Проектирование регулятора частоты вращения электродвигателя

Введение


Темой данного дипломногопроекта является проектирование «Регулятора частоты вращения коллекторногоэлектродвигателя», предназначенного для изменения и поддержания скорости изаданной частоты вращения коллекторного электродвигателя, с помощью микроконтроллера.
Регуляторычастоты  входят в состав многих приводов,в частности бытовых электроприборов, с коллекторными электродвигателями споследовательным возбуждением. Для извлечения информации о величине частотывращения должен содержать цифровой индикатор.
Вданном дипломном
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ  проекте рассматривается регулятор частоты вращенияна базе микроконтроллера PIC 16F84 фирмы Microchip Technology.
Впредлагаемом устройстве использован импульсный метод регулирования напряжения вцепях переменного тока, получивший широкое распространение, в частности вэлектроприводе транспортных средств.
Возможностьмикроконтроллерного управления электроприводом в предлагаемом устройствереализует следующий набор выполняемых функций:
-  регулирование частоты вращения изменениемкоэффициента заполнения К3 в интервале 0...100 % с шагом 2 %.Механическая характеристика электро­привода (зависимость частоты враще­ния отмомента на валу) при этом мяг­кая: с ростом нагрузки частота враще­нияснижается, что защищает электро­двигатель и источник питания от пере­грузок;
-  поддержание заданной частоты вращения сточностью ±5 %, с использо­ванием принципа замкнутого управле­ния поотклонению: фактическое значе­ние частоты вращения сравнивается с заданным, ипри наличии отклонения программно изменяется К3, до устранениявозникшего отклонения;
-  изменение направления вращения вала (реверс)электродвигателя;
-  формирование сигнала на включение тормозногоэлемента, при остановке привода;
-  автоматическое отключение электродвигателя посигналам датчика аварийного режима (при использовании таковых), а также присбоях в выполнении программы;
-  возможность управления двумяэлектродвигателями с временным сдвигом импульсов питающего напряжения;
-  учет и хранение в энергонезависимой памяти МКинформации о суммарном времени работы привода;
-  визуальная индикация выбранного алгоритмауправления (со стабилизацией частоты вращения или без нее) и направлениявращения, а также величин коэффициента заполнения, заданной и фактическойчастот вращения.
Примаксимальной простоте и дешевизне, этот регулятор отвечает всем требованиям,предъявляемым к устройствам подобного класса и может быть легко повторен даженачинающими моделистами. Таким образом спро
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
4
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ ектированныйрегулятор частоты вращения имеет высокую надежность, в сочетании с довольно небольшими габаритами и весом, а так же технологичен с точки зрения производства.


Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ 1. Анализ технического задания
1.1Анализ возможных схем регуляторов частоты вращения
Преждечем анализировать схемы других регуляторов хода, хотелось бы выделить  ряд достоинств схемы регулировки частотывращения, выбранного для данного дипломного проекта:
— возможность изменения программы, с помощью микроконтролера,на основе которого работает схема, МК PIC16F84 (DD1);
— возможность изменения направления вращения электродвигателя (реверс);
— аварийное выключение электродвигателя, при сбоях программы;
— визуальная индикация работы, благодаря цифрового индикатора АЛС318А (HG1).
Рассмотримсхему симисторного регулятора, представленного в журнале«Радио» №7 (2000).
Вданном случае нам предлагается использовать симисторныйрегулятор повышенной мощности. Схема его является довольно простой, но имеетряд недостатков перед схемой данного дипломного проекта. Привидемнекоторые из них:
— симистор следует размещать на теплоотводе,площадью не менее 300
— так как симисторный регулятор создает радиопомехи,его рекомендуется хорошо экранировать и включать в сеть через фильтр;
— у данного симисторного регулятора высокое энергопотребление;
— так как у данного регулятора отсутствуют цифровые средства индикации, невозможнов полной мере оценить работу прибора;
Также в качестве сравнения возьмем схему, приведенную в журнале «Радио»№3 (2004).
Вданном номере журнала представлен регулятор-стабилизатор. Но данная схема также имеет ряд недостатков, перед схемой данного проекта, приведем некоторые изних:
— механическая связь валов  тахогенератораи электродвигателя должна быть жесткой и без люфта, иначе система стабилизацииможет потерять устойчивость и возникнут незатухающие колебания частотывращения;
— следует очень тщательно выбирать тахогенератор, в противном случае при пробоеизоляции может выйти из строя регулятор частоты вращения;
— из-за отсутствия цифровых средств управления невозможно изменять алгоритмработы изделия.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ 1.2 Назначение, техническиехарактеристики и область применения регулятора частоты вращения коллекторногоэлектродвигателя
Устройствопредназначено для автоматического регулирования частоты вращения кол­лекторногоэлектродвигателя с последовательным возбуждением. Регулятор является уни­версальнымс возможностью настройки на управление различными вариантами электропри­водовили других нагрузок изменением записанной в памяти микроконтроллера программы.
Устройствоимеет следующие технические характеристики:
-напряжение питания – 7…10В;
-средний ток потребления не более 10мА;
-ток отпирания – 1,4мА;
-время срабатывания – 5,5мс;
-время отпирания – 25мс.
Эксплуатационныехарактеристики:
-условия эксплуатации – нормальные;
-установка – стационарная;
— перваягруппа для бытовой РЭА.
Конструктивныехарактеристики:
-конструкция блочная;
-применяется печатный монтаж;
-элементная база 2-3 поколения;
-жесткая конструкция.
Устройствоприменяется в быту, или на предприятиях, в приводах электроприборов, гдеприменяются коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением.


