скачать doc
Министерство Путей Сообщения Российской Федерации
Московский Государственный университет
Путей Сообщения (МИИТ)
Курсовой проект
по дисциплине
«Электромеханические системы»
Двухканальная электромеханическая следящая система с исполнительным двигателем постоянного тока
Выполнил
студент группы АУИ-312
Садеков Р.С.
Проверил
Давыдюк В. Б.
Москва 2000
Содержание
1. Цель и задачи курсового проектирования 3
2. Исходные данные 3
3. Выбор типовых элементов системы 5
3.1. Выбор исполнительного двигателя 5
3.2. Выбор тахогенератора 6
3.3. Выбор сельсинов точного и грубого отсчетов 6
4. Определение передаточного отношения силового редуктора 6
5. Передаточные функции элементов системы 7
7. Характеристики системы 10
6. Принципиальная схема 11
Приложение 11
Список использованной литературы 13
1. Цель и задачи курсового проектирования
В системах автоматического управления технологическими процессами широко применяются электромеханические системы. Почти две трети всей энергии, вырабатываемой электрическими станциями, преобразуется в механическую электромеханическими системами.
Для обеспечения высоких технико-экономических показателей проектируемой системы необходимо выбрать структуру системы, элементы, входящие в нее, таким образом, чтобы они функционировали в оптимальном режиме.
Задачей курсового проектирования является использование студентами сведений и данных, содержащихся в научно-технической и справочной литературе. Итогом работы над курсовым проектом должно быть решение, основанное на использовании современной элементной базы и отвечающее требованиям технического прогресса.
2. Исходные данные
Тема
Двухканальная электромеханическая следящая система с исполнительным двигателем постоянного тока
Исходные данные
M0 = 35,5 [н∙м] – статический момент нагрузки;
I0 = 4,35 [кг∙м2] – момент инерции нагрузки;
0 = 0,9 [рад/с] – максимальная скорость;
0 = 6,8 [рад/с2] – максимальное ускорение;
= 5 [угл.мин] – погрешность воспроизведения угла (не более);
Тип УМ тиристорный усилитель.
блок-схема системы приведена на рис. 2.1.
Задание
Выбрать типовые элементы ЭМС (ИД, ТГ, сельсины ТО и ГО), рассчитать и построить механические и регулировочные характеристики привода.
Определить передаточные отношения силового редуктора РС и редукторов РД и РП между сельсинами ТО и ГО на задающей и приемной оси.
Рассчитать передаточные числа РС, обеспечивающие максимальный момент и скорость двигателя.
Определить коэффициенты усиления УМ, ФЧУ, ПУ, СУ, ТГ.
Вывести передаточные функции элементов системы и разработать структурную схему всей системы.
Рассчитать и построить для разомкнутой системы график разгона системы до максимальной скорости, график изменения во времени угла поворота объекта.
Разработать принципиальную электрическую схему и описать принцип действия системы.
Рис. 2.1. Блок-схема системы.
СД–ГО, СД–ТО – сельсин-датчик грубого и точного отсчетов;
СП–ГО, СП–ТО – сельсин-приемник грубого и точного отсчетов;
ПУ – предварительный усилитель;
СУ – синхронизирующее устройство;
ФЧУ – фазочувствительный усилитель;
ТУ – тиристорный усилитель;
ТГ – тахогенератор;
ИД – исполнительный двигатель;
РС – силовой редуктор;
О – объект.
3. Выбор типовых элементов системы
3.1. Выбор исполнительного двигателя
Исполнительный двигатель является ключевым элементом электромеханической системы (ЭМС). Выбор мощности двигателя производится исходя из необходимости обеспечения заданной работы при условии нормального температурного режима и допустимых механических перегрузок. Затем производится уточненная проверка динамических возможностей и энергетических характеристик самого привода.
Рассчитаем мощность исполнительного двигателя постоянного тока:
где
– максимальная скорость привода [рад/с];КР = (1
2) – коэффициент запаса по мощности;ηМ = (2,5
3) – коэффициент перегрузки двигателя по моменту.По приложению [3] выберем
Двигатель СЛ – 321.
