Курсовая с практикой на тему Полупроводниковые устройства систем управления и электроприводов промышленных роботов и станков с ЧПУ (вариант 6 (А1Б1В6))

Содержание:

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.. 4

ВВЕДЕНИЕ. 5

1
АНАЛИЗ СХЕМНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИППН.. 9

1.1 Анализ структурной схемы ИППН.. 9

1.2 Анализ системы управления ИППН.. 14

2 ВЫБОР СХЕМНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВА.. 19

3 РАСЧЕТ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ИППН.. 20

3.1 Расчёт силовой части ИППН.. 20

3.2 Расчёт схемы управления. 24

3.2.1 Расчет и выбор
элементов формирующего каскада ФК.. 24

3.2.2 Расчет задающего генератора. 25

3.2.3 Расчет усилителя рассогласования и компенсации
УРК.. 26

3.2.4 Расчёт широтно-импульсного модулятора ШИМ.. 28

4 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.. 30 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 42

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 43

ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 44

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. 45

ПРИЛОЖЕНИЕ В.. 46

Введение:

ВВЕДЕНИЕ

Электропривод является основной составной
частью конструкции робота или металлорежущего станка. Электропривод нередко
влияет непосредственно на конструкцию промышленных роботов и станков, поскольку
конструкция любого узла робота и станка зависит от типа и конструкции
электродвигателя. Однако чаще всего электропривод оказывает косвенное влияние
на конструкцию производственной машины, улучшая её динамические характеристики
и расширяя функциональные возможности. Особое значение электропривод приобрёл на
этапе развития машиностроения как основное звено автоматизации.

Электропривод является наиболее
мобильной и быстроразвивающейся отраслью промышленности. Он позволяет
эффективно решать сложные и ответственные задачи, связанные с повышение
производительности, точности и автоматизации оборудования. Успехи развития
станочного электропривода и электроприводов, используемых для промышленных
роботов, создание массового быстродействующего электропривода привели не только
к коренному изменению конструкции роботов и станков, но и к значительной
«электрификации» технического мышления конструкторов.

Стремительное развитие
микроэлектроники и силовой электроники сильно повлияло на ЭМС промышленных
роботов и станков с ЧПУ. До недавнего времени в них преимущественно применялись
электродвигатели постоянного тока, на текущий же момент времени стали активно
применяться электромеханические системы с асинхронными и синхронными
двигателями разных модификаций, так как современное состояние микроэлектроники
и полупроводниковой техники позволяет беспроблемно регулировать скорость этих
систем в широких пределах.

По задании курсового проекта
рассматривается электропривод с электродвигателем постоянного тока, поэтому в
проекте рассматриваются вопросы проектирования ЭМС с этим электродвигателем.

Одной из основных составляющих ЭМС
робота или станка с ЧПУ является электронный преобразователь, он является базой
современного электропривода и служит регулируемым источником питания для
электродвигателя. Питание электроприводов может осуществляться от сети перемен­ного
или постоянного тока.

Электропривод имеет конфигурацию,
показанную на рис. В.1. Рис. В.1.
Общая структура электропривода

 При этом преобразователь должен обеспечивать
следующие функции:

– Выпрямление напряжения переменного
тока.

– Повышение (понижение) и
стабилизация напряжения постоянного тока.

– Регулирование напряжения
постоянного тока вверх и вниз, защита от перенапряжений, возникающих в сети
постоянного тока.

– Организация внешних связей с технологическим
обо­рудованием.

Структурно электронный
преобразователь разделяется на две крупных части — силовая часть, в которой
происходит процесс пре­образования электроэнергии, и информационно-управляющая
часть, которая управляет этим процессом и частью технологического про­цесса,
возложенной на электропривод.

Наибольшее распространение для
электродвигателей постоянного тока ЭМС роботов и станков с ЧПУ получили импульсные
преобразователи постоянного напряжения. Принцип действия ИППН состоит в
периодическом подключении и отключении цепи нагрузки к первичному источнику
электроэнергии с напряжением . Осуществляется это с помощью электронных силовых ключей –
транзисторов, диодов, тиристоров. Они в данном случае характеризуются двумя
основными состояниями – замкнутым и разомкнутым, и при работе ИППН периодически
за короткие промежутки времени (резко) переходят из одного состояния в другое.
Средние напряжение  и ток  нагрузки зависят от
промежутков времени подключения источника напряжения  к накопительному
элементу схемы ИППН. Коммутация должна происходить достаточно часто, чтобы
можно было до приемлемого уровня сгладить пульсации напряжения и тока в цепи
нагрузки. Частота коммутации или частота преобразования  для ИППН, у которых
силовыми управляемыми ключами являются транзисторы находится в пределах от
единиц до десятков килогерц. ИППН с МДП-транзисторами в качестве ключей могут
работать с частотой преобразования до сотен килогерц – единиц мегагерц. Период
преобразования  состоит из отрезков
времени, когда управляемый силовой ключ открыт, и энергия от источника  поступает в схему и
времени закрытого состояния этого ключа. Меняя относительную длительность,
можно регулировать или стабилизировать выходное напряжение ИППН. Такой способ
регулирования величины при постоянной частоте следования импульсов называется
широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Импульсы напряжения в схеме ИППН имеют,
главным образом, прямоугольную форму, а импульсы тока – в основном треугольные
и трапецеидальные.

