Проектирование и расчет электронного устройства для управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением и реверсом по обмотке возбуждения

М А И

(Технический университет)

КАФЕДРА 702

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по курсу

«Аналоговые, дискретные и микропроцессорные устройства»

Проектирование и расчет электронного устройства для управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением и реверсом по обмотке возбуждения

Выполнили студенты группы 07-407

Акишина С.

Бородкина Ю.

Игошина О.

Молчанов М.

Сергеев О.

Сысой Д.

Руководитель Толмачев В.И.

Москва 1999

Расчетно-пояснительная записка предназначена для изучения принципа работы электронного устройства и правильной его эксплуатации, содержит описание принципа действия всего устройства в целом и его составных частей и их расчет (в системе Си).

Назначение устройства

Данное устройство предназначено для управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением в контуре следящего привода. Схема устройства представлена на рис. 1.

Технические характеристики

• Алгоритм управления ДПТ:

Uдв=Uвых=15U_вх1 + 30U_вх2 + 60U_вх3

• Входное сопротивление по каждому входу не менее 100 кОм

• КПД 98 %

• Величина пускового тока 120 А

• Величина номинального тока 60 А

• Напряжение источника питания Uпит=27 В

• Диапазон рабочих температур -40..+40 С

• Электронное устройство (ЭУ) имеет защиту от сквозных токов, токов короткого замыкания

• Нелинейность регулировочной характеристики не более 5%

• Частота модулятора длительности импульсов (МДИ) f =2000 Гц

Принцип действия всего устройства в целом.

Входные сигналы U_вх1, U_вх2, U_вх3, складываются согласно закона управления U_вых = 15U_вх1 + 30U_вх2 + 60U_вх3 и усиливаются до уровня, достаточного для управления ДПТ с независимым возбуждением. Для повышения КПД в устройстве применяется импульсный режим работы выходных транзисторов силовой части, который обеспечивается модулятором длительности импульсов. Для упрощения схемы и исключения сквозных токов используется реверс по обмотке возбуждения, что достигается включением схемы выделения модуля и схемы выделения знака. Для повышения быстродействия силовой каскад, реализующий реверс по ОВ, выполнен в виде генератора токов. Для упрощения схемы используется оптронная развязка.

Принципиальная схема устройства представлена на рис. 1.

Можно выделить:

1. Информационную часть (DA1-DA4), обеспечивающую сложение входных сигналов с заданными весовыми коэффициентами.

2. Схема выделения модуля (DA5, DA6), обеспечивающая определения величины управляющего сигнала.

3. Промежуточный каскад (DA7-DA10), образованный модулятором длительности импульсов с внешней синхронизацией генератором пилообразных колебаний.

4. Схема выделения знака (DA11-DA13), обеспечивает определение знака управляющего сигнала, для задания направления вращения двигателя.

5. Силовую часть (ОП1-ОП4, VТ3-VТ9, КТ1-КТ3, DА14, D5-D10), непосредственно осуществляющую управление двигателем постоянного тока по обеим обмоткам.

Характеристика устройств используемых в проектируемой схеме.

Во всех усилительно- преобразующих устройствах схемы используется глубокая отрицательная обратная связь, которая компенсирует разброс их технологических параметров.

Операционный усилитель - усилитель с непосредственными гальваническими связями, с высоким коэффициентом усиления, с малым уровнем собственных шумов, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Предназначены для усиления сигнала по напряжению до требуемой величины.

Повторитель - операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице. Обычно предназначены для согласования входных сопротивлений датчиков сигнала с входом электронного устройства и обеспечения высокой стабильности работы электронного устройства.

Сумматор - устройство, предназначенное для суммирования и усиления электрических сигналов, поступающих с нескольких датчиков

Интегратор - устройство, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала. Включение емкости в цепь обратной связи обуславливает потенциальное заземление инвертирующего входа и, следовательно, разделяет преобразование напряжения в ток от последующего интегрирования.

Компаратор - устройство, производящее сравнение двух сигналов: входного и эталонного с одновременным выделением большего из них. Если в качестве эталонного сигнала используется сигнал нулевого уровня, то такой компаратор называется нуль-органом.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) - устройство информационной части системы, обеспечивает преобразование аналогового сигнала управления в последовательность прямоугольных импульсов с регулируемым во времени соотношением длительностей устойчивых состояний. ШИМ реализуется за счет сравнения на выходе порогового элемента сигнала управления с периодическим сигналом треугольной формы (пилы).

