Дипломная (вкр): Микропроцессорное устройство управления скоростью и нагружением обкаточного испытательного стенда

Тогда при питании статорных обмоток от источника напряжения получим:

,

,                                               (2.19)

,

.

Существенной особенностью этой математической модели является то обстоятельство, что угловая скорость вращения системы координат зависит от значений переменных состояния машины и определяется из четвертого уравнения системы (2.19).

                                                  (2.20)

Структура АКЗ во вращающейся системе координат совмещенной с потокосцеплением ротора и управлением от источников напряжения показана на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Структурная схема асинхронной машины с короткозамкнутым ротором во вращающейся системе координат при питании от источника напряжения с базовым вектором потокосцепления ротора

При питании статорных обмоток от источников тока уравнения (2.19) преобразуются к виду:

,

,                                                                      (2.21)

,

.

Структура АКЗ во вращающейся системе координат совмещенной с потокосцеплением ротора и управлением от источников тока показана на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Структурная схема асинхронной машины с короткозамкнутым ротором во вращающейся системе координат при питании от источника тока с базовым вектором потокосцепления ротора

Можно заметить, что при постоянном сигнале  электромагнитный момент машины определится только составляющей тока статора . В этом случае структура АКЗ повторяет структуру двигателя постоянного тока при управлении по цепи якоря.

Математическое описание АКЗ во вращающейся системе координат совмещенной с потокосцеплением ротора, как при питании АКЗ от источника напряжения, так и при питании АКЗ от источника тока, является основой для синтеза асинхронных систем с векторным управлением.

2.4 Структурные модели замкнутых асинхронных систем с векторным управлением

Математическое описание и структурная схема АКЗ при его питании от источника напряжения для случая, когда базовым вектором является вектор потокосцепления ротора, приведены выше (уравнения 2.19, 2.20, рисунок 2.8). В этом случае, как это видно из структурной схемы (рисунок 2.8), АКЗ, как объект управления, имеет два взаимосвязанных канала. Канал по составляющей x, определяющий потокосцепление ротора и канал по составляющей y, определяющий составляющую тока . Если организовать управление так, чтобы на выходе канала x поддерживать постоянный сигнал, то потокосцепление ротора будет постоянным, а сигнал в канале y будет определять момент. В этом случае структурная схема АКЗ повторяет структурную схему ДПТ. Для такой реализации необходимо в канале x синтезировать регулятор потокосцепления, на входе которого поддерживать постоянный сигнал, а в канале y синтезировать регуляторы тока и скорости.

Структурная схема замкнутой частотной системы с векторным управлением показана на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Структурная схема замкнутой асинхронной системы с векторным управлением

В канале регулирования потокосцепления ротора, как правило, , поэтому в качестве регулятора потокосцепления целесообразно выбрать ПИ - регулятор с передаточной функцией , тогда для реализации в этом канале оптимума по модулю коэффициент усиления регулятора рассчитывается из условия:

                                                   (2.22)

Рассчитанный таким образом ПИ - регулятор компенсирует перекрестные связи в канале x.

Для компенсации влияния перекрестных связей в канале y следует также выбрать ПИ -регулятор с передаточной функцией .

Тогда передаточная функция замкнутого токового контура в канале y будет равна:

 при .                                            (2.23)

При компенсированных перекрестных связях канал y, отвечающий за момент, полностью аналогичен системе постоянного тока. Для придания этой системе астатизма по скорости необходимо выбрать ПИ - регулятор скорости с передаточной функцией

                                                                 (2.24)

Тогда передаточная функция системы по возмущению будет равна

 при  (2.25)

Провал скорости при приложении момента определится из выражения:

,                                                (2.26)

что может быть определяющим в выборе коэффициента усиления регулятора скорости.

Модель асинхронной мехатронной системы вместе с регуляторами скорости и потока, рассчитанными в соответствии с вышеизложенным представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11- Модель асинхронной векторной системы

На рисунках 2.12, 2.13 показаны результаты моделирования системы при различных сигналах управления.

Рисунок 2.12 - Переходные процессы при сигнале управления w = 120 рад/с

Рисунок 2.13 - Переходные процессы при изменении сигнала управления w = 60 рад/с и w = 150 рад/с

2.5 Выводы по главе

В данной главе приведено математическое обоснование асинхронного электродвигателя. Исследовано на моделях поведение АКЗ при анализе в различных системах координат (неподвижная, вращающаяся), а так же при питании от источников напряжения и тока.

Была построена и промоделирована математическая модель замкнутой асинхронной системы с векторным управлением, при питании от источника напряжения и различных управляющих сигналах. В математическую модель изначально заложены все необходимые преобразования:

·      преобразование системы координат;

·        ориентация системы координат по оси потокосцепления ротора;

Таким образом, рассмотрев модель векторного управления, можно сделать вывод, что данный способ управления полностью удовлетворяет требованиям системы регулирования асинхронного электродвигателя, отвечающего за управление скоростью вращения пневматической шины: плавный пуск, останов и высокую точность регулирования скорости вращения двигателя.

3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ И НАГРУЖЕНИЕМ

3.1 Структурная схема системы управления стендом

Для данного стенда динамических испытаний пневматических шин предлагается следующая структурная схема управления скоростью и нагружением.

Структурная схема управления скоростью и нагружением стенда ускоренных испытаний изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Структурная схема управления скоростью и нагружением стенда ускоренных испытаний

На рисунке 3.1 изображены следующие функциональные блоки:

- блок силового воздействия на испытываемую пневматическую шину, приводимый во вращательное движение, за счет силы трения. Линейное перемещение осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма через редуктор шагового двигателя;

- барабан для испытываемой пневматической шины;

АД1 - Асинхронный двигатель, управляющий скоростью вращения пневматической шины;

АД2 - Асинхронный двигатель, управляющий скоростной ударной нагрузкой на исследуемую шину.

ШД - Шаговый двигатель, управляющий силовой нагрузкой блока 1;

РД - Редуктор;

МК1, МК2 и МК3 - микроконтроллеры управляющие АД1, АД2 и ШГ по выбранным законам управления.

ЭВМ - пульт задания режимов испытаний, программно-реализованный на персональном компьютере.

3.2 Функциональная схема управления скоростью

Следует отметить, что функциональные схемы устройств управления скоростью вращения АД1 и АД2 идентичны. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрена схема управления асинхронным двигателем мощностью 15КВт (АД1), управляющим обкаточным барабаном 2. Для получения наилучших характеристик скорости вместо зубчатой передачи предлагается прямое соединение вала двигателя с обкаточным барабаном. Для управления скоростью вращения АД2 предлагается принципиальная схема, разработанная для управления АД1. Мощность асинхронного двигателя АД2 составляет 3КВт, поэтому в принципиальной схеме присутствует запас по мощности, пусковым и рабочим токам. Это позволяет оставить запас на дальнейшую модернизацию данного стенда, путем внедрения более мощного двигателя, вплоть до 15КВт. Для этого достаточно просто изменить константы, отвечающие за характеристики двигателя и параметры ПИД регуляторов в управляющей программе микроконтроллера (МК2).

Для реализации поставленных задач управления скоростью функциональная схема устройства выглядит следующим образом:

Рисунок 3.2 - Функциональная схема системы управления скоростью вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

На рисунке 3.2 приведена функциональная схема системы управления скоростью вращения АКЗ, где представлены следующие блоки: PC - ЭВМ; RS232 - драйвер протокола передачи данных RS232; МК1(МК2) - специализированный микроконтроллер для управления двигателями; ГР - гальваническая развязка; трехфазный инвертор напряжения, построенный на IGBT-транзисторах; АКЗ - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; ДТ - датчики тока фазы А и B; ДС - датчик угловой скорости вращения (энкодер), установленный на валу двигателя.

Сигнал о требуемой скорости вращения через интерфейс RS232 поступают в микроконтроллер, который выполняет все необходимые преобразования для векторного управления. Частота вращения согласно техническому заданию находится в пределах 1000 - 6000 об/мин. Сигнал об аварийном отключении поступает от микроконтроллера управляющего нагружением.

У привода стенда с микроконтроллером есть обратная связь, в виде датчиков угловой скорости и датчиков тока фаз A и B.

3.3 Принципиальная схема устройства управления скоростью

.3.1 Выбор измерительных датчиков для системы управления скоростью

В данном дипломной проекте для получения информации о значениях токов фаз используются датчики на эффекте Холла фирмы Honeywell. Из множества существующих методов измерения тока, только три из них объединяет низкая стоимость и массовое производство: резистивный, на основе токового трансформатора и на основе эффекта Холла. Другие методы находят применение лишь в дорогостоящем лабораторном оборудовании.

