Содержание
Введение
1. Определение параметров 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 элементов
5. Список литературы
Введение
Электропривод постоянного тока стал широко распространён из-за достаточно простых способов регулирования, так как у него можно менять токовую и потоковую составляющие момента независимо друг от друга, а с появлением ШИМ напряжения, ЭП ПТ стал ещё более экономичным и стал осуществлять лучшие динамические и точностные показатели регулирования.
В последние годы ЭП постоянного тока стал вытесняться приводом на асинхронных двигателях как на более дешевом и надёжном, но простой алгоритм управления и большая распространённость ещё делают привод постоянного тока достаточно широко применяемым.
В данной курсовой работе рассматривается система управления скоростью ДПТ в диапазоне от 0.05wНОМ до 5wНОМ. Таким образом, управление двигателем будет происходить в двух зонах. Причём и в первой и во второй зонах диапазон регулирования достаточно большой. При двузонном управлении двигателем в большом диапазоне будет достаточно сложным а при условии максимального быстродействия можно предположить, что в ходе разработки придется применять не только тривиальные схемы.
1. Определение параметров объекта управления.
В качестве объекта управления выступает двигатель постоянного тока 4ПФ180М с реверсивным ШИП в цепи якоря и ШИР тока возбуждения с частотой коммутации 5кГц. Параметры двигателя приведены в табл. 1.
Таблица 1
Мощ-ность, кВт
Напряжение якоря, В
Напряжение возбуждения, В
Номинальный момент, Нм
Ток якоря, А
20
220
220
402.3
114,5
КПД, %
Номинальная частота, об/мин
Максимальная частота, об/мин
Момент инерции, кг*м2
Класс нагревостойкости
75
475
3800
0,578
F
Двигатель типа 4ПФ предназначен для привода механизма главного движения станков с ЧПУ, гибких производственных систем и роботизированных производственных комплексов. Двигатель поставляется со встроенными тахогенераторами типа ТП80-20-0,2 и датчиками тепловой защиты – терморезистором типа СТ 14-1Б. Двигатель выдерживает нагрузку по току при номинальной частоте вращения />в течении />и />в течении />; при максимальной частоте вращения – />в течении />. [1, стр.360]
Суммарный момент инерции, приведённый к валу двигателя:
/>кг×м2
Постоянная двигателя
/>
Сопротивление якорной обмотки:
/>
Индуктивность обмотки якоря составляет 9.2 мГн, рассчитаем электромагнитную постоянную времени:
/>
Сопротивление обмотки возбуждения 33.4 Ом, индуктивность составляет 2.75 Гн. Пользуясь этими данными рассчитаем электромагнитную постоянную времени обмотки возбуждения:
/>
Жёсткость электромеханической характеристики равна:
/>
Определим электромеханическую постоянную времени:
/>
Электромагнитная и электромеханическая постоянные времени отличаются всего в 1.5 раза, следовательно при синтезировании системы управления и моделировании двигателя влиянием ЭДС обмотки якоря пренебрегать нельзя.
По заданию нагрузка является активным моментом сопротивления и равна 0.2Мн.
/>
2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления
Объект управления описывается следующими уравнениями [3, стр.38-39]:
/>
Для реализации поставленной задачи настроим оба контура тока на технический оптимум и предусмотрим форсировку в этих контурах. Для получения максимального быстродействия при настройке контура скорости будем использовать адаптивный регулятор скорости а сигналом адаптации будет служить масштабированный сигнал с датчика тока возбуждения. Для получения астатизма по нагрузке создатим второй контур скорости.
Настройка контура тока ротора.
Передаточная функция объекта управления:
/>
Так как период дискретизации преобразователя равен 0.0002 с, что в 115 раз меньше чем Тэ, то дискретностью преобразователя в расчётах можно пренебречь.
/>
Примем, Кп=22, Кот=0.087 Ом
/>
Регулятор тока якоря получается в виде последовательно соединённых ПИ регулятора и ФНЧ.
Настроим контур скорости на технический оптимум:
/>
/>
Передаточная функция регулятора при учёте Кос=0.04 Вс/рад получается:
/>
Получился адаптивный П регулятор скорости. Значение с будем опрелять исходя из линейной зависимости с и Iв.
Настроим второй контур скорости на технический оптимум для получения астатизма по нагрузке.--PAGE_BREAK--
/>
/>
/>
Получился интегральный регулятор скорости.
Настроим контур тока возбуждения на технический оптимум:
/>
Тогда
/>
Примем, Котв=1.51 Ом
/>
Регулятор тока обмотки возбуждения получается в виде последовательно соединённых ПИ регулятора и ФНЧ.
Для получения сигнала задания тока возбуждения будем использовать нелинейное звено характеристика которого показана ни рис. 1. На вход нелинейного звена будем подавать сигнал с датчика напряжения.
/>
Рис. 1 Характеристика нелинейного звена.
Для снижения колебательности вызванной более медленным контуром тока возбуждения на вход системы поставим задатчик интенсивности.
Компенсацию ЭДС выполним с помощью добавления к сигналу управления преобразователем сигнала:
/>
Подытожив всё вышеперечисленное получаем следующую структурную схему.
/>
3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества
Для моделирования переходных процессов системы управления электроприводом постоянного тока воспользуемся средой Simulink программного комплекса MatLab.
Схема собранная в комплексе MatLab выглядит следующим образом:
/>
Рис. 3. Схема СУЭП для комплекса MatLab.
Отдельно отметим задатчик интенсивности. В нашей системе он является двупороговым, т.е. до напряжения 4.8 В скорость нарастания сигнала составляет 26 В/с, при переходе за напряжение 4.8 В скорость снижается до 6 В/с. Применение такого устройства обуславливается большой колебательностью возникающей из-за более медленного контура возбуждения.
/>
Рис. 4. Схема задатчика интенсивности для комплекса MatLab
В ходе моделирования некоторые параметры быле немного скорректированны.
Результаты моделирования при изменении задания на скорость от нуля до величины 0.5 В выглядят следующим образом.
/>
Рис. 5 Зависимость скорости и момента от времени.
/>
Рис. 6 Зависимость напряжения на якоре и потока от времени
Видно что параметры переходного процесса удовлетворяют условиям задания и почти соответствуют парметрам технически оптимального процесса.
При изменении задания в верхних пределах диапазона скорости, т.е. от 9.5 до 10 В графики переходных процессов выглядят следующим образом:
/>
Рис. 7 Зависимость скорости и момента от времени
/>
Рис. 8 Зависимость напряжения на якоре и потока от времени
Из графиков видно что хотя напряжение на якоре и ток статора достаточно сильно колеблются, эти колебания взаимно компенсируют друг друга и колебания момента, а следовательно и скорости малы.
Проведём моделирование при изменении задания на скорость от нуля до максимального значения. При этом получаем следующие графики.
/>
Рис. 9 Зависимость скорости и момента от времени
/>
Рис. 10 Зависимость напряжения на якоре и потока от времени
На графиках чётко видно как изменяется ускорение двигателя при переходе скорости выше 120 рад/с. Так же видно как работает ограничение моента и как оно снижается при снижении потока, т.к. ограничение тока остаётся постоянным, а при уменьшении потока максимальный момент снижается.
Моделирование системы показало, что показатели качества регулирования соответствуют заданию. А именно перерегулирование не превышает 5%, а статическая ошибка равна нулю, так как система настроена с астатизмом по нагрузке.
4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор элементов
4.1 Реализация контура тока якоря
Регулятор тока якоря представляет из себя последовательное соединение интегратора и фильтра низких частот с Ти=0.048, К=0.48 и Тф=0.005. Выбираем R35, R36, R38, R41, R50 равным 10 кОм. R44=R36/K=20.83 кОм, C79=Ти/R36=4.8 мкФ, С75=Тф/R50=0.5 мкФ.
В качестве операционных усилителей выберем К140УД17А.
/>
Рис. 11 Регулятор тока якоря. Схема принципиальная электрическая
Для уменьшения помех от линий питания поставим на входе питающих проводников конденсаторы по 0.1 мкФ
Для реализации этой схемы нам понадобятся:
R35, R36, R38, R41, R50 C2-23-0.125-10кОм ±1%
R44 C2-23-0.125-20кОм ±1%
C79 K10-17Б-X7R-4.7мкФ ±10%
C75 K73-17Б-X7R -0.47мкФ ±10%
C71, C72, C76, C77, C74, C68 K73-17Б-X7R -0.1мкФ ±10%
4.2 Реализация контура тока возбуждения
Регулятор тока возбуждения структурно схож с регулятором тока якоря. При этом Ти=0.082, К=12.2 и Тф=0.005. Выбираем R39, R40, R38, R37, R42, R49 равным 50 кОм. R41=R39/K=4.1 кОм, C72=Ти/R39=1.64 мкФ, С89=Тф/R49=0.1 мкФ.
В качестве операционных усилителей выберем К140УД17А. продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
Рис. 12 Регулятор тока обмотки возбуждения. Схема принципиальная электрическая
Для уменьшения помех от линий питания поставим на входе питающих проводников конденсаторы по 0.1 мкФ
Для реализации этой схемы нам понадобятся:
R39, R40, R38, R37, R42, R49 C2-23-0.125-10кОм±1%
R41 C2-23-0.125-4.3кОм±1%
C72 K10-17Б-X7R -1.5мкФ±5%
С75, C70, C71, C75, C73, C77, C68 K10-17Б-X7R -0.1мкФ ±5%
4.3 Реализация первого контура скорости
Первый регулятор скорости должен быть адаптивным, т.е. менять свой коэффициент усиления в зависимости от сигнала настройки.
Ку=127.5 из этого следует что R36/R35=127.5, принимаем R36=100 кОм, R37=100/127.5=0.78 кОм.
В качестве операционного усилителя выбираем микросхему ОРА277, а в качестве аналогового перемножителя микросхему 525ПС3.
