Передаточные функции звеньев имеют вид:
регулятор скорости (2.74)
регулятор тока (2.75)
двигатель (2.76)
ШИП (2.77)
тахогенератор (2.78)
датчик тока (2.79)
Для определения устойчивости относительно задающего воздействия по критерию Найквиста необходимо разорвать цепь обратной связи и определить передаточную функцию в разомкнутом состоянии./5/
Схема разомкнутой динамической системы привода приведена рисунке
Рисунок 7 – Разомкнутая динамическая приводная система
Передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид:
(2.80)
Построим ЛАЧХ и ЛФЧХ исходной разомкнутой системы, где
Рисунок 8 – ЛАЧХ и ЛФЧХ исходной системы.
Частота среза wс = 72,6.
Как видно из ЛАЧХ и ЛФЧХ система не устойчива, поэтому требуется применить корректирующее звено, в данном случае ПИД-регулятор.
Рисунок 9 – Схема ПИД-регулятора.
Передаточная функция корректирующего звена будет иметь вид:
(2.81)
где К - коэффициент усиления корректирующего звена К=9
R1=1 (кOм);
R2 =9 (кOм);
Т1 – постоянная времени Т1 =0,027
Т2 - постоянная времени Т2 =0,0026
С1 – емкость конденсатора; С1 = 47∙10-6 (Ф);
С2 – емкость конденсатора; С2 = 3,2∙10-7 (Ф).
Корректирующее звено можно реализовать следующим звеном:
(2.82)
Передаточная функция скорректированной системы будет иметь вид:
. (2.83)
Частота среза желаемая
, (2.84)
где b- коэффициент Солодовникова b=2,5, = 0,15.
=52,3
Рисунок 10 – ЛАЧХ и ЛФЧХ скорректированной системы.
Частота среза .
Запас устойчивости по фазе на частоте среза:
, гр (2.85)
где минимальный запас: 30-40 гр.
Запас устойчивости по амплитуде на частоте среза:
, дБ (2.86)
где минимальный запас – (8 …10) дб.
В результате применения корректирующего звена система имеет достаточные запасы устойчивости по фазе и по амплитуде
Передаточная функция замкнутой системы.
, (2.87)
Рисунок 11 – График изменения вещественной части переходной характеристик системы.
Для расчета переходного процесса в замкнутой системе анализируем вещественную часть переходной характеристики.
(2.88)
Рисунок 12 - Переходной процесс в замкнутой системе.
Из рисунка видно, что время переходного процесса по точке перехода кривой в трубку установившегося значения составляет 0,023 с и непревышает заданного значения в сравнении с исходными данными для проектирования, tп.п. = 0,15. Время перерегулирования составляет 30% и нее превышает заданное значение.
2.8 Расчет выпрямителя источника питания
2.8.1 Выбор схемы выпрямителя
В качестве схемы выпрямления выбираем однофазную мостовую схему со следующими параметрами:
- число фаз, m………………………………………………....……….………….2
- отношение среднего выпрямленного напряжения к напряжению во
- вторичной обмотке трансформатора, Uд/U2………………..……...………1,11
- отношение обратного напряжения на вентиле к среднему
- выпрямленному напряжению, обр/Uд………………….…………………..1,57
- отношение мощности трансформатора к
- мощности после выпрямителя, Рт/Рд………………..………...……………1,21
- коэффициент использования вентиля по току, KI………......……………..0.78
- частота пульсаций(при fсети=50Гц), fп,………………..………...…..……..100
Для расчета необходимы следующие исходные данные:
- напряжение на выходе выпрямителя, Uд , В……...………………….……..274
- ток нагрузки выпрямителя, Iд , А…………………………....…..…………..400
2.8.2 Определение обратного напряжения на вентиле
Uобр = 1,57·Uд, В (2.89)
Uобр =1,57·274=430 В
(2.90)
Iв=0,5·Iд, А
Iв=0,5·400=200
2.8.3 Выбор диодов
По вычисленным Uобр и Iв и заданным температурным параметрам по справочнику выбираем вентиль: диод Д 232-200 со следующими параметрами:
- прямой постоянный ток, Iпр, А…………………...………….……………..200
- наибольшее обратное напряжение, Uобрм, В...……………...………...…1000
- падение напряжения на открытом диоде, Uпр, В………….....…………...1,45
- предельно допустимая рабочая частота, f, кГц……………......…………....0,5
- диапазон допустимых рабочих температур, Т, оС……………...……-60..+190
2.8.4 Определение дифференциального сопротивления вентиля
(2.91)
hв=1,2· =0,0087 Ом.
