Разработка системы управления двигателя постоянного тока

1. Определение параметров и структуры объекта управления

2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления

3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества

4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её элементов Список литературы

На современном этапе, характеризующемся приоритетным развитием машиностроения и автоматизации производства, автоматизированный электропривод сформировался как самостоятельное научное направление, в значительной степени определяющее прогресс в области техники и технологии, связанных с механическим движением, получаемым путем преобразования электрической энергии. Этим объясняется большой интерес специалистов к новым разработкам в данной отрасли техники и к ее научным проблемам.

Четко определился объект научного направления — система, отвечающая за управляемое электромеханическое преобразование энергии и включающая два взаимодействующих канала — силовой, состоящий из участка электрической сети, электрического, электромеханического, механического преобразователей, технологического рабочего органа, и информационный канал. В рамках данного курсового проекта рассматривается разработка информационного канала.

1. Определение параметров и структуры объекта управления

В состав объекта управления входит двигатель постоянного тока независимого возбуждения с параметрами по табл. 10.11 [1, стр. 277]:

Данный ЭД предназначен для работы в широкорегулируемых электроприводах, соответствует, имеет защищенное исполнение, с независимой вентиляцией (асинхронный двигатель).

Номинальная угловая скорость вращения:

Максимальная угловая скорость вращения:

Номинальный ток якоря:

Суммарное сопротивление якорной цепи:

Произведение постоянной машины на номинальный поток:

Постоянная времени якорной цепи:

Номинальный момент:

)

Номинальный ток обмотки возбуждения:

Исходя из высоты оси вращения по табл. 1 [2, стр. 5]:

По рис. 4 [2, стр. 10]:

)

По рис. 2б [2, стр. 8]:

По табл. 2 [2, стр. 9] для класса изоляции :

По табл. 3 [2, стр. 10] для :

Окончательно получим:

)

По рис. 3 [2, стр. 9]:

Полюсное деление равно:

Число витков обмотки возбуждения [2, стр. 27]:

Номинальный магнитный поток:

Постоянная машины:

Коэффициент рассеяния [3, стр. 38]:

Индуктивность обмотки возбуждения:

Постоянная времени обмотки возбуждения:

Постоянная времени обмотки возбуждения:

)

Суммарный момент инерции механизма:

Так же объёкт управления содержит возбуждения и напряжения якоря, частота коммутации которых:

Постоянная времени преобразователей равна:

Так как и представим преобразователи в виде пропорциональных звеньев, откуда с учетом диапазона стандартных управляющих сигналов () имеем и максимальной скважности () получим:

2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления

Объект управления описывается следующими уравнениями [3, стр.38−39]:

Выберем двухконтурную систему управления скорости с внутренним контуром потока (рис. 1).

Рис. 1. Двухконтурная система регулирования скорости.

Внутренний контур потока представлен на рис. 2.

Рис. 2. Контур регулирования потока.

Универсальная кривая намагничивания представлена на рис. 3.

Рис. 3. Универсальная кривая намагничивания.

Так как регулирование происходит изменением потока, минимальный поток будет при максимальной скорости:

Минимальный ток возбуждения (по рис. 3):

При этом коэффициент линеаризации кривой намагничивания лежит в диапазоне:

Максимальная постоянная времени потока:

Коэффициент форсирования тока возбуждения [4, стр. 559]:

Малая постоянная времени:

Желаемая передаточная функция замкнутого контура потока:

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура потока:

Передаточная функция разомкнутого контура потока:

Коэффициент обратной связи по потоку:

Передаточная функция регулятора потока:

где

Коэффициент подлежит определению непрерывно, для чего контур потока будет модифицирован (рис. 4.).

Рис. 4. Модифицированный контур регулирования потока.

Коэффициент обратной связи по скорости:

Коэффициент обратной связи ЭДС:

Коэффициент обратной связи по току возбуждения:

Коэффициент нормализации

С учётом этого:

Внешний контур скорости представлен на рис. 5.

Рис. 5. Контур регулирования скорости.

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости:

Передаточная функция разомкнутого контура скорости:

Передаточная функция регулятора скорости:

где

Так как нагрузка с постоянной мощностью изменяет знак и коэффициент подлежит определению непрерывно контур скорости также будет модифицирован (рис. 6.).

Рис. 6. Модифицированный контур регулирования скорости.

Коэффициент обратной связи по току якоря:

Отсюда следует:

Передаточная функция контура компенсирующего влияние нагрузки:

Коэффициент задания мощности нагрузки:

Откуда (с учётом принятых выше коэффициентов) имеем:

где

Структура системы управления стабилизатором напряжения в цепи якоря приведена на рис. 7.

Рис. 7. Контур управления напряжением якоря.

Здесь:

Структурная схема всей системы управления и объекта приведена на рис. 8.

3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества

Модель объекта и системы управления в комплексе представлена на рис. 9.

Моделирование будем проводить по нижеследующему алгоритму

a. Пуск на номинальную скорость ;

максимальный скачёк задания —, (рис. 10 — рис. 14)

b. Проверка отработки задания — (рис. 15 — рис. 19)

Рис. 10. Зависимость от времени.

Рис. 11. Зависимость и от времени.

Рис. 12. Зависимость и от времени.

Рис. 13. Зависимость и от времени.

Рис. 14. Зависимость от времени.

Рис. 15. Зависимость от времени.

Рис. 16. Зависимость и от времени.

Рис. 17. Зависимость от времени.

Рис. 18. Зависимость и от времени.

