Содержание
Введение
1. Определение структуры и параметров объекта управления
1.1 Выбор структуры объекта управления
1.2 Определение параметров объекта управления
2. Разработка алгоритма управления и расчет параметровэлементов структурной схемы
2.1 Разработка алгоритма управления
2.2 Расчет параметров элементов структурной схемы
3. Расчет статических и динамических характеристик
4. Разработка принципиальной схемы и программного обеспечениясистемы, выбор ее элементов
5. Разработка конструкции блока управления
Заключение
Список литературы
Задание № 16
/>/>/>Введение
Современный электропривод состоит из большого числаразнообразных деталей, машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Всеони в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенногопроизводственного процесса. Наиболее важным элементом является системауправления электроприводом (СУЭП). От правильного функционирования системыуправления зависит состояние объекта управления и правильности отработкизаданных параметров.
В настоящее время СУЭП решает несколько важных задач:
Формирование статических механических характеристикэлектропривода с целью стабилизации скорости (или момента), расширениедиапазона регулирования скорости, ограничение перегрузок, формированиеадаптивных систем.
Оптимизация переходных режимов с целью повышениябыстродействия, снижения динамической ошибки, ограничение ускорения, рывков и т.д.
Целью данного курсового проекта является разработка системынепрерывного управления скоростью рабочего органа в режиме слежения в заданномдиапазоне. Также необходимо разработать принципиальную схему, с выбором ееэлементов, и предложить вариант реализации блока управления.
/>/>/>1. Определение структуры ипараметров объекта управления/>/>/>1.1 Выбор структуры объектауправления
В качестве структуры объекта управления выбираемэквивалентную двухмассовую систему электропривода (Рис. 1).
Структура объекта управления.
/>
Рис. 1/>/>/>1.2 Определение параметровобъекта управления
В состав объекта управления входят: широтно-импульсныйпреобразователь; двигатель постоянного тока ДПУ240-1100-3, технические данныекоторого приведены в
Табл. 1.
Табл. 1. Технические данные двигателя ДПУ240 — 1100 — 3.
Момент, Н×м:
номинальный
максимальный
3.5
17.5 Номинальная частота вращения, об/мин 3000 Номинальное напряжение, В 120 Номинальный ток, А 12 КПД,% 75 Сопротивление обмотки якоря при 20° С, Ом 0.53 Индуктивность обмотки якоря, мГн 0.53
Момент инерции, г×м2 1.944
Двигатели серии ДПУ предназначены для электроприводовпостоянного тока металлорежущих станков с ЧПУ и промышленных роботов. Электродвигателидлительно выдерживают номинальный момент при частоте вращения от 0.1 до 5000об/мин. Двигатели выпускаются со встроенными тахогенераторами постоянного токатипа ТП80-20-0.2 (основные технические данные тахогенератора приведены в
Табл. 2).
Табл. 2. Технические данные тахогенератора ТП80 — 20 — 0.2. Крутизна выходной характеристики мВ/ (об/мин) 20
Частота вращения, об/мин:
Номинальная
Максимальная
Минимальная
3000
6000
0.1 Погрешность в диапазоне частот 0.1 — 4000 об/мин,%, не более 0.2
Определение параметров:
номинальная частота вращения:
/>;
максимальная частота вращения в заданном диапазоне слежения:
/>;
максимальная ошибка слежения:
/>;
постоянная двигателя:
/>;
электромагнитная постоянная времени двигателя:
/>;
электромеханическая постоянная времени двигателя:
/>;
соотношение постоянных времени двигателя:
/>, следовательно,можно принять, что />;
напряжение двигателя, соответствующее максимальной частотевращение в заданном диапазоне слежения:
/>;
принимая, что максимальной скорости диапазона слежения будетсоответствовать максимальное задание на скорость, равное />, находим коэффициентпередачи преобразователя (представив преобразователь безинерционным звеном, т.кпренебрегаем дискретностью ШИП из-за высокой частоты коммутации ключей: />):
/>.
Далее определяем параметры механической части: моментинерции рабочего органа:
/>;
период и частота упругих колебаний:
/>, />;
коэффициент жесткости упругой передачи:
/>;
коэффициент вязкого трения:
/>;
механическая постоянная времени рабочего органа:
/>.
