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

34710. Отраслевой и рыночный спрос на ресурсы 19.4 KB
  Отраслевой спрос на ресурс – это сумма объемов спроса на производственные ресурсы со стороны отдельных фирм отрасли при каждой возможной цене на них. Спрос на труд как и на любой ресурс зависит от спроса на товар или услугу в производстве которых используется труд. Сокращение спроса на пишущие машинки уменьшает спрос на труд рабочих занятых в производстве и ремонте пишущих машинок. Таким образом величина спроса на труд зависит: от уровня цен на продукцию производимую с его помощью чем выше цена на продукт тем больше величина спроса...
34711. Отраслевое и рыночное предложение ресурсов 24.43 KB
  Объем предложения труда зависит от: цены на труд т. Кривая индивидуального предложения труда имеет вид загибающейся кривой то есть при определенном уровне ставки зарплаты она меняет свой положительный наклон на отрицательный. Тогда кривая предложения труда имеет положительный наклон. Тогда кривая индивидуального предложения труда имеет отрицательный наклон.
34712. Капитал: понятие, формы, виды. Инвестирование капитала 17.11 KB
  Инвестирование капитала. Различают две основные формы капитала: физический реальный капитал – запас производственных ресурсов участвующих в производстве благ. Виды физического капитала: 1 здания и сооружения 2 станки машины оборудование 3 сырье материалы топливо энергия Для приобретения элементов физического капитала необходим денежный капитал – денежные средства для приобретения элементов физического капитала человеческий капитал – капитал в виде умственных способностей приобретенных в процессе образования или посредством...
34713. Роль денег в рыночной экономике. Виды денег и их свойства 17.6 KB
  В рыночной экономике деньги выполняют ряд функций. Вовторых деньги являются средством измерения стоимости товаров и услуг. В третьих деньги служат в качестве средства образования и накопления сбережений. Вчетвертых деньги являются средством платежа то есть при помощи денег можно уплатить налоги выплатить пенсии и пособия заплатить за товар или услугу сделать вклад в банк.
34714. Валовой внутренний продукт. Методы исчисления ВВП 17.16 KB
  Методы исчисления ВВП. Чтобы ответить на вопрос как идут дела в экономике страны ежегодно вычисляется показатель валового внутреннего продукта ВВП. Прежде чем сформулировать понятие ВВП определим что такое конечный продукт. Валовой внутренний продукт ВВП – это общая стоимость или сумма рыночных цен всех конечных товаров и услуг произведенных в данной стране в течение года.
34715. Валовой национальный продукт. Чистый национальный продукт и национальный доход 14.63 KB
  Однако существует еще один показатель – валовой национальный продукт ВНП. Выясним что представляет собой ВНП и чем он отличается от ВВП. Когда мы будем исчислять ВНП России то наоборот включим в общую сумму доходы созданные за пределами России. долларов созданы иностранным капиталом на территории нашей страны а значит включаются в ВВП России а в ВНП – нет.
34716. Государственный бюджет. Номинальный и реальный валовой внутренний продукт 17.59 KB
  Валовой внутренний продукт ВВП – это общая стоимость или сумма рыночных цен всех конечных товаров и услуг произведенных в данной стране в течение года. Показатель номинального ВВП зависит и от количества производимых в стране товаров и услуг и от уровня цен на них. Следовательно если ВВП произведенный в разные годы выражать в ценах того года в который он производился то в одном году его объем будет выражен в одних ценах в другом году – в других. Поэтому номинальный ВВП не может служить для оценки роста или сокращения реального...
34717. Теория Маслоу. Виды благ. Факторы производства. Безграничность потребностей и ограниченность ресурсов 32.36 KB
  Он выделял пять групп потребностей: физиологические потребности в пище воде одежде жилье отдыхе воспроизведении рода; потребности в безопасности защита от преступников и внешних врагов защита от нищеты и помощь при болезнях комфорт постоянство условий жизни; социальные потребности в любви дружбе общении с людьми; потребности в уважении со стороны других людей и самоуважении достижение успеха служебный рост; потребности в самореализации реализация своих целей способностей развитие собственной личности. По...
34718. История развития метрологии в России 23.6 KB
  Метрология в древнем мире и в средние векаПотребность в измерениях возникла в незапамятные времена.Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека.Древнее происхождение имеют и естественные меры. Первыми из них получившими повсеместное распространение стали меры времени.