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 UдвUвых15Uвх1 30Uвх2 60Uвх3 - Входное сопротивление по каждому входу не менее 100 кОм - КПД 98 - Величина пускового тока 120 А - Величина номинального тока 60 А - Напряжение источника питания Uпит27 В - Диапазон рабочих температур -40 40 С - Электронное устройство ЭУ имеет защиту от сквозных токов, токов короткого замыкания - Нелинейность регулировочной характеристики не более 5 - Частота модулятора длительности импульсов МДИ f 2000 Гц Принцип действия всего устройства в целом.

Входные сигналы Uвх1, Uвх2, Uвх3, складываются согласно закона управления Uвых 15Uвх1 30Uвх2 60Uвх3 и усиливаются до уровня, достаточного для управления ДПТ с независимым возбуждением.

Для повышения КПД в устройстве применяется импульсный режим работы выходных транзисторов силовой части, который обеспечивается модулятором длительности импульсов.Для упрощения схемы и исключения сквозных токов используется реверс по обмотке возбуждения, что достигается включением схемы выделения модуля и схемы выделения знака. Для повышения быстродействия силовой каскад, реализующий реверс по ОВ, выполнен в виде генератора токов.

Для упрощения схемы используется оптронная развязка.Принципиальная схема устройства представлена на рис. 1. Можно выделить 1. Информационную часть DA1-DA4, обеспечивающую сложение входных сигналов с заданными весовыми коэффициентами. 2. Схема выделения модуля DA5, DA6, обеспечивающая определения величины управляющего сигнала. 3. Промежуточный каскад DA7-DA10, образованный модулятором длительности импульсов с внешней синхронизацией генератором пилообразных колебаний. 4. Схема выделения знака DA11-DA13, обеспечивает определение знака управляющего сигнала, для задания направления вращения двигателя. 5. Силовую часть ОП1-ОП4, VТ3-VТ9, КТ1-КТ3, DА14, D5-D10, непосредственно осуществляющую управление двигателем постоянного тока по обеим обмоткам.

Характеристика устройств используемых в проектируемой схеме.

Во всех усилительно- преобразующих устройствах схемы используется глубокая отрицательная обратная связь, которая компенсирует разброс их технологических параметров. Операционный усилитель - усилитель с непосредственными гальваническими связями, с высоким коэффициентом усиления, с малым уровнем собственных шумов, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи.Предназначены для усиления сигнала по напряжению до требуемой величины.

Повторитель - операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице.Обычно предназначены для согласования входных сопротивлений датчиков сигнала с входом электронного устройства и обеспечения высокой стабильности работы электронного устройства. Сумматор - устройство, предназначенное для суммирования и усиления электрических сигналов, поступающих с нескольких датчиков Интегратор - устройство, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Включение емкости в цепь обратной связи обуславливает потенциальное заземление инвертирующего входа и, следовательно, разделяет преобразование напряжения в ток от последующего интегрирования. Компаратор - устройство, производящее сравнение двух сигналов входного и эталонного с одновременным выделением большего из них. Если в качестве эталонного сигнала используется сигнал нулевого уровня, то такой компаратор называется нуль-органом.Широтно-импульсный модулятор ШИМ - устройство информационной части системы, обеспечивает преобразование аналогового сигнала управления в последовательность прямоугольных импульсов с регулируемым во времени соотношением длительностей устойчивых состояний.

ШИМ реализуется за счет сравнения на выходе порогового элемента сигнала управления с периодическим сигналом треугольной формы пилы. 1. Расчет информационной части. 1.1 Расчет повторителей и сумматора. Повторитель - операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице.

Предназначен для обеспечения требуемого входного сопротивления.Сумматор - устройство на основе ОУ, служащее для масштабирования сигналов с заданными весовыми коэффициентами. Примем входные сопротивления повторителей R1 R2 R3 100кОм. Т.к. повторитель имеет коэффициент усиления равный единице, то сопротивления ОС повторителей также равны Rос R4 R5 R6 100 кОм. Минимальное сопротивление нагрузки повторителей 100 кОм R7- R95,1 кОм. Чтобы колебания сопротивлений усилителя были незначительными, выберем сопротивление нагрузки исходя из уравнений Uвых 15Uвх1 30Uвх1 60Uвх3 KK1Uвх1 K2Uвх2 K3Uвх3 Коэффициенты усиления входных сигналов K15, K1 1, K2 2, K4 Тогда R710 кОм. R820 кОм, R940 кОм. R R9 R8 R7 70 кОм Исходя из условия равенства проводимостей , откуда R10 41,2кОм. Ближайшее R1043 кОм Сигнал рассогласования U, используемый в дальнейшем для расчета схемы выделения модуля и ШИМа. По исходным данным находим U max Uп K 27 0,98 15 1,764В R1140 кОм 2.Расчет схем выделения знака и модуля. 2.1 Схема выделения знака. Исходя из требований к линейности определим абсолютную величину отклонения U max 50,088В Схема выделения знака реализуется за счет компараторов DA12, DA13. R38R4410 кОм RОСR39R45300кОм R137,5кОм Смещение компаратора и погрешность сравнения должны быть 5 UВЫХ 0,008 треб0,0820,04В UСМ0,0080,040,048В UВХ UВЫХ МАХUПИТ213,5В Погрешность реальная реал UВЫХ МАХR38R39R380.44В Необходим дополнительный усилитель с Креалтреб11 R36R13K82.5 кОм. R3685 кОм. Отсюда Креал857,511,3 Uсм0,00811,30,09В для DA12 Uсм13,5R43R43R42 150R43R43R42 R42 больше R43 раз в десять эдак Отсюда R42149R43 Пусть R43 1кОм, R42149кОм Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов Из условия равенства проводимостей считаем R41. .991кОм Аналогично рассчитываем DA13. Uсм13,5R47R47R48 150R47R47R48 R48 больше R47 раз в десять эдак Отсюда R48149R47 Пусть R47 1кОм, R48149кОм Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов Из условия равенства проводимостей считаем R46. .991кОм 2.2. Схема выделения модуля.

Ку1. Принцип работы R14R16R18R2024кОм R1712кОм. Из условия равенства проводимостей, находим R15 и R19. 3. Расчет промежуточного каскада. 3.1 Расчет МДИ. 3.1.1. Расчет сумматора DA9 и компаратора DA10. Сигнал рассогласования U, проходя через схему выделения модуля, получает вид U. Сигнал пилообразной формы и сигнал со СВМ складываются на сумматоре DA9. Компаратор - устройство с положительной ОС на основе ОУ предназначенное для сравнения входного сигнала с эталонным и, одновременно, выделяющее больший из них. ОС вводится для стабилизации порога срабатывания.

Примем R30 5,1 кОм, Rос R31 300 кОм Амплитуда пилы должна лежать в пределе 10 UВЫХ MAX 1,35В Пусть Uпилы 1,14В для обеспечения минимального количества каскадов.

Требуемая погрешность сравнения компаратора определяется как 5 от Uпилы дополнительный коэффициент усиления МДИ. R2110кОм. Необходимое дополнительное усиление реализуется за счет соотношения сопротивлений R221,3R2113 кОм, R284 R2252кОм Из равенства проводимостей находим R29 Далее определяем UсмКдоп Uпилы UMAX 51.228 44.912В 1.8 R35 R34 Rэкв R342.8 R33Rэкв5.1кОм R331кОм. Rэкв4,1кОм R3411.48 кОм Берем R3412кОм. 3.1.2. Расчет ГПК Генератор пилообразных колебаний служит для формирования пилообразных колебаний с заданной частотой и амплитудой.

ГПК состоит из нуль-органа DA6 и интегратора DA7. Нуль-орган - это компаратор, использующий в качестве эталонного сигнала сигнал нулевого уровня.

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

Исходными данными для расчета ГПК являются Uпилы 1,14В и частота следования импульсов f 2000 Гц. Принимаем R26 20 кОм Частота на выходе ГПК 74,0110-9 74 нФ 2701,14 R25 22.8 R25247.21.14216.8 кОм 220 кОм R27 из условия проводимостей R23R24, отсюда R22R232 R23R22 226кОм27кОм. 3.2 Расчет усилителя мощности промежуточного каскада.

Исходные данные для расчета.

Входной ток оптронов ОП1-ОП4 Iоп60мА. Напряжение питания Uп27В. Исходя из этого, выбираем транзисторы управления оптронами VT1 - КТ3102Б и VT2 - КТ361Д. Так как далее усилители мощности для пар ОП1, ОП2 и ОП3, ОП4 одинаковы - произведем расчет для одной из них - ОП1, ОП2 U Рассчитываем сопротивление R51 т.к то Iб 30 1мА Uст 13,5В, Iст 1мА. Подбираем стабилитрон по минимальному току - Рассчитываем сопротивление R32 4. Расчет силовой части. 4.1 Выбор транзисторов.

Транзисторы выбираются исходя из значения максимального напряжения и тока поступающих на них. Транзистор должен выдерживать напряжение равное 2Uпит 54В Сигнал, поступающий с компаратора преобразуется в последовательность импульсов изменяемой длительности.Для управления двигателем по обмотке якоря используются транзисторы марки КТ 819 В. Так как в силовом каскаде нужно придерживаться строгого значения КПД транзисторы запараллеливаются. 3.1.1 Расчет составного транзистора.

Uп 27 В 0,99 Im 30 А In 10 А 1. Отбор транзисторов по максимальному напряжению.Uкп 272 54 В Выбираем транзистор КТ819В. 3.1.2 Определение количества транзисторов по максимальному току где n - количество транзисторов в силовом ключе Im - максимальный ток Ini - коллекторный ток одного транзистора из группы 3.1.3 Напряжение коллектор-эмитер в режиме насыщения 0,18 В Iк3,33А. 3.1.4 Потребное значение напряжения насыщения Uкэн 1- Uп 270,01 0,27 В имеющегося 0,18В. Имеем КПД 99,993. Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ819В Iк 3,33А, DI 9,85, DU 0,89, R DUDI 0,9Ом для Iк3,33 Iбэ . Общий базовый ток Iбэ 3Iбэ Исходя из общего тока базы выберем в качестве питающего транзистора, транзистор КТ817В. Этот транзистор имеет ток коллектора Iк достаточный для запитки базы силовых транзисторов КТ819В и рабочее напряжение до 60В. Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ817В 4.2 Оптопары, диоды.

Оптопары.

Исходя из величины тока базы Iбазы выбираем оптопару АОТ 110А. Диоды. Выбираем 2 диода серии КД519А.