Реферат: Проектирование регулятора частоты вращения электродвигателя

Введение

Темой данного дипломногопроекта является проектирование «Регулятора частоты вращения коллекторногоэлектродвигателя», предназначенного для изменения и поддержания скорости изаданной частоты вращения коллекторного электродвигателя, с помощью микроконтроллера.

Регуляторычастоты входят в состав многих приводов,в частности бытовых электроприборов, с коллекторными электродвигателями споследовательным возбуждением. Для извлечения информации о величине частотывращения должен содержать цифровой индикатор.

Вданном дипломном

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1027 _x0000_s1028 _x0000_s1029 _x0000_s1030 _x0000_s1031 _x0000_s1032 _x0000_s1033 _x0000_s1034 _x0000_s1035 _x0000_s1036 _x0000_s1037 _x0000_s1038 _x0000_s1039 _x0000_s1040 _x0000_s1041 _x0000_s1042 _x0000_s1043 _x0000_s1044 _x0000_s1045"> проекте рассматривается регулятор частоты вращенияна базе микроконтроллера PIC 16F84 фирмы Microchip Technology.

Впредлагаемом устройстве использован импульсный метод регулирования напряжения вцепях переменного тока, получивший широкое распространение, в частности вэлектроприводе транспортных средств.

Возможностьмикроконтроллерного управления электроприводом в предлагаемом устройствереализует следующий набор выполняемых функций:

- регулирование частоты вращения изменениемкоэффициента заполнения К3 в интервале 0...100 % с шагом 2 %.Механическая характеристика электропривода (зависимость частоты вращения отмомента на валу) при этом мягкая: с ростом нагрузки частота вращенияснижается, что защищает электродвигатель и источник питания от перегрузок;

- поддержание заданной частоты вращения сточностью ±5 %, с использованием принципа замкнутого управления поотклонению: фактическое значение частоты вращения сравнивается с заданным, ипри наличии отклонения программно изменяется К3, до устранениявозникшего отклонения;

- изменение направления вращения вала (реверс)электродвигателя;

- формирование сигнала на включение тормозногоэлемента, при остановке привода;

- автоматическое отключение электродвигателя посигналам датчика аварийного режима (при использовании таковых), а также присбоях в выполнении программы;

- возможность управления двумяэлектродвигателями с временным сдвигом импульсов питающего напряжения;

- учет и хранение в энергонезависимой памяти МКинформации о суммарном времени работы привода;

- визуальная индикация выбранного алгоритмауправления (со стабилизацией частоты вращения или без нее) и направлениявращения, а также величин коэффициента заполнения, заданной и фактическойчастот вращения.

Примаксимальной простоте и дешевизне, этот регулятор отвечает всем требованиям,предъявляемым к устройствам подобного класса и может быть легко повторен даженачинающими моделистами. Таким образом спро

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085">ектированныйрегулятор частоты вращения имеет высокую надежность, в сочетании с довольно небольшими габаритами и весом, а так же технологичен с точки зрения производства.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1131 _x0000_s1132 _x0000_s1133 _x0000_s1134 _x0000_s1135 _x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144 _x0000_s1145 _x0000_s1146 _x0000_s1147 _x0000_s1148 _x0000_s1149 _x0000_s1150">1. Анализ технического задания

1.1Анализ возможных схем регуляторов частоты вращения

Преждечем анализировать схемы других регуляторов хода, хотелось бы выделить ряд достоинств схемы регулировки частотывращения, выбранного для данного дипломного проекта:

— возможность изменения программы, с помощью микроконтролера,на основе которого работает схема, МК PIC16F84 (DD1);

— возможность изменения направления вращения электродвигателя (реверс);

— аварийное выключение электродвигателя, при сбоях программы;

— визуальная индикация работы, благодаря цифрового индикатора АЛС318А (HG1).

Рассмотримсхему симисторного регулятора, представленного в журнале«Радио» №7 (2000).