Технические данные:
Мощность РНОМ = 38 Вт;
Напряжение UЯНОМ = 110 В;
Скорость вращения ΩНОМ = 3000 об/мин = 314 рад/с;
Ток якоря IЯНОМ = 0,7 А;
Момент инерции якоря JД = 0,6·10-4 кгм2;
RЯ = 25,8 Ом;
LЯ = 0,91·10-2 Гн;
UВ = 110 В;
IВ = 0,11 А.
Проверим основные параметры выбранного двигателя:
По ускорению нагрузки:
, где
244 234 условие выполняется.
По моменту:
где 
0,16482 35,5 условие выполняется.
Выбор тахогенератора
Так как исполнительный двигатель постоянного тока, то целесообразно выбрать тахогенератор постоянного тока, у которого номинальная скорость вращения не меньше номинальной скорости вращения исполнительного двигателя. Исходя из этих соображений по приложению [13] выбираем:
Тахогенератор СЛ – 161.
Технические данные:
Напряжение UОВ = 110 В;
Ток IОВ = 0,05 А;
Крутизна = 0,02 В/об/мин;
Максимальный ток нагревания IН = 0,1 А;
Сопротивление обмотки якоря RЯ = 170 Ом;
Момент инерции якоря JЯ = 0,52·10-5 кг·м2;
Индуктивность обмотки якоря LЯ = 1,2 Гн;
Максимальная скорость якоря ΩНОМ = 3500 об/мин = 366,5 рад/с.
Выбор сельсинов точного и грубого отсчетов
Для повышения точности передачи угла применяют двухканальные системы, состоящие из каналов грубого (ГО) и точного (ТО) отсчетов.
Для заданной погрешности:
Δθ = 5/60 = 0,08333=.
По приложению [10] выберем
Контактные сельсины ДИ – 404 и СС – 404.
Технические данные:
Частота питания f = 50 Гц;
Напряжение питания U = 110 B;
Ток возбуждения IB = 0,42 A;
Вторичное напряжение UВТОР = 49 В;
Момент трения = 0,075 Н·см = 7,5·10-4 Н·м;
Скорость вращения Ω = 500 об/мин = 52,36 рад/с.
Порядок точности I, максимальный угол рассогласования 0,75
Определение передаточного отношения
силового редуктора
Общее передаточное отношение редуктора рассчитывается, исходя из заданной максимальной скорости нагрузки ΩО и номинальной скорости исполнительного двигателя ΩНД:
.Это значение должно удовлетворять следующему условию:
0,121 0,076275 0,096615; условие выполняется.
Определим число n кинематических пар редуктора из условия:
т.е. получаем 4 кинематические пары редуктора.
Определим передаточное отношение РД и РП между сельсинами ТО и ГО на задающей и приемной оси. Выберем сельсины 1-го класса точности; для заданного класса точности погрешность передачи угла составляет 0,25. Заданная погрешность 0,08333. Определим передаточное отношение РД и РП:
iД = 0,25/0,08333 = 3.
iП = 0,75/0,08333 = 9.
n = iД ∙ iП = 3∙9 = 27.
Расчет оптимальных передаточных чисел по ускорению и моменту
По ускорению:
По моменту:
5. Передаточные функции элементов системы
Выбор коэффициентов усиления
Сельсины
коэффициент усиления синхронизирующего устройства
Выберем равным 1
коэффициент усиления предваительного усилителя
Поскольку на сельсинах выходное напряжение достаточно большое (49В), то предваритеьный усилитель можно не ставить
коэффициент усиления фазочувствительного усилителя
Рассчитаем KФЧУ как преобразователя сигнала с сельсинов на ТУ:
коэффициент усиления тиристорного усилителя
Тиристорный усилитель подает на исполнительный двигатель постоянного тока сигнал, который формируется в зависимости от ширины управляющего сигнала запуска на входе тиристорного усилителя. Таким образом, тиристорный усилитель управляет двигателем при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом необходимо менять напряжение возбуждения двигателя от 0 до значения UЯНОМ.
