Краткие теоретические сведения

Практическая работа №5

Тема: Разработка схемы управления двигателем постоянного тока.

Цель: Изучить методы управления электрическими двигателями постоянного тока. Получить практические навыки разработки схем управления, применяемыхв электрических приводах.

Задание: Разработать электрическую принципиальную схему управления электрическим двигателем постоянного тока на основе микроконтроллера в соответствии с техническим заданием.

Электрические приводы предназначены для преобразования подводимой энергии в энергию движения исполнительных звеньев различных исполнительных механизмов в соответствии с сигналами, поступающими от системы управления.

В общем виде привод состоит из преобразователя энергии в виде энергоустановки, тех или иных двигателей и передаточных механизмов.

Выбор того или иного типа привода обусловлен функциональным назначением системы, предъявляемым к ней технологическим требованиям, особенностями производства и условиями эксплуатации, а также стоимостью, сложностью обслуживания, эксплуатационными расходами. Выбор привода должен осуществляться совместно с определением типа и структуры системы управления.

Наиболее часто автоматизированных комплексах применяются электрические приводы, отличающиеся от прочих доступностью энергоносителя, легкостью регулирования, простотой монтажа и наладки, а также обслуживания при эксплуатации, достаточно высокими показателями надежности, высоким КПД и низким уровнем шума при работе.

К недостаткам электропривода можно отнести: сравнительно высокие обороты электродвигателей, что требует применение сложных передаточных механизмов; инерционность, вызывающую необходимость введения устройств фиксации положения звеньев типа фрикционных тормозов либо самотормозящих передач; меньшие скорости звеньев по сравнению с пневматическим приводом; недостаточно высокие показатели удельной мощности.

Как правило, в качестве двигателей электроприводов используют электродвигатели постоянного тока с независимым или последовательным возбуждением.

Электропривод требует тех или иных передаточных механизмов для передачи и согласования скоростей движения и силовых характеристик валов электродвигателя и звеньев манипулятора.

Энергоносителем в этом двигателе является электрический ток, по средствам которого обеспечивается передача энергии и ее преобразование в механическую энергию выходного звена электродвигателя.

Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижного статора с постоянным магнитом и обмоток, по которым протекает ток возбуждения, и вращающегося якоря с обмотками, по которым протекает ток, создающий основное магнитное поле. Выводы от обмоток якоря присоединены к расположенному на валу якоря коллектору.

Взаимодействие магнитных полей полюсов статора и обмоток якоря при их своевременном переключении с помощью коллекторных щеток обеспечивает постоянно направленный вращающий момент.

Управление скоростью вращения электродвигателя осуществляется изменением подаваемого на обмотки напряжения. Чем это напряжение выше, тем быстрее вращается якорь двигателя. Аналогично крутящий момент зависит от изменения величины тока, поэтому требуемое для работы манипулятора регулирование скорости движений и моментов в широком диапазоне осуществляется достаточно просто путем изменения напряжения якоря или тока возбуждения. Изменение направления вращения производится сменой полюсов по средством переключений.

Электромагнитное возбуждение обмоток электродвигателей может быть независимым, параллельным, последовательным или смешанным.

Схема электродвигателя с независимым возбуждением приведена на рисунке 1.

Наиболее перспективными в робототехнике на сегодняшний день являются двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, поскольку обладают меньшей инерционностью и более высокими КПД. На рисунке 2 приведена схема такого двигателя.

Совершенствование методов управления скоростью и реверсом электродвигателей постоянного тока привело к широкому использованию мощных полупроводниковых приборов в качестве преобразователей энергии.

Рисунок 1 – Схема электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Рисунок 2 – Схема электродвигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов

Системы программного управления (СПУ), управляющие электроприводами на основе электродвигателей постоянного тока, как правило состоят из задающего устройства (ЗУ), управляющего устройства (УУ), датчиков обратной связи (ДОС) и силовой преобразовательной части (П). Структурная схема СПУ приведена на рисунке 3.

Преобразователь предназначен для питания электродвигателя, а также для преобразования параметров (напряжение, сила тока, частота) подводимой к двигателю энергии.

Датчики обратной связи преобразуют параметры тока, напряжения, мощности двигателя, скорости движения, момента, усилия и положения привода в пропорциональные электрические сигналы для управляющего устройства.

Управляющее устройство получает команды от задающего устройства и информацию о текущем состоянии электропривода от задающего устройства и сравнивает текущее состояние робота и технологического процесса, который он выполняет в данный момент, с заданным состоянием. При наличии рассогласования вырабатываются управляющие сигналы, воздействующие через преобразователь на электропривод в направлении устранения возникшего рассогласования с требуемыми точностью и быстродействием.