/>/>/>2. Разработка алгоритмауправления и расчет параметров элементов структурной схемы/>/>/>2.1 Разработка алгоритмауправления
В качестве корректирующего устройства выбираем модальныйрегулятор, как универсальное устройство управления. Модальное управлениереализуется совокупностью линейных обратных связей по переменным состоянияобъекта управления. Структурная схема всей системы представлена.
Структурная схема проектируемой системы управленияэлектроприводом.
/>
Рис. 2
Линейный (линеаризованный) объект описывается уравнением:
/>. При модальномуправлении: />.
В этих уравнениях:
/> - векторпеременных состояния;
/> - вектор входныхпеременных;
А — матрица объекта;
В — матрица входа;
/> - вектор входныхвеличин в замкнутой через модальный регулятор системе управления;
К — матрица-строка коэффициентов обратных связей по вектору />.
Переходя к операторной форме:
/>, здесь I — единичная матрица;
/> -характеристический полином.
Распределение корней характеристического полинома будетопределять динамику системы.
Синтез модального регулятора заключается в определенииматрицы К, обеспечивающей заданное распределение корней./>/>/>2.2 Расчет параметровэлементов структурной схемы
Рассмотрим в качестве объекта управления системуэлектропривода (Рис. 1).
Этой структурной схеме соответствуют следующиедифференциальные уравнения:
/>
/>,
/>,
/>.
В установившемся режиме работы
(р=0): />.
Для замкнутой через модальный регулятор системы:
/>
В данном случае:
/>,
/>,
/>
/>
За вектор переменных состояния выбираем вектор:
/>.
Тогда
/>
Учитывая, что
/>,
/>,
/>
В общем виде
/>
/>
Нормируя
/>,
вводим базовую частоту
/>, относительныйоператор />.
Получим />.
Выбираем /> согласностандартной форме Баттерворта 4-го порядка
/>.
Задаваясь временем регулирования определяем базовую частоту
/>.
Далее находим матрицу К коэффициентов обратных связей по переменнымсостояния
/>/>
/>
Проведя эксперимент, с помощью пакета MATLAB уточнимзначения коэффициентов обратных связей, подобрав следующие значения:
/>, />, />.
/>/>/>3. Расчет статических идинамических характеристик
Расчет характеристик произведем с помощью пакета MATLAB 5. МодельMATLAB представлена на Рис. 2.
Ниже приведены результаты моделирования в виде графиков.
Поведение системы при гармоническом задании, частота 1 Гцамплитуда 10 В (188.5 рад/с).
/>
а) Задание скорости
/>
б) Отработка задания
/>
в) Изменение ошибки
Рис. 3
Как видно из приведенных выше графиков ошибка между заданиемна скорость и отработкой задания недопустимо велика и, кроме того, междузаданием скорости и отработкой задания есть еще и фазовый сдвиг. Для уменьшенияошибки слежения и исключения фазового сдвига скорректируем систему, введядополнительное задание по производной скорости как показано на Рис. 4.
/>
Рис. 4
Проведя ряд экспериментов, установим также, что постояннаявремени Т имеет линейную зависимость от частоты гармонического задания скорости.Вид этой зависимости представлен на Рис. 5 ниже.
График зависимости постоянной времени Т от частотыгармонического задания скорости.
/>
Рис. 5
Далее приведены результаты моделирования ужескорректированной системы. Из этих графиков видно, что требования, указанные взадании на проект выполняются.
Поведение системы при гармоническом задании, частота 1 Гцамплитуда 10 В (188.5 рад/с).
/>
а) Задание скорости
/>
б) Отработка задания
/>
в) Изменение ошибки
/>
г) Скорость двигателя
/>
д) Ток двигателя
/>
е) Упругий момент
Рис. 6
Поведение системы при гармоническом задании, частота 5 Гцамплитуда 4 В (75.4 рад/с).
/>
а) Задание скорости
/>
б) Отработка задания
/>
в) Изменение ошибки
/>
г) Скорость двигателя
/>
д) Ток двигателя
/>
е) Упругий момент
Рис. 7
/>/>/>4. Разработка принципиальнойсхемы и программного обеспечения системы, выбор ее элементов
Выбираем прецизионные операционные усилители DA1…DA9 серии КР540УД17А спараметрами: Uпит=±15В, Iпотр=5 мА, напряжение смещения Uсм=0.03мВ. Для аналогового перемножителя берем микросхему КР525ПС2А.