2.8.5 Сопротивление плеча моста
(2.92)
hп=2·0,0087=0,0174
2.8.6 Ориентировочное значение активного сопротивления фазы выпрямителя
(2.93)
где К2 – коэффициент схемы выпрямления, К2=4;
Rн – сопротивление нагрузки, Rн=Uд/Iд=2,79 Ом;
N – число стержней трансформатора, N=2;
fc – частота сети питания, fc=50 Гц;
Bm – максимальная индукция в стали сердечника, Bm=0,7 Тл;
2.8.7 Определение индуктивности рассеяния обмоток трансформатора при fc=50 Гц.
(2.94)
где КL – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, КL=6,4.
2.8.8 Индуктивное сопротивление обмоток трансформатора
(2.95)
xT=2·p·50·0,807=253 Ом.
2.8.9 Расчетное выпрямленное напряжение ненагруженного выпрямителя
(2.96)
,В
2.8.10 Фактическое обратное напряжение на вентиле
(2.97)
2.9 Выбор и расчет сглаживающего фильтра
2.9.1 Расчет коэффициента сглаживания
, (2.98)
где , - амплитуда основной гармоники пульсаций и постоянная составляющая напряжения на входе фильтра, =183,6 В, =274 В.
, - амплитуда основной гармоники пульсаций и постоянная
составляющая напряжения на выходе фильтра,=1 В, =274 В./3/
.
2.9.2 Выбор схемы фильтра
Выбираем Г-образный LC-фильтр.
Определяем произведение Lд · С:
(2.99)
где mn – частота пульсаций выпрямленного напряжения, mn=100 Гц; с-1
2.9.3 Определение минимального значения индуктивности дросселя, Lд.мин,Гн
(2.100)
По расчетному значению Lд.мин выбираем стандартный дроссель фильтра ДПМ 400-1000 со следующими параметрами:
индуктивность дросселя Lд , Мк Гн…………..……………..……1000
номинальный постоянный ток, А……………..…………………….400
2.9.4 Расчет емкости конденсатора фильтра С, Ф
(2.101)
2.9.5 Рабочее напряжение конденсатора
Рабочее напряжение конденсатора больше значения выпрямленного напряжения
(2.102)
По расчетному значению С и рабочему напряжению выбираем конденсатор
К50-78-450В – 220мкФ ± 20%.
2.10 Выбор трансформатора источника питания
2.10.1 Теоретическое значение типовой мощности трансформатора
(2.103)
где KT – схемный коэффициент типовой мощности трансформатора;
UН – номинальное напряжение сети;
IД – средний выпрямленный ток.
ST=1,23·220·98=26519
2.10.2 Расчетная типовая мощность трансформатора
(2.104)
где Кс – коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение напряжения сети.
РТ=1,1·1,23·26519=35880 .
По расчетному значению типовой мощности выбираем силовой трансформатор ТС-40 со следующими параметрами:
типовая номинальная мощность, Sт , кВА…………………………40
напряжение во вторичной обмотке, U2 , В………………………..208
напряжение короткого замыкания, Uкз , %…..…………………….10
2.10.3 Действующее значение первичного тока трансформатора
(2.105)
,А
где Кi1 – схемный коэффициент первичного тока;
Ктр – коэффициент трансформации трансформатора.
3 Описание работы системы
Регулятор предназначен для управления работой преобразователя по закону, заданному входным сигналом и защиты.
3.1 Блок регулятора.
