Системы управления электродвигателем реферат
Обновлено: 08.07.2024
В начальных адресах (00 00 — 1F00) располагаются восемь областей, закрепленных за конкретным вектором прерывания. Например, за первым вектором закреплены восемь байтов с адресами 00 00 — 00 07, за вторым вектором — следующие восемь и т. д. Поскольку подпрограмма обслуживания прерывания занимает больший объем памяти, чем отведенный под вектор прерывания, то в этих областях размещают только команду… Читать ещё >
Разработка микропроцессорной системы управления электродвигателем постоянного тока ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
- Введение
- Принцип работы ЭП ПТ и общие требования
- Проектирование блока ЦП
- Проектирование блока ЗУ
- Проектирование интерфейсного модуля
- Разработка программного обеспечения
- Заключение
- Список использованной литературы
Широкое внедрение в промышленность роботов и гибких производств потребовало существенного расширения и повышения эффективности системы подготовки и переподготовки специалистов в этой области. Создание систем управления роботами и гибкими автоматизированными производствами базируется на средствах вычислительной техники, в первую очередь на больших интегральных схемах и микропроцессорных вычислительных машинах микро-ЭВМ. Поэтому одним из направлений подготовки специалистов по системам управления роботами является изучение принципов работы и методов проектирования устройств управления, построенных на базе выпускаемых промышленностью микропроцессорных наборов и микроЭВМ.
Успехи в области микроэлектроники открывают новые возможности для автоматизации производственных процессов, машин, оборудования и приборов на базе микропроцессоров (МП). Микропроцессоры представляют собой устройства обработки цифровой информации, конструктивно выполненные в виде больших интегральных схем (БИС).
В основу курсовой работы положено проектирование систем на базе одной серии БИС — БИС КР580. Этот выбор обусловлен следующими причинами:
1. Микропроцессорный комплект БИС КР580 является комплектом общего назначения и используется в управляющей, информационной, измерительной, связной, медицинской, бытовой и другой аппаратуре самого различного применения.
2. Комплект БИС серии КР580 представляет собой один из первых отечественных микропроцессорных комплектов. К настоящему времени уже накоплен достаточный опыт построения аппаратуры на его основе. Объем производства МП и микроЭВМ постоянно возрастает, улучшаются их технические характеристики и снижается стоимость. Благодаря реализованной в них возможности программного управления они обладают свойствами универсальных устройств цифрового управления. Это способствует массовому применению МП и микроЭВМ в народном хозяйстве для цифровой обработки данных и управления различными объектами и процессами.
интерфейсный модуль микропроцессорная система
Принцип работы ЭП ПТ и общие требования
В комплект ЭП ПТ входит тахогенератор ТГ, который закреплен на валу ЭД. Выходное напряжение ТГ, которое пропорционально частоте вращения вала ЭД, используется для ее контроля.
Для управления ЭП ПТ применяются МП контроллеры, которые должны в зависимости от требуемой частоты вращения задавать управляющее напряжение Uупр и контролировать фактическую ее величину по уровню постоянного напряжения, снимаемого с тахогенератора Uтг (рис.1).
Рис. 1 Структура электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением
В состав МП контроллера входят два модуля: процессорный и интерфейсный. Процессорный модуль осуществляет отработку управляющих программ для реализации алгоритма управления ЭП ПГ. Интерфейсный модуль обеспечивает связь процессорного модуля с электроприводом: преобразование цифровых сигналов в аналоговые и наоборот, промежуточное хранение данных и фиксацию управляющих сигналов.
Проектируемый МП контроллер должен обеспечить следующий алгоритм работы ЭП ПТ.
После подачи Uупр на электродвигатель ИП контроллер осуществляет программным способом определенную по времени задержку, необходимую для разгона ЭД до заданной частоты вращения, а затем вводит цифровой эквивалент напряжения ТГ. Преобразование аналоговой величины Uтг в цифровую осуществляется в интерфейсном модуле аналого-цифровым преобразователем.
После ввода Uтг МП контроллер приступает к сравниванию ее величины с yровнем Uупр. Если уровень Uтг соответствует Uупр, то пуск произошел в нормальном режиме.
При пуске ЭД могут возникнуть различные аварийные ситуации.
Проектирование блока ЦП
В его состав блока ЦП кроме ЦП и системного генератора СГ (на рис. не показан) входят:
однонаправленный буфер шины адреса (БШA);
двунаправленный буфер шины данных (БШД);
регистр RG словосостояния ЦП;
логическая схема формирования шины управления (ШУ);
Включение БША должно быть таким, чтобы все 16 разрядов ША передавались с его входа на выход.
В начале каждого машинного цикла микропроцессора на ШД выдается восьмиразрядное словосостояние ЦП, отдельные разряды которого используются для формирования сигналов ШУ.
Рис. 2 Структурная система блока ЦП с применением системного контролера
Логическая схема служит для формирования следующих управляющих сигналов ШУ:
ЧтКП — чтение контроллера прерывания;
ЗпП — запись в память;
ЗпВУ — запись во внешнее устройство;
ЧтВУ — чтение с внешнего устройства;
ЧтП — чтение из памяти.
Другой вариант построения блока ЦП представлен на рис. 2. Здесь вместо БШД и логической схемы используется микросхема системного контроллера СК, объединяющая их в одном корпусе. Стробирование СК при записи словосостояния осуществляется сигналом СС, поступающим с СГ.
