Разработка системы программного управления угловым положением вала двигателя постоянного тока с ШИП в цепи якоря

Министерство образования РФ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Системы управления Электро приводов

Задание №14

Содержание

Введение.

1.Определение структуры и параметров объекта управления.

2.Разработка алгоритма управления и расчет параметров устройств управления.

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

4.Разработка принципиальной электрической схемы и выбор ее элементов.

Список используемой литературы.

Введение

Электропривод-это управляемая электромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно, а также управлять этими процессами.

Современный электропривод состоит из большого числа разнообразных деталей, машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса. Наиболее важным элементом является система управления электроприводом (СУЭП). От правильного функционирования системы управления зависит состояние объекта управления и правильность отработки заданных параметров.

В настоящее время СУЭП решает несколько задач:

Формирование статических механических характеристик электропривода с целью стабилизации скорости (или момента), расширение диапазона регулирования скорости ограничение перегрузок, формирование адаптивных систем.

Оптимизация переходных режимов с целью повышения быстродействия, снижения динамической ошибки, ограничение ускорения, рывков и т.д.

Целью данного курсового проекта является разработка системы программного управления угловым положением вала двигателя постоянного тока с ШИП в цепи якоря.

Также необходимо смоделировать процесс управления, оценить его качество и разработать принципиальную схему, с выбором ее элементов.

1.Определение структуры и параметров объекта управления

В состав объекта управления входят двигатель постоянного тока серии ПБВ132L,мостовой широтно-импульсный преобразователь с несимметричной коммутацией на частоте 20 кГц, рабочий орган, упруго связанный с валом ротора.

Необходимые параметры двигателя:

1 Номинальная частота вращения,

2 Номинальное напряжение,

3 Номинальный ток,

4 Номинальный момент,

5 Максимальный момент при максимальной частоте вращения

6 Сопротивление якоря ,

7 Индуктивность обмотки якоря,

8 Электромеханическая постоянная времени,

9 Электромагнитная постоянная времени,

10 Постоянная ЭДС

11 Момент инерции якоря

Двигатели этой серии предназначены для приводов подач станков с ЧПУ, гибких производственных систем и роботизированных производственных комплексов.

Рассчитаем недостающие параметры двигателя, необходимые в дальнейших расчетах:

Номинальная частота вращения:

Постоянная двигателя:

Вс

Определяем соотношение постоянных времени :

Жесткость механической характеристики

Рассчитаем параметры упругой двух массовой системы:

Согласно заданию на курсовой проект , .

Частота упругих колебаний:

Постоянная времени двух массовой системы :

Коэффициент соотношения масс:

тогда ,

Найдем жесткость двух массовой системы :

где

Н/м

По заданию момент сопротивления:

Н/м

Ускорение электропривода:

Согласно заданию необходимо определиться с перемещениями для выбора оптимального закона движения.

Время разгона до скорости установленной по заданию:

с

рад

Т.е. перемещения большие.

2.Разработка алгоритма управления и расчет параметров устройств управления

В качестве системы управления выбираем систему подчиненного регулирования с контурами: Контур тока, контур скорости первой массы, контур с гибкой обратной связью по скорости второй массы и контур положения.

Схема представлена на рис: .

Для формирования оптимального закона движения при отработке заданных перемещений используется специальное программное или задающее устройство.

Схема представлена на рис: .

Где ФП - функциональный преобразователь - определяет тормозной путь в зависимости от скорости движения.

Рассчитаем параметры программного или задающего устройства.

Максимальное ускорение электропривода:

Максимальная частота вращения:

рад/с

Коэффициент обратной связи по положению.

В/рад

Рассчитаем напряжение для максимального ускорения и скорости:

В

В

Функциональный преобразователь:

В

Рис: Задающее устройство.

Так как из расчетов и по заданию то контур тока можно рассматривать как независимый от контура скорости.

Контур тока.

Контур тока будем настраивать на технический оптимум. В качестве малой не скомпенсированной постоянной времени принимаем электромагнитную постоянную времени двигателя.

с

Исходя из условия на курсовой проект в качестве преобразователя используется широтно импульсный преобразователь (ШИП) на частоте кГц он имеет постоянную времени много меньшую Tэ, поэтому ШИП можно представить без инерционным звеном с передаточной функцией W=K_п

Структурная схема Контура тока представлена на рис: .

Рис: . Контур тока.

Рассчитаем этот контур:

Коэффициент обратной связи по току:

Коэффициент усиления преобразователя:

При настройке контура на ТО желаемая передаточная функция разомкнутого контура тока равна:

;

где ,

Передаточная функция разомкнутого контура тока равна:

;

Передаточная функция регулятора тока:

Получили “И” - регулятор тока.

Постоянная времени полученного регулятора тока:

с

Передаточная функция замкнутого контура тока.

;

Контур скорости.

Структурная схема контура скорости представлена на рис: .

Рис: Контур скорости.

Рассчитаем этот контур:

Коэффициент обратной связи по скорости:

;

При настройке контура на ТО желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости первой массы равна:

;

где ,

Передаточная функция разомкнутого контура скорости равна:

;

Передаточная функция регулятора скорости первой массы будет:

Получили “П”- регулятор скорости.

Передаточная функция замкнутой системы будет равна:

;

Контур скорости второй массы

Структурная схема контура представлена на рис: .

