Реферат: Разработка системы управления двигателя постоянного тока
Содержание
Введение
1. Определение параметров и структуры объекта управления
2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления
3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества
4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её элементов
Список литературы
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:
/>)
--PAGE_BREAK--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.
Внутренний контур потока представлен на рис. 2.
/>
Рис. 2. Контур регулирования потока.
Универсальная кривая намагничивания представлена на рис. 3.
/>
Рис. 3. Универсальная кривая намагничивания.
Так как регулирование происходит изменением потока, минимальный поток будет при максимальной скорости:
/>
Минимальный ток возбуждения (по рис. 3):
/>
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:
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
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.
/>
/>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. 19)
/>
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.
продолжение--PAGE_BREAK--
/>
/>/>/>
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:
продолжение--PAGE_BREAK--
/> — напряжение питания,
/> — максимальное выходное напряжение,
/> — входной ток,
/> — коэффициент нарастания напряжения,
/> — коэффициент усиления по напряжению,
/> — максимальная рабочая частота;
-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:
/>— />,
/>
Рис. 21. Обратная связь по току якоря.
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 :
продолжение--PAGE_BREAK--
/> — номинальный входной ток,
/> — напряжение питания,
/> — сопротивление нагрузки,
/> — коэффициент датчика тока;
-коэффициент усиления схемы:
/>,
/>— />,
/>
-/>,
-усилительный элемент:
/>— />;
-фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:
/>— />.
Обратная связь по ЭДС.
Схема обратной связи по ЭДС представлена на рис. 23, здесь:
-фильтр пульсаций />с />:
/>— />,
/>— />;
-датчик напряжения:
/>
Рис. 23. Обратная связь по ЭДС.
/>— />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:
/>,)
продолжение--PAGE_BREAK--
/>— />,
/>— />,
/>
-/>,
/>
-/>;
-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:
/>— />;
продолжение--PAGE_BREAK--
-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:
/>— />,
/>— />,
/>-/>,
продолжение--PAGE_BREAK--
/>-
/>,
/>-/>;
-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.