Проектирование блока ЗУ
Разработку блока ЗУ рассмотрим на примере. Пусть требуется спроектировать блок ЗУ со следующими параметрами:
организация микросхем ОЗУ — 2Кб х 8
организация микросхем ПЗУ — 0,5Кб х 8
Это означает, что ОЗУ должно иметь объем 8К байта при использовании микросхем, позволяющих хранить 1024 четырехразрядных слов. Соответственно и для ПЗУ.
Для организации ОЗУ в 8К байта необходимы две страницы, т. е. четыре микросхемы с заданной организацией.
Соответственно ПЗУ будет состоять из четырех страниц, каждая из которых будет организована на одной микросхеме.
Выбор той или иной страницы памяти производит адресный дешифратор. Для его разработки необходимо составить таблицу адресов ЗУ (табл.1): Начальный адрес 0 - й страницы ОЗУ — 00 0016, а конечный — 1FFF16, т.к. последний адрес представляется логическими 1 во всех десяти разрядах А0 — А9. Начальный адрес следующей страницы ОЗУ формируется как двоичная сумма конечного адреса предыдущей страницы и логической 1 в младшем разряде, т. е. имеем перенос 1 в разряд А10. Для определения конечного адреса этой страницы к начальному адресу прибавляем 2 10 , т. е. код с логическими 1 в разрядах А0 — А9. Аналогично строится таблица для страниц ПЗУ.
Анализ таблицы позволяет заключить, что отличие адресов 0-й и 1-й страниц ОЗУ состоит в разряде А10. Если А10 = 0, то обращение производится к 0-й странице, а если А10 = 1, то к 1-й странице ОЗУ.
Если в разряде A11 появляются логические 1, то производится адресация ПЗУ, а если 0 — то ОЗУ. Причем номер страницы ПЗУ определяется состоянием разряда A8. Если А8 = 0, то производится обращение к 0 странице ПЗУ (при условии А11 = 1), если А8 = 1, то производится выбор 1-й страницы ПЗУ.
На основании проведенных рассуждений строится адресный дешифратор.
Создание системы управления двигателем. Диаграмма работы двигателя. Выбор электродвигателя, силового драйвера, датчика тока и скорости, микроконтроллера. Настройка и синтез регуляторов методом модульного оптимума. Моделирование привода в пакете Simulink.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.08.2013 |
| Размер файла | 1,4 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Специальность - Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтегазовой отрасли)
Проектирование и исследование системы управления асинхронным электродвигателем
Студент, группа 8291
доцент кафедры ИКСУ,
на выполнение курсовой работы
Студенту гр. 8291 Сизнёву Александру Борисовичу
1. Тема курсовой работы ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
2. Срок сдачи студентом готовой работы
3. Условия исходных данных в работе
Асинхронный двигатель. Вариант 3.
Ограничения на диаграмму работы двигателя:
Скорость не больше 100 рад/сек
Момент от 0 до 5 Нм
Мах длительность 1 мин.
Min длительность 10 секунд
Температура 25 град
Напряжение питания 220 В
Глава I. Создание системы управления электродвигателем, подбор основных элементов
1.1 Построение диаграммы работы двигателя
1.2 Выбор электродвигателя
1.3 Выбор силового драйвера
1.4 Выбор датчика тока
1.5 Выбор датчика скорости
1.6 Выбор микроконтроллера
Глава II. Настройка и синтез регуляторов методом модульного оптимума
2.1 Расчет контура тока
2.2 Расчет контура скорости
Глава III. Моделирование привода в пакете Simulink
Список использованной литературы
Появление электрических машин существенно улучшило экономические показатели всех предприятий и производств. Их используют в различных отраслях, начиная от пищевой, заканчивая металлургической. Применение электродвигателей позволяет решать ряд задач для обеспечения жизнедеятельности человечества. Эти машины имеют неоспоримые преимущества, такие как сохранение экологической обстановки, высокая производительность, надежность работы, использование экологически чистого источника энергии.
В настоящее время широко распространены автоматизированные электроприводы. Они позволяют автоматизировать процессы производства, при этом позволяют увеличивать количественные и качественные показатели производства. Происходит сокращение тяжелого человеческого труда.
Основной задачей систем управления электроприводом является регулирование состояния объекта. Это регулирование основано на последовательном выполнении ряда операций:
Получение сведений о состоянии объекта регулирования и окружающей среды;
Обработка полученных сигналов с целью наиболее эффективного приведения объекта регулирования в требуемое состояние.
Одна из наиболее важных системных задач - организация работы системы датчиков обратной связи, которая объединяет все компоненты управления электромеханической системы в единый комплекс. Этот этап предусмотрен в данной курсовой работе.
Глава I. Создание системы управления электродвигателем, подбор основных элементов
1.1 Построение диаграммы работы двигателя
Исходя их исходных данных, работа двигателя разбита на 5 различных временных отрезков, на которых угловая скорость и момент двигателя также различны. Построим диаграмму работу.
Рисунок 1. Диаграмма работы двигателя
1.2 Выбор электродвигателя
Исходя из заданных характеристик и диаграммы работы исполнительного механизма на первом этапе необходимо определить продолжительность включенного состояния электропривода и среднюю мощность за цикл работы.
Первоначально рассчитаем среднеквадратичную мощность за цикл работы по формуле:
Pi для каждого интервала времени найдем по формуле:
Итак, определим среднеквадратичную мощность за цикл работы:
Продолжительность включения ПВ находится по формуле:
Так как в работе нашего электропривода пауз нет, продолжительность включения равна 100.
На основе определенных среднеквадратичной мощности и продолжительности включения производим выбор электродвигателя. При этом мощность двигателя должна быть больше среднеквадратичной мощности:
Скорость двигателя должна быть больше или равна максимальной скорости двигателя в рабочем цикле:
Также номинальный крутящий момент должен быть больше или равен максимальному крутящему моменту:
Итак, исходя из всех трех полученных условий, определим характеристики электродвигателя:
Угловая скорость: 32 рад/с.
Вращающий момент: 2,0 Н*м.
Асинхронный двигатель с редуктором 9RDGC-90
Асинхронный двигатель 9RDGC-90 реверсивный однофазный конденсаторного типа.
Режим работы продолжительный с возможностью частых пусков и торможений. Двигатель имеет встроенный электромагнитный тормоз. Выбег ротора после выключения питания 5-6 оборотов (0,5 с).
Питание двигателя 220В 50Гц, редуктор цилиндрический, колеса металлические.
В двигатель встроена защита от перегрева. При перегреве выше 130є двигатель автоматически выключается.
Сопротивление изоляции, не менее 100 МОм при 500VDC
Диэлектрическая прочность, в 1000 в течение 1 минуты
Класс изоляции B (130є )
Температурный диапазон эксплуатации (-20є - +40є )
Температура срабатывания тепловой защиты выключение - 130 /включение - 82є .
Габаритные размеры асинхронного двигателя 9RDGC-90
Рисунок 2. Габаритные размеры двигателя
Основные параметры двигателя и редуктора представлены в таблицах 1 и 2.
Параметры двигателя 9RDGC-120
Пусковой крутящий момент, мН*м
Номинальный крутящий момент, мН*м
Номинальная скорость, об./мин.
Ёмкость конденсатора, мF
Параметры двигателя с редуктором
Рисунок 3. Внешний вид асинхронного электродвигателя с редуктором
Рисунок 4. Схема подключения
Рисунок 5. Характеристика момента
Дополнительные параметры двигателя:
Потокосцепление обмотки якоря:
Сопротивление обмотки якоря:
Индуктивность обмотки якоря:
Электрическая постоянная времени:
1.3 Выбор силового драйвера
В качестве интеллектуального силового драйвера была выбрана схема IRAMS06UP60B . Она включает в себя все необходимые части, такие как защиту от перенапряжения, температурную и токовую защиту. Общий вид микросхемы представлен на рисунке 6.
Рисунок 6. Общий вид силового драйвера
Схема драйвера представлена на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема силового драйвера
Основные технические характеристики драйвера показаны в таблице 3.
Максимальное допустимое напряжение, В
Максимальное входное напряжение, В
Максимальный допустимый ток на 1 фазе, А
Максимальный пиковый ток на 1 фазе, А
Напряжение изоляции, В
Максимальная частота ШИМ, кГц
Задержка времени выхода сигнала, нс
Максимальная рассеиваемая мощность на фазу, Вт
Диапазон температуры работы диодов, 0С
Этот драйвер по параметрам подходит для работы с двигателями мощностью 100-500 Вт.
Также он удовлетворяет требованиям выбранного двигателя.
1.4 Выбор датчика тока
В качестве датчика тока для данной системы управления был выбран CSDC1AC, 3.5A логич бесконт 6-16В 100мкс.
Внешний вид датчика представлен на рисунке 8.
Рисунок 8. Датчик тока CSDC1AC
Основные технические характеристики этого датчика представлены в таблице 4.
Тип подключения к измеряемой цепи
Максимальный допустимый ток, А
Измерение постоянного тока, Iпост
Измерение переменного тока, Iпер
Измерение импульсного тока, Iимп
Ток включения, А
Ток выключения, А
Напряжение питания, В
Максимальная чувствительность, мВ\А*виток
Время отклика, мс
Рабочая температура, С
Максимальный выходной ток, мА
Для подсчета коэффициента обратной связи датчика воспользуемся формулой:
- максимальный выходной ток, - максимальный допустимый ток
1.5 Выбор датчика скорости
Датчик является первичным преобразователем и может применяться в схемах измерения частоты вращения или периода одного оборота вала, счетчика числа оборотов (только суммирование независимо от направления вращения, скорость вращения сколь угодно малая), а также в качестве датчика положения вала в пределах полуоборота.
В качестве датчика скорости для данного привода был выбран тахогенератор фирмы Baumer Hubner марки GT 7 . Внешний вид тахогенератора представлен на рисунке 9.
Рисунок 9. Внешний вид тахохенератора
Основные технические характеристики представлены в таблице 5
Температурный коэффициент, %/°C
Максимальная скорость, об/мин
Момент инерции, кг*см2
Диапазон скоростей, об/мин
Сборочный чертеж тахогенератора представлен на рисунке 10.
Рисунок 10. Сборочный чертеж тахогенератора
Рассчитаем коэффициент обратной связи датчика скорости по формуле
- скорость вращения ротора, - опорное напряжение
1.6 Выбор микроконтроллера
Микроконтроллеры являются наиболее универсальным средством для создания ядра информационно-управляющего канала современного электропривода. Для данного электропривода выбираем микроконтроллер фирмы Atmel. Это будет ATmega8.
Назовем некоторые отличительные особенности этого микроконтроллера:
Энергонезависимая память программ и данных
1 16-рязрядный таймер/счетчик
Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором
Встроенный аналоговый компаратор
23 программируемые линии ввода/вывода
Рабочее напряжение 4,5-5,5 В
Рабочая частота 0-16МГц
1 Кбайт встроенной SRAM
512 байт EEPROM
Внутренние и внешние источники прерываний
Встроенный калиброванный RC-генератор
Вид и схема портов микроконтроллера представлены на рисунке 11.
