3278

Устройство для управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчетно-пояснительная записка предназначена для изучения принципа работы электронного устройства и правильной его эксплуатации, содержит описание принципа действия всего устройства в целом и его составных частей и их расчет (в системе Си).

Русский

2012-10-28

95 KB

28 чел.

Расчетно-пояснительная записка предназначена для изучения принципа работы электронного устройства и правильной его эксплуатации, содержит описание принципа действия всего устройства в целом и его составных частей и их расчет (в системе Си).

Назначение устройства

Данное устройство предназначено для управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением в контуре следящего привода. Схема устройства представлена на рис. 1.

Технические  характеристики

Алгоритм  управления ДПТ:

Uдв=Uвых=15Uвх1 + 30Uвх2 + 60Uвх3

Входное сопротивление по каждому входу не менее 100 кОм

КПД  98 %

Величина пускового тока 120 А

Величина номинального тока 60 А

Напряжение источника питания Uпит=27 В

Диапазон рабочих температур -40..+40 С

Электронное устройство (ЭУ) имеет защиту от сквозных токов,     токов короткого замыкания

Нелинейность регулировочной характеристики не более 5%

Частота модулятора длительности импульсов (МДИ) f =2000 Гц


Принцип действия всего устройства в целом.

Входные сигналы Uвх1, Uвх2, Uвх3, складываются согласно закона управления Uвых = 15Uвх1 + 30Uвх2 + 60Uвх3 и усиливаются до уровня, достаточного для управления ДПТ с независимым возбуждением. Для повышения КПД в устройстве применяется импульсный режим работы выходных транзисторов силовой части, который обеспечивается модулятором длительности импульсов. Для упрощения схемы и исключения сквозных токов используется реверс по обмотке возбуждения, что достигается включением схемы выделения модуля и схемы выделения знака. Для повышения быстродействия силовой каскад, реализующий реверс по ОВ, выполнен в виде генератора токов. Для упрощения схемы используется оптронная развязка.

Принципиальная схема устройства представлена на рис. 1.

Можно выделить:

  1.  Информационную часть (DA1-DA4), обеспечивающую сложение входных сигналов с заданными весовыми коэффициентами.
  2.  Схема выделения модуля (DA5, DA6), обеспечивающая определения величины управляющего сигнала.
  3.  Промежуточный каскад (DA7-DA10), образованный модулятором длительности импульсов с внешней синхронизацией генератором пилообразных колебаний.
  4.  Схема выделения знака (DA11-DA13), обеспечивает определение знака управляющего сигнала, для задания направления вращения двигателя.
  5.  Силовую часть (ОП1-ОП4, VТ3-VТ9, КТ1-КТ3, DА14, D5-D10), непосредственно осуществляющую управление двигателем постоянного тока по обеим обмоткам.


Характеристика устройств используемых в проектируемой схеме.

Во всех усилительно- преобразующих устройствах схемы используется глубокая отрицательная обратная связь, которая компенсирует разброс их технологических параметров.

Операционный усилитель - усилитель с непосредственными гальваническими связями, с высоким коэффициентом усиления, с малым уровнем собственных шумов, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Предназначены для усиления сигнала по напряжению до требуемой величины.

Повторитель - операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице. Обычно предназначены для согласования входных сопротивлений датчиков сигнала с входом электронного устройства и обеспечения высокой стабильности работы электронного устройства.

Сумматор - устройство, предназначенное для суммирования и усиления электрических сигналов, поступающих с нескольких датчиков

Интегратор - устройство, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала. Включение емкости в цепь обратной связи обуславливает потенциальное заземление инвертирующего входа и, следовательно, разделяет преобразование напряжения в ток от последующего интегрирования.

Компаратор - устройство, производящее сравнение двух сигналов: входного и эталонного с одновременным выделением большего из них. Если в качестве эталонного сигнала используется сигнал нулевого уровня, то такой компаратор называется нуль-органом.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) - устройство информационной части системы, обеспечивает преобразование аналогового сигнала управления в последовательность прямоугольных импульсов с регулируемым во времени соотношением длительностей устойчивых состояний. ШИМ реализуется за счет сравнения на выходе порогового элемента сигнала управления с периодическим сигналом треугольной формы (пилы).


1. Расчет информационной части.

  1.  Расчет повторителей и сумматора.

Повторитель - операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице. Предназначен для обеспечения требуемого входного сопротивления.

Сумматор - устройство на основе ОУ, служащее для масштабирования сигналов с заданными весовыми коэффициентами.

Примем входные сопротивления повторителей R1 = R2 = R3 = 100кОм. Т.к. повторитель имеет коэффициент усиления равный единице, то сопротивления ОС повторителей также равны Rос =R4 =R5 =R6 =100 кОм.

Минимальное сопротивление нагрузки повторителей 100 кОм R7- R9)5,1 кОм.

Чтобы колебания сопротивлений усилителя были незначительными, выберем сопротивление нагрузки исходя из уравнений

Uвых = 15Uвх1+ 30Uвх1+ 60Uвх3 = K(K1Uвх1+ K2Uвх2+ K3Uвх3)

Коэффициенты усиления входных сигналов

K=15,  K1 = 1,  K2 = 2,  K3 = 4

Тогда

R7=10 кОм. R8=20 кОм, R9=40 кОм.

