Проектирование систем управления двигателем постоянного тока
Министерство
образования Российской Федерации
Государственное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ЗАДАНИЕ
на
выполнение курсовой работы
1. Тема
курсовой работы _______________________________________________________
(утверждена
приказом ректора (распоряжением декана) от____№___
2. Срок сдачи студентом готовой
работы_____________________
Исходные данные к работе
Нагрузочная диаграмма.
Исходные данные.
Момент:
М1=5Н*м
М2=4Н*м
М3=3Н*м
М4=1Н*м
М5=2Н*м
Время:=10 сек.=13 сек.=7 сек.=11 сек.=19 сек.
Угловая скорость:
ω1=88 рад/с
ω2=44 рад/с
ω3=22рад/с
ω4=11 рад/с
ω5=5.5 рад/с
Температура:º=20ºC
Напряжение питания:пит=220В
Время переходного процесса:пп=10% от интервала,
т.е.
Ошибка регулирования в установившемся режиме на
больше 5%
Руководитель________________ (И.О.Ф.)
(подпись, дата)
Задание принял к исполнению
____________________________ (И.О.Ф.)
(подпись, дата)
Содержание
Введение
1.1
Двигатель постоянного тока
1.2
Выбор элементов, расчет параметров силовой части
1.3
Подбор силового драйвера
1.4
Выбор датчиков тока и скорости
1.5
Выбор микроконтроллера
2.1
Выбор функциональной схемы системы управления двигателем постоянного тока
2.2
Синтез регуляторов методом модального оптимума
2.3
Расчет контура тока
2.4
Расчет контура скорости
3.1
Моделирование процесса в пакете MatLab Simulink3
Заключение
Список
использованных источников
Введение
двигатель ток регулятор
В данном курсовом проекте осуществляется подбор
двигателя постоянного тока по определенным параметрам, заданным в варианте
задания. Рассматриваются вопросы подбора схемы питания и выбора ее частей из
линейки элементов, выпускаемых промышленностью; проектируется схема управления,
в том числе: осуществляется выбор подходящего силового драйвера, МК, датчиков
тока и скорости. По окончании расчетов системы электропривода будет произведено
моделирование системы в пакете MatLab Simulink.
1.1 Двигатель постоянного тока
Двигатель постоянного тока - электромеханический
преобразователь энергии электрической в механическую, работающий от сети
постоянного тока и имеющий в составе щёточно-коллекторный узел.
Рис. 1 Устройство простейшего коллекторного
двигателя постоянного тока с двухполюсным статором и с двухполюсным ротором.
Принцип действия основан на взаимодействии
основного магнитного поля главных полюсов, с магнитным полем якоря вращающегося
внутри. Поле якоря образуется (рамки с током) протекающим по обмотке постоянным
электрическим током, который в каждый момент в зависимости от положения якоря
протекает по одной из фаз.
Щеточно-коллекторный узел выполняет роль электромеханического
преобразователя рода тока постоянного в переменный и коммутатора, подключая в
текущий момент времени ту фазу обмотки якоря (катушку), который формирует
максимальный электрический момент.
1.2 Выбор элементов, расчет параметров силовой
части
Исходя из заданных характеристик и диаграммы
работы исполнительного механизма, на первом этапе необходимо определить
продолжительность включенного состояния электропривода и среднюю мощность за
цикл работы.
Первоначально рассчитаем среднеквадратичную мощность
за цикл работы.
Вт
Определим продолжительность
включения: ПВ=
Так как сумма и совпадает,
то ПВ=100%
На основе определенных и ПВ
производим выбор двигателя, при этом мощность двигателя
- коэффициент запаса
Выберем =1,2, тогда
Таким образом, двигатель следует
выбирать исходя из следующих параметров:
Проведем анализ нескольких
двигателей, которые могли бы подойти.
Рис 2. Технические данные двигателей
постоянного тока серии ДК.
Наиболее подходящие по параметрам
оказались двигатели серии ДК1.
Рассмотрим двигатели серии ДК:
Рис 2.1 Технические данные
двигателей постоянного тока серии ДК.
Проанализируем каждый двигатель.
Таблица 1.
Тип
двигателя
|
Номинальный
момент, Н*м
|
Мощность,
Вт
|
Частота
вращения, об/мин
|
ДК-1,7
|
1,7
|
180
|
1000
|
ДК1-2,3
|
2,3
|
240
|
1000
|
ДК1-3,5
|
3,5
|
360
|
1000
|
ДК1-5,2
|
5,2
|
540
|
1000
|
*-жирным
шрифтом выделены параметры, подходящие по условию.