Рис: .:Контур скорости второй массы.

Для того чтобы уменьшить влияние упругой связи двух массовой системы на работу электропривода и демпфирования упругих колебаний введем гибкую обратную связь по скорости второй массы. Таким образом на регулятор скорости будет подаваться не только задание на скорость и сигнал обратной связи по скорости первой массы, но и сигнал гибкой обратной связи по скорости второй массы. Действие этой гибкой связи можно рассматривать как искусственное увеличение .

Передаточная функция гибкой обратной связи по скорости равна:

;

Выбираем с.

Контур положения.

Рассчитаем этот контур:

Коэффициент обратной связи по положению:

В/рад;

При настройке контура на ТО желаемая передаточная функция разомкнутого контура положения равна:

;

Передаточная функция разомкнутого контура положения равна:

;

Передаточная функция регулятора положения:

Получили “П”- регулятор положения.

4.Разработка принципиальной электрической схемы и выбор ее элементов

Для реализации выбранного алгоритма управления необходимо иметь:

“П”- регулятор скорости.

“И” - регулятор тока.

“П”- регулятор положения.

Выбор элементов контура тока.

Для реализации контура тока необходимо датчик тока компенсационного типа на основе эффекта Холла. Выбираем датчик типа LAH50-P с параметрами:

Номинальный входной ток А

Точность к

Диапазон преобразований

Выходной сигнал мА

Рабочая частота кГц

Напряжение питания В

Рабочая температура С⁰

Изобразим принципиальную схему И-РТ.

Рис. : Принципиальная схема И-РТ.

Для DA реализуем коэффициент усиления К_у=1, тогда :

R₁=R₂=R₃=10 кОм.

Для операционного усилителя DA реализуем :

с. А сопротивление R₅=10 кОм. Принимаем R₄=9900 кОм.

Тогда мкФ.

В качестве элементов схемы выбираем:

DA - операционный усилитель общего применения К140УД8А

R₁,R₂,R₃,R₄,R₅ : С2-33Н-0.125-10 кОм -

R₄ : С2-29-0125-1 Мом -

DA - операционный усилитель прецизионный К140УД84.

С₁ : К77Г-200В-0,01 мкФ

Выбор элементов контура скорости.

Двигатель ПБВ132L поставляется со встроенным тахогенератором типа ТС-IM, то в качестве датчика скорости первой массы выберем данный встроенный тахогенератор c параметрами:

Крутизна выходной характеристики .

Номинальная скорость вращения .

Максимальная скорость вращения .

В нашем случае при напряжение на выходе тахогенератора:

.

Изобразим принципиальную схему П-РС.

Нам нужно получить . Для этого мы поменяем полярность тахогенератора и поставим делитель напряжения на резисторах

П-РС реализуем на ОУ типа КР140УД17А.

Пусть , тогда

Выбор элементов гибкой обратной связи.

Так как гибкая обратная связь представляет собой дифференциатор то принципиальная схема имеет вид представленный на рис.:

Сигнал обратной связи будем брать с датчика скорости типа ПТ 22/1 имеющий параметры:

Выходное напряжение U=230 В

Номинальный ток якоря I_НОМ=0,5 А

Номинальный ток возбуждения I_Н.ВОЗ.=0,35 А

Сопротивление якорной цепи R_Я=7,19 Ом

Сопротивление обмотка возбуждения R_ОВ=127 Ом

Климатическое исполнение -УХЛ категория -4, по гост 15150-69.

Рис. : Принципиальная схема реализации гибкой обратной связи.

Так как передаточная функция гибкий обратной связи: W_ОС==0,01р.

Т_ОС=С₂R₁₂

Выберем R₁₂,R₁₃=100 кОм

С₂= мкФ

Выберем элементы электрической схемы:

В качестве DA примем быстродействующий операционный усилитель К140УД11.

R₁₂R₁₃ : С2-33Н-0,125-100 кОм -

С : К77Г -200В - 0,01мкФ

Выбор элементов контура положения.

В качестве датчика положения можно выбрать 10 оборотный задающий потенциометр типа ППЛМ-Н-20±0,5±0,1-3-1Вт. Т.к.рабочий диапазон составляет по заданию 0ч50 оборотов подсоединяем этот датчик через редуктор (1:10). Имеет место погрешность т.к. механическая передача.

П-Регулятор положения можно выбрать на основе операционного усилителя:

Рис.: Принципиальная схема И-РТ.

Передаточная функция регулятора положения:

Выберем элементы электрической схемы и их параметры:

Список используемой литературы

1.Елисеев В.А.”Справочник по автоматизированному электроприводу” М. 1983г.

2.Копылов И.П. “Справочник по электрическим машинам” т.1-2 М. 1988г.

3.Шурков В.И.”Основы автоматизации производства и промышленные роботы” М.1989г.

4.Нефедов А.В. “Интегральные микросхемы”Справочник в 4-х томах М.1997г.

5. “Справочник разработчика РЭА”, в 2-х томах М.1996г.

6. Аванесян Г.Г Левшин В.П. “Интегральные микросхемы ТТЛ и ТТЛШ” М 1993г

7.Усатенко С.Т. “Выполнение электрических схем по ЕСКД ” М. 1983г.