Составление структурной схемы исполнительной системы, расчет параметров. Выбор структуры преобразователя

Исходные данные для курсовой работы

 

Параметр	Значение
Постоянная времени  тиристорного преобразователя TП	0,01 с
Ограничение для аналогового  регулятора скорости	10 В
Ограничение для цифрового  регулятора скорости	2n -100
Постоянная времени  якорной цепи двигателя TЯ	0,023 с
Механическая постоянная времени двигателя TМ	0,06 с
Номинальное напряжение якоря UЯН	660 В
Номинальный ток якоря IЯН	160 А
Номинальная угловая  скорость вращения двигателя ωН	210 рад/с
Напряжение задания UЗ	5 В

 

Содержание:

 

Введение…………………………………………………………………..3 стр.

 

1. Составление структурной схемы исполнительной системы, расчет параметров. Выбор структуры преобразователя ……………………….4 стр.

 

2. Построение блока сбора данных. Выбор датчиков. Потенциальное разделение. Структура аналогового ввода. Нормализация сигналов. Аналоговая фильтрация. УВХ. АЦП………………………………………………….6 стр.

 

3. Ввод импульсных сигналов. Подсчет скорости. Расчет обратных связей блока сбора данных на уровне цифровых кодов………………………………12 стр.

 

4. Блок обработки данных. Аналоговый прототип. Синтез аналоговых регуляторов………………………………………………………………..14 стр.

 

5. Дискретизация аналоговых прототипов регуляторов. Перерасчет входов и выходов в цифровые эквиваленты. Согласование с выходом исполнительной системы…………………………………………………………………….19 стр.

 

6. Ограничение тока (выходного сигнала регулятора скорости). Задатчик интенсивности процессов разгона исполнительной системы………….21 стр.

 

7. Моделирование системы в среде Matlab. Исследование переходных процессов в аналоговом и дискретных вариантах……………………….23 стр.

 

8. Разработка алгоритмов регуляторов……………………………………26стр.

 

9. Разработка программы регуляторов. Построение рабочей структуры микроконтроллерной системы сбора, обработки данных, формирования управляющих воздействий…………………………………………………28 стр.

 

Заключение…………………………………………………………………..33 стр.

 

Список литературы………………………………………………………….34 стр.

 

 

Введение.

 

В последние десятилетия  произошел существенный подъем в  области цифровых и дискретных систем управления. Их популярность объясняется тем, что за последние годы характеристики интегральных схем улучшались, в частности их размеры, способы производства, цена, разрядность и частота.

Во многих современных  системах управления используются дискретные и цифровые элементы и микропроцессоры. Некоторые из преимуществ импульсных и цифровых систем заключается  следующем: повышенная чувствительность, большая надежность, отсутствие дрейфа, высокая устойчивость к шумам и возмущениям, возможность быстрого и легкого сопряжения с другими цифровыми и дискретными устройствами, малые габариты и масса, малая стоимость, удобство управления и обслуживания.

Самым основным преимуществом цифровых систем является возможность быстрого изменения алгоритма их работы, изменяя  только их программную часть. Программа цифрового регулятора может быть изменена в соответствии с требованиями проектировщиков или приспособлена к характеристикам объекта без каких-либо изменений в аппаратной части регулятора. Эти и другие преимущества дискретных систем склоняют выбор проектировщиков к выбору цифровых регуляторов.

 

 

1. Составление структурной схемы исполнительной системы, расчет параметров. Выбор структуры преобразователя.

 

Структурная схема исполнительной системы выглядит следующим образом (Рис. 1):

Рисунок 1. Структура исполнительной системы

 

Где - активное сопротивления якоря двигателя.

- механическая постоянная двигателя.

 

2. Построение блока сбора данных. Выбор датчиков. Потенциальное разделение. Структура аналогового ввода. Нормализация сигналов. Аналоговая фильтрация. УВХ. АЦП.

 

В качестве датчика тока выберем датчик типа LT 200-S с номинальным входным током 200 А.

Конструкция этого датчика  включает в себя магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла и электронную плату обработки сигналов (Рис.2). Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода и соединен с входом электронного усилителя.

Рисунок 2. Пояснение работы датчика на эффекте Холла

При протекании измеряемого  тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в последнем наводится поток магнитной индукции. Датчик Холла, реагирующий на возникшее магнитное поле, вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенного потока магнитной индукции. Выходной сигнал с датчика усиливается электронным усилителем и подается в компенсационную обмотку. В результате, по обмотке течет компенсационный ток, пропорциональный измеряемому току по величине и соответствующий ему по форме. Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле измеряемого тока, и датчик Холла работает как нуль-орган. При этом полоса частот, пропускаемая таким датчиком тока, составляет от 0 Гц (постоянный ток) до 150 кГц.

На выходе датчика  необходимо установить фильтр нижних частот для устранения шумов. Технические  характеристики датчика тока приведены  в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики датчика тока LTS 6-NP

Номинальный входной  ток, А	Точность, % к Iвх	Диапазон преобразования	Выходной сигнал	Рабочая частота, кГц	Напряжение питания, В	Потребляемый ток, мА	Наружные размеры, мм
±200	± 0,5	0±500	100 mA	0..150	±12…18	28+Is	93x50x52

 

В качестве датчика скорости выберем фотоимпульсный датчик A58-F с выходным сигналом прямоугольной формы типа ТТЛ, имеющий разрешение 3600 импульсов на оборот и возможность определения направления вращения вала двигателя. Технические характеристики выбранного датчика скорости приведены в таблице 2.

 

Таблица 2. Технические характеристики датчика скорости A58-F

Разрешение импул./оборот	3600
Напряжение питания (Uп), В	+5В ± 5%; +(10...30)В ± 5%
Макс. потребляемый ток (без  нагрузки), мА	120
Источник света	Светодиод
Информационные сигналы	Прямоугольные U1, U2 и инверсные им U1, U2 с уровнями при токе нагрузки 20 мА: лог. 0 ≤ 0,5 В лог. 1 ≥ 2,4 В лог. 0 ≤ 1,5 В лог. 1 ≥ (Uп-2) В
Сигнал начала отсчета	1 прямоугольный U0 и инверсный ему U0 на оборот вала с уровнями при токе нагрузки 20 мА: лог. 0 ≤ 0,5 В лог. 1 ≥ 2,4 В лог. 0 ≤ 1,5 В лог. 1 ≥ (Uп-2) В
Макс. частота сигналов, кГц	160
Направление следования сигналов	U1 опережаетU2 (при вращении вала по часовой стрелке смотря со стороны вала)
Макс. длительность фронта и среза сигналов, мкс	<0,5
Стандартная длина кабеля, м	1, без разъёма
Диаметр кабеля, мм	6
Макс. длина кабеля, м	30

 

Принцип работы датчика  следующий. Постоянно работающий светодиод  СВД освещает некоторую область  кодирующего диска КД, имеющего два  ряда окон, расположенных концентрически и охватывающих всю длину окружности диска, а также окно в третьем ряду, одно на оборот (Рис. 3). Вал двигателя ВД жестко связан с этим диском и однозначно задает скорость его вращения. Вследствие вращения диска на светочувствительный импульсный элемент ИЭ падает три прерывистых световых луча. На выходе импульсного элемента образуется три последовательности импульсов: Ф1 и Ф2, сдвинутые друг относительно друга по фазе на угол 45°, и Ф3, один импульс на оборот (Рис.3). При вращении вала двигателя в различных направлениях порядок следования пар импульсов будет различным (см. таблицу 3). Подсчет импульсов производится с помощью счетчика, встроенного в контроллер. Определение направления вращения производится программным путем. Достоинство данного датчика состоит в том, что выходные сигналы датчика нормированы к уровню ТТЛ и нет необходимости применять дополнительное потенциальное разделение силовой цепи и цепи контроля датчика.

Рисунок 3. Упрощенная схема кодирующего диска

 

Так как в выбранных  датчиках тока и скорости уже имеется встроенное потенциальное разделение, то необходимость в потенциальном разделении отпадает.

Рисунок 4. Структура системы сбора данных в системе управления электроприводом

 

Обозначения на схеме (Рис. 4):

U_з – напряжение задания;

-I_с – статический ток якоря двигателя;

сФ – противо-ЭДС двигателя;

ω – угловая скорость вращения вала двигателя;

ЦРС – цифровой регулятор скорости;

ЦРТ – цифровой регулятор тока;

ТП – тиристорный преобразователь;

ЯЧД – якорная часть двигателя;

МЧД – механическая часть двигателя;

НС – нормализатор сигнала датчика;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

УВХ – устройство выборки и хранения;

ДТ – датчик тока;

ДС – датчик скорости;

СЧ – счетчик.

Аналоговый фильтр устанавливается  в цепи контроля датчика тока и служит для устранения шумов датчика. Так как управляемым является ток якоря двигателя постоянного тока, фильтр нужно выбрать так, чтобы можно было регистрировать не только постоянный статический ток, но и переходный ток, величина которого меняется со временем. Частота изменения постоянного тока равна нулю. Диапазон частот переходного тока – от 0 до 1000 Гц. Таким образом, необходимо установить фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза 1000 Гц.

Фильтр построим на основе операционного  усилителя (ОУ), который будет выполнять функции согласования выходного сигнала датчика со входом АЦП (нормализатора). Принципиальная электрическая схема выбранного фильтра приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема активного фильтра низких частот.

 

При выборе АЦП важны  такие его параметры, как максимальное и минимальное входное напряжение и разрядность. АЦП входит в состав контроллера, его разрядность n равна 16. Входное напряжение АЦП лежит в пределах В.

Нормализация сигналов датчиков подразумевает согласование выходного сигнала датчика или фильтра сигнала датчика с входом аналого-цифрового преобразователя. Выходной сигнал датчика скорости уже нормализован поэтому требуется нормализовать только выходной сигнал датчика тока.

Нормализатором сигнала датчика тока в нашем случае является ОУ входящий в состав активного фильтра низких частот. Так как максимальное по модулю входное напряжение АЦП равно 2,4 В, а максимальное входное напряжение датчика рано ±5 В, коэффициент передачи ОУ составит:

Передаточная функция  фильтра будет иметь следующий  вид:

Устройство выборки  и хранения (УВХ) входит в структуру  АЦП. Поэтому нет необходимости  в его отдельном выборе.

 

3. Ввод импульсных сигналов. Подсчет скорости. Расчет обратных связей блока сбора данных на уровне цифровых кодов.

Для подсчета скорости применим схему, изображенную на рисунке 8.

Рисунок 6. Структурная схема блока подсчета скорости вращения двигателя

 

На рисунке 6 изображена схема подсчета скорости вращения двигателя. Схема состоит из блока удвоения частоты (пунктирная линия), триггера, по данным которого определяем направление вращения двигателя и непосредственно счетчика, который кодирует количество импульсов пришедших к нему на вход «С» в двоичный код. Для пояснения работы схемы изображенной на рисунке 6 изобразим временные диаграммы потоков импульсов обозначенных на рисунке 6 как Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, Ф5, Ф6, Ф7. Временные диаграммы изображены на рисунке 7. 

Ф1, Ф2 и Ф3 импульсы получаемые непосредственно с датчика скорости, о порядке их возникновения можно судить по рисунку 3, где изображен кодирующий диск датчика скорости. Поток Ф4 выходит после логического блока удвоения частоты сигнала. Данная процедура необходима для увеличения точности подсчета скорости. Анализируя схему изображенную на рисунке 6 и диаграмму на рисунке 7 можно легко понять принцип ее работы. Поток импульсов Ф5 необходим для оценки направления движения двигателя. На рисунке 7 представлены диаграммы потока импульсов Ф5 в случаях движения двигателя вперед и назад. Анализируя эти диаграммы, видно, что движению вперед будет соответствовать логический нуль, а движению назад – логическая единица. Поток импульсов Ф6 соответствует потоку импульсов подаваемых с PPG0. Данный поток пройдя через реле будет иметь вид потока Ф7. Блок задержки на рисунке 6 нужен для того, чтобы при обнулении счетчика информацию еще можно было считать. Следует отметить, что время периода импульсов подаваемых с PPG0 намного превышает период импульсов с блока удвоения частоты. И поэтому за один период с PPG0 может пройти несколько периодов с блока удвоения частоты.