Рисунок 11. Схема портов и внешний вид микроконтроллера
Схема системы управления без датчиков тока и скорости:
Рисунок 12. Схема системы управления
Глава II. Настройка и синтез регуляторов методом модульного оптимума
Для расчета параметров регулятор и их настройки составим операторно-структурную схему системы. Эта схема представлена на рисунке 12.
Рисунок 13. Операторно-структурная схема системы
В данной схеме использованы следующие обозначения:
- передаточная функция регулятора скорости
- передаточная функция регулятора тока
2.1 Расчет контура тока
Для расчета рассмотрим операторно-структурную схему контура тока.
Рисунок 14. Структурная схема токового контура
система управление асинхронный электродвигатель
Рассмотрим метод последовательной коррекции. Метод последовательной коррекции является одним из наиболее простых алгебраических методов синтеза регуляторов линейных систем автоматического управления.
Синтез регулятора по техническому оптимуму обеспечивается следующей желаемой передаточной функцией основной цепи разомкнутого оптимизируемого контура:
- коэффициент обратной связи;
- коэффициент настройки контура регулирования, которым будем считать равным 2, так как данный коэффициент обеспечивает оптимальные показатели качества
- суммарная некомпенсируемая постоянная времени контура регулирования.
Имеем следующее равенство:
Отсюда имеем выражение для передаточной функции регулятора тока:
Предел уменьшения примем равным 4*ф0, где ф0=0,0002 - 0,001с ( для транзисторных преобразователей с ШИМ).
Теперь раскроем скобки и разложим на множители передаточную функцию регулятора тока:
Видим, что эту формулу можно привести в соответствие с формулой передаточной функции ПИ-регулятора:
Отсюда получаем уравнения для коэффициентов регулятора:
Коэффициент обратной связи по току был рассчитан раньше и равен 0,00571.
Коэффициент пропорциональности находится по формуле
здесь - напряжение на выходе транзисторного преобразователя (равное номинальному напряжению двигателя), - опорное напряжение равное 10 В. Поэтому получаем
Постоянная времени преобразователя приблизительно равна длительности периода работы ШИМ. Следовательно
После подстановки полученных значений имеем коэффициенты ПИ-регулятора:
Запишем формулу передаточной функции замкнутого токового контура:
Для дальнейших вычислений пренебрегаем слагаемым второго порядка малости, так как оно очень мало. В связи с этим имеем упрощенный вид передаточной функции замкнутого контура:
2.2 Расчет контура скорости
Для синтеза регулятора скорости составим операторно-структурную схему данного контура.
Рисунок 15. Структурная схема контура скорости.
В схеме приведены следующие обозначения:
- передаточная функция регулятора скорости;
- передаточная функция контура тока, составленная выше;
- передаточная функция механической части двигателя, здесь
Где - момент инерции двигателя,
Заранее следует отметить, что желаемая постоянная времени переходного процесса в контуре скорости равна удвоенной постоянной времени токового контура:
Далее приравняем передаточную функцию желаемого контура с регулятором. Получим следующее выражение:
Рассчитаем коэффициент обратной связи датчика скорости по формуле:
Где - выходное напряжение датчика скорости, которое равно:
Угловая скорость тахогенератора:
(где, n=1000, номинальная скорость вращения)
Выразим передаточную функцию для регулятора скорости из выше приведенного отношения:
Подставляем численные значения:
Коэффициенты ПИ-регулятора будут равны:
Передаточная функция замкнутого контура скорости, настроенного на модульный оптимум имеет вид:
Пренебрегаем слагаемым второго порядка малости. В результате получаем окончательный вид передаточной функции:
Глава III. Моделирование привода в пакете Simulink
Теперь исследуем полученную систему с помощью пакета Simulink Matlab. Для этого соберем основную операторно-структурную схему, представленную на рисунке 16.
Рисунок 16. Операторно-структурная схема системы
В результате моделирования получили график переходного процесса, представленный на рисунке 17.
Рисунок 17. Переходный процесс смоделированной системы
Как видим из графика перерегулирование и время переходной процесса удовлетворяют заданным значениям, а именно:
Время переходного процесса: 0,00103 с
Из этих показателей качества следует, что расчеты проведены верно и регулятор настроен на правильную работу.
Проектирование автоматизированного электропривода сложная задача, которая включает в себя создание системы управления электродвигателем. Подбор элементов системы также является трудоемкой, так как необходимо учитывать сферу применения электропривода, рабочие параметры, выполняемые задачи, а также экономическую составляющую. В ходе курсового проекта была собрана система, состоящая из электродвигателя, силового драйвера управления, датчиков тока и скорости и контроллер. Все комплектующие удовлетворяют параметрам друг друга. Завершающим этапом проектирования была настройка регуляторов. Это очень важный этап, потому что от него зависит, насколько хорошо будет работать электропривод, и насколько точно он будет выполнять заданные требования. В ходе работы была проведена настройка регуляторов. За основу был взят ПИ-регулятор, так как он позволяет избавиться от ошибки регулирования, а также добиться необходимого переходного процесса. Результатом работы явился график переходного процесса, удовлетворяющий техническому заданию.
Список использованной литературы
Хорьков К.А., Хорьков А.К. Электромеханические системы. Элементы энергетического канала: Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1999 - 337 с.;
Подобные документы
Схема солнечной фотоэлектрической установки. Выбор электродвигателя и определение передаточных функций. Моделирование системы автоматического управления средствами MATLAB. Подбор микроконтроллера, драйвера двигателя и датчика уровня освещенности.