Вданном случае нам предлагается использовать симисторныйрегулятор повышенной мощности. Схема его является довольно простой, но имеетряд недостатков перед схемой данного дипломного проекта. Привидемнекоторые из них:

— симистор следует размещать на теплоотводе,площадью не менее 300<img src="/cache/referats/25978/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

— так как симисторный регулятор создает радиопомехи,его рекомендуется хорошо экранировать и включать в сеть через фильтр;

— у данного симисторного регулятора высокое энергопотребление;

— так как у данного регулятора отсутствуют цифровые средства индикации, невозможнов полной мере оценить работу прибора;

Также в качестве сравнения возьмем схему, приведенную в журнале «Радио»№3 (2004).

Вданном номере журнала представлен регулятор-стабилизатор. Но данная схема также имеет ряд недостатков, перед схемой данного проекта, приведем некоторые изних:

— механическая связь валов тахогенератораи электродвигателя должна быть жесткой и без люфта, иначе система стабилизацииможет потерять устойчивость и возникнут незатухающие колебания частотывращения;

— следует очень тщательно выбирать тахогенератор, в противном случае при пробоеизоляции может выйти из строя регулятор частоты вращения;

— из-за отсутствия цифровых средств управления невозможно изменять алгоритмработы изделия.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1213 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1228 _x0000_s1229 _x0000_s1230">1.2 Назначение, техническиехарактеристики и область применения регулятора частоты вращения коллекторногоэлектродвигателя

Устройствопредназначено для автоматического регулирования частоты вращения коллекторногоэлектродвигателя с последовательным возбуждением. Регулятор является универсальнымс возможностью настройки на управление различными вариантами электроприводовили других нагрузок изменением записанной в памяти микроконтроллера программы.

Устройствоимеет следующие технические характеристики:

-напряжение питания – 7…10В;

-средний ток потребления не более 10мА;

-ток отпирания – 1,4мА;

-время срабатывания – 5,5мс;

-время отпирания – 25мс.

Эксплуатационныехарактеристики:

-условия эксплуатации – нормальные;

-установка – стационарная;

— перваягруппа для бытовой РЭА.

Конструктивныехарактеристики:

-конструкция блочная;

-применяется печатный монтаж;

-элементная база 2-3 поколения;

-жесткая конструкция.

Устройствоприменяется в быту, или на предприятиях, в приводах электроприборов, гдеприменяются коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением.

1.3Описание схемы электрической структурной

Структурнаясхема «Регулятора частоты вращения» изображена на рис. 3, а также вграфической части на листе 1 РГКРИПТ 210306.4205.001Э1.

Структурнаясхема состоит из следующих блоков:

1) Блок питаниясодержит: диодный мост VD1 (КЦ407А),электролитический конденсатор С1 (К50-6), стабилизатор напряжения DA1 (КР142ЕН5А), светодиодный индикатор HL1 (АЛ102Б), постоянный резистор R3 (Р1-12). Предназначен для питания устройства и ИМС;

2) Генератор тактовойчастоты содержит: конденсаторы С2, С3 (К10-59), кварцевый резонатор ZQ1, постоянный резистор R3 (Р1-12). Вырабатывает тактовые импульсы, с частотой10МГц;

SHAPE * MERGEFORMAT

Микроконтроллер

Генератор тактовой частоты

Органы управления

OSC1

OSC2

RB0

RB1

RB2

Ключевой элемент

Электродвигатель

Выпрямитель

Электронное реле

~ 220В

Схема управления семисегментным индикатором

Семисегментный индикатор

RА0

RА1

RА2

Фотоэлектрический датчик частоты вращения

Блок

питания

Рисунок1.1. Схема электрическая структурная.

3) Органы управлениясодержат: кнопки SB1-SB3. Кнопки подсоединены к разъемам RB0-RB2 порта МК. Укаждой из кнопок есть своя функция: SB1 — «Вперед»,SB2 — «Стоп», SB3 — «Назад». Управляют режимами микроконтроллераDD1;

4) Микроконтроллер DD1 (PIC16F84). МК является основой данного устройства. Онработает на частоте 10 МГЦ;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

5) Схемы управления семисегментным индикатором содержит: дешифратор DD2 (К555ИД7), счетчик DD3 (К555ИЕ5), дешифратор DD4 (К514ИД1). Настроенный на выводпятиразрядный порт А используется для управления в динамическом режиме семьюразрядами цифрового индикатора НG1. Дешифратор DD4 преобразует двоичный код на выходесчетчика в код семиэлементного индикатора.С выводов RА0-RА2 МК на адресные входы дешифратора DD2 поступает в двоичном коде номер разрядаиндикатора НG1,в котором должно отображаться содержимое счетчика DD4. Напряжения на выходах 0-6 дешифратора последовательно активизируютсоответствующие разряды индикатора, обеспечивая отображение семи цифр, а винтервалах формирования напряжения на неиспользуемом выходе дешифратораиндикация отключена и производится загрузка отображаемой цифры в счетчик;