Схема электрическая принципиальная блока регулятора приведена на листе 1 графической части курсового проекта. Блок регулятора состоит из дифференциальных усилителей заданного значения частоты вращения и фактического значения частоты вращения, регулятора частоты вращения, охваченного через ограничитель импульсного тока цепью отрицательной обратной связью, регулятора тока, широтно-импульсного модулятора, генератора тактовой частоты, схемы измерения и среднеквадратичного ограничения якорного тока и схемы защиты и контроля.
Регулятор частоты вращения состоит из основных элементов DA2.3,DA4 и VT4.
Заданное значение частоты вращения двигателя (напряжение в пределах от 0 до +/-10В) поступает на ВХОД1 преобразователя и далее на дифференциальный усилитель DA2.2, коэффициент усиления которого равен 1.
Действительное значение частоты вращения двигателя от тахогенератора поступает на ВХОД BR+ и далее через фильтр нижних частот с постоянной времени t»0.5мс на дифференциальный усилитель DA2.1 с коэффициентом усиления 0.35. Выходное напряжение усилителя можно изменять с помощью переменного резистора R30 в 2.5 раза. Таким образом, коэффициент усиления от ВХОДА BR+ до выхода с переменного резистора R30 можно регулировать в пределах от 0.35 до 0.14. Это позволяет нормировать напряжение тахогенератора на 8В задающего напряжения при напряжении самого тахогенератора в пределах от 20 до 30В. Этот предел можно расширить изменением номиналов резисторов R13 и R14.
Разность заданного значения и напряжения тахогенератора поступает на
пропорционально-интегрирующее звено DA2.3,DA4(ПИД-регулятор), напряжение на выходе которого изменяется до тех пор, пока разность напряжений на входе не станет равной нулю. Постоянную времени интегрирования и коэффициент усиления звена с помощью резистора R58 можно регулировать от Т=C17·R26=3мс и К=R52/R26=7.5 до Т=0 и К=1500.
При необходимости параметры регулятора можно изменить. Для этого конденсатор С17, резисторы R50 и R52 расположены на специальных контактах.
Резистор R45 и стабилитрон VD9 служат для ограничения максимального выходного напряжения на уровне +/-(10+/-0.5)В. С помощью резистора R46 можно установить уровень ограничения меньший 10В.
Операционный усилитель DA4 работает в режиме повторителя. Резистор R34 служит для установки 0. /4/
3.2 Регулятор тока (РТ).
Напряжение с выхода DA4, пропорциональное задаваемому току двигателя, поступает на пропорционально интегрирующее звено (ПИД – регулятор) DA5.1, имеющее постоянную времени Т= (R68+R73)·C21=0.65мс и коэффициент усиления К=R80/R68+R73=2.
На регулятор тока поступает также и напряжение, пропорциональное фактическому току двигателя с измерителя тока якоря (R75, L1, DA1.3, DA1.4, VT5-VT7), имеющего постоянную времени 50мкс.
На выходе РТ заданное значение тока сравнивается с фактическим значением тока, разность этих сигналов усиливается РТ./4/
3.3 Широтно-импульсный преобразователь (ШИП).
Так как выходные транзисторы прибора могут принимать только два состояния контактов выключателя – «открыт» или «закрыт», то для получения промежуточных величин выходные транзисторы переключают по переменно в оба состояния с максимально возможной частотой. При этом коэффициент заполнения определяет величину выходного напряжения.
Напряжение с выхода DA5.1 инвертируется DA5.2 и эти напряжения поступают на компараторы DA6.1 и DA6.2,где сравниваются с треугольным
напряжением, поступающим с генератора DA5.3,DA5.4.
Период треугольных импульсов равен (120+/-10) мкс, амплитуда +/-10 В.