курсовая работа [7,0 M], добавлен 11.08.2012
Разработка энергосберегающей системы управления трехфазным асинхронным двигателем главного движения токарного станка. Блок системы управления и датчик скорости в составе устройства. Анализ структуры микропроцессорной системы. Выбор конструкции устройства.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 20.07.2014
Проектирование модели электродвигателя с рассчитанными параметрами в среде Simulink. Моделирование работы двигателя с различными нагрузками (возмущающим моментом). Расчет параметров и оптимальных регуляторов и показателей качества по ряду характеристик.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 24.06.2012
Техническая характеристика конвейерного транспорта, разработка системы автоматического управления. Выбор силового электрооборудования. Построение структурной схемы регулирования тока, контура регулирования скорости. Синтез системы векторного управления.
курсовая работа [842,6 K], добавлен 27.03.2013
Проектирование системы однозонного регулирования скорости. Структурная схема заданной части автоматизированной системы управления. Расчет датчиков тока и скорости. Выбор комплектного электропривода и трансформатора. Синтез цифрового регулятора скорости.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 25.12.2014
Структура микроконтроллера семейства MCS-51. Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с использованием датчиков. Структурная и принципиальная схемы системы управления. Формирование последовательности выходных сигналов.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 26.11.2012
Выбор, обоснование типов регуляторов положения, скорости, тока, расчет параметров их настройки. Синтез системы регулирования методами модального и симметричного оптимума. Построение переходных характеристик объекта регулирования по регулируемым величинам.
Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического управления и регулирования, в быту. Они преобразуют механическую энергию в электрическую (генераторы) и, наоборот, электрическую энергию в механическую.
Любая электрическая машина может использоваться как генератор, так и двигатель. Это её свойство называется обратимостью. Она может быть также использована для преобразования одного рода тока в другой (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения) в энергию другого вида тока. Такие машины называются преобразователями.
Электрические машины в зависимости от рода тока электрической установки, в которой они должны работать, делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение получили асинхронные двигатели и синхронные двигатели и генераторы.
Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.
Электрические двигатели, используемые в промышленности, быту выпускают сериями, которые представляют собой ряд электрических машин возрастающей мощности, имеющих однотипную конструкцию и удовлетворяющих общему комплексу требований. Широко применяются серии специального назначения.
Общие сведения об электрических двигателях
- Классификация электрических двигателей
Электрический двигатель --- машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую.
Электрические двигатели классифицируют:
По принципу действия электрические двигатели различают:
Переменного тока (асинхронные, синхронные)
Постоянного тока (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).
По форме исполнения электрические двигатели делят на 9 групп. Наиболее распространенны следующие типы:
На лапах с подшипниковыми щитами, горизонтальным валом (рис.1)
На лапах с подшипниковыми щитами, фланцем на подшипниковом щите, вертикальным валом (рис.2)
Без лап с подшипниковыми щитами, фланцем на одном подшипниковом щите (рис.3)
По степени защиты от соприкосновения с токоведущими частями и попадания во внутрь посторонних тел, пыли, влаги выполняют различные модификации:
- Открытые электрические машины выполнены без специальных приспособлений для предохранения от случайного соприкосновения с вращающимися и токоведущими частями, она также не имеет специальных приспособлений для предотвращения попадания внутрь машины посторонних предметов. Их устанавливают только в машинных залах.
- Закрытые электрические машины снабжены специальными приспособлениями при помощи, которых корпус машины отделяется от окружающей среды, но не настолько плотно, чтобы считать её герметической. Предназначается для использования в пыльных помещениях и на открытом воздухе.
- Защищенная электрическая машина снабжена специальными приспособлениями для предохранения от случайного прикосновения к её вращающимся и токоведущим частям, а также для предотвращения попадания внутрь машины посторонних предметов. Предназначается для установки в закрытых помещениях.
- Каплезащищенная электрическая машина снабжена приспособлениями для предохранения её внутренних частей от попадания капель влаги, падающих отвесно.
-Брызгозащищенные электрические машины снабжены приспособлениями для предохранения от попадания внутрь её брызг, падающих под углом до 45 градусов к вертикали с любой стороны.
-Водозащищённые электрические двигатели выполнены таким образом, что при обливании их вода не проникает внутрь машины.
-Взрывобезопасная машина выполнена таким образом, что она может противостоять взрыву внутри неё газов, которые могут там накопиться, и не допускать воспламенения взрывчатых или горючих газов содержащихся в окружающей среде при искрении внутри машины. Предназначается для установки на угольных шахтах и некоторых химических заводах.
По способу охлаждения электрические машины классифицируют:
- Естественно охлаждаемая электрическая машина не имеет приспособлений для усиления охлаждения. Этот тип охлаждения обычно применяется в машинах открытого типа.
- Вентилируемая машина снабжена специальными приспособлениями для усиления охлаждения.
- Электрическая машина с самовентиляцией оснащена вентилирующими приспособлениями на её вращающейся части.
- Электрическая машина с независимой вентиляцией имеет вентиляционные устройства, не связанные с вращающейся частью машины.
- Электрическая машина с проточной вентиляцией охлаждается воздухом внешней среды.
- Продуваемая электрическая машина снабжена вентиляционными устройствами, прогоняющими воздух через внутренние части машины.
- Обдуваемая электрическая машина снабжена для охлаждения вентиляционными устройствами, обдувающими наружные части машины.
По номинальным режимам работы выделяют три основных режима работы.
