Проектирование систем управления двигателем постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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_____________________

3 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:

t1=10 сек.

t2=13 сек.

t3=7 сек.

t4=11 сек.

t5=19 сек.

Угловая скорость:

щ1=88 рад/с

щ2=44 рад/с

щ3=22рад/с

щ4=11 рад/с

щ5=5.5 рад/с

Температура:

tє=20єC

Напряжение питания:

Uпит=220В

Время переходного процесса:

tпп=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 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.

1.5 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер -- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

Требования к микроконтроллеру:

1). Устройство управления должно получать от задающего устройства некую информацию. Это могут быть: требуемая скорость движения исполнительного механизма, выбор варианта режима работы, коэффициенты автоматического регулирования и любая другая информация, необходимая для автономного управления приводом. В качестве задающего устройства могут быть компьютер, другие контроллеры многопроцессорной системы, пульт дистанционного управления и другие, вплоть до нескольких кнопок или регуляторов бытового прибора. В первом случае нужен стандартный интерфейс: USB, SPI, I2C. Во втором, оптимальным вариантом представляется протокол CAN. Для пульта дистанционного управление необходим IrDA - канал передачи данных в инфракрасном диапазоне. Для кнопок и регуляторов - наличие цифровых линий ввода-вывода и аналогового ввода.

2). Устройство управления должно получать информацию от датчиков обратной связи и выдавать управляющие воздействия на электродвигатель через силовой драйвер. Поскольку эти процессы проходят непрерывно, то желательно минимизировать вычислительную нагрузку от этих операций на микроконтроллер. Именно для автономной реализации этих задач во многих микропроцессорах используются модули захвата/сравнения/ШИМ (или Capture/Compare/PWM). При выборе микроконтроллера необходимо соотносить требования решаемой задачи и параметры таймерной системы: количество входов захвата, выходов сравнения, выходов сигналов с широтно-импульсной модуляцией, а также количество и разрядность внутренних таймеров общего назначения.

3). В большинстве случаев при подключении электродвигателя используют падение напряжения на токовом датчике. Эти сигналы редко применяются в контуре управления, но их желательно использовать в качестве сигналов аварийного отключения. Соответственно, микроконтроллер, используемый как устройство управления электроприводом, должен иметь достаточное количество входов аналогового ввода (АЦП или аналоговых компараторов).

Таким образом, выберем микроконтроллер STMicroelectronics, а именно STM32F по следующим причинам: имеет высокую производительность, прост в программировании.

Семейство микроконтроллеров STM32F, в котором используется ARM-ядро CORTEX-M3, - один из первых случаев внедрения 32-разрядной ARM-архитектуры в приложения управления приводами, где до этого применялись в основном 8-ми или 16-ти разрядные микроконтроллеры. В настоящее время это семейство насчитывает более 50 микроконтроллеров. На рисунке 5 приведена карта этого семейства.

Рис.5 Семейство 32-разрядных микроконтроллеров STM32F

Отличительные особенности архитектуры семейства STM32F с точки зрения задач управления приводами (помимо ARM-ядра):

Flash-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.

Интерфейсная система. Добавлена дополнительная линия - экономная с USB. В производительной линии USB присутствует в обязательном порядке. Увеличено общее число различных последовательных портов. Интерфейс CAN присутствует во многих моделях.

Резко увеличено число универсальных входов/выходов, что позволяет подключать большое количество внешних датчиков (аварийных, концевых выключателей и т.д).

Область применения 32-разрядных микроконтроллеров - прецизионные приводы, а именно - оборудование для точной механики, оптических систем, научного приборостроения.

Возможности приборов класса STM32F позволяют не только управлять многими приводами, увязывая работу в единый алгоритм, но и использовать при этом достаточно сложные в вычислительном отношении алгоритмы обработки.

2.1 Выбор функциональной схемы системы управления двигателем постоянного тока

Структурная модель системы электропривода выглядит следующим образом:

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).

2.2 Синтез регуляторов методом модального оптимума

Рассмотрим структурную схему электропривода:

Рис.7. Структурная схема электропривода.

,где

Wрс - передаточная функция регулятора скорости

Wрт - передаточная функция регулятора тока

Wпр - передаточная функция преобразователя

W1 - передаточная функция электромагнитной постоянной

W2 - 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.

2.3 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

J - момент инерции якоря кг*м2

J*5 - момент инерции всего механизма

- скорость холостого хода

- момент пусковой

Найдем . Для этого запишем выражение .

При режиме холостого хода произведение , таким образом .

, отсюда

, отсюда

Таким образом, можем найти передаточную функцию

2.4 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.

mpeljournal/2009/200913/p2.html.

[электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/irf/iramx16up60a.pdf.

1. Размещено на www.allbest.ru