Устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока

4) Малый выходной ток компаратора.

5)Требования к минимальному  сопротивлению нагрузки компаратора.

Реализация электрического ключа на основе составного биполярного транзистора приводит к уменьшению мощности, получаемой от предыдущего звена схемы. В этом случае пара транзисторов VT1, VT2 работает как один, но с коэффициентом усиления по току, равным:

 

.

 

При этом транзистор VT1 потребляет меньшую мощность и, как правило, обладает значительным коэффициентом по току.

 

Рисунок 6 - Составные транзисторы.

 

Выберем составные n-p-n транзисторы, подключенные по схеме Дарлингтона. При работе составных транзисторов в ключевом режиме их включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером, как изображено на рис.6. Двигатель, которым необходимо управлять, как правило, включают в коллекторную цепь транзисторов. А для компенсации противо ЭДС якоря двигателя параллельно коллекторной цепи транзисторов включают диод VD1. Например, серии Д7Б с Uобр max = 100 В. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзисторов в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.

 

Рисунок 7 - Схема транзисторного ключа.

 

Т.к мы выбрали двигатель СЛ-525 [1], то получаем следующие входные данные для транзисторного ключа:

 

Uном = 110 В

Pном = 75 Вт

Iном = 1,2 А

Отсюда можем найти

 

Исходя из Uном и Iном выберем транзистор VT2. Наиболее подходящим транзистором оказался: n-p-n транзистор КТ809А, который имеет следующие характеристики [7, стр.429]:

 

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 30

Обратный ток коллектора     IK0 max = 3 мА

Постоянный ток коллектора     IK = 3 А

Постоянное напряжение эмиттер-база   UБЭ max = 4 В

Постоянный ток базы     IБ = 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер  UКЭ max = 400 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 40 Вт

Рабочая температура pn– перехода Tn раб = - 60 +1250С

Максимальная температура перехода    Тп max = 1500С

Зададимся значением Еп, пусть Еп = 110 В. Определим параметры схемы, необходимые для обеспечения режима насыщения транзистора.

Рисунок 8 - Выходные ВАХ транзистора КТ809А

 

Построим нагрузочную прямую по постоянному току. Далее имеем

 

 

При этом ток в коммутируемой цепи не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и ). Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.

Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:

 

 

Для реального тока базы должно выполнятся, условие, т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы. И, как правило, с целью повышения надежности работы транзисторного ключа при различных температурах, а также для удобства замены транзистора в случае выхода из строя, эти величины связывают через степень насыщения S. Но в нашем случае, т.к. мы используем схему на составных транзисторах, то достаточно задаться значением S, только для транзистора VT1, который будем рассчитывать далее. Значит для данного транзистора (VT2) будем иметь . Теперь из входных характеристик можно определить минимальное напряжение, которое необходимо подать на вход ключа для того, что бы перевести транзистор в режим насыщения.

Рисунок 9 - Входные ВАХ транзистора КТ809А

 

Как видно . Из расчетов для транзистора VT2 окончательно получаем,

 

, , .

 

В качестве транзистора VT1 используется транзистор КТ603А со следующими основными характеристиками [ 7, стр.317]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 80

Обратный ток коллектора(при Тс = -400 ¸ +250С) IKO max = 1 мкА

Постоянный ток коллектора     IK max = 1 А

Постоянный ток базы       IБ max = 0,2 А

Постоянное напряжение эмиттер-база    UБЭ max = 7 В

Постоянное напряжение коллектор -эмиттер   UКЭ max =120 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора РК max = 0,8 Вт

Максимальная температура коллекторного перехода Тп max = 1500С

Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30×80=2400

Для транзистора VT1 получаем, т.к. , то должно выполняться следующее соотношение: = =70 мА, где - ток базы транзистора VT2. Значит по уже известным формулам можно записать:

 

 

Зададимся значением степени насыщения S = 2, тогда получим мА, а затем построим выходные ВАХ для транзистора КТ603А.

Рисунок 10 - Входные ВАХ транзистора КТ603А

 

Получим, что . Рассчитаем необходимое сопротивление :

 

 

В режиме запирания транзистора в силу ничтожно малой величины теплового тока коллектора, на вход транзисторного ключа можно не подавать отрицательное запирающее напряжение. Для запирания транзистора будет достаточно и нулевого уровня напряжения.

 

4. Построение механической  и регулировочной характеристик  электродвигателя

 

При описании работы двигателя в установившемся режиме используют механическую и регулировочную статические характеристики.

Под механической характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от среднего значения момента при неизменной отрицательной продолжительности импульсов tu.

Под регулировочной характеристикой понимают зависимость установившейся средней частоты вращения ротора от относительной продолжительности импульсов tu при неизменном среднем моменте на валу двигателя.

В зависимости от соотношения электромагнитной постоянной времени обмотки якоря tя и величины Тu, от схемы управления, момента нагрузки и тока в цепи якоря возможны два основных режима работы двигателя при импульсном управлении: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.

Режим прерывистого тока возможен при tя< Тu и характеризуется тем, что во время паузы tn ток в якоре равен нулю. В технических условиях на двигатель не было указано индуктивности его обмотки, поэтому можно предположить, что она очень мала, и tя заведомо удовлетворяет указанному условию. В этом случае характеристики двигателя определяются следующими выражением:

 

(*)

 

где - средняя частота вращения вала двигателя;

Мср : tu - среднее за период Тu значение вращающего момента.

Все величины - в относительных единицах.

Выражение (*) при tu=const представляет собой уравнение механической характеристики, а при Мср = const уравнение регулировочной характеристики. Из анализа этого выражения можно сделать выводы:

1. Механические характеристики линейны и начинаются из одной общей точки холостого хода ( =1, Мср=0). Жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения момента к приращению частоты вращения ротора, уменьшается по мере уменьшения tu.
2. Регулировочные характеристики нелинейны. Регулирование возможно только при Мср ≠ 0, т.к. при Мср = 0 установившееся значение средней частоты вращения ротора =1, при любом tu.

Согласно бланку задания нам требуется построить характеристики двигателя в абсолютных единицах. В числе прочих справочных данных для двигателя имеются следующие:

Номинальная частота вращения nном=4400 об/мин

Номинальный момент на валу двигателя Mном=0,196 Н∙м

Пусковой момент Mпуск=0,49 Н∙м

Теперь запишем уравнение (*) с учетом того что

 

, а 

(**)

 

теперь подставив в уравнение (**) точки (Mном; nном) и (Mпуск;0)(условие равенства скорости двигателя 0 в момент пуска), и для простоты вычислений приняв =1, получаем:

 

 об/мин

 

Теперь мы можем построить механические и регулировочные характеристики для данного двигателя.

Построим механические характеристики для =0,5, =0,25 и =0,1 проще всего это сделать, воспользовавшись уравнением (**) приняв при этом n=0.Найдем координаты первой точки:

 

	1	0.5	0.25	0,1
n,об/мин	0	0	0	0
M ,Н∙м	0,49	0,245	0,1225	0,049

 

Что касается второй точки то, как следует из свойств механической характеристики описанных выше, это будет точка (0, ).Теперь построим механические характеристики.

Рисунок 11 - Механические характеристики.

 

Теперь построим регулировочные характеристики, для этого воспользуемся уравнением (**). Составим следующую таблицу:

При Н∙м

 

 

	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
n,об/мин	0	3666	4888	5499	5866	6111	6285	6416	6518	6599

 

 

 

При Н∙м

 

	0,25	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
n,об/мин	0	1222	2750	3666	4277	4714	5041	5296	5500

 

При Н∙м

 

Теперь построим регулировочные характеристики двигателя:

 

Рисунок 12 - Регулировочные характеристики.

 

Далее изобразим относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора при высоте импульсов Uном и моменте на валу двигателя Mном.

 

Рисунок 13 - Относительный график заполнения импульса и частоты вращения ротора

 

Где величины n1 и n2 определяются по формулам:

 

 

Где - среднее в интервале значение вращающего момента двигателя, отн.ед.; -статический момент сопротивления на валу отн.ед.; -момент инерции ротора;

 

-постоянная машины.

 

Заключение

 

В результате выполнения курсовой работы было рассчитано устройство импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. В основу расчета лег принцип широтной модуляции сигнала. Применение интегральных схем значительно упростило устройство и повысило его надежность.

При расчете было сделано допущение о малой индуктивности якоря, и весь расчет велся на активное сопротивление обмотки двигателя.

Кроме того, ввиду большого быстродействия транзисторных ключей и сравнительно малой частоты генерирования линейно изменяющегося напряжения переходные процессы в электронных компонентах также не принимались в рассмотрение, и весь расчет велся для устойчивого режима.

В ходе исследования работы двигателя при переменном tu и различных значениях момента М были построены механические и регулировочные характеристики электродвигателя в абсолютных единицах, по которым можно определить характер работы двигателя.