Разработка системы управления двигателя постоянного тока

1



Содержание



Введение…………………………….…………………………………..................2

1. Определение параметров и структуры объекта управления.….…………….3

2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления……………………………………………………………………...…7

3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества…………………………………………………………………………..16

4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её элементов.23

Список литературы.………………………………………….………………..…39




Введение



На современном этапе, характеризующемся приоритетным развитием машиностроения и автоматизации производства, автоматизированный электропривод сформировался как самостоятельное научное направление, в значительной степени определяющее прогресс в области техники и технологии, связанных с механическим движением, получаемым путем преобразования электрической энергии. Этим объясняется большой интерес специалистов к новым разработкам в данной отрасли техники и к ее научным проблемам.

Четко определился объект научного направления – система, отвечающая за управляемое электромеханическое преобразование энергии и включающая два взаимодействующих канала – силовой, состоящий из участка электрической сети, электрического, электромеханического, механического преобразователей, технологического рабочего органа, и информационный канал. В рамках данного курсового проекта рассматривается разработка информационного канала.




1. Определение параметров и структуры объекта управления



В состав объекта управления входит двигатель постоянного тока независимого возбуждения  с параметрами по табл. 10.11 [1, стр. 277]:



 - номинальная мощность,

 - номинальное напряжение питания обмотки возбуждения и якорной цепи,

 - КПД,

 - номинальная частота вращения,

 - максимальная частота вращения,

 - сопротивление обмотки якоря,

 - сопротивление добавочных полюсов,

 - индуктивность обмотки якоря,

 - сопротивление обмотки возбуждения,

 - момент инерции якоря.

 - число пар полюсов.

 - коэффициент инерционности механизма.



Данный ЭД предназначен для работы в широкорегулируемых электроприводах, соответствует , имеет защищенное исполнение, с независимой вентиляцией (асинхронный двигатель ).



Номинальная угловая скорость вращения






Максимальная угловая скорость вращения:







Номинальный ток якоря:







Суммарное сопротивление якорной цепи:







Произведение постоянной машины на номинальный поток:







Постоянная времени якорной цепи:







Номинальный момент:







Номинальный ток обмотки возбуждения:






Исходя из высоты оси вращения  по табл. 1 [2, стр. 5]: 



По рис. 4 [2, стр. 10]: 







По рис. 2б [2, стр. 8]: 

По табл. 2 [2, стр. 9] для класса изоляции : 

По табл. 3 [2, стр. 10] для :



Окончательно получим:







По рис. 3 [2, стр. 9]: 

Полюсное деление равно:







Число витков обмотки возбуждения [2, стр. 27]: 

Номинальный магнитный поток:





Постоянная машины:







Коэффициент рассеяния [3, стр. 38]: 

Индуктивность обмотки возбуждения:







Постоянная времени обмотки возбуждения:







Постоянная времени обмотки возбуждения:







Суммарный момент инерции механизма:







Так же объёкт управления содержит  возбуждения и  напряжения якоря, частота коммутации которых: 

Постоянная времени преобразователей равна:





Так как  и  представим преобразователи в виде пропорциональных звеньев, откуда с учетом диапазона стандартных управляющих сигналов () имеем и максимальной скважности  () получим:







2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления



Объект управления описывается следующими уравнениями [3, стр.38-39]:







Выберем двухконтурную систему управления скорости с внутренним контуром потока (рис. 1).





Рис. 1. Двухконтурная система регулирования скорости.


Универсальная кривая намагничивания представлена на рис. 3.

Так как регулирование происходит изменением потока, минимальный поток будет при максимальной скорости:







Минимальный ток возбуждения (по рис. 3):









Рис. 3. Универсальная кривая намагничивания.