1. Расчет информационной части.

1. Расчет повторителей и сумматора.

Повторитель - операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице. Предназначен для обеспечения требуемого входного сопротивления.

Сумматор - устройство на основе ОУ, служащее для масштабирования сигналов с заданными весовыми коэффициентами.

Примем входные сопротивления повторителей R₁ = R₂ = R₃ = 100кОм. Т.к. повторитель имеет коэффициент усиления равный единице, то сопротивления ОС повторителей также равны R_ос =R₄ =R₅ =R₆ =100 кОм.

Минимальное сопротивление нагрузки повторителей 100 кОм R₇- R₉)5,1 кОм.

Чтобы колебания сопротивлений усилителя были незначительными, выберем сопротивление нагрузки исходя из уравнений

U_вых = 15U_вх1+ 30U_вх1+ 60U_вх3 = K(K₁U_вх1+ K₂U_вх2+ K₃U_вх3)

Коэффициенты усиления входных сигналов

K=15, K₁ = 1, K₂ = 2, K₃ = 4

Тогда

R₇=10 кОм. R₈=20 кОм, R₉=40 кОм.

R = R₉ + R₈ + R₇ = 70 кОм

Исходя из условия равенства проводимостей ,

откуда R₁₀ = 41,2кОм. Ближайшее – R₁₀=43 кОм

Сигнал рассогласования U, используемый в дальнейшем для расчета схемы выделения модуля и ШИМа. По исходным данным находим

U _max = U_{п }  / K = 27  0,98 / 15 = 1,764В

R₁₁=40 кОм

2.Расчет схем выделения знака и модуля.

2.1 Схема выделения знака.

Исходя из требований к линейности определим абсолютную величину отклонения U _max *5%=0,088В

Схема выделения знака реализуется за счет компараторов (DA12, DA13).

R₃₈=R₄₄=10 кОм

R_ОС=R₃₉=R₄₅=300кОм

R₁₃=7,5кОм

Смещение компаратора и погрешность сравнения должны быть  5%

U_ВЫХ

 = 0,008 _треб=0,08/2=0,04В

U_СМ=0,008+0,04=0,048В

U_ВХ U_{ВЫХ МАХ}=U_ПИТ/2=13,5В

Погрешность реальная

_реал= U_{ВЫХ МАХ}*R₃₈/(R₃₉+R₃₈)=0.44В

Необходим дополнительный усилитель с К=_реал/_треб=11

R₃₆=R₁₃*K=82.5 кОм.

R36=85 кОм.

Отсюда К_реал=85/7,5=11,3

U_см=0,008*11,3=0,09В для DA12

U_см=13,5*R₄₃/(R₄₃+R₄₂); 150*R₄₃=R₄₃+R₄₂

R42 больше R43 раз в десять эдак 

Отсюда R₄₂=149*R₄₃

Пусть R₄₃ =1кОм, R₄₂=149кОм (Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов)

Из условия равенства проводимостей считаем R₄₁.

0.991кОм

Аналогично рассчитываем DA13.

U_см=13,5*R₄₇/(R₄₇+R₄₈); 150*R₄₇=R₄₇+R₄₈

R48 больше R47 раз в десять эдак 

Отсюда R₄₈=149*R₄₇

Пусть R₄₇ =1кОм, R₄₈=149кОм (Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов)

Из условия равенства проводимостей считаем R₄₆.

0.991кОм

2.2. Схема выделения модуля.

К_у=1.

Принцип работы ???

R14=R16=R18=R20=24кОм

R17=12кОм.

Из условия равенства проводимостей, находим R₁₅ и R₁₉.

3. Расчет промежуточного каскада.

3.1 Расчет МДИ.

3.1.1. Расчет сумматора DA9 и компаратора DA10.

Сигнал рассогласования U, проходя через схему выделения модуля, получает вид: |U|. Сигнал пилообразной формы и сигнал со СВМ складываются на сумматоре DA9.

Компаратор - устройство с положительной ОС на основе ОУ предназначенное для сравнения входного сигнала с эталонным и, одновременно, выделяющее больший из них. ОС вводится для стабилизации порога срабатывания.

Примем R₃₀ =5,1 кОм, R_ос = R₃₁ =300 кОм,

; .

Амплитуда пилы должна лежать в пределе 10% U_{ВЫХ MAX} (1,35В) Пусть U_пилы =1,14В – для обеспечения минимального количества каскадов.

Требуемая погрешность сравнения компаратора определяется как 5% от U_пилы.

,

.

- дополнительный коэффициент усиления МДИ.

R21=10кОм. Необходимое дополнительное усиление реализуется за счет соотношения сопротивлений R22=1,3R21=13 кОм, R28=4 R22=52кОм

Из равенства проводимостей находим R29

Далее определяем:

U_см=К_доп (U_пилы + U_MAX 5%)=1.228 4=4.912В

1.8 R35 = R34

Rэкв= R34/2.8; R33+Rэкв=5.1кОм

R33=1кОм.

Rэкв=4,1кОм => R34=11.48 кОм Берем R34=12кОм.

3.1.2. Расчет ГПК

Генератор пилообразных колебаний служит для формирования пилообразных колебаний с заданной частотой и амплитудой.

ГПК состоит из нуль-органа DA6 и интегратора DA7.

Нуль-орган - это компаратор, использующий в качестве эталонного сигнала сигнал нулевого уровня.

Интегратор - устройство сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Исходными данными для расчета ГПК являются U_пилы = 1,14В и частота следования импульсов f = 2000 Гц.

Принимаем R_26’= 20 кОм

Частота на выходе ГПК :

74,0110^{-9 } 74 нФ

270=1,14 R25 + 22.8

R25=247.2/1.14=216.8 кОм  220 кОм

R_27’ из условия проводимостей:

R23=R24, отсюда R22=R23/2 => R23=R22 2=26кОм27кОм.

3.2 Расчет усилителя мощности промежуточного каскада.

Исходные данные для расчета.

Входной ток оптронов ОП1-ОП4 I_оп=60мА. Напряжение питания U_п=27В.

Исходя из этого, выбираем транзисторы управления оптронами VT1 - КТ3102Б и VT2 - КТ361Д.

Так как далее усилители мощности для пар ОП1, ОП2 и ОП3, ОП4 одинаковы - произведем расчет для одной из них - ОП1, ОП2

U

Рассчитываем сопротивление R51:

т.к. = , то

Iб = 30/ = <1мА>

Uст = 13,5В, Iст = 1мА.

Подбираем стабилитрон по минимальному току -

Рассчитываем сопротивление R32

4. Расчет силовой части.

4.1 Выбор транзисторов.

Транзисторы выбираются исходя из значения максимального напряжения и тока поступающих на них. Транзистор должен выдерживать напряжение равное 2U_пит = 54В

Сигнал, поступающий с компаратора преобразуется в последовательность импульсов изменяемой длительности. Для управления двигателем по обмотке якоря используются транзисторы марки КТ 819 В.

Так как в силовом каскаде нужно придерживаться строгого значения КПД транзисторы запараллеливаются.

3.1.1 Расчет составного транзистора.

U_п = 27 В;  = 0,99; I_m = 30 А; I_n = 10 А

1. Отбор транзисторов по максимальному напряжению.

U_кп  272 = 54 В

Выбираем транзистор КТ819В.

3.1.2 Определение количества транзисторов ( по максимальному току)

где

n - количество транзисторов в силовом ключе

I_m - максимальный ток

I_ni - коллекторный ток одного транзистора из группы

3.1.3 Напряжение коллектор-эмитер в режиме насыщения = 0,18 В (I_к=3,33А).

3.1.4 Потребное значение напряжения насыщения :

U_кэн  (1-) U_п = 270,01 = 0,27 В > имеющегося 0,18В. Имеем КПД = 99,993%.

Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ819В :

I_к = 3,33А, DI = 9,85, DU = 0,89, R = DU/DI =0,9Ом

для I_к=3,33 =  I_бэ = . Общий базовый ток I_бэ = 3I_бэ=

Исходя из общего тока базы выберем в качестве питающего транзистора, транзистор КТ817В. Этот транзистор имеет ток коллектора I_к = достаточный для запитки базы силовых транзисторов КТ819В и рабочее напряжение до 60В.

Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ817В :

4.2 Оптопары, диоды.

Оптопары. Исходя из величины тока базы (I_базы) выбираем оптопару АОТ 110А.

Диоды. Выбираем 2 диода серии КД519А.