R  = R9 + R8 + R7 = 70 кОм

Исходя из условия равенства проводимостей ,

откуда R10 = 41,2кОм. Ближайшее – R10=43 кОм

Сигнал рассогласования U, используемый в дальнейшем для расчета схемы выделения модуля и ШИМа. По исходным данным находим

U max = Uп   / K = 27 0,98 / 15 = 1,764В

R11=40 кОм


2.Расчет схем выделения знака и модуля.

2.1 Схема выделения знака.

Исходя из требований к линейности определим абсолютную величину отклонения U max *5%=0,088В

Схема выделения знака реализуется за счет компараторов (DA12, DA13).

R38=R44=10 кОм

RОС=R39=R45=300кОм

R13=7,5кОм

Смещение компаратора и погрешность сравнения должны быть 5%

                                                            UВЫХ

= 0,008                                                                              треб=0,08/2=0,04В

                                                                                            UСМ=0,008+0,04=0,048В

                                                                               UВХ     UВЫХ МАХ=UПИТ/2=13,5В

Погрешность реальная

реал= UВЫХ МАХ*R38/(R39+R38)=0.44В

Необходим дополнительный усилитель с К=реал/треб=11

R36=R13*K=82.5 кОм.

R36=85 кОм.

Отсюда Креал=85/7,5=11,3

Uсм=0,008*11,3=0,09В     для DA12

Uсм=13,5*R43/(R43+R42);           150*R43=R43+R42

R42 больше R43 раз в десять эдак

Отсюда R42=149*R43

Пусть R43 =1кОм, R42=149кОм (Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов)

Из условия равенства проводимостей считаем R41.

0.991кОм

Аналогично рассчитываем DA13.

Uсм=13,5*R47/(R47+R48);     150*R47=R47+R48

R48 больше R47 раз в десять эдак

Отсюда R48=149*R47

Пусть R47 =1кОм, R48=149кОм (Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов)

Из условия равенства проводимостей считаем R46.

0.991кОм

2.2. Схема выделения модуля.

Ку=1.

Принцип работы ???

R14=R16=R18=R20=24кОм

R17=12кОм.

Из условия равенства проводимостей, находим R15 и R19.


3. Расчет промежуточного каскада.

3.1 Расчет МДИ.

3.1.1. Расчет сумматора DA9 и компаратора DA10.

Сигнал рассогласования U, проходя через схему выделения модуля, получает вид: |U|. Сигнал пилообразной формы и сигнал со СВМ складываются на сумматоре DA9.

Компаратор - устройство с положительной ОС на основе ОУ предназначенное для сравнения входного сигнала с эталонным и, одновременно, выделяющее больший из них. ОС вводится для стабилизации порога срабатывания.

Примем R30 =5,1 кОм, Rос = R31 =300 кОм,

;  .

Амплитуда пилы должна лежать в пределе 10% UВЫХ MAX (1,35В) Пусть Uпилы =1,14В – для обеспечения минимального количества каскадов.

Требуемая погрешность сравнения компаратора определяется как 5% от Uпилы.

,   

.

- дополнительный коэффициент усиления МДИ.

R21=10кОм. Необходимое дополнительное усиление реализуется за счет соотношения сопротивлений R22=1,3R21=13 кОм, R28=4 R22=52кОм

Из равенства проводимостей находим R29

Далее определяем:

Uсмдоп (Uпилы + UMAX 5%)=1.228  4=4.912В

1.8 R35 = R34

Rэкв= R34/2.8; R33+Rэкв=5.1кОм

R33=1кОм.

Rэкв=4,1кОм => R34=11.48 кОм Берем R34=12кОм.


3.1.2. Расчет ГПК

Генератор пилообразных колебаний служит для формирования пилообразных колебаний с заданной частотой и амплитудой.

ГПК состоит из нуль-органа DA6 и интегратора DA7.

Нуль-орган - это компаратор, использующий в качестве эталонного сигнала сигнал нулевого уровня.

Интегратор - устройство сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Исходными данными для расчета ГПК являются Uпилы = 1,14В и частота следования импульсов  f = 2000 Гц.

Принимаем R26’= 20 кОм

Частота на выходе ГПК :

74,0110-9 74 нФ

270=1,14 R25 + 22.8

R25=247.2/1.14=216.8 кОм 220 кОм

R27’ из условия проводимостей:

R23=R24, отсюда R22=R23/2 => R23=R22 2=26кОм27кОм.


3.2 Расчет  усилителя мощности промежуточного каскада.

Исходные данные для расчета.

Входной ток оптронов ОП1-ОП4 Iоп=60мА. Напряжение питания Uп=27В.

Исходя из этого, выбираем транзисторы управления оптронами VT1 - КТ3102Б и VT2 - КТ361Д.

