Система автоматической стабилизации скорости двигателя постоянного тока в системе генератор-двигатель с тиристорным преобразователем

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО 

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра МАЭС 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине: Теория автоматического управления

тема: Следящий электрический привод угла поворота исполнительного механизма с транзисторным широтно-импульсным преобразователем 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            Выполнил студент  группы ЗТ-45

                                            __________________ М.А. Назаров

                                            «____» __________________ 2006 г.

                                            Принял ассистент  кафедры МАЭС

                                             __________________ И.В. Дуданов

                                             «____» _________________ 2006 г.  
 
 

Самара 2006 г.

Оглавление.

стр.

Задание на курсовую работу ----------------------------------------------------------3                                                                                 

1.Описание  работы системы                                                                                                       

      1.1Принцип работы электрической схемы.  ---------------------------------------4-5                                                                                                   

1.2 Описание  работы функциональной схемы-------------------------------------5          

2. Описание основных звеньев системы.

      2.1 Принцип действия сельсинов-----------------------------------------------------6-8

2.2  Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока----------8-12                                      

2.3   Устройство  и принцип действия операционного  усилителя----------11-13                                                                

2.4  Устройство и принцип действия редуктора-------------------------------14-15

     2.5 Принцип действия транзисторного широтно-импульсного преобразователя (ШИП). Регулирование выходного напряжения посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ).------------------------------------------15-17

     3. Уравнения движения и передаточные функции объекта управления по отношению к управляющему и возмущающему воздействию.-----------------18-21

    4. Передаточная функция системы в замкнутом и разомкнутом состоянии по отношению к управляющему воздействию.----------------------------------------22-23

     5. Передаточная функция системы замкнутая по отношению к возмущающему воздействию.---------------------------------------------------------23-24

     Список литературы------------------------------------------------------------------25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание на курсовую работу. 

Вариант  3-2.

Следящий  электрический привод угла поворота исполнительного  механизма с транзисторным  широтно-импульсным преобразователем. 

   В соответствии с заданным вариантом необходимо рассмотреть систему автоматического управления с целью её дальнейшего проектирования.

   Курсовая  работа должна содержать:

1. Описание работы системы.Описание работы функциональной схемы.
2. Описание основных звеньев системы.
3. Уравнения движения и передаточная функция объекта управления по отношению к управляющему и возмущающему воздействию.
4. Передаточная функция системы разомкнутой и замкнутой по отношению к управляющему воздействию.
5. Передаточная функция системы замкнутая по отношению к возмущающему воздействию.

Исходные  данные. 

Рисунок. Электрическая схема системы  автоматического управления.

1. Принцип работы  системы.

1.1 Принцип работы  электрической схемы. 
 
 

   Системы регулирования положения представляют собой класс систем с чрезвычайно широким диапазоном назначений. Они находят применение в различных промышленных установках и работах в качестве систем наведения антенн, для стабилизации различных платформ в условиях качки оснований, на которых монтируется эти платформы, и т. п.

   Контроль  положения осуществляется с помощью датчиков, которые в аналоговой или дискретной форме дают информацию о перемещении рабочего органа механизма на протяжении всего пути. В качестве датчиков используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, импульсные и цифровые датчики.

   В нашем случае измерительным элементом  являются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. Сельсин – датчик (СД) связан с исполнительным органом (ИО), который  приводится двигателем М через редуктор Р_Д.

   Подача  на вход управляющего воздействия, которым является поворот задающего сельсина (СЗ) на некоторый угол Θ₃  относительно, согласованного с сельсином-датчиком (СД), положения, вызывает появление на однофазной обмотке СД напряжения переменного тока U_С.Д.,  значение которого определяется значением угла рассогласования, а фаза – направлением поворота относительно согласованного положения, т. е. знаком угла.

   Напряжение, появившееся на выходе регулятора положения, воздействует на вход контура скорости, и двигатель вращается, отрабатывая  рассогласование до тех пор, пока не установится равенство Θ = Θ_З.

   Параметрами, характеризующими неизменную часть  контура положения, является передаточное число редуктора i, коэффициент передачи пары сельсинов К_СС, связывающий напряжение на выходе СД с угловым рассогласованием ΔΘ, и передаточный коэффициент фазочастотного усилителя К_ФЧУ. 

1.2 Описание работы  функциональной схемы. 

   В данной работе рассматривается следящий электропривод угла поворота исполнительного  механизма с транзисторным силовым  широтно-импульсным преобразователем (ШИП). По виду электрической схемы системы автоматического управления (см. задание) составим структурную схему системы:  
 

    Рисунок 2.1. Функциональная схема системы. 
 

    В качестве выходной координаты в данном объекте управления принимаем угол поворота исполнительного механизма, «Θ»; управляющего воздействия – напряжение якоря, «U_я»; возмущающего воздействия  –  момент статической нагрузки, «М_с». Основными звеньями системы являются: сельсинная пара совместно с фазочувствительным усилителем (ФЧУ), «ФЧУ»; усилитель, «У»; широтно-импульсный преобразователь, «ШИП»; объект управления (двигатель постоянного тока независимого возбуждения), «М» и редуктор, «РЕД». 
 
 

                       2. Описание основных звеньев системы.

                      2.1. Принцип действия сельсинов.

   Сельсинная  пара совместно с ФЧУ описывается безинерционным звеном.  

     Уравнение движения, которого будет:

   В нашем случае:

   Перейдём в (4.4′) к изображению по Лапласу:

   Тогда передаточная функция имеет вид:

  Принцип действия сельсинов. В системах автоматического контроля и регулирования иногда необходимо передавать на расстояние заданный угол поворота вала контролируемого или регулируемого объекта или получать информацию об угловом положении вала этого объекта. Для этой цели применяют системы дистанционной передачи угла на электрических машинах синхронной связи, называемых сельсинами. Сельсины относятся к информационным электрическим машинам, так как преобразуют угол поворота в электрический сигнал и, наоборот, электрический сигнал в угловое перемещение.

   На  рис. 1.1 показаны структурные схемы  систем дистанционной передачи угла поворота вала с помощью сельсина-датчика СД и сельсина-приемника СП, соединенных линией связи ЛС. При повороте вала В на угол α. (рис. 1.1, а) сельсином-датчиком вырабатывается соответствующий этому углу сигнал, который передается по линии связи на сельсин-приемник СП, где он преобразуется в угловое перемещение ротора СП на угол α. Рассмотренная система называется индикаторной, так как вал сельсина-приемника поворачивает стрелку индикатора И, отмечающую на шкале угол поворота вала В. Индикаторная система только передает информацию об угловом положении контролируемого вала.

Рисунок 1.1. Структурные схемы систем дистанционной передачи угла поворота вала на сельсинах: индикаторная (а), трансформаторная (б). 

    Если требуется воспроизвести угол поворота α вала В на каком-либо рабочем механизме, то система дополняется усилителем мощности У и исполнительным двигателем ИМ (рис. 1.1, б), который через редуктор Р создает на валу рабочего механизма РМ вращающий момент, достаточный для поворота вала на угол α. Одновременно поворачивается ротор сельсина-приемника СП на угол α. Такая система дистанционной передачи называется трансформаторной.

   Сельсины  применяют также в системах электрического вала, осуществляющих синхронное вращение валов нескольких механизмов, находящихся на расстоянии друг от друга.

   В нашем случае система дистанционной  передачи угла является трансформаторной. Рассмотрим её подробно.

   Трансформаторная система дистанционной передачи угла используется для передачи угла поворота на вал рабочего механизма, когда необходим значительный вращающий момент. Основные элементы трансформаторной системы (рис. 1.3): сельсин-датчик СД, сельсин-приемник СП, усилитель мощности У, исполнительный двигатель ИМ и редуктор Р, предназначенный для редукции частоты вращения и усиления вращающего момента. Усилитель, мощности У используется для усиления мощности сигнала на выходе сельсина-приемника до уровня, достаточного для приведения в действие исполнительного двигателя ИМ Трансформаторная система передачи следящая система с обратной связью по положению вала регулирующего органа рабочего механизма РО. Редуктор Р системы имеет два выхода: один присоединяется к валу рабочего механизма, другой – к валу сельсина-приемника.

Рисунок 1.3. Схема трансформаторной системы  дистанционной передачи угла. 

   Конструкция сельсинов.

   По  конструкции различают: контактные и бесконтактные сельсины. Контактные сельсины. Отличительный признак контактных сельсинов – наличие у них контактных колец и щеток, посредством которых обмотка ротора соединяется с внешней цепью. Обычно сельсины делают двухполюсными. Магнитную систему контактного сельсина (сердечники статора и ротора) делают из листовой электротехнической стали. Сельсины могут быть явнополюсными и неявнополюсными. В явнополюсных сельсинах один из элементов магнитопровода (статор или ротор) имеет два явно выраженных полюса с полюсными катушками обмотки возбуждения ОВ. Тогда другой элемент (ротор или статор) делают неявнополюсным с распределенной обмоткой синхронизации ОС, состоящей из трех обмоток фаз, сдвинутых в пространстве относительно друг друга на 120° (рис. 1.5, а, б). Если ротор сельсина-приемника явнополюсный, то на его сердечнике обычно располагают демпферную обмотку ДО в виде короткозамкнутого витка, ось которого перпендикулярна оси полюсов. В неявнополюсных сельсинах обмотки статора и ротора делают распределенными.

   Бесконтактные сельсины. Наибольшее применение в устройствах автоматики получили бесконтактные сельсины, не имеющие скользящих электрических контактов (колец и щеток). Эти сельсины отличаются от контактных высокой точностью и стабильностью характеристик при колебаниях температуры, влажности и т.п., а также высокой эксплуатационной надежностью. 
 
 

2.2 Устройство и принцип  действия двигателя  постоянного тока. 

   Двигатель представляет собой колебательное звено. Уравнение движения, которого будет:

   В нашем случае:

   Тогда передаточная функция двигателя  имеет вид:

   . 

     Силовой коллекторный двигатель постоянного тока состоит из неподвижного статора и вращающегося якоря. Статор включает станину и главные полюса с полюсными катушками. Обычно в коллекторных двигателях малой мощности с электромагнитным возбуждением применяют двухполюсные статоры (2р = 2) двух конструкций – сборный или цельный шихтованный. Станина сборного статора представляет собой цельнотянутую трубу, к внутренней повepхнocти которой винтами прикрепляются полюсы. Сердечники главных полюсов делают в виде стального бруса либо набирают из штампованных стальных пластин толщиной 0,5 – 1 мм. Каждый главный полюс на стороне, обращенной к якорю, имеет полюсный наконечник, обеспечивающий требуемое распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Полюсные катушки соединяются последовательно и образуют обмотку возбуждения, при подключении которой к источнику постоянного тока в магнитной системе двигателя создается магнитное поле.

   На  рисунке 1.10 показано устройство коллекторного  двигателя постоянного тока защищенного исполнения с самовентиляцией. Статор имеет сборную конструкцию и состоит из станины 6, главных полюсов 4 с полюсными катушками 5 каркасного типа, т. е. намотанных на каркас из изоляционного материала. Якорь двигателя включает сердечник, обмотку якоря, коллектор и вал.

Рисунок 1.10. Устройство двигателя постоянного  тока защищённого исполнения.  

   Сердечник якоря 3 – это цилиндр, набранный  из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5мм. Перед сборкой  эти листы покрывают специальным  изоляционным лаком. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить вихревые токи, возникающие в нем при его перемагничивании в процессе вращения в магнитном поле. В продольные пазы сердечника якоря уложены пазовые стороны секций обмотки якоря. Часто пазы якоря делают со скосом, что ослабляет пульсацию магнитного потока в воздушном зазоре и уменьшает вибрации и шум, сопровождающие работу двигателя.

   Обмотка якоря 9 состоит из секций (катушек), выполненных медным изолированным проводом, обычно круглого сечения. Пазовые стороны секций закрепляют в пазах сердечника якоря посредством гетинаксовых клиньев или бандажа. С двух сторон сердечника якоря расположены лобовые части обмотки якоря. Со стороны коллектора они подключаются к его пластинам, а со стороны, противоположной коллектору, соединяют пазовые стороны секций. Для закрепления лобовых частей на них накладывают бандаж из стеклоленты.

   Коллектор 1 двигателя имеет цилиндрическую форму и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. В коллекторных двигателях малой мощности применяют коллекторы на пластмассе медные пластины и миканитовые прокладки, которых запрессованы в пластмассу. Щетки 2 (см. рис. 1.10) расположены в щеткодержателях и прижимаются к коллектору пружинами. В некоторых двигателях малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, вмонтированные в подшипниковый щит двигателя и состоящие из металлической втулки, пружины  и пластмассового колпака, навинчивающегося на втулку. Металлическая втулка электрически связана со щеткой, изолируется от подшипникового щита с помощью втулки. Зажим щеткодержателя соединен с одной из клемм коробки выводов, расположенной на боковой или верхней части станины.

   Передний (со стороны коллектора) и задний 7 (со стороны выступающего конца вала) подшипниковые щиты двигателя крепятся болтами к станине. В центральной части щитов сделаны расточки под подшипники. В двигателях малой мощности применяют шариковые подшипники качения. В переднем подшипниковом щите сделаны окна, прикрываемые стальной пластиной или лентой. Через окна можно периодически осматривать коллектор и щетки, не разбирая двигатель.

   Для подключения двигателя к питающей сети и присоединения регулирующей аппаратуры имеется коробка выводов, расположенная на боковой или  верхней поверхности станины. В двигателях весьма малой мощности вместо коробки выводов на корпусе или на одном из подшипниковых щитов укрепляют клеммную панель или выводят наружу пучок маркированных проводов.

   Двигатель снабжен центробежным вентилятором 8, посредством которого воздух «прогоняется» через внутреннюю полость двигателя, где отбирает теплоту от обмоток и сердечников. В верхнюю часть станины ввернуто кольцо (рым-болт) используемое при транспортировке или монтаже двигателя. Однако двигатели малой мощности не имеют такого кольца ввиду их небольшой массы. В нижней части станины имеются лапы для установки и закрепления двигателя. Двигатель снабжают болтом заземления для обеспечения электробезопасности при обслуживании.

   В процессе работы коллекторного двигателя постоянного тока в его обмотке якоря наводится ЭДС (рис. 1.11). В результате взаимодействия тока i_а в проводнике а обмотки якоря с внешним магнитным полем возникает электромагнитная сила F_эм, создающая электромагнитный момент М, который приводит якорь во вращение (в рассматриваемом случае якорь вращается против часовой стрелки). При этом пазовый проводник пересекает силовые линии поля возбуждения с магнитной индукцией В, и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС е_а, направление которой определяют по правилу «правой руки». Электродвижущая сила е_а, наведенная в пазовом проводнике, направлена встречно току, проходящему по этому проводнику. Поэтому ЭДС, наведенную в обмотке якоря двигателя, называют противо-ЭДС. Противо-ЭДС (В) прямопропорциональна основному магнитному потоку Ф и частоте вращения якоря:

,

где с_е – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя. 

Рисунок 1.11. Направление противо-ЭДС в обмотке якоря двигателя. 
 
 

   2.3 Устройство и принцип  действия операционного  усилителя. 

   Основные  звенья системы будут иметь следующие  уравнения движения и передаточные функции.

   Усилитель определяется, как безинерционное звено. Уравнение движения, которого будет:

   В нашем случае:

   Перейдём  в (4.1′) к изображению по Лапласу:

   Тогда передаточная функция усилителя  имеет вид:

   Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

   - коэффициент усиления по напряжению  стремится к бесконечности          (R_U → ∞);

   - входное сопротивление стремится  к бесконечности (R_вх → ∞);

   - выходное сопротивление стремится  к нулю (R_вых → ∞);

   - если входное напряжение равно  нулю, то выходное напряжение  также равно нулю (U_вх = 0 → U_вых = 0);'.

   - бесконечная полоса усиливаемых частот (f → ∞). 

    Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема снабженная, как минимум, пятью выводами. Ее условное графическое изображение приведено на рисунке 1.13. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а  другой (вход 2) – инвертирующим. Выходное напряжение U_вых связано с входными напряжениями U_вх1 и U_вх2 соотношением

где К_U0 – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению. 

Рисунок 1.13. Условное графическое обозначение  ОУ.  

   Из  приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).

   Как было отмечено ранее, К_U0 в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значениями 10⁵ ... 10⁶ или 100 ... 120 дБ.

   В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ Е_п, – Е_п). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне      ± 3 В … ± 18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

   Реальные  ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для  подключения внешних цепей частотной  коррекции, формирующих требуемый  вид ЛАЧХ усилителя. Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокaскaдного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёхкаскадных усилителей постоянного тока.

   Функциональная  схема трехкаскадного ОУ приведена на рисунке 1.14. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить получение максимально высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т. п. 

Рисунок 1.14. Структурная схема трёхкаскадного ОУ. 

   Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов.

   Выходной  каскад, который, как правило, выполняется  по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности.

   Операционный  усилитель является сложным электронным  устройством, правильное применение которого зависит от понимания особенностей его работы и знания основных требований, которые он предъявляет к схемам разрабатываемого ЭС.  

2.4. Устройство и принцип  действия редуктора. 

   Редуктор представляет собой интегрирующее звено. Уравнение движения, которого будет:

   В нашем случае:

   Перейдём  в (4.10′) к изображению по Лапласу: