Курсовая работа: Разработка системы управления двигателя постоянного тока

Содержание

Введение…………………………….…………………………………..................2

1. Определение параметров и структуры объекта управления.….…………….3

2. Разработка алгоритма управления и расчёт параметров устройств управления……………………………………………………………………...…7

3. Моделирование процессов управления, определение и оценка показателей качества…………………………………………………………………………..16

4. Разработка принципиальной электрической схемы и выбор её элементов.23

Список литературы.………………………………………….………………..…39

Введение

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.

Универсальная кривая намагничивания представлена на рис. 3.

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

Минимальный ток возбуждения (по рис. 3):

Рис. 3. Универсальная кривая намагничивания.

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.

Рис. 8. Структурная схема системы управления и объекта.

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:

Пуск на номинальную скорость -

максимальный скачёк задания -, (рис. 10 – рис. 14)

Проверка отработки задания

(рис. 15 – рис. 10)

Рис. 9. Модель объекта и систему управления.

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:

 - ,

Обратная связь по току якоря.

Рис. 21. 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.

Рис. 23. Обратная связь по ЭДС.

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

-фильтр пульсаций  с :

 - ,

 - ;

-датчик напряжения:

 -  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:

-,

 -,

 -,

 -

Список литературы

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.