Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

Содержание

 

Введение

1. Анализ исходных данных и  выбор схемы

2. Принцип работы устройства

3. Расчёт цепи схемы управления

3.1. Расчёт генератора линейно  изменяющегося напряжения

3.2. Расчёт сравнивающего устройства

3.3. Расчёт исполнительного устройства

4. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя

Заключение

Список используемой литературы

 

Введение

 

Машины постоянного тока до сих пор активно применяются в качестве двигателей (ДПТ) и генераторов (ГПТ). ДПТ имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и сравнительно мягкие механические характеристики, а кроме того мало подвержены внешним воздействиям. Благодаря этому они активно используются в промышленности, особенно в областях регулирования и системах автоматики.

Исполнительные двигатели постоянного тока (ИДПТ) являются одной из наиболее распространенных составных частей исполнительных механизмов. Поэтому двигатель является либо чисто инерционным звеном, либо инерционным звеном, соединенным совместно с другими звеньями, он обладает способностью сглаживать пульсации управляющего напряжения Uу, усредняя его. Это позволяет использовать регулирующие устройства, работающие в импульсном режиме (управляемые выпрямители, широтно-импульсные усилители и т.п.), когда изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к двигателю, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится накопительное напряжение.

Конструкция ДПТ сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Эта работа направлена на построение устройства управления (УУ) к одному из многих представителей класса ИДПТ. Здесь будут рассматриваться основные принципы построения УУ ИДПТ и приведен расчет одного устройства для двигателя с мощностью P = 75 Вт и скоростью вращения n = 5000 об/мин.

 

1. Анализ исходных данных  и выбор схемы

 

В данной курсовой работе предлагается рассчитать схему импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока (ИДПТ).

Наиболее подходящим по бланку задания двигателем является СЛ-525, т.к. у него высокая продолжительность непрерывной работы (2000 ч.), высокий КПД (59%). В дальнейшем будем использовать этот двигатель, все расчеты ведутся по его данным.

В соответствии с бланком задания двигатель СЛ-525 питается от двух независимых источников напряжения (двигатель с независимым возбуждением), которые подают энергию соответственно на якорную обмотку и обмотку возбуждения. Из этого следует, что принципиально возможно два варианта управления: якорное, когда обмотка возбуждения подключена постоянно к источнику с неизменным напряжением (а на якорную обмотку подают напряжение управления только при необходимости вращения двигателя) и полюсное, при этом якорная обмотка подключена на источник с неизменным напряжением, а напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, изменяется. Фактически при полюсном управлении изменяется магнитный поток. Данный способ применяется сравнительно редко, т.к. при Uв = 0 в ИДПТ имеется остаточный поток, а, следовательно, и небольшой электромагнитный момент, приводящий к самоходу двигателя, что недопустимо в точных системах, где применяются двигатели. Кроме того, при данном способе управления регулировочные характеристики могут быть неоднозначны и нелинейны, что также можно отнести к недостаткам этого способа управления.

Поэтому в основу расчета следует положить принцип якорного управления двигателем. Одним из недостатков этого способа является большая мощность управления. Именно с целью ее уменьшения и следует использовать принцип импульсного управления двигателя по якорной обмотке.

При таком способе двигатель управляется напряжением, подводимым к якорю с определенной длительностью. Для оценки длительности импульса вводится относительная величина, равная и называемая коэффициентом заполнения (обратная величина - - скважность).

В этой формуле tu - время импульса, Т - период следования импульсов.

Работа двигателя при импульсном управлении состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, причем периоды разгона должны быть малы по сравнению с электромеханической постоянной времени двигателя - тогда скорость вращения якоря w(t) не успевает к концу периода достигнуть установившегося значения.

Мгновенная скорость якоря электродвигателя будет непрерывно колебаться относительно среднего значения wСР, которое при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется коэффициентом заполнения t. Причем амплитуда этих колебаний тем меньше, чем больше отношение электромеханической постоянной двигателя к периоду следования импульсов Т. С ростом частоты управляющих импульсов и с увеличением электромеханической постоянной времени амплитуда колебаний скорости уменьшается. Среднее значение скорости увеличивается с ростом относительной продолжительности импульсов, подаваемых на электродвигатель, и зависит от момента нагрузки и напряжения импульса Umax, что необходимо учитывать при применении данного способа управления.

Вообще, к импульсному регулированию существуют два подхода:

• При постоянном t изменяется напряжение питания, тогда управление сводится к подаче энергии в цепь якоря, изменяемой по величине, но в фиксированные моменты времени. Способ практически не используется, т.к. имеется полная аналогия якорного управления.
• Собственно импульсное регулирование, которое в свою очередь можно подразделить на частотно-импульсное и широтно-импульсное управление.

Названия этих методов говорят сами за себя.

Так при частотно-импульсном регулировании t изменяется с изменением частоты следования импульсов. При этом длительность импульса не изменяется. По абсолютной величине она остается постоянной.

При широтно-импульсном регулировании частота импульсов остается постоянной, а tu изменяется.

Для дальнейшего рассмотрения и последующего расчета следует принять именно этот способ.

 

2. Принцип работы устройства

 

Структурную схему наиболее просто и часто встречающегося варианта широтно-импульсного регулирования работы двигателя можно увидеть на рис.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

На данном рисунке ГЛИН - это генератор линейно изменяющегося напряжения. С помощью него создается частота следования импульсов. Диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, изображены на рис.2,3.

Схема работает следующим образом. ГЛИН подает импульсы на один из входов устройства сравнения - U(t), на другой вход поступает сигнал постоянного уровня Uоп (рис.2, 3а). В случае, если U(t) Uоп, на выходе устройства сравнения возникает последовательность импульсов прямоугольной формы. Если же U(t) > Uоп, на выходе наблюдается низкий уровень сигнала (логический ноль). Импульсы возникают с частотой ГЛИН. Длительность импульсов изменяется посредством регулирования величины опорного напряжения (рис.2, 3б). Источник опорного напряжения реализуется с помощью потенциометра. В качестве устройства сравнения используется компаратор напряжения. Учитывая, что сигнал, выдаваемый компаратором невелик (I = 0,005А), его необходимо усилить. Для этого в схеме предусмотрен усилитель. В таком усилителе, как в обычном импульсном, нельзя использовать в качестве разделительных элементов конденсаторы и трансформаторы, поскольку вместе с изменением длительности импульса при неизменной частоте изменяется постоянная составляющая, которая не передается разделительными элементами. Таким образом, данный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока. В данной курсовой работе усилитель выполнен на базе ключей с резистивной связью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Импульсный сигнал, усиленный усилителем, управляет работой квантующего элемента, который является электронным прибором (транзистором или тиристором), работающем в ключевом режиме. Когда ключ открыт, напряжение от источника питания поступает на якорную обмотку двигателя. Скачок напряжения в виде импульса приводит к разгону двигателя, а пауза определяет режим торможения двигателя. Посредством чередования разгона и торможения двигателя устанавливается средняя скорость вращения его вала. Причем пульсации скорости являются незаметными благодаря инертности двигателя и достаточно большой частоте следования импульсов (рис.2в, 3в).

В данной схеме в качестве источника переменного напряжения используется именно ГЛИН, т.к. именно он обеспечивает плавность и линейность регулирования подачи импульсов. Если бы в качестве такого источника был использован, например, источник напряжения с сигналом вида U(t) = |sin wt|, то ближе к амплитуде данного сигнала имелась бы существенная нелинейность, и регулирование не было бы плавным.

 

3. Расчет цепи схемы  управления

 

3.1 Расчет генератора линейно  изменяющегося напряжения

 

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

Как правило, высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Мы будем использовать схему изображенную на рис.4

 

Рисунок 4 - Схема ГЛИН

 

Как видно из схемы на рис.4.

При исключении из данной схемы тиристора, подключенного параллельно конденсатору C, получается интегратор. Выходное напряжение определяется выражением:

 

 

Когда выходное напряжение превысит напряжение Uоп, тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение UC = Uвых снизится до уровня напряжения Uоткр на тиристоре в открытом состоянии, после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током повторится. Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие [2,стр.212].

Далее выберем операционный усилитель К140УД5Б, он имеет следующие основные характеристики [3, стр.403]

Коэффициент усиления не менее   Кус = 3 × 104

Входное дифференциальное сопротивление Rвх.диф=2,5 МОм

Напряжение питания     Uпит = ±5..±18 В

Максимальное выходное напряжение  Uвых max = ±11 В

Сопротивление нагрузки, не менее Rн=1 кОм

Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]

Напряжение в открытом состоянии   Uоткр = 1 В

Обратное напряжение Uобр =10 В

Прямой ток управляющего электрода Iпр =15 мА

Исходя из величины Iпр зададимся Uоп и Rб, при этом учтем условие

 

, т.е  .

Тогда, если ,

то получаем .

 

Как известно управление ДПТ, как правило, осуществляют на частотах f = 10..1000 Гц. Тогда по формуле:

 

 

получим при C = 0.1 мкФ, f = 900 Гц , E = 15 В тогда R равно:

 

 

3.2 Расчет сравнивающего  устройства

 

Сигнал с выхода ГЛИН (операционного усилителя) подается на один из входов компаратора напряжения. Наиболее подходящим компаратором является К554СА2, который имеет следующие основные характеристики [5, стр.158].

Коэффициент усиления       Кu = 75×103

Напряжение высокого уровня (лог. 1)  U1 = 2,5 ¸ 4 В

Напряжение низкого уровня (лог. 0)   U0 = 0¸0.3 В

Напряжение питания      Uпит = +12 ; -6 В

Минимальное сопротивление нагрузки Rn min = 2 кОм

 

Рисунок 5 - Схема сравнивающего устройства

 

Рассчитаем работу компаратора: пусть Е=19 В. Для этого необходимо рассчитать полюса подстроечного (переменного) сопротивления R. Обозначим полюс, соединяющий +Е с неинвертирующим входом компаратора, как R’, а другой (+Е - земля) – как R”. Входным током компаратора можно пренебречь ввиду большого входного сопротивления. Т.к Uвх, на входе компаратора не превосходит 10В, необходимо, чтобы Umax R”=10 В, тогда получаем т.к.

 

,то получаем при R” = 100 кОм,

 

Сопротивление лучше всего взять СП-2-3б из ряда Е6, сопротивление из этого ряда наиболее распространены, имеют достаточную мощность и хорошие характеристики (точность подстройки 1%, кОм).

 

3.3 Расчет исполнительного  устройства

 

Исполнительное устройство в данной схеме представляет собой электрический ключ. Построение электрического ключа на основе составного биполярного транзистора обусловлено следующими факторами:

1) Отсутствие реверса в разрабатываемой схеме.

2) Сравнительная простота реализации  электрического ключа на биполярном транзисторе.

3) Управление состоянием транзисторного  ключа осуществляется с помощью  управляющего входного сигнала.