6) Семисегментныйиндикатор HG1 (АЛС318А). Показываетвыбранный алгоритм управления и направление вращения;

7) Ключевой элементсодержит: сильно-мощный транзистор VT2 (КТ834В),постоянный резистор R5 (Р1-12). Благодаря большому коэффициентупередачи тока базы VT2, управление им осуществляетсянепосредственно напряжением с выхода RB4 портаВ МК, через токоограничительный резистор R5;

8)Блок электронного реле содержит: постоянный резистор R4 (Р1-12), маломощный транзистор VT1 (КТ605Б), выпрямительный диод VD2 (Д226), реле К1 (РЭН18). РелеРЭН18 (паспорт РХ4.564.505) с четырьмя переключающими контактами (для повышениянадежности в каждой из групп К1.1 и К1.2 параллельно соединены по два контакта).Переключение контактов происходит при обесточенном электродвигателе, что существенноснижает требования к их коммутационной способности;

9) Блокэлектродвигателя содержит: обмотку возбуждения электродвигателя LM1, коллекторный электродвигатель M1;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

10) Выпрямительсодержит: выпрямительный диодный мост VD3(КЦ409В), электролитический конденсатор С5 (К50-7), выпрямительный диод VD4 (КД202Р). Предназначен для выпрямления напряженияпитания, поданного на электродвигатель;

11) Фотоэлектрическийдатчик частоты вращения содержит: постоянные резисторы R7-R9 (Р1-12),маломощный транзистор VT3 (КТ315Г),светодиод VD5 (АЛ07А), фотодиод VD6 (ФД256). На вывод RВ7 МК поступают импульсы отфотоэлектрического датчика частоты вращения. При вращении вала ИК лучи дваждыза один оборот на короткое время освещают фотодиод, и в цепи коллекторатранзистора VT3формируются импульсы напряжения. Поступая на вход RВ7, они вызывают прерывания МК от порта В.По этим прерываниям МК измеряет время каждого оборота вала двигателя и переводитизмеренный интервал в частоту вращения, нормированную относительно номинальнойв процентах.

1.4 Описаниесхемы электрической принципиальной и принципа её

работы.

Основарегулятора частоты вращения – МК DD1, работающий на тактовой частоте 10МГЦ.

Органамиуправления являются кнопки SB1 («Вперед»), SB2 («Стоп») и SB3 («Назад),подсоединенные к разрядам RB0-RB2 порта В МК.

Вкачестве ключевого элемента применен мощный составной транзистор КТ834В (VT2).Благодаря большому коэффициенту передачи тока базы управление им осуществляетсянепосредственно напряжением с выхода порта В через токоограничительныйрезистор R5.

Реверсэлектродвигателя осуществляется изменением направления тока в обмоткевозбуждения электродвигателя LM1 с помощью переключающих контактов реле К1. Егообмотка включена в коллекторную цепь транзистора VT1, управляемого напряжениемс выхода RB3 МК.

Врегуляторе применено реле РЭН18 (паспорт РХ4.564.505) с четырьмя переключающимиконтактами (для повышения надежности в каждой из групп К1.1 и К1.2 параллельносоединены по два контакта). Переключение контактов происходит при обесточенномэлектродвигателе (Кз=0), что существенно снижает требования к их коммутационнойспособности.

Программойпредусмотрено формирование на выходе RB6 МК сигнала, включающего тормознойэлемент для быстрой остановки привода при включении, либо для ограничениячастоты вращения в режиме стабилизации при отрицательных нагрузках на валуэлектродвигателя.