Таким образом, из таблицы 1 видно, что самый
подходящий тип двигателя - ДК1-5,2.
Запишем его характеристики:
Таблица 2.
Тип
двигателя
|
Номи-нальный
момент, Н*м
|
Номин-альная
скорость об/мин
|
Номи-нальная
мощность, Вт
|
Номи-нальный
ток, А
|
Напря-жение,В
|
КПД,%
|
Момент
Пусковой, Н*м
|
Ток
Пусковой, А
|
Момент
инерции якоря, кг*м2
|
Активное
сопротив-ление якоря, Ом
|
Индук-тивность
обмотки, Гн
|
Электромагнитная
постоянная, мс
|
ДК1-5,2-001-АТ
|
5,2
|
1000
|
715
|
6,5
|
110
|
75,5
|
36
|
16.25
|
0,037
|
1
|
25
|
5,3
|
Обычно, пусковой ток принимают равным 2.5*ток
номинальный , т.о.:
Данный результат записан в таблицу
2.
Подбор силового драйвера.
Необходимые условия для подбора
силового драйвера:
Интеллектуальный силовой драйвер
должен содержать встроенные элементы токовой, температурной защиты, защиты от
перенапряжения, встроенные датчики тока и скорости. При этом:
ток силового драйвера > 6.5 А,
Пусковой ток < Предельного тока
драйвера,
Напряжение силового драйвера >
110В
Наиболее подходящий по параметрам
силовой драйвер - IRAMX16UP60A.
Рис. 3 Силовой драйвер IRAMX16UP60A.
Характеристики драйвера
Таблица 3
Из таблицы 3 видно, что данный
драйвер полностью удовлетворяет заданным параметрам, а именно
Напряжение драйвера больше
напряжения двигателя 600В>110В
Максимальный ток больше тока
пускового 30A>16.25A
Ток силового драйвера >
номинального тока двигателя 8A>6.5A
Функциональная схема силового
драйвера:
Рис. 4 Функциональная схема силового драйвера.
1.4 Выбор датчиков тока и скорости
Датчик тока предназначен для
измерения тока якоря двигателя и преобразования его в соответствующее
стандартное напряжение системы управления . В качестве датчика тока
применяется измеритель напряжения шунта с или 150 мВ и номинальным диапазоном
токов 50, 75, 100,150, 200, 300, 400, 500 А. Шунт подбирается таким образом,
чтобы его номинальный ток был близок к пусковому току двигателя. Таким образом,
коэффициент передачи датчика равен:
где - номинальный ток шунта, выбранный
из стандартного диапазона токов и неравенства: . Сопротивление выбранного шунта
равно:.
В качестве датчиков скорости могут
использоваться датчики ЭДС, тахометрические мосты и тахогенераторы переменного
и постоянного токов. Тахогенератор постоянного тока в данном случае наиболее
целесообразен, поскольку надежно закрепляется на валу двигателя с
противоположной стороны от выступающего конца, обладает достаточной линейностью
преобразования «частота вращения à напряжение», а также не требует дополнительного
выпрямления выходного напряжения для адаптации к системе управления.
В качестве датчика скорости возьмем
тахогенератор.
Тахогенераторы постоянного тока -
небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным
магнитом или независимой обмоткой.
Выберем, подходящий для нашего
двигателя тахогенератор, исходя из следующих условий: Максимальная скорость
тахогенератора> номинальной скорости двигателя.
Таким образом, выберем тахогенератор
постоянного тока ТП-75-20-0,2, исходя из его характеристик
Таблица 4
Из таблицы 4 видно, что максимальная частота
вращения > номинальной частоты двигателя 6000об/мин>1000об/мин.
.5 Выбор микроконтроллера
Микроконтроллер - микросхема
<#"584303.files/image031.gif">
Рис.5 Семейство 32-разрядных
микроконтроллеров STM32F
Отличительные особенности
архитектуры семейства STM32F с точки зрения задач управления приводами (помимо
ARM-ядра):память программ- от 16К до 512К, данных- от 4К до 64К.
Аналоговая подсистема. Типовым вариантом
является 16 каналов 12-разрядных аналого-цифровых преобразователей. В корпусах
с 144 выводами- 21 канал. Большое число каналов позволяет использовать не
только аналоговые сигналы токовых датчиков двигателей, но и дополнительные
сигналы от аналоговых датчиков различного назначения.