При этом коэффициент линеаризации кривой намагничивания лежит в диапазоне:








Максимальная постоянная времени потока:







Коэффициент форсирования тока возбуждения [4, стр. 559]:







Малая постоянная времени:







Желаемая передаточная функция замкнутого контура потока:







Желаемая передаточная функция разомкнутого контура потока:







Передаточная функция разомкнутого контура потока:







Коэффициент обратной связи по потоку:






Передаточная функция регулятора потока:







где









Коэффициент  подлежит определению непрерывно, для чего контур потока будет модифицирован (рис. 4.).





Рис. 4. Модифицированный контур регулирования потока.


Коэффициент обратной связи по скорости:







Коэффициент обратной связи ЭДС:







Коэффициент обратной связи по току возбуждения:







Коэффициент нормализации 







С учётом этого:









Внешний контур скорости представлен на рис. 5.




Рис. 5. Контур регулирования скорости.



Желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости:







Передаточная функция разомкнутого контура скорости:







Передаточная функция регулятора скорости







где







Так как нагрузка с постоянной мощностью изменяет знак  и коэффициент  подлежит определению непрерывно контур скорости также будет модифицирован (рис. 6.).




Рис. 6. Модифицированный контур регулирования скорости.



Коэффициент обратной связи по току якоря:







Отсюда следует:







Передаточная функция контура компенсирующего влияние нагрузки:







Коэффициент задания мощности нагрузки:






Откуда (с учётом принятых выше коэффициентов) имеем:







где









Структура системы управления стабилизатором напряжения в цепи якоря приведена на рис. 7.





Рис. 7. Контур управления напряжением якоря.



Здесь:







Структурная схема всей системы управления и объекта приведена на рис. 8.







Рис. 8. Структурная схема системы управления и объекта.







3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества



Модель объекта и системы управления в комплексе  представлена на рис. 9.

Моделирование будем проводить по нижеследующему алгоритму:

Пуск на номинальную скорость - 

максимальный скачёк задания -, (рис. 10 – рис. 14)

Проверка отработки задания



(рис. 15 – рис. 10)













Рис. 9. Модель объекта и систему управления.









Рис. 10. Зависимость  от времени.





Рис. 11. Зависимость  и от времени.




Рис. 12. Зависимость  и  от времени.





Рис. 13. Зависимость  и  от времени.




Рис. 14. Зависимость  от времени.





Рис. 15. Зависимость  от времени.




Рис. 16. Зависимость  и от времени.





Рис. 17. Зависимость  от времени.




Рис. 18. Зависимость  и  от времени.





Рис. 19. Зависимость  от времени.



Для технического оптимума:

-перерегулирование составляет:







-время нарастания:







По результатам моделирования:

-перерегулирование составляет:







-время нарастания: 



Статическая ошибка отсутствует.

Отсюда можно сделать вывод:

динамика и статика спроектированной системы полностью удовлетворяет требованиям технического задания.



4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её элементов



Обратная связь по скорости.




Рис. 20. Обратная связь по скорости.



Схема обратной связи по скорости представлена на рис. 20, здесь:

-фильтр коллекторных пульсаций тахогенератора с :



 - ,

 - 



-цепь защиты от обрыва обратной связи:

 -  с параметрами

- максимальный прямой ток,

- прямое напряжение,

- максимальное обратное напряжение,

- ёмкость диода,

- максимальная рабочая частота;

-тахогенератор  встроенный в двигатель:






-коэффициент усиления схемы:



,

,

 - ,



;



-усилительный элемент:

 - с параметрами

 - напряжение питания,

 - максимальное выходное напряжение,

 - входной ток,

 - коэффициент нарастания напряжения,

 - коэффициент усиления по напряжению,

- максимальная рабочая частота;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

	

	 - ,



Обратная связь по току якоря.






Рис. 21. Обратная связь по току якоря.



Схема обратной связи по току якоря представлена на рис. 21, здесь:

-фильтр пульсаций  с :



 - ,

 - ;



-датчик тока:

 -  с параметрами :

- номинальный входной ток,

- напряжение питания,

- сопротивление нагрузки,

- коэффициент датчика тока;

-коэффициент усиления схемы:





 - ,



-,



-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  - .

