



получим при C
= 0.1 мкФ, f
= 900 Гц , E
= 15 В тогда R
равно:



3.2 Расчет сравнивающего устройства

Сигнал с выхода ГЛИН (операционного усилителя) подается на один из входов компаратора напряжения. Наиболее подходящим компаратором является К554СА2, который имеет следующие основные характеристики [5, стр.158].


Коэффициент усиления К
u
= 75×
103


Напряжение высокого уровня (лог. 1) U
1
= 2,5 ¸ 4 В


Напряжение низкого уровня (лог. 0) U
0
= 0¸0.3 В


Напряжение питания U
пит
= +12 ; -6 В


Минимальное сопротивление нагрузки R
n
min
= 2 кОм



Рисунок 5 - Схема сравнивающего устройства


Рассчитаем работу компаратора: пусть Е
=19 В. Для этого необходимо рассчитать полюса подстроечного (переменного) сопротивления R
.
Обозначим полюс, соединяющий +Е
с неинвертирующим входом компаратора, как R

, а другой (+Е
- земля) – как R
”.
Входным током компаратора можно пренебречь ввиду большого входного сопротивления. Т.к U
вх
, на входе компаратора не превосходит 10В, необходимо, чтобы Umax
R

=10 В, тогда получаем т.к.


,то получаем при R” = 100 кОм,



Сопротивление лучше всего взять СП-2-3б из ряда Е6, сопротивление из этого ряда наиболее распространены, имеют достаточную мощность и хорошие характеристики (точность подстройки 1%, кОм).


3.3 Расчет исполнительного устройства

Исполнительное устройство в данной схеме представляет собой электрический ключ. Построение электрического ключа на основе составного биполярного транзистора обусловлено следующими факторами:


1) Отсутствие реверса в разрабатываемой схеме.


2) Сравнительная простота реализации электрического ключа на биполярном транзисторе.


3) Управление состоянием транзист

орного ключа осуществляется с помощью управляющего входного сигнала.


4) Малый выходной ток компаратора.


5)Требования к минимальному сопротивлению нагрузки компаратора.


Реализация электрического ключа на основе составного биполярного транзистора приводит к уменьшению мощности, получаемой от предыдущего звена схемы. В этом случае пара транзисторов VT1, VT2 работает как один, но с коэффициентом усиления по току, равным:


.


При этом транзистор VT1 потребляет меньшую мощность и, как правило, обладает значительным коэффициентом по току.



Рисунок 6 - Составные транзисторы.


Выберем составные n-p-nтранзисторы, подключенные по схеме Дарлингтона. При работе составных транзисторов в ключевом режиме их включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером, как изображено на рис.6. Двигатель, которым необходимо управлять, как правило, включают в коллекторную цепь транзисторов. А для компенсации противо ЭДС якоря двигателя параллельно коллекторной цепи транзисторов включают диод VD1. Например, серии Д7Б с U
обр
max
= 100 В. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзисторов в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.



Рисунок 7 - Схема транзисторного ключа.


Т.к мы выбрали двигатель СЛ-525 [1], то получаем следующие входные данные для транзисторного ключа:


U
ном
= 110 В


P
ном
= 75 Вт


I
ном
= 1,2 А


Отсюда можем найти


Исходя из U
ном
и I
ном
выберем транзистор VT2. Наиболее подходящим транзистором оказался: n-p-n транзистор КТ809А, который имеет следующие характеристики [7, стр.429]:


Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 30


Обратный ток коллектора IK
0
max
= 3 мА


Постоянный ток коллектора IK
= 3 А


Постоянное напряжение эмиттер-база U
БЭ
max
= 4 В


Постоянный ток базы I
Б
= 1,5 А


Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U
КЭ
max
= 400 В


Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК
max
= 40 Вт


Рабочая температура pn– перехода Tn
раб
= - 60 +1250
С


Максимальная температура перехода Тп
max
= 1500
С


Зададимся значением Еп
, пусть Еп
= 110 В. Определим параметры схемы, необходимые для обеспечения режима насыщения транзистора.



Рисунок 8 - Выходные ВАХ транзистора КТ809А


Построим нагрузочную прямую по постоянному току. Далее имеем



При этом ток в коммутируемой цепи не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и ). Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.


Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:



Для реального тока базы должно выполнятся, условие, т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы. И, как правило, с целью повышения надежности работы транзисторного ключа при различных температурах, а также для удобства замены транзистора в случае выхода из строя, эти величины связывают через степень насыщения S
. Но в нашем случае, т.к. мы используем схему на составных транзисторах, то достаточно задаться значением S
, только для транзистора VT1, который будем рассчитывать далее. Значит для данного транзистора (VT2) будем иметь . Теперь из входных характеристик можно определить минимальное напряжение, которое необходимо подать на вход ключа для того, что бы перевести транзистор в режим насыщения.





Рисунок 9 - Входные ВАХ транзистора КТ809А


Как видно . Из расчетов для транзистора VT2 окончательно получаем,


, , .


В качестве транзистора VT1 используется транзистор КТ603А со следующими основными характеристиками [ 7, стр.317]:


Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 80


Обратный ток коллектора(при Тс = -400
¸ +250
С) IKO
max
= 1 мкА


Постоянный ток коллектора IK
max
= 1 А


Постоянный ток базы IБ
max
= 0,2 А


Постоянное напряжение эмиттер-база UБЭ
max
= 7 В


Постоянное напряжение коллектор -эмиттер UКЭ
max
=120 В


Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК
max
= 0,8 Вт


Максимальная температура коллекторного перехода Тп
max
= 1500
С


Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30×
80=
2400


Для транзистора VT1 получаем, т.к. , то должно выполняться следующее соотношение: ==70 мА, где - ток базы транзистора VT2. Значит по уже известным формулам можно записать:



Зададимся значением степени насыщения S = 2, тогда получим мА, а затем построим выходные ВАХ для транзистора КТ603А.





Рисунок 10 - Входные ВАХ транзистора КТ603А


Получим, что . Рассчитаем необходимое сопротивление :



В режиме запирания транзистора в силу ничтожно малой величины теплового тока коллектора, на вход транзисторного ключа можно не подавать отрицательное запирающее напряжение. Для запирания транзистора будет достаточно и нулевого уровня напряжения.


4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя


При описании работы двигателя в установившемся режиме используют механическую и регулировочную статические характеристики.


Под механической характеристикой
понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от среднего значения момента при неизменной отрицательной продолжительности импульсов t
u
.


Под регулировочной характеристикой
понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от относительной продолжительности импульсов t
u
при неизменном среднем моменте на валу двигателя.


В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря t
я
и величины Тu
, от схемы управления, момента нагрузки и тока в цепи якоря возможны два основных режима работы двигателя при импульсном управлении: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.


Режим прерывистого тока
возможен при t
я
< Тu
и характеризуется тем, что во время паузы tn
ток в якоре равен нулю. В технических условиях на двигатель не было указано индуктивности его обмотки, поэтому можно предположить, что она очень мала, и t
я
заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:


(*)


где - средняя частота вращения вала двигателя;


Мср
:
t
u
- среднее за период Т
u
значение вращающего момента.


Все величины - в относительных единицах.


Выражение (*) при t
u
=constпредставляет собой уравнение механической характеристики, а при Мср
= const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:


1. Механические характеристики линейны и начинаются из одной общей точки холостого хода
(=1, Мср
=0). Жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения момента к приращению частоты вращения ротора, уменьшается по мере уменьшения tu
.


2. Регулировочные характеристики нелинейны
. Регулирование возможно только при Мср

0, т.к. при Мср
= 0 установившееся значение средней частоты вращения ротора =1, при любом tu
.


Согласно бланку задания нам требуется построить характеристики двигателя в абсолютных единицах. В числе прочих справочных данных для двигателя имеются следующие:


Номинальная частота вращения n
ном
=4400 об/мин


Номинальный момент на валу двигателя M
ном
=0,196 Н∙м


Пусковой момент M
пуск
=0,49 Н∙м


Теперь запишем уравнение (*) с учетом того что


, а


(**)


теперь подставив в уравнение (**) точки (M
ном
;
n
ном
) и (M
пуск
;0
)(условие равенства скорости двигателя 0 в момент пуска), и для простоты вычислений приняв =1, получаем:


об/мин


Теперь мы можем построить механические и регулировочные характеристики для данного двигателя.


Построим механические характеристики для =0,5, =0,25 и =0,1 проще всего это сделать, воспользовавшись уравнением (**) приняв при этом n
=0.Найдем координаты первой точки:




















1 0.5 0.25 0,1
n,об/мин 0 0 0 0
M ,Н∙м 0,49 0,245 0,1225 0,049

Что касается второй точки то, как следует из свойств механической характеристики описанных выше, это будет точка (0,).Теперь построим механические характеристики.





Рисунок 11 - Механические характеристики.


Теперь построим регулировочные характеристики, для этого воспользуемся уравнением (**). Составим следующую таблицу:


При Н∙м


























0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
n,об/мин 0 3666 4888 5499 5866 6111 6285 6416 6518 6599

При Н∙м
























0,25 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
n,об/мин 0 1222 2750 3666 4277 4714 5041 5296 5500

При Н∙м


Теперь построим регулировочные характеристики двигателя:





Рисунок 12 - Регулировочные характеристики.

Далее изобразим относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора при высоте импульсов U
ном
и моменте на валу двигателя M
ном
.



Рисунок 13 - Относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора


Где величины n
1
и n
2
определяются по формулам:




Где - среднее в интервале значение вращающего момента двигателя, отн.ед.; -статический момент сопротивления на валу отн.ед.; -момент инерции ротора;


-постоянная машины.


Заключение

В результате выполнения курсовой работы было рассчитано устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. В основу расчета лег принцип широтной модуляции сигнала. Применение интегральных схем значительно упростило устройство и повысило его надежность.


При расчете было сделано допущение о малой индуктивности якоря, и весь расчет велся на активное сопротивление обмотки двигателя.


Кроме того, ввиду большого быстродействия транзисторных ключей и сравнительно малой частоты генерирования линейно изменяющегося напряжения переходные процессы в электронных компонентах также не принимались в рассмотрение, и весь расчет велся для устойчивого режима.


В ходе исследования работы двигателя при переменном t
u
и различных значениях момента М
были построены механические и регулировочные характеристики электродвигателя в абсолютных единицах, по которым можно определить характер работы двигателя.


Список используемой литературы

1. Копылов. Справочник по электрическим машинам. – М.:Энергоатомиздат, 1989г – 688с.


2. Основы промышленной электроники. Под ред. проф. В.Г.Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986г - 336с.


3. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Б.В.Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1983г -528с.


4. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. – М.: Высшая школа, 1990г -528с.


5. Подлипенский В.С., Петренко В.Н.Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. – К.: Вища школа, 1987г -592с.


6. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. -М.: Энергия, 1976г -744с.


7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981г -656с.


8. Лукашенков А.В. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Лабораторная работа №16. Расчет и исследование бестрансформаторных усилителей мощности. Методические указания. -Тула.: ТулПИ, 1988г -32с.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

Слов:3214
Символов:28085
Размер:54.85 Кб.