- Продолжительный режим электрический двигатель работает при постоянной нагрузке R,н. При этом за время работы температура всех частей двигателя достигает установившегося значения t,уст. (График 1)
- Кратковременный режим --- периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения двигателя. За время работы под нагрузкой двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время остановки охладиться до температуры окружающей среды. Различают двигатели с длительностью включения 10, 30, 60 и 90 минут. (График 2)
- Повторно-кратковременный режим --- кратковременные периоды t,p неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами t,n отключения электрического двигателя. За время работы электрический двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы не успевает охладиться до температуры окружающей среды. (График 3)
Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения
где t,p -- время работы при номинальной нагрузке
t,n -- время отключения электрического двигателя
Предусмотрены следующие номинальные повторно-кратковременные режимы: 15, 25, 40 и 60%.
Электрические машины постоянного тока, как и какие-либо другие электрические машины это электромеханические преобразователи энергии. Машины постоянного тока способны работать и как в режиме электрического двигателя, так и в режиме генератора постоянного тока. Двигатели постоянного тока используются гораздо чаще, чем генераторы постоянного тока. Это объясняется важными преимуществами этих двигателей. Возможностью плавно, простыми способами и в широких пределах регулировать частоту вращения. Значительным пусковым моментом и одновременно незначительным пусковым током. Способностью к перегрузкам.
Приведенные позитивные качества двигателей постоянного тока обуславливает широкое их применение в системах автоматического управления, автомобильном, железнодорожном, морском транспорте, городском транспорте и т. д.
Производство и широкое применение мощных силовых транзисторов и тиристоров для изготовления специальных источников электрической энергии с переменной частотой и напряжением, предназначенных для питания и частотного управления скоростью вращения асинхронного двигателя, приводит к вытеснению ними двигателей постоянного тока из областей их традиционного применения.
В последнее время созданы и успешно применяются двигатели постоянного тока, в которых механический коллектор заменен бесконтактным коммутатором на полупроводниковых элементах.
Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора и подвижного ротора, разделенных между собой воздушным зазором. (Рис.4)
Статор состоит из станины, к которой прикреплены сердечники основных и дополнительных полюсов. На этих сердечниках размещены катушки обмотки возбуждения и обмотки дополнительных полюсов. Станина, а также сердечники основных
Введение…………………………………………………………………………. 3
Основные тенденции……………………………………………………………. 5
1. Типовые структуры перспективных систем управления приводами переменного тока………………………………………………………………. 10
2. Микроконтроллер ADMC331………………………………………………. 16
2.1 ГенераторШИМ-сигналов……………………………………………….17
2.2 Аналого-цифровой преобразователь…………………………………….21
3. Современные преобразователи частоты: методы управления и аппаратная реализация………………………………………………………………………..24
3.1 Методы управления электропривода……………………………………24
3.2 Построение силовой части………………………………………………..27
Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя),силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями.Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.
Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники было освоено промышленное производствобиполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроеннымнабором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления.
Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключем силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечениевозможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. Впределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое - мехатронный модуль движения.
Основные тенденции
Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметитьследующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:
Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в началеследующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов.
Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80%) нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты.
автоматического управления ( САУ ), которая может входить в состав более сло жной САУ .
Эти системы должны собирать информацию о ходе технологического процесса ,
обработать ее на основании заданного алгоритма , вырабатывать и выдавать управляющие
воздействия на устройство , обеспечивающее целесообразный ход технологического
Интенсификация технологического прогресса в различных отраслях промышленности
связана с усложняющейся технологией производства , с повышением требований к качеству
продукции при более сложных процессах технического изготовления , что привело к
большому количеств у разнообразных систем упр авл ен ия электроприводами . В связи с этим
возникает необходимость их классификации , позволяющая более рациональное их изучение .
Системы управления различают по назначению : поддержания постоянства
регулируемой переменной , системы программного у правления и следящие системы . Эта
классификация относится к замкнутым системам . Она не включает в себя простейших
систем и не учитывает систем , обеспечивающих оптимизацию , самонастройку и
Системы управления различают по роду аппарату ры : релейно - контакторные , с
электромашинными усилителями , с магнитными усилителями , с электронными и
полупроводниковыми преобразователями . Это не всегда уд обн о , т . к . современные системы ,
имеющие аппаратуру , могут строиться по одинаковым принципам и будут меняться при
Наиболее целесообразно группировать СУЭП по тем основным функциям , которые
они выполняют в производственном процессе . Требования производства к СУЭП могу т быть
для технологических комплексов , выполняющих различные операции при обработке
Требования производства лежат в основе фу нкций , которые выполняются САУ .
Простые функции соответствуют простым требованиям , более сложные – более сложным
Группирование систем по основным функциям довольно сложно при изучении
систем у правления , то классификация их по основным фу
целесообразной и с методической точки зрения . В данном случае каждый класс системы
отличается от других классов структурной схемой , принципами действия , способами
построения , а также своими расчетами и типовыми схемами .
Кроме основных функций , выделяются дополнительные , каждая из которых вызывает
Далее приводиться описание основных функций , на которые делятся СУЭП . Системы ,
выполняющие сложные функции , могу т выполнять и более простые . Одна ко необходимо
следить , чтобы более простым функциям на практике соответствовали и более простые
Свойства всякой системы описываются ее связями с окружающей средой , ее
структурой , т . е . элементами системы и их взаимосвязями , а также работой системы .
На рисунке 1.1 показана связь СУЭП с окружающей средой и ее типовая структура .
Следовательно , электропривод - электромеханическое устройство , посредством
которого приводятся в движение рабочие органы машин , и обеспечивает ся управле ние
энергией , преобразованной из электрической в механическую .