Основные достоинства ИППН по
сравнению со стабилизаторами непрерывного действия – большой КПД, меньшие масса
и габариты. К недостаткам можно отнести наличие пульсаций и дополнительных
помех, обусловленных импульсным регулированием, худшие динамические
характеристики и относительная сложность. Однако во многих случаях применение
ИППН является наиболее рациональным техническим решением.

Заключение:

В результате
выполнения курсовой работы был разработан импульсный преобразователь
постоянного напряжения с заданными параметрами, а также построена система
управления преобразователем. Произведен расчет основных параметров и
осуществлен выбор основных элементов широтно-импульсного преобразователя. ШИП
рассчитан и спроектирован на основе современных переключающих устройств, которые
обеспечивают хорошие технические показатели рабочего режима ключевых элементов
схемы ШИП.

Произведен
статический и динамический расчеты системы. Построены логарифмические частотные
и фазовые характеристики системы с определением запасов устойчивости по
амплитуде и фазе.

Фрагмент текста работы:

1
АНАЛИЗ СХЕМНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИППН 1.1 Анализ структурной схемы ИППН Структурная
схема ИППН показана на рис.1.1. В нее входят:

– импульсный регулятор ИР, через
который энергия передается от источника И в нагрузку Н;

– делитель напряжения ДН;

– усилитель рассогласования УР;

– широтно-импульсный модулятор ШИМ;

– предоконечный формирующий каскад
ФК.

ИР содержит силовые ключи К и
реактивные накопительно-фильтрующие элементы Ф. ШИМ состоит из генератора
треугольного напряжения Г и компаратора. Электрические цепи, содержащие
элементы ИР и соединяющие И с Н образуют силовую часть СЧ ИППН. Схема, формирующая
сигнал управления силовым ключом в зависимости от требуемого значения выходного
параметра, задаваемого сигналом  и фактических значений
, , является управляющей частью или схемой управления СУ. СУ
содержит УР, ДН, ШИМ и ФК. Рис.
1.1. Структурная схема ИППН

Сигнал на выходе ДН, пропорциональный
напряжению на нагрузке, сравнивается с задающим сигналом . Разница между ними усиливается в УР и подается на ШИМ. На
выходе ШИМ образуются прямоугольные импульсы, ширина которых пропорциональна
напряжению регулировки . Промодулированные по ширине импульсы поступают на ФК,
который в соответствии с ними создает требуемый сигнал управления силовым
ключом. Силовые ключи К периодически подключают с частотой преобразования
источник И к элементам Ф, отбирая энергию от него определенными “порциями”.
Благодаря сглаживающему действию Ф в нагрузку Н энергия поступает равномерно.

Основные силовые схемы ИППН [6], в
которых используется один управляемый ключ – транзистор, показаны на рис. 1.2, 1.3
и 1.4. Классифицируются они как понижающий, повышающий и полярно-инвертирующий
ИППН. Рис.1.2. Схема понижающего ИППН В понижающем ИППН выходное напряжение
всегда меньше входного. Когда транзистор VT1 открыт очередным импульсом тока базы , имеющим длительность  (Приложение А.),
энергия от источника поступает в нагрузку  и накапливается в
дросселе  и конденсаторе  фильтра. Падение
напряжения на транзисторе  при этом невелико,
порядка 1В, и соответствует напряжению насыщения  транзистора. К диоду VD1 приложено обратное напряжение  близкое по величине к
входному. Ток дросселя  нарастает по
экспоненциальному закону от минимального  до максимального  значения. Так же
меняется и ток транзистора .

