Электронный блок управления двигателем постоянного тока

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

 

Факультет информационных технологий и управления

 

Кафедра автоматического управления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по курсу “ Схемотехника в системах управления”

на тему:

“ Электронный блок управления двигателем постоянного тока ”

 

Вариант 11

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:                                     Принял:  ____________________                                                                            

Студент-заочник 3  курса            ____________________

Группы № 082422              ____________________

ФИО: Зарецкая Ольга                                               

Олеговна                           о

Адрес: Гомельская обл.    о

г. Жлобин ул.

Первомайская д.96. кв.1   о

8 (029) 6105-82-27                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск, 2012

 

2. ВВЕДЕНИЕ

 

При управлении производственным процессом всегда возникают сообщения о ходе процесса, которые необходимо передавать автоматическому устройству. Эти сообщения порождаются различными событиями.

Сообщения о событии могут быть многообразными. Например, сообщение об изменении состава сырья, о передвижении объекта, об изменении его температуры. В некоторых случаях информация передаётся оператору, который реагирует на это событие соответствующим образом. Но этот способ регулирования использовать не рационально, так как необходимо учитывать человеческий фактор, а также дороговизну использования этого способа. Поэтому в последнее время используются средства автоматического управления, в частности, электронные.

Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причём тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешёвых, высококачественных, не требующих специальной настройки и наладки микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.

В данном курсовом проекте необходимо разработать систему автоматического слежения за изменением температуры. В проекте широко используются электронные приборы, в том числе и микросхемы различного функционального назначения.

 

 

3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

Одной из   важнейших   задач   техники   является автоматическое управление каким-либо    процессом     или объектом. Система автоматического управления  (САУ) должна обеспечивать  определенное функционирование объекта при  заданных воздействиях.  Однако  из-за наличия различных   возмущающих воздействий  фактическое  состояние объекта управления будет отличаться от  желаемого.  Поэтому  система автоматического управления   должна  учитывать  не  только  алгоритм функционирования объекта,  но и причины,  вызывающие  отклонение от заданного или  фактического  состояния.  В настоящее время в технике используются три основных метода построения систем управления.

1 Метод  разомкнутого контура

Алгоритм управления вырабатывается  только  на  основе заданного функционирования объекта   управления.   При   наличии возмущающих воздействий состояние объекта отличается от заданного. Этот  метод тогда, когда  можно  измерить  возмущающее воздействие.  Затем,  по результату измерения  вводится  изменение в  алгоритм   управления, которое компенсировало бы возмущающее воздействие.

2 Существует второй метод, который применяется в САУ.

Он позволяет   повысить   точность,   но компенсируются только воздействия, которые измеряются, т.е. невозможно учесть все факторы, влияющие на  функционирование  схемы.   В   таких системах   ошибку рассогласования никогда  нельзя свести к нулю. Поэтому используется предыдущий метод.

3 Метод  обратной связи

При управлении  по  методу  обратной  связи в алгоритм управления вносятся корректировки по фактическому положению объекта управления. Этот метод   является  самым  оптимальным, т.к.  заключает  в  себе следующие достоинства:

   а) минимальная погрешность  управления;

   б) схема отличительно  проста;

   в) система устойчива.

В курсовом   проекте  необходимо  спроектировать  такую  систему, которая поддерживала   бы   температуру   на определенном уровне посредством изменения  скорости  вращения  исполнительного двигателя САУ.

Скорость двигателя  изменяется  под действием температуры. Таким образом, имеется функционально замкнутая  система.  В  общем случае система может быть статической или астатической. Признаком астатизма является наличие  в  схеме  интегрирующих  звеньев.  В астатической системе мощный  каскад  рассчитывается  на пусковой режим двигателя с возможностью реверса.

Следуя из вышесказанного и проведя анализ, выбираем следующий вид структурной схемы устройства (рисунок 3.1)

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  3.1 – Структурная схема устройства

 

 

 

4 ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ  СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО 
БЛОКА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

 

Система – это  совокупность, состоящая из отдельных частей, находящихся в определённых связях друг с другом и составляющих целостность и единство. Изучение поведения системы осуществляется с помощью моделей. Люди изучают объекты с целью управления ими для достижения необходимых количественных и качественных характеристик. Для выработки управляющих воздействий необходимо иметь информацию о желаемом и фактическом состоянии объекта. Управление – это процесс во времени, следовательно, система управления является динамической.

Задача управления заключается в том, чтобы объект управления в условиях реальной эксплуатации и обеспечивал выполнение требуемых функций. Фактическое состояние объекта управления определяется одним или несколькими рабочими параметрами   y(t).  Чаще всего рабочие параметры представляют собой физические величины: скорость, температура, напряжение электрического тока, линейные и угловые перемещения и т.д. В реальных условиях на объект управления оказывают влияние внешние воздействия, которые называются возмущающими z(t). Эти воздействия вызывают изменение внутреннего состояния объекта и как следствие - рабочих параметров. В связи с этим для выполнения рабочих функций по заданным алгоритмам необходимо на объект управления организовать подачу управляющих воздействий U(t) (рисунок 4.1).

 


 

 

 

 

Рисунок 4.1 - Объект управления

 

Заданный алгоритм обычно предусматривает поддержание рабочего параметра постоянным во времени или же изменение во времени по известному или неизвестному закону.

Задача управления, по существу, заключается в формировании такого закона изменения управляющего воздействия, при котором обеспечивается заданный алгоритм при наличии возмущающих воздействий.

Для решения этой задачи используются три фундаментальных принципа управления: разомкнутое управление, управление по возмущению (принцип компенсации) и замкнутое управление (принцип обратной связи или управление по отклонению).

Структурные схемы принципов управления представлены на рисунке 4.2.


  а)          б) 

                          

 


в)

 

 

 

 

 

                     УУ - управляющее устройство; ОУ - объект управления;

   И  - измеритель возмущения; К  - корректирующее устройство;

 

Рисунок 4.2 -  Основные принципы управления

 

При разомкнутом принципе (рисунок 4.2а) управляющее устройство вырабатывает сигнал управления U, который поступает на исполнительные элементы объекта управления. На вход управляющего устройства подается сигнал   X , представляющий собой задание. Задание задается человеком или специальным задающим устройством. Данный принцип отличается простотой технической реализации, но оказывается малоэффективным при недостаточной информации о характере возмущении.

Для того чтобы учесть характер возмущений в процессе управления объектом применяют управление по возмущению (рисунок 4.2б). Здесь убавляющее устройство вырабатывает сигнал управления U’ в соответствии с заданным Х. Одновременно производится измерение возмущений, действующих на объект, и производится коррекция сигнала управления U’. Полученный в результате коррекции сигнал управления U поступает на объект управления. Данный принцип является более эффективным по сравнению с разомкнутым управлением, при условии, что имеется техническая возможность измерения возмущающих воздействий. Указанное условие ограничивает применение данного принципа.

Принцип замкнутого управления (рисунок 4.2в) позволяет решить задачу управления при любом характере действующих возмущений. 

В этом случае сигнал задания поступает на один из входов элемента сравнения, на другой вход которого по цепи обратной связи подается измеренное с помощью датчиков фактическое значение рабочего параметра объекта управления. На выходе элемента сравнения имеем сигнал D (ошибку, отклонение), который является разностью между заданным и фактическим значениями параметров, т.е.  D = Х - Y. Управляющее устройство в зависимости от величины и знака ошибки вырабатывает сигнал управления. Таким образом, принцип замкнутого управления учитывает не только задание, но и фактическое состояние объекта и действующих возмущений. Поэтому данный принцип является наиболее универсальным и позволяет успешно решать задачи управления, несмотря на неопределенность объекта управления и характера возмущений. Класс автоматических систем, построенных на основе принципа замкнутого управления, получил название систем автоматического регулирования.

В курсовом проекте необход имо спроектировать электронный блок, который работает в температурном диапазоне от -500С до +50°С, регулируемой величиной является скорость вращения исполнительного двигателя постоянного тока

С учетом того, что управление двигателем осуществляется в импульсном режиме, функциональная схема будет иметь вид:



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.3 - Функциональная схема астатической системы 
       регулирования температуры

 

Система действует следующим образом:  при подаче сигнала на вход от задатчика начинает вращаться вал двигателя Д1, перемещая движок реостата R. В связи с этим возрастает ток двигателя Д2, вращение вала последнего через компрессор увеличивает подачу топлива в объект (печь). По мере нарастания сигнала Хос рассогласование e уменьшается до нуля, вал двигателя Д1 останавливается, а двигатель Д2 продолжает действовать, поддерживая Хвых на уровне, установленном задатчиком.

Импульсное управление двигателем позволяет осуществить свойство полупроводниковых транзисторов и тиристоров работать в ключевом режиме со временем перехода из закрытого состояния в открытое и обратно за микросекунды. Наибольшее распространение получили схемы якорного управления двигателем, когда на якорную обмотку двигателя независимого возбуждения периодически подается постоянное напряжение. При этом за время включенного состояния от источника к двигателю происходит передача энергии, одна часть которой передается через вал двигателя к нагрузке, а другая накапливается в виде электромагнитной энергии. За счет последней двигатель продолжает развивать вращающий момент в отключенном состоянии.

Применяется 2 способа управления двигателем:

  • симметричный способ управления двигателем;
  • несимметричный способ управления двигателем.

Достоинством симметричного метода управления двигателем является ее несложность, а недостатки следующие:

  • когда вращения нет, то по цепи якоря двигателя протекает переменный ток, из-за чего возможна вибрация вращающейся части двигателя под действием переменного тока – дрожание, (военные считают это достоинством симметричного способа управления, так как при дрожании размягчается смазка, уменьшается нечувствительность);
  • одновременно коммутируются все четыре ключа, отсюда вытекает, что это ведет к высоким потерям на ключах в импульсе.

Достоинством схемы несимметричного управления является то, что ток протекает через один ключ (в 2 раза меньше потери как в статике, так и в динамике).

Данная схема подключена непосредственно к предмощному каскаду, так как для открывания мощных транзисторов необходим большой ток. Предмощный каскад подключается к оптопаре. Это необходимо для того, чтобы токи высоких частот большой силы не создали помех для работы высокочувствительного формирователя ШИМ. Гальваническая развязка на оптопарах способствует более безопасной работе схемы. Т.к. выходное напряжение с измерительного моста задатчика имеет величину нескольких мВт, то необходим усилитель этого выходного сигнала. После усилителя сигнал поступает на схему ШИМ. Устройство питается от источников напряжения стабилизированных и не стабилизированных.

 

 

5 Электрические расчёты.

 

5.1    Электрический расчет мощного каскада

 

Исходными данными для выбора транзисторов являются напряжение питания и ток якоря. Нагрузкой является двигатель постоянного тока. Параметры двигателя приведены в таблице 5.1.1

Таблица 5.1.1-Параметры двигателя

         

1.2

12

0.02

0.125

4500


 

Для выбора транзисторов необходимо два параметра: максимальный коллекторный ток Ik max и напряжение перехода К-Э допустимое Uкэ доп. Для того, чтобы рассчитать Ik max необходимо рассчитать Iпуск:

 

 

Рисунок 5.1.1 П-образная схема управления двигателем постоянного тока

 

Чтобы рассчитать Uкэ доп необходимо вычислить напряжение источника питания Е1, которое складывается из амплитуды импульса Ub и падения напряжения на открытых транзисторах, т.е.

 

 

где UКЭ нас=2 В (ориентировочно)

 

 

 

где  Uнепр=Uн;

γ=0.8

α=0, для симметричного закона управления (рисунок 5.1.2)

 

Рисунок 5.1.2- Временная диаграмма несимметричного закона управления.

 

В П–образной схеме транзисторы и диоды выбирают на напряжение:

 

 

где К– коэффициент запаса: К=1,1 – 2.

Исходя из UКЭ доп=23   В и Iк max= 9     А, выбираем кремневый транзистор n-p-n  2Т875Г  параметры которого приведены в таблице 5.1.2.

Таблица 5.1.2-Параметры транзистора

 

10

 

80

 

50

 

150

 

40

 

0.5

 

0.2

 

20

 

1.4


 

Уточним напряжение питания

 

 

Тогда принимаем стандартное напряжение питания 

Рассчитаем мощность, которая нагревает VT. Эта мощность состоит из потерь в стационарном режиме (VT открыт) и потерь в динамическом режиме (VT открывается или закрывается и находится в активном режиме).

Для расчета необходимо воспользоваться следующей формулой:

 

 

В пусковом режиме E0=Eпит; tи - длительность импульсов и для пускового режима tи≈0.8T, ;

Величина периода коммутации ключей Т (fком =1/T)  оказывает большую роль на энергетические (КПД) и качественные (пульсация скорости двигателя Δn) показатели системы. Считается, что при импульсном управлении поведение двигателя практически будет мало отличаться от линейного (подача Ucp=[1+α(1-γ)]Uпит) при выполнении следующего условия:

                             (1.1)

При выполнении (1.1) зависимость изменения среднего тока в якоре Iнепр определяется в основном постоянной времени якоря Tя=Lя/Rя.

Для уточнения величины Т могут применяться различные подходы. Например, можно непосредственно задаться величиной пульсации тока в якорной цепи ΔIя=Iкон-Iнач, причем Iкон=Iнепр+KIнепр, Iнач=Iнепр-KIнепр.  Для расчетов величину К примем К=0,1.

Задачу нахождения Т проще всего решать для номинальных режимов работы двигателя Iнепр = Iн, nср = nн, M = CмIн=Mн.

 

 
 
 
 

 

 

Где Сe коэффициент противоЭДС, зависящий от конструктивных параметров двигателя.

Переходный процесс при коммутации Eпит в цепи описывается экспонентой. Поэтому для нахождения величин tи и tп можно воспользоваться формулой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На промежутке времени Dt=tи к двигателю коммутируется Eпит и ток I¥Dt=tи  согласно схеме замещения при nср=const равен

 

 

 

На интервале Dt=tп предельный ток переходного процесса в общем случае равен

 

 

 

Тогда за максимальную величину скачка тока для расчета tп следует принять

 

 
 
 
 

 

Величину Т можно рассчитать на базе другого подхода. В качестве критерия возьмем дополнительные потери мощности ΔР, связанные с пульсациями тока в обмотке якоря относительно его среднего значения Iср. При этом автоматически учитываются потери и от пульсации скорости Δn с учетом механической постоянной Тм в отличие от выше рассмотренной методики, где пср двигателя принималась за постоянную величину nср= const за период Т.

 

 

где К примем равным 0.01

 

Очевидно, что с увеличением fком дополнительные потери DP уменьшаются (уменьшаются DIя и Dn), но увеличиваются динамические потери на переключение транзисторов мощного каскада. Эти потери с учетом законов коммутации (с учетом числа переключаемых VT) равны.

 

.

Поэтому желательно для увеличения КПД выбрать величину Т так, чтобы минимизировать сумму этих потерь, т.е.

 

.

Если провести минимизацию этого выражения по параметру Т (взятие производной и приравнивание результата к нулю), то можно получить выражение для расчета в следующем виде:

 

               .    (1.2)  

Если расчеты производить с учетом максимальных дополнительных потерь DPmax при g=0,5, то выражение (1.2) преобразуется к следующему виду:

.

 

Временной параметр ts является суммой tф+tc.

 

 

 

 
 
 
 

 

 

 
 

 

Для дальнейших расчетов примем период коммутации ключей равным 0.00019 c, т.к. расчеты производились с учетом максимальных дополнительных потерь ΔРmах при γ=0,5.

Рассчитаем мощность, потребляемую транзистором:

 

 

 

Здесь выполняется соотношение Ртр < Рдоп, значит выбор VT произведён корректно и сейчас необходимо рассчитать площадь теплоотвода по формуле:

 

 

где

   ;

tc-максимальная температура среды;

Rп-к –тепловое сопротивление переход корпус;

Rткм - тепловое сопротивление корпус радиатор.

 

 

Выберем диоды VD  , которые предназначены для исключения VT в ключевом режиме. Они должны выдерживать те же Uдоп, Iнас , что и VT. Выбираем диод  2Д239Б   параметры которого приведены в таблице 5.1.3.

Таблица 5.1.3-Параметры диода

   
   
   
   

 

Рассчитаем мощность диода Pvd:

 

 

 



 

5.2   Электрический расчет предмощного каскада

 

Предмощный каскад, включенный между гальванической развязкой и мощными    ключами,    предназначен    для    формирования   импульсов открывающей и закрывающей полярности по отношению к мощным ключам. Закрывающая полярность обязательна, так как при этом формируются процессы закрывания ключей, а также они надежно удерживаются в закрытом состоянии на интервале паузы между импульсами. При этом он должен обладать некоторыми качествами, такими как: высокий КПД, максимальная скорость фронтов и спадов импульса (т.е. фронты и спады должны быть   более крутыми), достаточный коэффициент по току для согласования гальванической развязки и мощных ключей, а также должен исключить режим «оборванной» базы.

Известно, что наибольшее усиление по току дают схемы эмиттерных повторителей, которые также дают и максимальное быстродействие. На основе вышеизложенного, схема предмощного каскада будет выглядеть следующим образом:


 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2.1- Схема предмощного каскада

 

Эта схема имеет два источника питания +E1 и -E2. Составной транзистор n–p–n на комплементарной паре VT1 и VT2 формирует открывающий импульс тока для силового ключа VT5 П–образной и Т–образной схем, а составной транзистор p–n–p на комплементарной паре VT3 и VT4 формирует закрывающий импульс тока, а затем обеспечивает закрывающее напряжение для силового ключа VT5. Резисторы R1, R2 устанавливают необходимые величины токов. Диод VD защищает переход эмиттер–база ключа VT5 от чрезмерной величины закрывающего напряжения. Режим "оборванной" базы ключа VT5 отсутствует. При переключении пары VT2–VT4 образуется сквозной ток, величина которого ограничивается  резисторами R1, R2 и поэтому безопасна для VT2, VT4.

Теперь необходимо выбрать транзисторы предмощного каскада. А начинают всегда с выбора комплиментарной пары VT2, VT4, причём исходными данными      являются ток и напряжение питания. Примем напряжение питания E1=E2=5 В. Как транзистор VT2, так и транзистор VT4 выбираем на двойное напряжение, так как в импульсном режиме один из них открыт, второй закрыт, следовательно, к одному из них прикладывается двойное напряжение. Так как током Ik2 транзистора VT2 является ток базы Iб1 силового ключа VT5, рассчитанный в предыдущем разделе, выбрали следующую комплиментарную пару:   КТ814А (p-n-p) и КТ815А (n-p-n)   . Параметры которых представлены в таблице 5.2.1

  Таблица 5.2.1- Параметры транзисторов

   
   
   
   
   
   
   

 

Основная часть тока, активного для VT5, протекает по цепи: +Е,, Rb открытый VT2, переход база-эмиттер VT5, земля, -Е,. Составляем уравнение для расчета сопротивления Ri

 

E1=IK2 R1 + UКЭ нас VT2 + UБЭ VT5 .     (2.2)

Находим R1:

 

Согласно  стандарту   выбираем   резистор  ближайшего стандартного номинала, R1 = 5.1Ом.

Рассчитываем мощность рассеяния по формуле:

 

Выбираем резистор R1 типа МЛТ  5.1Ом мощностью 0.5 Вт  .

Произведем расчет мощности рассеивания транзистора VT2, в качестве сопротивления нагрузки принимаем величину

 

 

 

Рассчитанная величина мощности ниже в сравнении с той, которая приведена в справочнике, расчет считаем законченным.

Расчет мощности рассеивания транзистора VT4 не производим, так как он симметричен VT2.

Затем выбираем и рассчитываем диод VD. Исходя из тех же параметров, что и транзисторы, выбираем диод 2Д906Б , параметры которого представлены в таблице 5.2.2.

 

Таблица 5.2.2-Параметры диода

   
   
   
   

 

Рассчитаем мощность рассеяния:

 

 

 

5.3 Электрический расчет гальванической развязки.

Для электрической изоляции между выходным (мощным) и информационным каскадом используют гальваническую развязку. Есть много способов развязки, но наиболее часто в качестве гальванической развязки используют диодно-транзисторную оптопару.

Схема гальванической развязки на диодно-транзисторной оптопаре приведена ниже (на рисунке 5.3.1).


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Выбор  элементов схемы и их расчет  производится из следующих  
условий:

- Транзистор  VTопт должен работать в ключевом режиме.

- Допустимый  выходной ток Iвых схемы DD1 должен быть больше,  чем принимаемый при расчетах входной ток оптопары Iвх.опт. Поэтому приходится включать в схему электронного блока буферные каскады (DD1) и даже дополнительные буферные транзисторы.

-Допустимый  выходной ток оптопары Iвых доп должен  быть на 10-20% больше Iвх предмощного каскада.

 

Выбираем оптопару согласно условию:

 

Iвых мах >1.2 Iб max VT1,VT3

 

Выбираем оптопару АОТ147А, параметры которой представлены в таблице 5.3.1.

Таблица 5.3.1-Параметры оптопары

   
   
   
   
   
   

 

 Задаваясь величиной напряжений êЕ2÷ = êЕ3÷ = 5 В, согласно уравнению (VT1 опт – открыт, VT2 опт – закрыт)

 

 

определяется величина резистора R5:

 

 

 

Согласно стандарту R5 примем равным 4.3кОм  .

Т.к. |E2|=|E3|, то R5=R10= 4.3кОм

 

 

Iопт max≤(1.1÷1.2)Iск max

0.0011<=0.005