Навывод RB7 поступают импульсы от фотоэлектрического датчика частоты вращения. Онсостоит из излучающего диода ИК диапазона VD5, фотодиода, усилителя натранзисторе VT3 и закрепле5нного на валу электродвигателя диска с двумядиаметрально расположенными отверстиями диаметром около 10мм. При вращении валаИК лучи дважды за один оборот на короткое время освещают фотодиод, и в цепиколлектора транзистора VT3, формируются импульсы напряжения. Поступая на входRB7, они вызывают прерывания МК от порта В. По этим прерываниям МК измеряетвремя каждого оборота вала двигателя и переводит измеренный интервал в частотувращения, нормированную относительно номинальной в процентах. В данном случаеза 100% принята частота вращения 3000 мин

<img src="/cache/referats/25978/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1027">.

Есликоэффициент заполнения достиг нуля (отключение питания), а двигатель продолжаетвращаться с угловой частотой, превышающей заданную, МК выдает исполнительномуустройству команду на торможение через разряд RB6 порта В.

Настроенныйна пятиразрядный порт А используется для управления в динамическом режиме семьюразрядами цифрового индикатора HG1. Через разряд RA3 на вход С1 двоичногосчетчика DD3 поступает информация об отображаемой десятичной цифре, а черезразряд RA4 осуществляется обну

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1180 _x0000_s1181 _x0000_s1182 _x0000_s1183 _x0000_s1184 _x0000_s1185 _x0000_s1186 _x0000_s1187 _x0000_s1188 _x0000_s1189 _x0000_s1190">ление счетчика.Дешифратор DD4 преобразует двоичный код на выходе счетчика в код семиэлементногоиндикатора.

Свыводов RA0-RA2 на адресные входы дешифратора DD2 поступает в двоичном коденомер разряда индикатора HG1, в котором должно отображаться содержимое счетчикаDD4. Напряжение на выходах 0-6 дешифратора последовательно активизирует соответствующиеразряды индикатора, обеспечивая отображение семи цифр, а в интервалахформирования напряжения на неиспользуемом выходе дешифратора индикация отключенаи производится загрузка отображаемой цифры в счетчик.

Привключении устройства происходит автоматический сброс МК и начинается выполнениезаписанной в его памяти программы. Производится начальная инициализация МК иуправляющей программы: настраиваются предделительтаймера/счетчика и линии портов А и В на ввод/вывод, заносятся необходимыеначальные константы в используемые переменные, разрешаются прерывания оттаймера/счетчика и от измерения уровня входного напряжения в разряде RB7 портаВ. После этих действий программа циклически выводит информацию на цифровойиндикатор HG1 и опрашивает состояния кнопок SB1-SB2.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1311 _x0000_s1312 _x0000_s1313 _x0000_s1314 _x0000_s1315 _x0000_s1316 _x0000_s1317 _x0000_s1318 _x0000_s1319 _x0000_s1320 _x0000_s1321 _x0000_s1322 _x0000_s1323 _x0000_s1324 _x0000_s1325 _x0000_s1326 _x0000_s1327 _x0000_s1328 _x0000_s1329 _x0000_s1330">2 Расчетно-конструкторская часть

2.1 Электрический расчётэлектронного реле

Рисунок 2.1. Схема электрическая.Электронное реле.

Расчет электронного реле (рис. 2.1) выполняется по методикеприведенной в [14] и исходными данными являются:

1. По току срабатывания из справочника выбираем тип релеРЭН18: паспорт РХ4.564.505, параметрыток срабатывания 10mA, рабочее напряжение 220<img src="/cache/referats/25978/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

2. Выбираем транзистор, который будет работать в ключе. Выбор по току<img src="/cache/referats/25978/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/25978/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

<img src="/cache/referats/25978/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><img src="/cache/referats/25978/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1033">mА: выбираем из справочника транзистор с: <img src="/cache/referats/25978/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1034"><img src="/cache/referats/25978/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1035"><img src="/cache/referats/25978/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1036"><img src="/cache/referats/25978/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1037"><img src="/cache/referats/25978/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/25978/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1039">

3. При срабатывании реле на базу VT1 подается сигнал лог. 1, с выхода микроконтроллераDD1, размах сигналаравен <img src="/cache/referats/25978/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> 2,5В.

Падение напряжения на нем должно составить:

<img src="/cache/referats/25978/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (2.1)

<img src="/cache/referats/25978/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> (2.2)

Через R1потечет ток базы VT1равный, в режиме срабатывания, (при подаче «1»), = 20мкA.

4. Диод VD1 — предназначен для защиты перехода VT1 от пробоя, обратноприложеннымнапряжением самоиндукции обмотки реле, которое возникает при его переключении.

Амплитуда бросков тока может составлять до <img src="/cache/referats/25978/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> реле.

Определим параметры диода:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image048.gif" v:shapes="_x0000_s1331 _x0000_s1332 _x0000_s1333 _x0000_s1334 _x0000_s1335 _x0000_s1336 _x0000_s1337 _x0000_s1338 _x0000_s1339 _x0000_s1340 _x0000_s1341 _x0000_s1342 _x0000_s1343 _x0000_s1344 _x0000_s1345 _x0000_s1346 _x0000_s1347 _x0000_s1348 _x0000_s1349 _x0000_s1350"><img src="/cache/referats/25978/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> (2.3)

Через реле протекает ток срабатывания, равный 10mA, этот токбудет прямым током диода VD1.

Параметры:

Его параметры (влияющие на работу данной схемы):

2.2 Расчёт надёжности

Надежность — свойство объекта сохранять во времени вустановленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнятьтребуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации, техническогообслуживания, ремонтов и транспортирования. Исходными данными для расчетанадежности являются:

— схема электрическаяпринципиальная РГКРИПТ 21030601.4205.003 ЭЗ;

— печатная плата РГКРИПТ21030601.4205.004 ПП;

— перечень элементов;

— климатические и механическиеусловия эксплуатации.

Анализ работы устройства показал, что устройство работаетот малого сигнала и в нем нет цепей с повышенным тепло выделением, следовательно,максимальная температура определяется значением t=30±<st1:metricconverter ProductID=«10ﾰC» w:st=«on»>10°C</st1:metricconverter>. Устройство относитсяк I группе промышленных РЭА.

Принимаем Тмах=40°С,

Влажность — нормальная.

В результате расчета надежности определим:

— интенсивность отказовустройства lå;

— среднее время наработки доотказа Тср;

— вероятность безотказнойработы устройства Pc(t)в течение 10000 часов эксплуатации.

Расчет проводим по методике, изложенной в [15].Составляем таблицу элементов, применяемых в устройстве. Для удобства расчета,однотипные компоненты, находящиеся при одинаковых или близких температурах иработающих при одинаковых или близких электрических и механических нагрузках,объединяем в одну группу. В таблицу 2.1 включаем также лепестки, проводникипечатные и соединения паяные.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

РГКРИПТ 21030601.4205.000 ПЗ

<img src="/cache/referats/25978/image061.gif" v:shapes="_x0000_s1291 _x0000_s1292 _x0000_s1293 _x0000_s1294 _x0000_s1295 _x0000_s1296 _x0000_s1297 _x0000_s1298 _x0000_s1299 _x0000_s1300 _x0000_s1301 _x0000_s1302 _x0000_s1303 _x0000_s1304 _x0000_s1305 _x0000_s1306 _x0000_s1307 _x0000_s1308 _x0000_s1309 _x0000_s1310">Объединяем в группы следующие радиокомпоненты:

— конденсаторы С1, С4, С5 типа К50-6, К53-18, К50-7 — электролит;

— конденсаторы С2, С3типа К10-59 — с керамическим диэлектриком;

— микросхемы DA1, DD1-DD4 типа КР142ЕН5А,PIC16F84A, К555ИД7,

— К555ИЕ5, К514ИД1 — полупроводниковаяИМС;

— цифровой индикатор HG1 типа АЛС318А — полупроводниковая ИМС;

— индикаторы HL1,HL2типа АЛ102БМ — сплавные;

— резисторы R1…R9 типаР1-12 — с максимальной мощностью рассеивания 0,125 Вт — непроволочныепостоянные металлодиэлектрические;

— диодный мост VD1, VD3 типа КЦ407А, КЦ409В — выпрямительный кремниевый;

— диоды VD2, VD4 типа Д226, КД202Р — выпрямительный кремниевый;

— диоды VD5, VD6 типа АЛ107А, ФД256 — сплавной;

— транзистор VT1 типа КТ605Б — кремниевый малой мощности средне-частотный;

— транзистор VТ2 типа КТ834В — кремниевый большой мощностинизкочастотный;