Для предотвращения обратной связи по питанию для всехмикросхем применяем блокировочные конденсаторы С6…С25 серии К10-17-25В-0.1мкФ.
Для синтеза обратных связей по скоростям 1-ой и 2-ой массыприменим тахогенераторы ТП80-20-0.2.
Для согласования выходного напряжения тахогенератора с системойуправления применим делитель, представленный на Рис. 8.
/>
Рис. 8
Примем R17=10 кОм, тогда
/>.
Выбираем R17 — С2-29-0.125-10кОм,
R27 — С2-29-0.125-26кОм.
Обратная связь по скорости.
/>
Рис. 9
Выбираем конденсатор С2=1мкФ, находим
/>.
Выбираем R25=24 кОм, R5=2.2 кОм.
/>.
Выбираем R35=500 кОм.
Для обеспечения устойчивости последовательно конденсатору С2включим демпфирующий резистор R2 номиналом:
/>.
Принимаем
С2 — К73-17-63В-1мкФ,
R25 — С2-29-0.125-24Ом,
R5 — С2-29-0.125-2.2кОм,
R35 — С2-29-0.5-500кОм.
Аналогично выбираем элементы для реализации обратных связейпо скорости другой массы.
Реализация дополнительного задания по производнойскорости.
/>
Рис. 10
Принимая Т0=0.02 с и С1=1 мкФ, находим
/>.
Для обеспечения устойчивости последовательно С1 включаем R1 номиналом 100 Ом.
Выбираем С1 — К73-17-63В-1мкФ,
R1 — С2-29-0.125-100Ом,
R16 — С2-29-0.125-20кОм.
Реализация устройства модуля входного сигнала.
/>
Рис. 11
Выбираем R11=R12=R13=10 кОм, тогда R23=R24=20 кОм.
Принимаем R11, R12,R13 — С2-29-0.125-10кОм,
R23, R24 — С2-29-0.125-20кОм.
Реализация усилителя с коэффициентом усиления, зависящимот Uзч.
/>
Рис. 12
Т.к. Т изменяется в пределах (0.2…0.15) с, то, выбирая Т0=0.02с, находим пределы изменения />. Тогдасигналу Uзч=10 В пусть соответствует значение К=20, апри Uзч=0 — К=15.
Для того, чтобы Т могло изменяться в указанных пределахнеобходимо, чтобы Uвых менялось в интервале (10…7.5) В.тогда, если выбрать Uоп=-7.5В, то находим, что R30=100 кОм, (R14+R19)= (R15+R20) = (10+15) кОм.
Выбираем R30 — С2-29-0.25-100кОм,
R14, R15 — С2-29-0.125-10кОм,
R14, R15 — С2-29-0.125-15кОм.
Реализация операции умножения двух аналоговых сигналов.
/>
Рис. 13
Выбираем подстроечные резисторы R37,R38, R39 — СП3-38-0.125-22кОм.
Реализация сумматора с ограничением выходного сигнала икоэффициентом умножения Ку=1.6
/>
Рис. 14
Здесь выбираем R31, R32, R33, R34- С2-29-0.25-100кОм, тогда
/> (берем R29 — С2-29-0.25-160 кОм).
Для ограничения выходного напряжения применим стабилитронКС210Б, с параметрами: Uст=10 В, Iст=5мА, DUст=(9…10.5) В.
/>/>/>5. Разработка конструкцииблока управления
При разработке конструкции блока управления необходимоучитывать ряд факторов, влияющих на конструктивное исполнение блока. Будемсчитать, что плата модуля управления входит с общий блок системы управления, т.е.является отдельным ее модулем. Модуль управления вставляется в общий блок понаправляющим, позволяющим точно совместить разъем с ответной частью. Дляудобства монтажа на передней панели предусмотрена ручка.
Все устройства блока управления собраны на выбранных ранееоперационных усилителях, резисторах, конденсаторах и других элементах. Блокуправления сконструирован на печатной плате из текстолита фольгированного маркиСФ1 ГОСТ 10316 — 78. Монтаж элементов односторонний, разводка дорожекдвухсторонняя. Расположение элементов соответствует наиболее рациональнойразводке.
