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

27 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

4982. Источниковедение новой и новейшей истории. Курс лекций 218.51 KB
  Источниковедческое исследование является основой любого серьезного исторического исследования С середины XX в наблюдалось возрастание интереса к теоретическому источниковедению, стало больше уделяться внимания проблемам оптимизации научного исследов...
4983. Экономика нефтяной и газовой промышленности. Конспект лекций 706.5 KB
  В данном учебном пособии излагаются методические подходы к выделению отраслевого товарного рынка, его границ, а также методы определения концентрации и рыночной власти продавцов-производителей нефтегазовой промышленности на товарном рынке. ...
4984. Прогнозирование производства продукции скотоводства в племенном репродукторе ОНО Архангельская опытно-мелиоративная станция 488.5 KB
  Товарное хозяйство на 200 голов крупного рогатого скота черно-пестрой породы. Валовой надой на корову – 4500 кг с жирностью 3.8 %. Средняя живая масса коров – 500 кг. Выход телят на 100 коров составляет 80 %. Применяется стойлово-пастбищна...
4985. Логіка. Навчальний посібник 580 KB
  Навчальна дисципліна Логіка навчає основам формальної логіки, яка досліджує основні форми мислення: поняття, судження, умовивід. Вона має на меті навчити студентів правильно мислити, запобігати помилковим судженням і умовиводам забезпечувати...
4986. Атомная физика. Физика твердого тела. Квантовая физика 689 KB
  Атомная физика. Физика твердого тела. Квантовая физика. В этом разделе мы рассмотрим явления, связанные с взаимодействием света с веществом: тепловое излучение, фотоэффект и эффект Комптона. Закономерности этих явлений хорошо объясняются только на о...
4987. Расчет и конструирование узла шарнирного механизма 102 KB
  Расчет и конструирование узла шарнирного механизма. Исходные данные: Выбор материала детали. В качестве материала пальца выбираем сталь 45. Материал проушин назначаем сталь 15. Материал стали...
4988. Экология Предмет и задачи экологии. 317 KB
  Экология Предмет и задачи экологии. Существование человека неразрывно связано с определенными условиями среды (температура, влажность, состав воздуха, качество воды, состав пищи и другие). Эти требования вырабатывались в течение многих тысячелетий с...
4989. Разработка привода - редуктор цилиндрического. 349.99 KB
  Введение Согласно заданию требуется разработать привод ленточного транспортера, состоящий из электродвигателя, клиноременной передачи и двухступенчатого цилиндрического зубчатого редуктора. Требуется выбрать электродвигатель, рассчитать зубчатые пер...
4990. Основы надежности и технические измерения 451 KB
  Цели и задачи теории надежности. Современное развитие техники характеризуется разработкой и эксплуатацией изделий, представляющих собой сложные технические системы и комплексы. Важным свойством таких систем является надёжность. Надежность ...