1.3Описание схемы электрической структурной
Структурнаясхема «Регулятора частоты вращения» изображена на рис. 3, а также вграфической части на листе 1 РГКРИПТ 210306.4205.001Э1.
Структурнаясхема состоит из следующих блоков:
1) Блок питаниясодержит: диодный мост VD1 (КЦ407А),электролитический конденсатор С1 (К50-6), стабилизатор напряжения DA1 (КР142ЕН5А), светодиодный индикатор HL1 (АЛ102Б), постоянный резистор R3 (Р1-12). Предназначен для питания устройства и ИМС;
2) Генератор тактовойчастоты содержит: конденсаторы С2, С3 (К10-59), кварцевый резонатор ZQ1, постоянный резистор R3 (Р1-12). Вырабатывает тактовые импульсы, с частотой10МГц;
 SHAPE * MERGEFORMAT
Микроконтроллер
Генератор тактовой частоты
Органы управления
OSC1
OSC2
RB0
RB1
RB2
Ключевой элемент
Электродвигатель
Выпрямитель
Электронное реле
~ 220В
Схема управления семисегментным индикатором
Семисегментный индикатор
RА0
RА1
RА2
Фотоэлектрический датчик частоты вращения
Блок
питания
Рисунок1.1. Схема электрическая структурная.
3) Органы управлениясодержат: кнопки SB1-SB3. Кнопки подсоединены к разъемам RB0-RB2 порта МК. Укаждой из кнопок есть своя функция: SB1 — «Вперед»,SB2 — «Стоп», SB3 — «Назад». Управляют режимами микроконтроллераDD1;
4) Микроконтроллер DD1 (PIC16F84). МК является основой данного устройства. Онработает на частоте 10 МГЦ;
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ
5) Схемы управления семисегментным индикатором содержит: дешифратор DD2 (К555ИД7), счетчик DD3 (К555ИЕ5), дешифратор DD4 (К514ИД1). Настроенный на выводпятиразряд­ный порт А используется для управле­ния в динамическом режиме семьюраз­рядами цифрового индикатора НG1. Дешифратор DD4 преобразует двоичный код на вы­ходесчетчика в код семиэлементного индикатора.С выводов RА0-RА2 МК на адресные входы дешифратора DD2 поступает в двоичном коде номер разрядаиндика­тора НG1,в котором должно отобра­жаться содержимое счетчика DD4. На­пряжения на выходах   0-6 дешифрато­ра последовательно активизируютсо­ответствующие разряды индикатора, обеспечивая отображение семи цифр, а винтервалах формирования напряже­ния на неиспользуемом выходе дешиф­ратораиндикация отключена и произ­водится загрузка отображаемой цифры в счетчик;
6) Семисегментныйиндикатор HG1 (АЛС318А). Показываетвыбранный алгоритм управления и направление вращения;
7) Ключевой элементсодержит: сильно-мощный транзистор VT2 (КТ834В),постоянный резистор R5 (Р1-12). Благодаря большому коэффициентупередачи тока базы VT2, управление им осуществляетсянепосредственно напряжением с выхода RB4 портаВ МК, через токоограничительный резистор R5;
8)Блок электронного реле содержит: постоянный резистор R4 (Р1-12), маломощный транзистор VT1 (КТ605Б),  выпрямительный диод VD2 (Д226), реле К1 (РЭН18). РелеРЭН18 (паспорт РХ4.564.505) с четырьмя пере­ключающими контактами (для повышениянадежности в каждой из групп К1.1 и К1.2 параллельно соединены по два контакта).Переключение контактов происходит при обесточенном электродвигателе, что существенноснижает требования к их коммутационной способности;
9) Блокэлектродвигателя содержит: обмотку возбуждения электродвигателя LM1, коллекторный электродвигатель M1;
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ
10) Выпрямительсодержит: выпрямительный диодный мост VD3(КЦ409В), электролитический конденсатор С5 (К50-7), выпрямительный диод VD4 (КД202Р). Предназначен для выпрямления напряженияпитания, поданного на электродвигатель;
11) Фотоэлектрическийдатчик частоты вращения содержит: постоянные резисторы R7-R9 (Р1-12),маломощный транзистор VT3 (КТ315Г),светодиод VD5 (АЛ07А), фотодиод VD6 (ФД256). На вывод RВ7 МК поступают импульсы отфотоэлектрического датчика частоты вращения. При вращении вала ИК лу­чи дваждыза один оборот на короткое время освещают фотодиод, и в цепи коллекторатранзистора VT3формиру­ются импульсы напряжения. Поступая на вход RВ7, они вызывают прерывания МК от порта В.По этим прерываниям МК измеряет время каждого оборота вала двигателя и переводитизмеренный ин­тервал в частоту вращения, нормиро­ванную относительно номинальнойв процентах.