Так как далее усилители мощности для пар ОП1, ОП2 и ОП3, ОП4 одинаковы - произведем расчет для одной из них - ОП1, ОП2

U

Рассчитываем сопротивление R51:

т.к. = , то

Iб = 30/     =        <1мА

Uст = 13,5В, Iст = 1мА.

Подбираем стабилитрон по минимальному току -

Рассчитываем сопротивление R32


4. Расчет силовой части.

4.1 Выбор транзисторов.

Транзисторы выбираются исходя из значения максимального напряжения и тока поступающих на них. Транзистор должен выдерживать напряжение равное 2Uпит = 54В

Сигнал, поступающий с компаратора преобразуется в последовательность импульсов изменяемой длительности. Для управления двигателем по обмотке якоря используются транзисторы марки КТ 819 В.

Так как в силовом каскаде нужно придерживаться строгого значения КПД транзисторы запараллеливаются.

3.1.1 Расчет составного транзистора.

Uп  = 27 В;     = 0,99;   Im  = 30 А;   In  = 10 А

  1.  Отбор транзисторов по максимальному напряжению.

Uкп   272 = 54 В

Выбираем транзистор КТ819В.

3.1.2 Определение количества транзисторов ( по максимальному току)

где

n - количество транзисторов в силовом ключе

Im - максимальный ток

Ini - коллекторный ток одного транзистора из группы

3.1.3 Напряжение коллектор-эмитер в режиме насыщения = 0,18 В (Iк=3,33А).

3.1.4 Потребное значение напряжения насыщения :

Uкэн   (1-) Uп = 270,01 = 0,27 В > имеющегося 0,18В. Имеем КПД = 99,993%.

Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ819В :

Iк = 3,33А, DI = 9,85, DU = 0,89, R = DU/DI =0,9Ом

для Iк=3,33 =           Iбэ =   . Общий базовый ток Iбэ = 3Iбэ=

Исходя из общего тока базы выберем в качестве питающего транзистора, транзистор КТ817В. Этот транзистор имеет ток коллектора Iк =       достаточный для запитки базы силовых транзисторов КТ819В и рабочее напряжение до 60В.

Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ817В :

4.2 Оптопары, диоды.

Оптопары. Исходя из величины тока базы (Iбазы) выбираем оптопару АОТ 110А.

Диоды. Выбираем 2 диода серии КД519А.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19091. Работа со cписками и Базы данных в Excel 336.71 KB
  Excel располагает набором функций, предназначенных для анализа списка. Одной из наиболее часто решаемых с помощью электронных таблиц является обработка списков. Вследствие этого Microsoft Excel имеет богатый набор средств, которые позволяют значительно у простить обработку таких данных. Ниже приведено несколько советов по работе со списками.
19092. Квантование сигналов по уровню 326.5 KB
  Лекция № 5. Квантование сигналов по уровню. Постановка задачи. Процесс преобразования сигнала с непрерывным множеством значений в сигнал с дискретными значениями называют квантованием по уровню. По существу операция квантования заключается в округлении значения...
19093. Ортогональные преобразования сигналов в базисе функций Уолша 222.5 KB
  Лекция № 6. Ортогональные преобразования сигналов в базисе функций Уолша. При обработке дискретных сигналов большое значение представляет ортонормированная система базисных функций Уолша. Непрерывные функции Уолша относятся к классу кусочнопостоянных знакопере
19094. Принципы линейной обработки дискретных сигналов. 258.5 KB
  Лекция № 7. Принципы линейной обработки дискретных сигналов. Линейная обработка дискретных сигналов цифровая обработка цифровая фильтрация произвольная линейная операция над входными дискретными данными. Дискретный фильтр цифровой фильтр дискретная сис
19095. Характеристики дискретных (цифровых) фильтров 176 KB
  Лекция № 8. Характеристики дискретных цифровых фильтров. Основными характеристиками стационарных линейных дискретных фильтров являются следующие: импульсная характеристика ; комплексная частотная характеристика ; амплитудночастотная и фазочастот...
19096. Z-преобразование 233 KB
  Лекция № 9. Zпреобразование. Удобным способом анализа дискретных последовательностей является Zпреобразование. При Zпреобразовании разностные уравнения описывающие работу дискретной системы преобразуются в алгебраические уравнения с которыми проще производит
19097. Связь системной функции с частотная характеристикой. Обратное Z-преобразование 214.5 KB
  Лекция № 10. Связь системной функции с частотная характеристикой. Обратное Zпреобразование. Структурную схему дискретной системы можно составить либо по разностному уравнению либо с помощью системной передаточной функции. Применяя Zпреобразование к обеим частям ...
19098. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье 198 KB
  Лекция № 11. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Дискретное преобразование Фурье. Дискретное преобразование Фурье ДПФ относится к классу основных преобразований при цифровой обработке сигналов. Дискретное преобразование Фурье по возможности вычисляе
19099. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Быстрое преобразование Фурье 316.5 KB
  Лекция № 12. Цифровая обработка сигналов в частотной области. Быстрое преобразование Фурье. Нахождение спектральных составляющих дискретного комплексного сигнала непосредственно по формуле ДПФ требует комплексных умножений и комплексных сложений. Так как колич...