При равенстве нулю выходного напряжения регулятора тока импульсы на выходе компараторов DA6.1 и DA6.2 имеют одинаковую длительность и форму меандра (скважность равна 2).Если выходное напряжение регулятора тока не равно нулю, то скважность импульсов на выходе компараторов DA6.1 и DA6.2 изменяется. Эти импульсы далее инвертируются DD3.3 и DD3.5. Неинвертируемые и инвертируемые импульсы с выходов DD3.2, DD3.3, DD3.5,
DD3.6 далее поступают на цепочки задержки положительных импульсов, постоянная времени цепочек для положительного фронта равна 10мкс. На выходе цепочек задержки импульсы имеют положительный фронт в виде экспоненциальной функции с временем нарастания до половины амплитуды около 10мкс. Этот уровень соответствует порогу срабатывания триггеров Шмитта DD4.1 – DD4.4. В результате на выходе (DD5.1 – DD5.4) импульсы, соответствующие каждому из выходов регулятора тока, инверсны друг другу и их передние фронты сдвинуты относительно задних фронтов инверсных импульсов на 10мкс. Эти импульсы в конечном итоге служат для управления силовыми ключами преобразователя.
Каждая инверсная пара импульсов подается на входы двух последовательно включенных силовых ключей. Задержка в 10мкс исключает сквозное короткое замыкание через ключи и выполнена с учетом времени включения транзисторов.
Не смотря на эту задержку переключения, выходной ток, имеющий активно-индуктивный характер, не прерывается, а замыкается через диоды обратного моста, включенные параллельно силовым ключам.
При возрастании входного задающего сигнала скважность на выходах компараторов DA6.1, DA6.2, а соответственно, и на входах силовых ключей изменяется в противофазе, так что на одной половине выходного каскада модулятора напряжение стремится к 0, на другой – к напряжения источника питания. При полном задающем сигнале выходное напряжение устанавливается равным напряжению источника питания. При изменении знака задающего сигнала изменяется и знак выходного напряжения.
3.4 Ограничение максимального и эффективного тока
На цепи измерения и ограничения максимального и эффективного тока якоря двигателя напряжение поступает с датчика тока двигателя. Максимальному току двигателя соответствует напряжение +/-0.375В. Это напряжение поступает на вход дифференциального каскада усиления (VT6, VT7).
Кроме того, на этот каскад поступает синфазное напряжение, величина которого может достигать напряжения питания. Для сохранения баланса каскад во всем диапазоне синфазного напряжения стабилизирован базовый ток с помощью генератора тока VT5 (1мА) и напряжение базы относительно средней точки с помощью стабилитрона VD13. Коэффициент усиления каскада равен 2. Усиленное дифференциальным каскадом напряжение датчика тока двигателя поступает на усилитель DA1.3 и DA1.4 (коэффициент усиления равен 13).
Таким образом, напряжению датчика тока, равному 0.375В, соответствует напряжение 10В на выводе 14 микросхемы DA1.4. это напряжение поступает в качестве отрицательной обратной связи на регулятор тока и на контрольную точку Х2 (IЯ).
С вывода 14 микросхемы DA1.4 напряжение поступает на схему возведения в квадрат. Инвертор DA1.2 и диоды VD4, VD5 превращают напряжение, пропорциональное току двигателя, в однополярное, отрицательное. Это напряжение возводится в квадрат следующим образом. Пока напряжения на катодах стабилитронов VD6, VD7 меньше напряжения стабилизации VD6(3.3В), коэффициент усиления каскада на DA1.1 равен 0.1. При напряжении равном или большем напряжения стабилизации стабилитрона VD6, по коэффициенту усиления каскада начинает расти и становится равным единице. При дальнейшем увеличении входного напряжения до 6.2В и выше пробивается стабилитрон VD7 и коэффициент усиления каскада растет до 2.
Таким образом, выходное напряжение квадратно приближено пропорционально к току якорей. Это напряжение через RC цепочку с постоянной времени t=R33·C14=10с поступает на DA3.4 на вывод 12. На вывод 13 этой микросхемы поступает опорное напряжение с R20.
Если напряжение на выводе 12 меньше опорного напряжения, то диоды VD10, VD11 закрыты соответствующим напряжением с выводов 8 и 14
микросхемы DA3. Как только напряжение на выводе 12 станет близким к опорному напряжению, диоды VD10 и VD11 шунтируют вход микросхемы DA4 для приращения напряжения на ее входе, т.е. ограничивают выходное напряжение регулятора частоты вращения и тем самым ограничивают ток двигателя. Одновременно открывается транзистор VT3, который выдает на выход преобразователя сигнал о наступлении режима ограничения тока.
Максимальный (импульсный) ток регулируется потенциометром R46./4/
3.5 Контроль работы тахогенератора.
Контроль работы тахогенератора осуществляется методом несущей частоты. Напряжение с генератора треугольного напряжения DA5.4 с вывода 14 поступает на удвоитель частоты DA3.1,который работает в режиме двухполупериодного детектора (VD15,VD16). Далее микросхема DA3.2 формирует прямоугольные импульсы, которые через R44 и C1 поступают в цепь тахогенератора. Если тахогенератор подключен к преобразователю и его цепь не нарушена, то эти прямоугольные импульсы, пройдя через якорь тахогенератора, поступают на детектор VD2. Положительное напряжение открывает транзистор VT1 и соответственно закрывает транзистор VT2. Если внутренний источник питания преобразователя исправен, то через резистор R92 на вход инвертора DD1.4 при закрытом транзисторе VT2 поступает логическая единица. Логический ноль с выхода инвертора DD1.4 поступает на микросхему DD6 и через резистор R94 на вывод 3 микросхемы DD2.1.Система разрешения работы и защиты включает в себя триггер DD2.1,DD2.2.Если преобразователь исправен и подключён правильно, то на выводах 2,3,4,5 микросхемы DD2.1 логический ноль. Появление единицы на oдном из этих выводов означает неисправность одной из цепей. Если цепь тахогенератора разомкнута, или неисправен внутренний источник питания преобразователя, то на выводе 9 инвертора DD1.4 логический ноль, а на выводе 3 DD2.1 и на выводе 13 DD2.2-логическая единица. При нормальной работе преобразователя на всех входах микросхемы DD6 должен быть логический ноль, а на выходе логическая единица. В этом случае транзисторы VT4, VT9 закрываются, обеспечивая нормальную работу интеграторов, а микросхема DD4 работает в режиме формирования импульсов. При появлении одной из неисправностей или снятии разрешения работы на выходе DD6 устанавливается логический ноль и работа преобразователя прекращается.
3.6 Защита от короткого замыкания и превышения допустимого уровня
питающего напряжения.
Если ток силовых ключей преобразователя превышает 4-х, 5-и кратное значение номинального тока, то на базы транзисторов VT8, VT10 относительно их эмиттеров поступает напряжение 0.85В. Транзисторы открываются и на вывод 5 микросхемы DD2.1 подается логическая единица. Логическая единица также возникает, если напряжение питания преобразователя превышает порог, заданный стабилитронами VD17 – VD20.
3.7 Защита при неисправностей внутренних источников питания
«+15В» и «-15В».
Если напряжение источника «+15В» опустится ниже 10В, то на выходе инвертора DD1.3 появится логическая единица. Если напряжение «-15В» изменится до –10В, то на выходе DD1.2 появится логическая единица. Эти логические единицы поступают на вывод 3 микросхемы DD6, запрещая работу преобразователя.
3.8 Предварительное усиление управляющих сигналов ШИПа
Для получения минимального времени включения и выключения силовых ключей транзисторы ключей используются только в квазинасыщении, т.е. остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии регулируется на 2В, обеспечивается четырьмя предварительными усилителями, отдельно каждого силового ключа. Питание предусилителей осуществляется от внутреннего источника питания, который обеспечивает четыре гальванически развязанных напряжения »10В.
Предусилитель состоит из четырех независимых ключевых каскадов, которые, кроме входных усилителей аналогичны друг другу. Рассмотрим каскад, собранный на транзисторах VT1,VT3,VT5,VT6. Он состоит из двухтактного эмиттерного повторителя (VT5,VT6), двухкаскадного усилителя (VT1,VT3), выпрямителя VD5, C7 и выпрямителя VD9,L1,L2,C8.
Питание каскада осуществляется импульсным напряжением, поступающим с вторичной обмотки трансформатора, находящегося на плате источника питания преобразователя. Эта обмотка подключена к клеммам 26 и 27 разъема Х1. Положительная полуволна этого напряжения детектируется амплитудным детектором VD5. На конденсаторе С7 выделяется напряжение 6В.