Отметим, что поскольку тиристорный усилитель работает в режиме ключа, то коэффициентом усиления можно считать отношение номинального напряжения на якоре двигателя к напряжению отпирания тиристора, которое должно совпадать с напряжением, возникающим при перемещении 2,5.
Рис. 5.1.1. ШИМ на входе ТУ Рис. 5.1.2. Зависимость UЯ СР от скважности ШИМ.
Сигнал ШИМ определяется скважностью
При этом среднее значение напряжения на якоре UЯ СР должно колебаться от 0 до UЯНОМ . Для этого UЯ СР обязано удовлетворять условию
При этом скорость двигателя будет изменяться по закону (механическая характеристика)
Таким образом, выбираем тиристор КУ102В.
В открытом состоянии на тиристор будет влиять напряжение на якоре двигателя. Максимальное напряжение на тиристоре допустимо в размере 150В 110В.
Отпирающее напряжение управления равно 7В.
Проверим соответствие найденных коэффициентов усиления общему коэффициенту. Учтем, что при срабатывании ТУ его усиление равно отношению напряжения питания ОВ к напряжению отпирания тиристора:
коэффициент усиления тахогенератора определяется крутизной его характеристики:
5.2. Передаточные функции
Исполнительный двигатель
Редуктор
Рассчитаем частоту генератора пилообразного напряжения для формирования ШИМ. Нам требуется такой генератор, который бы обеспечивал длину импульса, необходимую для наведения на якоре двигателя номинальное напряжение. Эта длина равна электрической постоянной якоря:
Рассчитанная частота частота генератора пилообразного напряжения, формирующего ШИМ, т.е. время, необходимое для реакции на минимальное перемещение.
5.3. Структурная схема системы.
Передаточная функция системы
Установившееся значение скорости при подаче минимального перемещения равно 0,05439, что меньше номинального. Поэтому необходимо ослабить влияние обратной связи (тахогенератора). Поставим делитель напряжения:
Тогда передаточная функция системы:
6. Построение характеристик системы
6.1. Построение графика разгона системы до максимальной скорости
6.2. Построение графика изменения во времени угла поворота объекта
7. Принципиальная схема системы
Принципиальная схема системы включает в себя двухканальную следящую систему сельсинов, устройство синхронизации, фазочувствительный усилитель и тиристорный усилители, исполнительный двигатель постоянного тока, тахогенератор в цепи отрицательной обратной связи.
Двухканальная система сельсинов имеет каналы точного (ТО) и грубого (ГО) отсчетов. При подаче на вход системы задающего угла сначала отрабатывается угол из канала ГО, а затем на канале ТО до заданной точности.
Коммутация каналов осуществляется с помощью устройства синхронизации, построенного на диодах. Угол, преобразованный в напряжение на двухканальной системе сельсинов, работающих в трансформаторном режиме, подается на фазочувствительный усилитель, который, в зависимости от амплитуды и фазы напряжения, на выходе выдает напряжение соответствующей полярности. На приведенной схеме фазочувствительный усилитель выполнен на операционном усилителе с двухтактным транзисторным каскадом.
Затем напряжение поступает на вход усилителя мощности, к выходу которого подключен исполнительный двигатель. На вход УМ подается и напряжение с тахогенератора с учетом того, что ТГ – элемент отрицательной обратной связи. Усилитель мощности представляет собой тиристорный усилитель, подающий на двигатель номинальное напряжение в течение определенного периода времени.
Приложение
Механическая характеристика исполнительного двигателя
Пусковой момент:
Скорость холостого хода:
Регулировочная характеристика исполнительного двигателя
Напряжение трогания:
Схема силового редуктора
Список использованной литературы
Давыдюк В. Б. Электромеханические системы. Методические указания к курсовому проектированию. – М., Типография МИИТ, 1998.
Волков Н. И., Миловзоров В. П. Электромашинные устройства автоматики. М., Высшая школа, 1986.
Рабинович Л. В. и др. Проектирование следящих систем. М., Машиностроение, 1969.
Башарин А. В. и др. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. Л., Энергия, 1972.