По окончании открывающего импульса  транзистор VT1 закрывается, отключая дроссель от источника входного
напряжения. Ток через него резко спадает. Как только ток дросселя начинает
уменьшаться, напряжением его самоиндукции открывается диод VD1. Теперь дроссель оказывается подключенным параллельно
нагрузке и фильтрующей емкости. Контур тока замыкается через диод. Ток дросселя
уменьшается по экспоненциальному закону от максимального до минимального
значения. В течение данного промежутка времени  ток диода  является током
дросселя. Далее, по истечении времени , транзистор опять открывается и процессы повторяются. Ток
дросселя при этом имеет постоянную  и переменную
составляющие. Практически, вся переменная составляющая этого тока проходит
через конденсатор С (ток  в приложении А.).
Постоянная составляющая замыкается через нагрузку. Дроссель в данной схеме все
время участвует в фильтрации. Поэтому понижающая схема обеспечивает
принципиально меньшие пульсации выходного напряжения по сравнению с повышающей
и инвертирующей. При достаточно большой индуктивности дросселя возможна работа
ИППН без конденсатора.

Схема, в которой дроссель во время
накопления энергии подключается параллельно источнику , может быть как повышающей, так и полярно-инвертирующей, в
зависимости от подключения нагрузки и конденсатора фильтра (см. рис. 1.3 и 1.4). Рис.1.3. Схема повышающего ИППН Рис.1.4. Схема
полярно-инвертирующего ИППН Выходное напряжение повышающей схемы,
как правило, больше входного. В полярно-инвертирующем ИППН выходное напряжение
в зависимости от нагрузки и относительной длительности импульса  может быть по величине
как больше, так и меньше входного. Временные диаграммы для обеих схем приведены
в приложении Б. Работают схемы следующим образом. При открывании транзистора VT импульсом отпирающего тока  дроссель L подключается к напряжению . Падение напряжения на открытом транзисторе мало. Диод VD закрыт обратным напряжением. Ток
нагрузки протекает через накопительный конденсатор С, т.е. он питает нагрузку
запасенной до этого энергией. Ток дросселя  увеличивается по
экспоненциальному закону, и энергия от первичного источника  поступает в дроссель.
Когда транзистор закрывается и ток  через него резко
спадает, напряжением самоиндукции дросселя открывается диод VD. Энергия, накопленная в дросселе,
передается в накопительный конденсатор и нагрузку. В повышающем ИППН при
закрытом транзисторе и открытом диоде дроссель подключается к нагрузке
последовательно с источником . Поэтому энергия от источника отбирается все время (при
непрерывном токе дросселя) и пульсации входного тока данной схемы наименьшие.
Непрерывный ток дросселя имеет место, когда при закрытом транзисторе в течение
времени   ток   не успевает снизиться
до нуля, как показано в приложении А. При малой индуктивности дросселя или
малом токе нагрузки ток  становится
прерывистым. ИППН при этом работоспособен, однако такой режим нежелателен из-за
повышенных пульсаций выходного напряжения. При одинаковых токах нагрузки и
прочих равных условиях выходное напряжение повышающей схемы больше выходного
напряжения, инвертирующей на величину . В фильтрации выходного напряжения в обеих схемах участвует
только конденсатор С, через который проходят большие импульсы тока, равные току
нагрузки (Приложение Б). Пульсации выходного напряжения из-за этого больше, чем
в понижающей схеме.

Статические
характеристики ИППН для непрерывных токов дросселя задаются в виде [7]: (1.1) где  — относительная
длительность импульса;  — относительная
величина сопротивления потерь;  — динамическое сопротивление открытых полупроводниковых
ключей,  — активное
сопротивление в цепи дросселя – его собственное и соединительных проводов.
Функция (1.1) для трех типов ИППН имеет вид:

– для понижающего

;

– для повышающего – для инвертирующего типа Передаточные характеристики (или
регулирование) получаются, если в (1.1) положить , . Тогда . На рис. 1.5, а, б, в приведены передаточные характеристики трех типов преобразователей для
двух значений потерь  (синяя линия) и  (красная линия). Как
видно, передаточная характеристика понижающего ИППН линейна и слабо зависит от
потерь  в цепи. У повышающего
и инвертирующего ИППН наблюдается сильная зависимость выходного напряжения от
относительных потерь, особенно в максимуме. Если потери устремить к нулю,
максимальное напряжение будет стремиться к бесконечности. Характеристики
нелинейные. Существует предел , до которого характеристики возрастают. Поэтому для работы
используется диапазон , т.е. ограничивается максимальное значение  чтобы избежать
“опрокидывания” ИППН.

Проходные характеристики   линейные. При
заданных  и  определяются
коэффициентом передачи ИППН. .

Внешние характеристики можно
получить, если положить  и  и менять сопротивление
нагрузки. Выходное напряжение будет выражаться в виде Рис. 1.5.
Передаточные характеристики преобразователей
а) понижающего ИППН; б) повышающего ИППН; в) полярно-инвертирующего ИППН