Диод VD9 шунтирует положительную полуволну питающего напряжения. Отрицательная полуволна шунтируется дросселями L1,L2 и конденсатором C8. На конденсаторе C8 выделяется напряжение 6В.
На контакт 25 относительно 0В (контакты 22В, 11В) с эмиттеров силовых транзисторов ШИПа поступают положительные импульсы частот 8.5 кГц и амплитудой от 45 до 300В. Эти импульсы через контакт 26, обмотку питающего трансформатора, контакт 27, диод VD5 подаются для питания транзисторов VT1,VT3.
На контакт 23А поступают импульсы положительной полярности частот 8.5 кГц и амплитудой 10В.
Соотношение резисторов R1,R3,R7 выбрано таким образом, чтобы обеспечить работу транзистора VT1 в режиме генератора тока. В открытом состоянии его ток равен от 1 до 2мА.
Транзистор VT3 работает в ключевом режиме. Диоды VD1,VD3 обеспечивают ненасыщенный режим работы транзистора VT3.
При нулевом напряжении на контакте 23А транзисторы VT1 и VT3 закрыты и напряжением на базах транзисторов VT5,VT6 относительно их эмиттеров отрицательно. Транзистор VT5 закрыт. Транзистор VT6 находится в активном режиме, и его нагрузкой является диод в проводящем состоянии и резистор 100 Ом, который подключен к контактам 24, 25 разъёма Х1.
При поступлении на контакт 23А положительного импульса транзистор VT1 переходит в активный режим и своим током открывает транзистор VT3. Напряжение на базе транзистора VT5,VT6 относительно их эмиттеров становится положительным. Транзистор VT6 закрыт, транзистор VT5 находится в активном режиме. Его нагрузкой является последовательно соединенные переходы база – эмиттер силовых транзисторов ШИПа.
Конденсаторы C1,C3 повышают помехоустойчивость каскада. Диод VD6 служит для вывода из насыщения силовых транзисторов ШИПа.
Заключение
В результате выполнения курсовой работы был разработан электропривод механизма подъема с заданными параметрами скорости подъема, а также его система управления. Были исследованы основные характеристики двигателей постоянного тока, что позволило выбрать оптимальный двигатель. Выбранный двигатель был проверен на обеспечение заданных скоростных параметров системы. Был произведен расчет основных параметров и выбор основных элементов широтно-импульсного преобразователя. Элементы ШИП выбраны из современной элементной базы (силовые IGBT-транзисторы), обеспечивающей лучшие технические показатели. Был обеспечен расчетный тепловой баланс схемы ШИП.
Произведен статический и динамический расчет системы. Построены статические характеристики ДПТ, логарифмические частотные и фазовые характеристики системы. Определены запасы устойчивости по частоте и фазе. Для коррекции поведения системы был применен ПИД-регулятор. Построен переходной процесс замкнутой системы. По нему убедились, что система отрабатывает воздействие управления за заданный промежуток времени.
Были выбраны элементы источника питания: трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр. Были рассчитаны их основные параметры.
Для управления широтно-импульсным преобразователем разработана схема управления. Были выбраны датчики тока (шунт), скорости (тахогенератор). Определены основные параметры схемы управления ШИП.
Список использованных источников
1 В.М. Рапутов. Электрооборудования кранов металлургических предприятий. 1986г.
2 Карнаухов Н.Ф. Электромеханические модули мехатронных систем. Основы расчета и проектирования: Учебное пособие. – Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2001г.
2 Карнаухов Н.Ф. Электромеханические системы. Основы расчета: Учебное пособие: Издательский центр ДГТУ. Ростов-на-Дону 1998г.
4 Карнаухов Н.Ф. Стабилизированный вторичный источник питания систем управления роботов: Метод. указания – Ростов-на-Дону : РИСХМ 1991г.
5 Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / Герман-Галкин С.Г., Лебедев В.Д., Марков Б.А. – Л.: Энергоатомиздат, 1986г.
6 Солодовников В.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования : Учеб. Пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1985г.
Страницы: 1, 2, 3