Обратная связь по току возбуждения.





Рис. 22. Обратная связь по току возбуждения.



Схема обратной связи по току возбуждения представлена на рис. 22, здесь:

-фильтр пульсаций  с :



 - ,

 - ;


-датчик тока:

 -  с параметрами

- номинальный входной ток,

- напряжение питания,

- сопротивление нагрузки,

- коэффициент датчика тока;

-коэффициент усиления схемы:



,

 - ,



,



-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  - .

Обратная связь по ЭДС.






Рис. 23. Обратная связь по ЭДС.



Схема обратной связи по ЭДС представлена на рис. 23, здесь:

-фильтр пульсаций  с :



 - ,

 - ;



-датчик напряжения:

 -  с параметрами :

- номинальный входной ток,

- напряжение питания,

- сопротивление нагрузки,

- коэффициент датчика напряжения;

-коэффициент усиления схемы:





 - ,



-,



-,



-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  - 

Обратная связь по потоку.








Рис. 24. Обратная связь по потоку.



Схема обратной связи по потоку представлена на рис. 24, здесь:

-коэффициент усиления схемы:



,

 - ,

 - ,



-,



-;



-защита от отрицательного напряжения:  -

-ограничение :

 - с параметрами:

 - напряжение стабилизации,

 - ток стабилизации;

 - с параметрами:

 - напряжение стабилизации,

 - ток стабилизации;



-;



 -

-перемножитель напряжения:  -  с параметрами:

 - напряжение питания,

 - максимальное выходное напряжение,

 - входной ток,

 - коэффициент нарастания напряжения,

 - коэффициент умножения,

- максимальная рабочая частота;

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания:  - .

Модульная функция.






Рис. 24. Модульная функция.



Схема модульной функции представлена на рис. 24, здесь:

-сопротивления:  -;

-усилительный элемент:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  - .

Регулятор скорости.





Рис. 25. Регулятор скорости.

Схема регулятора скорости представлена на рис. 25, здесь:

-компенсация нагрузки:



 - ,





-,

-,



,

-

,

-

,

-

,

-;



-усилительный элемент:  -

-перемножитель напряжения:  -  с параметрами

-ограничение сигналов:



 -,

 - ,

 -

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  - 

Регулятор потока.





Рис. 26. Регулятор потока.



Схема регулятора потока представлена на рис. 26, здесь:

-компенсация нагрузки:



 - ,

 - ,

-,

-

,

-



-усилительный элемент:  -;

-перемножитель напряжения:  - ;

-ограничение сигналов:  -;

-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:  - .

Управление стабилизатором напряжения якоря.





Рис. 27. Управление стабилизатором напряжения якоря.



Схема управление стабилизатором напряжения якоря представлена на рис. 27, здесь:



 - ,

-,

 -,

 -,



Реле защиты.




Рис. 28. Реле защиты.



Схема реле защиты представлена на рис. 28, здесь:



-,

 -,

 -,

 -




Список литературы



1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. Ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1. – М.: Энегроатомиздат, 1988, - 456 с.

2. Заборщикова А. В., Мельников В. И. «Двигатели постоянного тока для автоматизированного электропривода»: Учебное пособие. – СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщ., 1994. – 84 с.

3. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. «Управление электроприводами» : Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. – 392 с., ил.

4. Ключев В. И. «Теория электропривода»: Учеб. Для вузов. – 2-е изд. Перераб. И доп. – М.: Энегроатомиздат, 2001. – 704 с.: ил

5. Герман-Галкин С. Г. И др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986.–246 с.

4. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база : В 2 кн. / Масленников М. Ю., Соболева Е. А и др. – М.: Б. И., 1996.-157-300с.

5. Операционные усилители и компараторы. – М.: Издательский дом «ДОДЭКА ХХI», 2002.-560 с.

. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж.–д. трансп. – М.: Транспорт, 1999.-464 с.

6. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.: Энергоатомиздат, 1990.-288с.