Резистивный метод с использованием токового шунта является очень распространенным и недорогим. Однако ему свойственны два недостатка: поглощение мощности и, соответственно, нагрев и отсутствие электрической изоляции. Вместе с этим индуктивность большинства мощных резисторов ограничивает частотный диапазон. Низко индуктивные мощные шунты для ВЧ-приложений более дорогие, но и позволяют работать в диапазоне выше 500 кГц.

Датчики тока <#"867647.files/image132.gif">

Рисунок 3.3 - Датчик тока фирмы Honewell

Рисунок 3.4 - Зависимость выходного напряжения от измерения тока

В качестве датчика угловой скорости используется инкрементальный энкодер E3 фирмы US DIGITAL. Инкрементальные энкодеры предназначены для определения скорости вращения различных валов. Оси вала и энкодера соединяют механически либо при помощи гибкой переходной муфты, либо при помощи жесткой втулки, либо энкодер сажают непосредственно на вал, если ось энкодера полая. В первом случае корпус энкодера жестко соединяют с корпусом механизма, а несоосность и биения компенсируются деформацией гибкой втулки. В двух других случаях при помощи штифта корпуса энкодера и механизма фиксируют от проворачивания друг относительно друга. Внутри энкодера жестко с валом закреплен стеклянный диск с темными рисками. Источник света и фотоприемник расположены по разные стороны от диска. Количество света, приходящего на фотоприемник, меняется в зависимости от положения рисок. Электронная плата преобразует сигнал с фотоприемника в дискретный выходной сигнал. Количество импульсов сигнала на один оборот вала совпадает с количеством рисок на диске инкрементального энкодера. Энкодеры с питанием 5В имеют изолированные друг от друга выходы, а уровни сигналов совместимы с TTL.

Энкодер E3 имеет следующие свойства:

·      Быстрота, легкость сборки и разборки;

·        малые габариты;

·        64 - 2500 тактов за оборот (CPR);

·        256 - 10.000 импульсов за оборот (PPR);

·        2 канала квадратурных ТТЛ-совместимых выхода;

·        дополнительный индекс (3-й канал, единичный импульс за оборот);

·        рабочая температура от -40 °С до +100 °С.

Максимальное число оборотов в минуту при различных значениях CPR:

CPR = 2500, максимальные об/мин = 2400;

CPR = 1000, максимальные об/мин = 6000;

CPR = 64, максимальные об/мин = 60000.

Внешний вид данного энкодера представлен на рисунке 3.5.

Данный энкодер имеет 5 выводов, представленных в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Выводы энкодера E3

Рисунок 3.5 - Внешний вид датчика угловой скорости

Компания Microchip рекомендует использовать со своими микроконтроллерами энкодеры фирмы U.S. Digital. В данном дипломном проекте выберем модель E3-1000-1000-IHT (СPR = 1000).

3.3.2 Выбор микроконтроллера для реализации векторного управления АД

Для создания гибкой системы управления микроконтроллер (микропроцессор) должен содержать:

·      модуль управления электроприводами (3…6 каналов ШИМ) с блоком Dead-Band, защищающим силовые полупроводники путем исключения протекания сквозных токов при переключении;

·        таймер, работающий в «квадратурном» режиме, для приема сигналов от датчика положения (энкодера);

Для реализации векторного управления необходимо, чтобы АЦП имел как минимум два независимых (не мультиплексированных) канала для измерения токов в фазах АД.

Таким образом, полноценные системы векторного управления приводами переменного тока требуют для своей реализации высокопроизводительный микроконтроллер с широким набором перечисленных выше встроенных периферийных устройств, допускающих совместную работу и требующих от центрального процессора минимальных ресурсов на свое обслуживание.[6]

Всем пунктам удовлетворяет микроконтроллер фирмы Microchip - dsPIC30F2010.

Компания Microchip с 2004 года начала выпуск нового семейства 16-ти разрядных Flash микроконтроллеров с поддержкой команд цифровой обработки сигналов dsPIC30F. Высокое быстродействие в 30 MIPS (миллионов операций в секунду) и эффективная система команд позволяет использовать контроллеры в сложных системах реального времени.

Ядро dsPIC30F построено по 16-ти разрядной модифицированной Гарвардской архитектуре с расширенной системой команд, включающей специфические команды поддержки цифровой обработки сигналов (DSP). Инструкции процессорного ядра являются 24-разрядными и выполняются за один машинный цикл (4 периода тактовой частоты), за исключением команд деления, переходов, команд пересылки данных из регистра в регистр и табличных команд. Разрядность программного счетчика (24 бита) позволяет адресовать до 4М слов программной памяти (4М*24бит).