/>
Рис. 13 Регулятор скорости адаптивный. Схема принципиальная электрическая
Для реализации нам понадобится:
R36 C2-23-0.125-100кОм ±1%
R37 C2-23-0.125-820Ом ±1%
4.4 Реализация сигнала обратной связи по скорости
В качестве дтчика обратной связи по скорости будем использовать GT3.10/405 фирмы Hunber. Датчик питается от напряжения +-15 В, максимальная скорость 6000 об/мин, с коэффициентом передачи 0.02 рад/сВ. Нам необходимо увеличить коэффициент передачи в два раза. Примем R35=20 кОм, R36=20/2=10 кОм.
/>
Рис. 14 Усилитель инвертирующий. Схема принципиальная электрическая
Для реализации нам понадобится:
R35 C2-23-0.125-20кОм ±1%
R36 C2-23-0.125-10кОм ±1%
DA33 ОРА277
4.5 Реализация второго контура скорости
Второй регулятор скорости представляет собой интегратор. Принципиальная схема интегратора изображена на рис. 15
/>
Рис. 15 Регулятор скорости. Схема принципиальная электрическая
Выбираем R37, R38=100 кОм. Ти=0.04 с, тогда С44=Ти/100кОм=0.4 мкФ. В качестве сигнала обратной связи воспользуемся отмасштабированным сигналом с датчика скорости.
Нам понадобитья:
R37, R38 C2-23-0.125-100кОм ±1%
C44 K10-17Б-X7R -0.47мкФ±10%
DA33 OPA277
4.6 Реализация компенсации ЭДС
Для компенсации ЭДС нам необходимо два сигнала отмасштабировать, затем перемножить их и добавить к сигналу с выхода регулятора тока якоря.
К1=3.51, К2=1.136. Выбираем R36, R37 по 10 кОм, тогда R41= R37/(К1-1) =4 кОм, R35= R36/(К2-1) =73.5 кОм. Операционные усилители выбираем типа К140УД17А, перемножитель типа 525ПС3.
/>
Рис. 16 Устройство компенсации ЭДС. Схема принципиальная электрическая
Нам понадобиться:
R36, R37, R42, R43 C2-23-0.125-10кОм ±5%
R41 C2-23-0.125-4.3кОм ±5%
R35 C2-23-0.125-75кОм ±5%
4.7 Реализация нелинейного звена
Реализацию нелинейного звена осуществим следующим образом:
Проинвертируем напряжение задания скорости с коэффициентом усиления равном 1.78, затем ограничим выходное напряжение на выходе на уровне 13 В, и с помощью устройства выбора минимума или максима сравнивая напряжение с 1 В выберем максимальное.
Примем R40, R42, R38, R35, R36, R37, R39, R17 равным 10 кОм, тогда R18= R40/1.78=5.61 кОм. В качестве Стабилитрона выберем BZX55C13, а в качестве диодов КД102А. R16=R17(15-1)=140 кОм
/>
Рис. 17 Звено нелинейное. Схема принципиальная электрическая
Нам понадобиться:
R40, R42, R38, R35, R36, R37, R39, R17 C2-23-0.125-10кОм ±5%
R18 C2-23-0.125-5.6кОм ±5%
R16 C2-23-0.125-15кОм ±5%
4.1 Реализация задатчика интенсивности
Основой данного устройства будут два интегратора с Ти1=0.167 с, и Ти2=0.05 с. Примем R37=100 кОм, тогда С59=Ти1/ R37=1.7 мкФ. Примем R40=100 кОм, тогда С51=Ти2/ R40=0.5 мкФ. На вход VL ключей DA36 и DA33 надо подать 4.7 В. Примем R36=10 кОм, тогда R3=24 кОм. В качестве ключей DA36 и DA33 выбираем DG419, в качестве операционных усилителей возьмём ОРА277, а в качестве компараторов возьмём AD8561AN.
/>
Рис. 18 Задатчик интенсивности. Схема принципиальная электрическая
R36, R37, R39, R35, R42 C2-23-0.125-10кОм ±1%
R38, R40 C2-23-0.125-100кОм ±1%
R3 C2-23-0.125-24кОм ±1%
C51, С59 K10-17Б-X7R -0.47мкФ ±10%
На входы питания всех микросхем подключим конденсаторы по 0.1 мкФ, Предусмотрим возможность разряда конденсаторов всех интеграторов с помощью ключей 590КН7. Ограничим выходные сигналы с регуляторов с помощью сдвоенных стабилитронов BZX55C12 в контурах скорости и 1N4747A в контуре тока якоря.
5. 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., «Двигатели постоянного тока для автоматизированного электропривода»: Учебное пособие. Заборщикова, А.В., Мельников В.И. – СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщ., 1994. – 84 с.
3. Башарин, А.В., «Управление электроприводами»: Учебное пособие для вузов. Башарин, А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г – 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. Елисеев, В.А. «Справочник по автоматизированному электроприводу» Елисеев В.А., Шинянский А.В.М.1983.
6. Александров, К. К. «Электротехнические чертежи и схемы» Александров К. К., Кузьмина Е.Г. – М.: Энергоатомиздат, 1990.-288с.
7. Герман-Галкин, С.Г. «Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLAB6.0».Учебное пособие. — СПб.: КОРОНА принт 2001г. – 320с.
8. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Титце У., Шенк К., – М.: Мир 1982 – 512с.