Для определения размеров печатной платы сначала необходимоопределить суммарную площадь, которую занимают элементы.
Резисторы.
В схеме системы управления присутствуют следующие типырезисторов: Тип резисторов Номинальная мощность, Вт Размеры, мм D L
С2-29В
/> 0.125 0.25 4.5 11 0.5 7.5 14 СП3-38-0.125-22кОм
/> /> /> /> /> />
Конденсаторы. Тип конденсатора Емкость конденсатора, мкФ Размеры, мм L В Н
К73-17-63В
/> 1 18 8 15
К10-17-25В
/> 0.1 6.8 4.6 5.5 0.22 8.4 6.7 5.5 L D
К50-29-25В
/> 10 22 6 100 27 8.5 /> /> /> /> /> />
Микросхемы.
В системе управления также присутствуют два типа микросхем: операционныйусилитель КР140УД17А и аналоговый перемножитель КР525ПС2А. Микросхема
/> Число выводов Размеры, мм L B КР140УД17А 8 12 7.5 КР525ПС2А 14 16 7.5
Суммарная площадь, занимаемая элементами, примерно равна8000 мм2. Принимая коэффициент, учитывающий «разводку» платы,равным Кразв=0.4, находим площадь поверхности платы />. После приблизительногоразмещения находим, что длина печатной платы составляет 200 мм. Из стандартногоряда выбираем ширину платы — 120 мм.
Напряжение питания схем, сигналы с датчиков, выходныесигналы регуляторов подаются и снимаются со схемы посредством разъема типаСНО51-30/59*9Р-2.
Для уменьшения токов утечки по поверхностям платы еенеобходимо покрыть с двух сторон лаком, например типа К-47.
/>/>/>Заключение
В данном курсовом проекте разработана система управленияскоростью электропривода с двигателем постоянного тока. В качестве модели былавыбрана эквивалентная структура двухмассовой системы с упругой связью двигателяи рабочего органа. Настройку системы производили с помощью модального регуляторас распределением корней характеристического уравнения по фильтру Баттерворта4-го порядка.
Также в данном проекте произведены расчет и выбор всехэлементов, реализующих данную систему. По полученным результатам мы составилипринципиальную электрическую схему, и предложили один из вариантов расположенияэлементов на печатной плате.
/>/>/>Список литературы
1. «Справочник по электрическим машинам» под ред. И.П. Копылова.
2. А.В. Башарин «Управление электроприводами», Ленинград 1982 г.
3. А.В. Башарин «Примеры расчета автоматизированного электропривода наЭВМ», Ленинград 1990 г.
4. В.И. Ключев «Теория электропривода», Москва 1985 г.
5. «Справочник по автоматизированному электроприводу» под ред.
6. В.А. Елисеева, Москва 1983 г.
7. «Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база» подред. М.Ю. Масколенкова, Москва 1996 г.
/>/>/>Задание № 16
Студенту Сидорову А.А. на курсовой проект по СУЭП на тему:
«Разработка системы непрерывного управлениякоординатами электропривода с заданными показателями качества».
Исходные данные.
Основная координата — скорость.
Режим управления — слежение в диапазоне ± (0…0.6) ×wном.
Нагрузка — вязкое трение 1-го рода, Мс (wном) =0.8×Мном.
Характеристика силового канала.
Электродвигатель — ДПУ240-1100-3.
Преобразователь — мостовой ШИП с несимметричной коммутациейна частоте 10 кГц.
Механическая часть — упругая, g=2,Fу=5 Гц.
Основные требования: ½Dw½ £0.02×wном при гармоническом задании в полосе частот 0…5 Гц.
Содержание проекта.
Определение структуры и параметров объекта управления.
Разработка алгоритма управления и расчет параметровэлементов структурной схемы.
Расчет статических и динамических характеристик.
Разработка принципиальной схемы и программного обеспечениясистемы, выбор ее элементов.
Разработка конструкции блока управления.
Содержание графического материала.
Принципиальная электрическая схема системы.
Чертеж общего вида блока управления.
Схема модели и диаграммы, отражающие показатели качества.