Подобные системы электроприводов называются замкнутыми.

Рисунок 3 – Структурная схема замкнутого электропривода

Рассмотрим упрощенную электрическую схему системы программного управления электропривода представленную на рисунке 4. В рассмотренном примере упразднены цепи питания, фильтров по питанию, а также тактирования и сброса управляющего микроконтроллера.

Устройство управления в данной схеме выполнено на основе микроконтроллера DD1 ATmega16. Переключатели SB1 и SB2 эмитируют для данной схемы сигнал от задающего устройства и от датчиков обратной связи.

Преобразователь в представленном электроприводе выполнен по мостовой схеме (“H - bridge”) на мощных биполярных транзисторах разной проводимости VT3, VT4, VT5, VT6. Данная схема способна изменять полярность включения якоря, за счет чего становится возможным управление направлением вращения электродвигателя. Левый полумост на транзисторах VT3, VT4 управляет 1 контактом якоря, а правый полумост на транзисторах VT5, VT6 – 2 контактом якоря электродвигателя.

Для вращения якоря электромотора на его контактах необходимо создать различные потенциалы, что приведет к прохождению тока через обмотку двигателя и приведет к появлению электродвижущей силы. Направление вращение будет зависеть от полярности напряжений, приложенных к контактам якоря. Создать разность потенциалов на этих контактах можно за счет их подключения к проводам питания через открытые транзисторы Н – моста с противоположенной проводимостью. Т.е вращение электродвигателя вызовет одновременное открытие транзисторов VT3, VT6 либо VT4, VT5.

Рисунок 4 – Упрощенная схема электропривода

Для остановки электродвигателя на обоих контактах его якоря необходимо создать одинаковые потенциалы, для чего можно открыть транзисторы с одинаковыми типами проводимости в обоих полумостах, т.е VT3, VT5 или VT4, VT6, либо одновременно закрыть все четыре транзистора.

Одновременное открытие всех четырех транзисторов Н – моста приведет к появлению “сквозных” токов, проходящих напрямую от цепей питания через открытые переходы транзисторных полумостов. При этом вся мощность подводимой к приводу энергии будет выделена на этих транзисторах, что может привести к повреждению устройства, или полному выходу его из строя.

Для предотвращения подобных ситуаций и согласования электрических сигналов от управляющего устройства в схеме преобразователя предусмотрены цепи согласования, выполненные на транзисторах VT1, VT2, VT7, VT8. Они включены таким образом, что при подаче управляющего сигнала высокого уровня в одной из контрольных точек будет открыт транзистор прямой проводимости (VT4 или VT6), а при подаче низкого уровня управляющего сигнала – обратной (VT3 или VT5).

На рисунке 5 графически представлена зависимость направления вращения якоря электродвигателя в зависимости от уровней управляющих сигналов в контрольных точках А и B.

Рисунок 5 – Зависимость направления вращения электродвигателя от управляющих сигналов

Задание

1. Разработать электрическую принципиальную схему электропривода на основе электродвигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов без обратной связи. Необходимо учитывать цепи питания и фильтры!

2. Выполнить чертеж схемы электрической принципиальной по ГОСТ ЕСКД.

3. Обосновать выбор схемотехнических решений.

4. Исходные данные для проектирования представлены в таблице вариантов 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Вариант №	Микроконтроллера	Тип электродвигателя
	ATmega8	EG-530AD2B
	ATmega16	EG-530AD2F
	ATmega32	EG-530AD6B
	ATmega8	EG-530AD6F
	ATmega16	EG-530AD9B
	ATmega32	EG-530AD9F
	ATmega8	EG-530YD2BH
	ATmega16	EG-530YD9BH
	ATmega32	EG-530YD2FH
	ATmega8	EG-530YD9FH

Содержание отчета

Отчет по практической работе должен содержать:

- наименование практической работы;

- тему практической работы;

- цели и задачи практической работы;

- задание в соответствии с вариантом;

- чертеж схемы электрической принципиальной;

- обоснование разработки схемы электрической принципиальной;

- вывод по проделанной работе;

- ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1 В чем заключается назначение электрических приводов?

2 Чем обусловлен тип выбираемого электрического привода?

3 В чем заключаются достоинства и недостатки электроприводов на основе двигателей постоянного тока?

4 Каков состав электродвигателя постоянного тока?

5 Как возможно управлять скоростью вращения и моментом электродвигателя?

6 Изобразить схемы электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением, последовательным возбуждением, параллельным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов;

7 Представить обобщенную структуру замкнутого электропривода на основе двигателя постоянного тока, пояснить назначение ее элементов.