Рис. 19. Зависимость от времени.

Для технического оптимума:

— перерегулирование составляет:

— время нарастания:

По результатам моделирования:

— перерегулирование составляет:

— время нарастания:

Статическая ошибка отсутствует.

Отсюда можно сделать вывод:

динамика и статика спроектированной системы полностью удовлетворяет требованиям технического задания.

4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её элементов.

Обратная связь по скорости.

Рис. 20. Обратная связь по скорости.

Схема обратной связи по скорости представлена на рис. 20, здесь:

— фильтр коллекторных пульсаций тахогенератора с :

— ,

— ;)

— цепь защиты от обрыва обратной связи:

— с параметрами :

— максимальный прямой ток,

— прямое напряжение,

— максимальное обратное напряжение,

— ёмкость диода,

— максимальная рабочая частота;

— тахогенератор встроенный в двигатель:

;

— коэффициент усиления схемы:

— ,

— ;

— усилительный элемент:

— с параметрами:

— напряжение питания,

— максимальное выходное напряжение,

— входной ток,

— коэффициент нарастания напряжения,

— коэффициент усиления по напряжению,

— максимальная рабочая частота;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

— ,

Рис. 21. Обратная связь по току якоря.

Обратная связь по току якоря.

Схема обратной связи по току якоря представлена на рис. 21, здесь:

— фильтр пульсаций с :

— ,

— ;)

— датчик тока:

— с параметрами :

— номинальный входной ток,

— напряжение питания,

— сопротивление нагрузки,

— коэффициент датчика тока;

— коэффициент усиления схемы:

— ,

-,

— усилительный элемент:

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

— .Обратная связь по току возбуждения.

Рис. 22. Обратная связь по току возбуждения.

Схема обратной связи по току возбуждения представлена на рис. 22, здесь:

— фильтр пульсаций с :

— ,

— ;

— датчик тока:

— с параметрами :

— номинальный входной ток,

— напряжение питания,

— сопротивление нагрузки,

— коэффициент датчика тока;

— коэффициент усиления схемы:

— ,

-,

— усилительный элемент:

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

— .

Обратная связь по ЭДС.

Схема обратной связи по ЭДС представлена на рис. 23, здесь:

— фильтр пульсаций с :

— ,

— ;

— датчик напряжения:

Рис. 23. Обратная связь по ЭДС.

— с параметрами :

— номинальный входной ток,

— напряжение питания,

— сопротивление нагрузки,

— коэффициент датчика напряжения;

— коэффициент усиления схемы:

)

— ,

-,

-,

— усилительный элемент:

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

Обратная связь по потоку.

Рис. 24. Обратная связь по потоку.

Схема обратной связи по потоку представлена на рис. 24, здесь:

— коэффициент усиления схемы:

)

— ,

— ,

-,

-;

— защита от отрицательного напряжения:

— ;

— ограничение :

— с параметрами:

— напряжение стабилизации,

— ток стабилизации;

— с параметрами:

— напряжение стабилизации,

— ток стабилизации;

-;

— ;

— перемножитель напряжения:

— с параметрами :

— напряжение питания,

— максимальное выходное напряжение,

— входной ток,

— коэффициент нарастания напряжения,

— коэффициент умножения,

— максимальная рабочая частота;

— усилительный элемент:

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания:

— .

Модульная функция.

Рис. 24. Модульная функция.

Схема модульной функции представлена на рис. 24, здесь:

— сопротивления:

— ;

— усилительный элемент:

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

— .

Регулятор скорости.

Рис. 25. Регулятор скорости.

Схема регулятора скорости представлена на рис. 25, здесь:

— компенсация нагрузки:

— ,

)

-,

-,

;

;

;

;

-;

— усилительный элемент:

— ;

— перемножитель напряжения:

— с параметрами :

— ограничение сигналов:

— ,

— ,

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

Регулятор потока.

— .

Рис. 26. Регулятор потока.

Схема регулятора потока представлена на рис. 26, здесь:

— компенсация нагрузки:

— ,

— ,

-,

;

-;

— усилительный элемент:

— ;

— перемножитель напряжения:

— ;

— ограничение сигналов:

— ;

— фильтр пульсаций напряжения питания усилителя:

— .

Управление стабилизатором напряжения якоря.

Рис. 27. Управление стабилизатором напряжения якоря.

Схема управление стабилизатором напряжения якоря представлена на рис. 27, здесь:

— ,

-,

— ,

— ,

Реле защиты.

Рис. 28. Реле защиты.

.

Схема реле защиты представлена на рис. 28, здесь:

-,

— ,

— ,

— ,

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. Ред. И. П. Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1. — М.: Энегроатомиздат, 1988, — 456 с.

2. Заборщикова А. В., Мельников В. И. «Двигатели постоянного тока для автоматизированного электропривода»: Учебное пособие. — СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщ., 1994. — 84 с.

3. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. «Управление электроприводами»: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. — 392 с., ил.

4. Ключев В. И. «Теория электропривода»: Учеб. Для вузов. — 2-е изд. Перераб. И доп. — М.: Энегроатомиздат, 2001. — 704 с.: ил

5. Герман-Галкин С.Г. И др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986.-246 с.

4. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база: В 2 кн. / Масленников М. Ю., Соболева Е. А и др. — М.: Б.И., 1996.-157−300с.

5. Операционные усилители и компараторы. — М.: Издательский дом «ДОДЭКА ХХI», 2002.-560 с.

. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт, 1999.-464 с.

6. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990.-288с.