1.4 Описаниесхемы электрической принципиальной и принципа её
работы.
Основарегулятора частоты вращения – МК DD1, работающий на тактовой частоте 10МГЦ.
Органамиуправления являются кнопки SB1 («Вперед»), SB2 («Стоп») и SB3 («Назад),подсоединенные к разрядам RB0-RB2 порта В МК.
Вкачестве ключевого элемента применен мощный составной транзистор КТ834В (VT2).Благодаря большому коэффициенту передачи тока базы управление им осуществляетсянепосредственно напряжением с выхода порта В через токоограничительныйрезистор R5.
Реверсэлектродвигателя осуществляется изменением направления тока в обмоткевозбуждения электродвигателя LM1 с помощью переключающих контактов реле К1. Егообмотка включена в коллекторную цепь транзистора VT1, управляемого напряжениемс выхода RB3 МК.
Врегуляторе применено реле РЭН18 (паспорт РХ4.564.505) с четырьмя переключающимиконтактами (для повышения надежности в каждой из групп К1.1 и К1.2 параллельносоединены по два контакта). Переключение контактов происходит при обесточенномэлектродвигателе (Кз=0), что существенно снижает требования к их коммутационнойспособности.
Программойпредусмотрено формирование на выходе RB6 МК сигнала, включающего тормознойэлемент для быстрой остановки привода при включении, либо для ограничениячастоты вращения в режиме стабилизации при отрицательных нагрузках на валуэлектродвигателя.
Навывод RB7 поступают импульсы от фотоэлектрического датчика частоты вращения. Онсостоит из излучающего диода ИК диапазона VD5, фотодиода, усилителя натранзисторе VT3 и закрепле5нного на валу электродвигателя диска с двумядиаметрально расположенными отверстиями диаметром около 10мм. При вращении валаИК лучи дважды за один оборот на короткое время освещают фотодиод, и в цепиколлектора транзистора VT3, формируются импульсы напряжения. Поступая на входRB7, они вызывают прерывания МК от порта В. По этим прерываниям МК измеряетвремя каждого оборота вала двигателя и переводит измеренный интервал в частотувращения, нормированную относительно номинальной в процентах. В данном случаеза 100% принята частота вращения 3000 мин.
Есликоэффициент заполнения достиг нуля (отключение питания), а двигатель продолжаетвращаться с угловой частотой, превышающей заданную, МК выдает исполнительномуустройству команду на торможение через разряд RB6 порта В.
Настроенныйна пятиразрядный порт А используется для управления в динамическом режиме семьюразрядами цифрового индикатора HG1. Через разряд RA3 на вход С1 двоичногосчетчика DD3 поступает информация об отображаемой десятичной цифре, а черезразряд RA4 осуществляется обну
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ ление счетчика.Дешифратор DD4 преобразует двоичный код на выходе счетчика в код семиэлементногоиндикатора.
Свыводов RA0-RA2 на адресные входы дешифратора DD2 поступает в двоичном коденомер разряда индикатора HG1, в котором должно отображаться содержимое счетчикаDD4. Напряжение на выходах 0-6 дешифратора последовательно активизирует соответствующиеразряды индикатора, обеспечивая отображение семи цифр, а в интервалахформирования напряжения на неиспользуемом выходе дешифратора индикация отключенаи производится загрузка отображаемой цифры в счетчик.
Привключении устройства происходит автоматический сброс МК и начинается выполнениезаписанной в его памяти программы. Производится начальная инициализация МК иуправляющей программы: настраиваются предделительтаймера/счетчика и линии портов А и В на ввод/вывод, заносятся необходимыеначальные константы в используемые переменные, разрешаются прерывания оттаймера/счетчика и от измерения уровня входного напряжения в разряде RB7 портаВ. После этих действий программа циклически выводит информацию на цифровойиндикатор HG1 и опрашивает состояния кнопок SB1-SB2.


Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ 2 Расчетно-конструкторская часть
2.1  Электрический расчётэлектронного реле

Рисунок 2.1. Схема электрическая.Электронное реле.
Расчет электронного реле (рис. 2.1) выполняется по методикеприведенной в [14] и исходными данными являются:
1. По току срабатывания из справочника выбираем тип релеРЭН18:  паспорт РХ4.564.505, параметрыток срабатывания 10mA, рабочее напряжение 220
2. Выбираем транзистор, который будет работать в ключе. Выбор по току
mА: выбираем из справочника транзистор с:
3. При срабатывании реле на базу VT1 подается сигнал лог. 1, с выхода микроконтроллераDD1, размах сигналаравен  2,5В.
Падение напряжения на нем должно составить:
                                     (2.1)

                                                  (2.2)

Через R1потечет ток базы VT1равный, в режиме срабатывания, (при подаче «1»), = 20мкA.
4. Диод VD1 — предназначен для защиты перехода VT1 от пробоя, обратноприложеннымнапряжением самоиндукции обмотки реле, которое возникает при его переключении.
Амплитуда бросков тока может составлять до  реле.
Определим параметры диода:

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ                                               (2.3)

Через реле протекает ток срабатывания, равный 10mA, этот токбудет прямым током диода VD1.
Параметры:

Его параметры (влияющие на работу данной схемы):
         
2.2 Расчёт надёжности
Надежность — свойство объекта сохранять во времени вустановленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнятьтребуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации, техническо­гообслуживания, ремонтов и транспортирования. Исходными данными для расчетанадежности являются:
— схема электрическаяпринципиальная РГКРИПТ 21030601.4205.003 ЭЗ;
— печатная плата РГКРИПТ21030601.4205.004 ПП;
— перечень элементов;
— климатические и механическиеусловия эксплуатации.
Анализ работы устройства показал, что устройство работаетот малого сигнала и в нем нет цепей с повышенным тепло выделением, следовательно,максимальная температура определяется значением t=30±10°C. Устройство от­носитсяк I группе промышленных РЭА.
Принимаем Тмах=40°С,
Влажность — нормальная.
В результате расчета надежности определим:
— интенсивность отказовустройства lå;
— среднее время наработки доотказа Тср;
— вероятность безотказнойработы устройства Pc(t)в течение 10000 часов эксплуатации.
Расчет проводим по методике, изложенной в [15].Составляем таблицу элементов, применяемых в устройстве. Для удобства расчета,однотипные компоненты, находящиеся при одинаковых или близких температурах иработающих при одинаковых или близких электрических и механических нагрузках,объединяем в одну группу. В таблицу 2.1 включаем также лепестки, проводникипечатные и соединения паяные.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
12
РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ Объединяем в группы следующие радиокомпоненты:
— конденсаторы С1, С4, С5 типа К50-6, К53-18, К50-7 — электролит;
— конденсаторы С2, С3типа К10-59 — с керамическим диэлектриком;
— микросхемы DA1, DD1-DD4 типа КР142ЕН5А,PIC16F84A, К555ИД7,
— К555ИЕ5, К514ИД1 — полупроводниковаяИМС;
— цифровой индикатор HG1 типа АЛС318А — полупроводниковая ИМС;
— индикаторы HL1,HL2типа АЛ102БМ — сплавные;
— резисторы R1…R9 типаР1-12 — с максимальной мощностью рассеивания 0,125 Вт — непроволочныепостоянные металлодиэлектрические;
— диодный мост VD1, VD3 типа КЦ407А, КЦ409В — выпрямительный кремниевый;
— диоды VD2, VD4 типа Д226, КД202Р — выпрямительный кремниевый;
— диоды VD5, VD6 типа АЛ107А, ФД256 — сплавной;
— транзистор VT1 типа КТ605Б  — кремниевый малой мощности средне-частотный;
— транзистор VТ2 типа КТ834В — кремниевый большой мощностинизкочастотный;
— транзистор VT3 типа КТ315Г — кремниевый малой мощностивысоко-частотный;
— кварц ZQ1 типа М1 — сплавной;
— реле К1 типа РЭН18(РХ4.564.505);
— кнопки SB1-SB3 типа DO-2 — без фиксации.
Последними элементамив таблицу 2.1 записываем лепестки, соединения паяные и проводники.
Определяем количествопаяных соединений nС и количество печатныхпроводников nП: nС= 156, nП = 96.
Записываемрадиоэлементы в таблицу 2.1 в последовательности их записи в перечне элементов.
Для каждого типаэлемента определяем интенсивность отказов в номинальном режиме ljН  и записываем втаблицу 2.1.
Рассчитаем поправочныйкоэффициент при воздействии внешних факторов
                                                kl= kl1×kl2,                                                (2.4)

Изм.
Лист
№ докум.