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
Uу, 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.
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 Uоп (рис.2, 3а). В случае, если U(t) Uоп, на выходе устройства сравнения
возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U(t) > Uоп, 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 Uоп,
тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом
напряжение UC = Uвых снизится до уровня напряжения Uоткр 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 Rвх.диф=2,5
МОм
Напряжение питания
Uпит = ±5..±18 В
Максимальное выходное
напряжение Uвых max = ±11 В
Сопротивление нагрузки,
не менее Rн=1 кОм
Так же подберем тиристор.
Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными
характеристиками [6]
Напряжение в открытом
состоянии Uоткр
= 1 В
Обратное напряжение Uобр =10 В
Прямой ток управляющего
электрода Iпр =15 мА
Исходя из величины Iпр зададимся Uоп и Rб, 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:
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 Кu = 75×103
Напряжение высокого
уровня (лог. 1) U1 = 2,5 ¸ 4 В
Напряжение низкого уровня
(лог. 0) U0 = 0¸0.3 В
Напряжение питания
Uпит = +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 Uвх, 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).
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 Uобр 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:
Uном = 110 В
Pном = 75 Вт
Iном = 1,2 А
Отсюда можем найти
Исходя из Uном и Iном
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
IK0 max = 3 мА
Постоянный ток коллектора
IK = 3 А
Постоянное напряжение
эмиттер-база UБЭ max = 4 В
Постоянный ток базы
IБ = 1,5 А
Постоянное напряжение
коллектор-эмиттер UКЭ max = 400 В
Постоянная рассеиваемая
мощность коллектора РК max = 40 Вт
Рабочая температура pn– перехода Tn раб = - 60 +1250С
Максимальная температура
перехода Тп max = 1500С
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 ¸ +250С) 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 = 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 tu.
В зависимости от
соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря tя 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 tя< 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 tя заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом
случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:
(*)
где - средняя частота вращения вала двигателя;
Мср : tu - среднее за период Тu значение вращающего момента.
Все величины - в
относительных единицах.
Выражение (*) при tu=const представляет 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 nном=4400 об/мин
Номинальный момент на
валу двигателя Mном=0,196 Н∙м
Пусковой момент Mпуск=0,49 Н∙м
Теперь запишем уравнение
(*) с учетом того что
,
а
(**)
теперь подставив в
уравнение (**) точки (Mном; nном) и (Mпуск;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 Uном и моменте на валу двигателя Mном.
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 tu и различных значениях момента М
были построены механические и регулировочные характеристики электродвигателя в
абсолютных единицах, по которым можно определить характер работы двигателя.
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.