Таймерная подсистема. Число
универсальных таймеров в корпусах с большим числом выводов увеличено до 6...8.
Число каналов захват/сравнение- до 16...24, линий ШИМ-сигналов- до 18...28. Это
позволяет реализовать управление не одним, а десятью приводами в одном микроконтроллере
<#"584303.files/image032.gif">
Рис.6. Структурная модель системы
электропривода.
Требуемые значения регулируемых
переменных задаются с помощью задающего устройства.
На основании этих значений и
сигналов обратной связи устройство управления формирует сигналы на силовой
преобразователь (драйвер), предназначенный для создания регулирующего
воздействия на электродвигатель.
Электродвигатель преобразует
электрическую энергию в механическую. В качестве электродвигателя используется
двигатель постоянного тока.
Механическая энергия от
электродвигателя передается к исполнительному механизму через механическое
передаточное устройство. Оно позволяет, при необходимости, согласовать выходные
параметры двигателя (частоту вращения и момент) в параметры, требуемые для
приведения в движение исполнительного механизма. Например, преобразовать
вращение вала двигателя в линейное перемещение каретки.
Датчики обратной связи Д1 и Д2
возвращают в устройство управления информацию, соответственно, о состоянии
двигателя и исполнительного механизма. В нашем случае датчиками являются датчик
тока и датчик скорости (тахометр).
.2 Синтез регуляторов методом
модального оптимума
Рассмотрим структурную схему
электропривода:
Рис.7. Структурная схема
электропривода.
,гдерс - передаточная функция
регулятора скорости рт - передаточная функция регулятора тока пр - передаточная
функция преобразователя - передаточная функция электромагнитной постоянной -
передаточная функция электромеханической постоянной
Кс - коэффициент скорости
Кт - коэффициент тока
Настройка регуляторов контура
скорости и контуров тока производится по принципу последовательной коррекции,
начиная всегда с внутреннего контура (тока).
Для синтеза регулятора тока
составляем равенство произведений передаточных функций разомкнутой главной цепи
и желаемой передаточной функции разомкнутого контура тока.
Синтез регулятора на технический
оптимум обеспечивается следующей желаемой передаточной функцией основной цепи
разомкнутого контура.
.3 Расчет контура тока.
(1)
, где Кт - коэффициент обратной
связи по току
ан- коэффициент настройки контура,
принимаемый равным 2, что соответствует настройке на оптимум с показаниями
переходных процессов.
- суммарная некомпенсируемая
постоянная времени контура регулирования
(2)
(3)
(4)
(5)
Выразим :
(6)
(7)
,где -
Произведем расчеты:
,
, отсюда
, где
, где
, где
- момент инерции якоря кг*м2*5 -
момент инерции всего механизма
- скорость холостого хода
- момент пусковой
При режиме холостого хода
произведение , таким
образом .
, отсюда
, отсюда
Таким образом, можем найти
передаточную функцию
.4 Расчет контура скорости
(8)
(9)
(10)
Составим выражение:
(11)
Выразим :
3.1 Моделирование процесса в пакете
MatLab Simulink
Рис.8. Схема процесса
смоделированного в пакете MatLab Simulink.
Рис.9. График переходного процесса.
В результате моделирования
переходного процесса имеем время переходного процесса 0.000872, перерегулирование
- 8.25%.
Заключение
В ходе выполнения курсового проекта
был выбран двигатель постоянного тока - ДК1-5,2, с подходящими параметрами. Так
же был осуществлен подбор силового драйвера, датчиков тока и скорости и
микроконтроллера. Рассчитаны все передаточные функции, входящие в систему
управления электроприводом. Данная схема была смоделирована в пакете MatLab
Simulink, в результате чего был получен сходящийся переходный процессии и
выявлены следующие параметры: tпп= 0.000872, перерегулирование - 8.25%.
В результате выполнения курсового
проекта были получены новые практические навыки в подборе необходимых элементов
схемы и углублены знания в области текущей дисциплины.
Список использованных источников
[электронный
ресурс]. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/powersuply/rohm_revers.htm.
Первичные
преобразователи, датчики, компоненты автоматизации производства, системы
безопасности, КИПиА. Датчики тока. Датчики тока с выходом по току: каталог
[электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sensorica.ru/d7-3.shtml.
/2009/200913/p2.html.
[электронный
ресурс]. - Режим доступа:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/iramx16up60a.pdf.
1.