Загрузка...
Проектирование систем управления двигателем постоянного тока
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_____________________
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:=10 сек.=13 сек.=7 сек.=11 сек.=19 сек.
Угловая скорость:
ω1=88 рад/с
ω2=44 рад/с
ω3=22рад/с
ω4=11 рад/с
ω5=5.5 рад/с
температура:º=20ºC
Напряжение питания:пит=220В
время переходного процесса:пп=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 двигателяНоминальный момент, Н*мМощность, ВтЧастота вращения, об/минДК-1,71,71801000ДК1-2,32,32401000ДК1-3,53,53601000ДК1-5,25,25401000*-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 двигателяНоми-нальный момент, Н*мНомин-альная скорость об/минНоми-нальная мощность, ВтНоми-нальный ток, АНапря-жение,ВКПД,%Момент Пусковой, Н*мТок Пусковой, АМомент инерции якоря, кг*м2Активное сопротив-ление якоря, ОмИндук-тивность обмотки, ГнЭлектромагнитная постоянная, мсДК1-5,2-001-АТ5,210007156,511075,53616.250,0371255,3
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 à 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.
.5 Выбор микроконтроллера
Микроконтроллер — микросхема <#"335" src="/wimg/11/doc_zip33.jpg" />
Рис.5 Семейство 32-разрядных микроконтроллеров STM32F
Отличительные особенности архитектуры семейства STM32F с точки зрения задач управления приводами (помимо ARM-ядра):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 <#"154" src="/wimg/11/doc_zip34.jpg" />
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 синтез регуляторов методом модального оптимума
Рассмотрим структурную схему электропривода:
Рис.7. Структурная схема электропривода.
,гдерс — передаточная функция регулятора скорости рт — передаточная функция регулятора тока пр — передаточная функция преобразователя — передаточная функция электромагнитной постоянной — 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.
.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
— момент инерции якоря кг*м2*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
.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: #»justify»>Первичные преобразователи, датчики, компоненты автоматизации производства, системы безопасности, КИПиА. Датчики тока. Датчики тока с выходом по току: каталог [электронный ресурс]. — Режим доступа: #»justify»>[электронный ресурс]. — Режим доступа: #»justify»>1.