Руч ное управление осуществляется при помощи простейших коммутационных
аппаратов путем непосредственного воздействия на них оператора ( человека ).
Автоматическое управление происходит без непосредственного участия человека , который
может давать лишь первый командный импуль с на выполнение определенного режима
привода и контролировать его . Но и первый командный импульс может подаваться для
отдельной машины также автоматическими устройствами .
Автоматическое управление ЭП – выполнение системой уп ра вл ен ия без
непосредственного участия оператора заданного режима работы в статических и
динамических ус лов ия х в соответствии с требованиями производственного процесса .
Совокупность технических средств , обеспечивающих автоматическое управление ,
образуют автоматическое управляющее уст ро йс тв о ( АУУ ).
Рисунок 1.1 – Схема электромеханической системы управления
В основной прямой части системы имеем : КО - командный орган ; ФЧ –
функциональная часть ( может включать электронный блок , в котором идёт обработка и
преобразование обратных связей ); ПУ - промежуточный усили те ль ; М - электрическая
машина ; П - преобразователь ; ТМ - технологический механизм ; 1 - главная обратная связь
( ОС ), жёсткая ; 2-4 - вспомогательные ОС , ( гибкие ); ЭЭ – электрическая энергия ; ОУ - объект
ОУ , П , АУУ в своем взаимодействии можно рассматривать как электромеханическую
АУУ состоит из КО , подающего сигналы упра вле ни я на задание или изменение
режима работы , ФЧ , которая преобразует командные сигналы , формируя требуемый закон
управления и выполняет основную фу нкцию АУУ , ПУ , усиливающего сигнал управления до
требуемого значения управления преобразователем П . Преобразованная ЭЭ в силовом
преобразователе П поступает на электродвигатель М и далее в виде механической энергии
поступает по кинематическим связям на технологическую машину ТМ . Элементы стру ктуры
охвачены обратными связями 1-4 для поддержания или изменения режима работы ТМ .
Режимы работы ЭП определяются величинами , характеризующими движение
рабочего органа технологической машины ( или вала машины ), т . е . скоростью , ускорением ,
углом поворота , моментом , мощностью и т . д . Координата движения должна изменятся по
требуемому закону во времени или в фу нкции другой величины , т . е . регу лироваться . В
реальных СУЭП всегда существуют величины ( возмущающее воздействие или возму щение ),
отклоняющие рег улируемую величину от требу емого закона её изменения . Основным
возмущением в СУЭП обычно является статический момент М
относятся колебание напряжение питающей сети ; нестабильность характеристик элементов
системы ( транзисторов в усилительном режиме ); всевозможные помехи ( по цепи ОС , по
Каждую СУЭП можно рассмотреть как систему , принимающу ю и перерабатывающую
информацию . В зависимости от количества используемых в СУЭП каналов информации и их
структуры различают 3 вида автоматического у правления : по разомкнутому циклу , по
Рисунок 1.2 – Система , работающая по разомкнутому циклу
Рисунок 1.3 – Система , работающая по замкнутому циклу
Рисунок 1.4 – Система , работающая по комбинированному циклу
На схемах ( Рисунки 1.2-1.4) введены следующие обозначения : ПЭ –
- напряжение питающей сети ; У - регулируемая величина ;
m - регулирующее воздействие ; g - сигнал задающей информации ; f
задающий элемент ; СУ - суммирующее устр ой ст во ; УЭ - управляющий элемент ; П - силовой
преобразователь ; М - электрическая машина ; ГОС – главная ОС ; ВОС – вспомогательная
Для систем , работающих по разомкнутому циклу ( Рисунок 1.2) характерно отсутствие
всякого измерения и контроля конечного значения регулируемой величины У .
Регулирующее воздействие от регу лируемой величины не зависит . В этих системах
имеем только один канал информации - канал задания , точность выполнения заданного
режима невелика . Такая система использу ется для пу ска и торможения двигателей ,
В системах упра вл ени я по замкнутому циклу ( Рисунок 1.3) совместно используется
• Канал информации о фактическом значении регулируемой величины y(t) –
Задающая информация сравнивается с информацией обратной связи , определяется
и в зависимости от величины и знака этой ошибки по каналу управления
вырабатывается регулирующее воздействие m (t) на ЭП таким образом , чтобы свести ошибку
к нулю ( или к допустимой величине ), т . е . обеспечить изменение регулируемой величины по
требуемому закону . При этом ни одно из возму щений не измеряется , а их влияние на
регулируемую велич ину воспринимается системой у правления по каналу обратной связи .
Такое управление называется управлением по ошибке , а обратную связь по регу лируемой
величине – главной , отрицательной , жесткой обратной связью . Кроме главной обратной
связи в таких системах применяют вспомогательные обратные связи ВОС ( местные , жесткие
и гибкие ). Действие гибких обратных связей оказывает влияние только в переходных
процессах . Управляющие элементы и вспомогательные элементы СУЭП слу жат для
улучшени я качества процесса управления ( жесткие отрицательные ВОС ослабляют влияние
возмущающих воздействий на элементы , охватываемые ими ). Если система имеет одну
главную ОС - одноконтурная , кроме главной ОС одну или несколько местных ОС , то она
Качество работы системы с ОС значительно выше , чем в разомкн утой системе и их
• В привода х , согласованно работающих органов одного механизма или
• Когда требуется формирование оптимальных процессов пуска , торможения ,
Наиболее совершенными являютс я система , управления по комбинированному циклу
( Рисунок 1.4). Они объединяют разомкнутую и замкнутую системы . К основной замкну той
структуре добавляется разомкнутая структура по каналу информации об основном
В регу лирующем воздействии m (t) постоянно присутств ует составляющая , которая
( инвариантность ) регулируемой величины у (t ) от основного возмущающего воздействия .
Разомкнутая структу ра реализует вид управления по возмущению . Влияние основных
возмущений ликвидирует основная замкнутая структура . СУЭП , имеющая главну ю ОС по
регулируемой величине называют замкнутыми . Иногда регулируемой величиной для ЭП
является выходная координата технологической машины ТМ – Y ро ( уг лов ое перемещение
рабочего органа , температура и т . д .). В этом случае входная цепь главной ОС переносится на
По виду сигналов информации и у правления СУЭП делиться на непрерывные
( аналоговые ) и дискретные ( импульсные , цифровые , релейные системы ). Системы могут
быть статическими ( Δ X ≠ 0) и астатическими ( Δ X =0) по отношению к задающему или
возмущающему воздействию . Все системы , в зависимости от характера уравнений ,
описывающих процессы управления , усло вн о делятся на линейные ( линеаризованные ); и не
СУЭП подразделяют иногда по виду силового преобразователя или основной
• Системы электромашинного управления или системы Г - Д , ЭМУ - Д ;
• Системы тиристорный преобразователь – двигатель ( ТП - Д );
В качестве базовой принята классификация СУЭП по видам управления ,
1. Управление системами пус ка , торможения и реверсирование ЭП ;
2. Поддержание постоянства ( стабилизация ) заданной величины ( скорости ,
3. Слежение за вводимыми в систему произвольно меняющихся входными
4. Отработка заданий программы ( программное упр ав ле ни е );
5. Выбор целесообразных режимов работы ЭП ( адаптивное регулирование );
6. Автоматическое управление комплексами машин и механизмов , определённых
Все СУЭП , выполняющие 1-4 основные фу нкции , относятся к автоматическим
системам регулирования . Адаптивные СУЭП представляют собой кибернетические системы .
Система управления первой группы обеспечивают простейшие операции пу ска ,
остановки , реверсирования двигателя . Скорость двигателя после разгона не регулируется и
определяется естественной механической характеристикой и величиной момента нагрузки
Мс . В данном случае не предполагается применение специальных мер , обеспечивающих
формирование оптимального переходного процесса , так как в динамике возможны
произвольные колебания переменных в широких заданных пределах . Если от механизма
требуется изменение скоростей установившегося движения , то от электропривода требуется
в общем слу чае автоматический пу ск двигателя на любую из заданных скоростей и переходы
с любой из заданных скоростей на любую другую . Предполагается , что каждая скорость
задается соответствующей механической характеристикой двигателя . Автоматич еские
устройства , выполняющие первую функцию довольно просты и допускают прерывистое
управление . Они имеют разомкнутую структуру и представлены на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 – Система управления , выполняющая первую функцию
Она имеет фу нкциональную часть ( ФЧ ), переключающее ус тройство ( ПУ )
выполняется со ступенчатым переключением резисторов , реакторов , обмоток и других
элементов . Применение находят в ЭП постоянного и переменного тока механизмов
металлообрабатывающей , металлургической и других отраслей промышленности .
Системы управления второй группы автоматически подают задающее воздействие и
поддерживают заданную скорость вращения или другую координату с высокой точностью в
статике и динамике ( ток , скорость , мощность , момент , ускорение )
Рисунок 1.6 – Система стабилизации заданной величины
Система управления является замкнутой и обеспечивает более высокую то чность
поддержания постоянства заданной координаты , чем разомкнутая . Фу нкциональная схема
представлена на рисунке 1.6 и состоит из командного органа КО , системы управления СУ ,
силового преобразователя П и обратной связи по скорости ДС двигателя , сигнал которой
поступает на вход СУ , где происходит сравнение его с заданным :
Сигнал задания определяет требу емое значение установившейся скорости . Так , при
увеличении силового возмущения Мс скорость ω уменьшится . При этом также уменьшится
сигнал обратной связи U осс , возрастает разность сигналов U зс -U осс на входе СУ , что
приведет к у величению у правляющего сигнала U у и напряжения U п . После переходн ого
процесса установится новое значение скорости , несколько меньше прежнего , если СУЭП
статические и равная ему , если СУЭП астатические . В замкну тые СУЭП мог ут входить
различные аппараты управления ( контактные и бесконтактные ), силовые
преобразовательные устройства ( ЭМУ , МУ , тиристорные преобразователи и др .).
Рассмотренные системы применяют при больших диапазонах регулирования , точном
поддержании скорости в ЭП подачи станков точного шлифования , поддержания постоянства
Системы управления третей группы осуществляют слежение за вводимыми в систему
сигналами и предназначены для приводов технологических машин ( ТМ ), которые требуют
слежения , т . е . при заданном движении входного вала , 2- й ( выходной ), вал повторял бы эти
движения с заданной точностью . Функциональная схема и характеристики входных и
выходных величин представлены на рисунке 1.7 и имеет замкнутую структуру с главной
отрицательной связью по углу поворота выходного вала . При помощи датчиков Д 1 и Д 2 в
систему управления поступают сигналы U вх (t) и U вых (t), разность между которыми ( сигнал
ошибки ) поступает на вход усилительного и формирующего элемента УЭ , который
вырабатывает сигнал управления U уп (t) преобразователем П такого знака , чтобы двигатель
М , получающий сигнал от преобразователя , повернул свой вал в направлении , при котором
разность уг ло в ( Θвх - Θвых ) уменьшилась . Данная СУЭП всегда стремиться обеспечить
Читайте также: