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 t_u - 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 w_СР, 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 U_max, 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 t_u 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) = |sin wt|, 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 U_C = 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                        К_ус = 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)      U₁ = 2,5 ¸ 4 В

Напряжение низкого уровня (лог. 0)                  U₀ = 0¸0.3 В

Напряжение питания                                 U_пит = +12 ; -6 В

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 U_{max 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 транзисторного 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-n транзисторы, 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                                   I_{K0 max} = 3 мА

Постоянный ток коллектора                               I_K = 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 Р_{К max} = 40 Вт

Рабочая температура pn– перехода T_{n раб} = - 60 +125⁰С

Максимальная температура перехода                  Т_{п max} = 150⁰С

Зададимся значением Е_п, пусть Е_п = 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 ¸ +25⁰С) I_{KO max} = 1 мкА

Постоянный ток коллектора                               I_{K max} = 1 А

Постоянный ток базы                                          I_{Б max} = 0,2 А

Постоянное напряжение эмиттер-база                         U_{БЭ max} = 7 В

Постоянное напряжение коллектор -эмиттер              U_{КЭ max} =120 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р_{К max} = 0,8 Вт

Максимальная температура коллекторного перехода Т_{п max} = 150⁰С

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.

В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря t_я и величины Т_u, 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< Т_u и характеризуется тем, что во время паузы t_n 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;

М_ср : t_u - среднее за период Т_u значение вращающего момента.

Все величины - в относительных единицах.

Выражение (*) при t_u=const представляет собой уравнение механической характеристики, а при М_ср = const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:

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

2. Регулировочные характеристики нелинейны. Регулирование возможно только при М_ср ≠ 0, т.к. при М_ср = 0 установившееся значение средней частоты вращения ротора =1, при любом t_u.

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	0,9	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 n₁ и n₂ 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.