VI. Моделиране на системата ШИП – ДПТ с НВ. Статични и динамични характеристики

На фиг 6.4. е даден модел на затворена системата за регулиране на скорост в средата на „МАТЛАБ СИМУЛИНК”. с включени задатчик за интензивност, блок за огрничение и регулатори.

- по-широка честотна лента на пропускане

7.2.1 широчинно-импулсно управление – регулира се продължителността на импулсите, а честотата им остава постоянна;

7.2.2 честотно-импулсно управление –регулира се честотата на импулсите, продължителността им остава постоянна.

7.2.3 смесено-импулсно управление – регулира се както продължителността, така и честотата на импулсите.

Най-широко приложение са намерели намират ЕМС с широчинно-импулсно управление.
7.3. В зависимост от областта на регулиране на скоростта, системите широчинно-импулсен преобразовяател – двигател за постоянен ток (ШИП-ДПТ) могат да се разделят на следните видове.
7.3.1. едноквадрантни(нереверсивни)

7.3.2 двуквадрантни

- с реверсиране по скорост

При реверсивните системи най-често се използват следните алгоритми за управление на ключовете:

- Несиметрично управление

- Поредно управление


Фиг. 7.1 Реверсивна схема за широчинно-импулсно управление на ДПТ (четириквадрантно електрозадвижване )
7.4.1 Симетрично управление
При този алгоритъм на управление силовите ключове на ШИП К1 и К4 се превключват едновременно, а К2 и К3 –едновременно и в противофаза на тях. Напрежението на изхода на преобразователя , което се прилага към котвата на ДПТ представлява знакопроменливи импулси, продължителността на които се регулира плавно с изменение на управляващия сигнал Uy.

На Фиг. 7.2. са дадени времедиаграмите на напрежението и на тока на за двигателен режим на работа в пурви квадрант при непрекуснат ток в котвената верига на двигателя

Средната стоиност на напрежението на преобразователя се оределя от формолата:

Където е относителната продължителност на импулсите, изрезена посредством :

Времедаиаграмите на напрежението и на тока, излюстриращи работата в двигателен режим при променлив ток са покзани на Фиг. 7.3. В интервалите, когато токут протича съответно през диодите D2,D3 и D1,D4 се извършва рекуперация на инергията в захранващия източник, респективно в кондензатора C0. Токът в разглеждания случай е знакопроменлив.

При симетрично управление токът в котвата на двигатля не се прекъсва, поради което електромеханичните характеристики са линеини и се описват с уравнението :

(7.3)


Семеиството електромеханични характеристики при изменение на в диапазона са дадени на Фиг. 7.4. В зоната, ограничена от кривата, очертана с непрекъсната линия, токът в котвата има знакопроменлив характер. Средната сойност на тока, съотвестващ на тази крива се представя с израза :
(7.3)

2 – реална (с отчитане на паузата)

• 
  За посока „напред” : К1 и К2 работят в противофаза; К3 е постоянно изключен, а К4 постоянно включен.
  
• 
  За посока „назад” : К3 и К4 работят в противофаза, К1 е постоянно изключен, а К4 постоянно включен.
  

При този алгоритъм на управление схемата на четириквадрантната система в деиствителност работи като две схеми на двуквадрантни системи.

На изхода на ШИП се получава постоянни по знак импулси, като средната стоиност на напрежението се определя по уравнението :
(7.4)

Електромагнитните преходни процеси, протичащи в товара на ШИП са илюстрирани с времедиаграмите на напрежението и на тока, показани на Фиг. 7.5. Разглежданията са направени при променлив ток в котвената верига за двигателен режим в посока „напред”.


Фиг. 7.5 Времедиаграма на напрежението и на тока за несиметрично управление в двигателен режим при променлив ток в котвената верига

Електромеханичните характеристики на двигателя са показани на Фиг. 7.5. , където с и е означена относителната продължителност на импулсите, съответно за ключове К1 и К3. За електромеханичните характеристики и за средната стоиност на граничния ток в котвената верига са валидни съответно уравненията :

1 - идеализирани( без отчитане на паузите);

2- реална ( с отчитане на паузите)
Като недостатък на несиметричното управлние може да се посочи различното натоварване по ток на силовите ключове. Този недостатък може да буде избегнат при алгоритъм с поредно упражление на ключовете.
7.4.3 Поредно управление
При този алгоритъм на управление се превключват и четитрите ключа на преобразователя К1-К4, независимо от знака на входния сигнал Uy, с което им се осигорява еднакви условия на работа. Честотата на превключване на всеки от тях е два пъти по-малка от честотата на изходния импулс. Управляващите напрежения на ключовете от едно рамо на моста( K1,K2,K3,K4) са постоянно в противофаза като превключванията се осъществяват през един период на изходното напрежение Т .

При зададен положителен знак и съответно на стоиност на входното напрежение Uy, котвата на двигателя се включва към захранващия източник в интервала от време T посредством диагонално разположените ключове К1 и К4.

В интервала (1-)T котвата на двигателя се дава на късо през долните (K2 и К4) или горните (K1 и K3 ) ключове. При промяна на знака на входния сигнал, редътна управление на диагоналните ключове е обратен, в резултат на което знакът на напрежението също се сменя.

Алгоритъма с поредно управление на силовите ключове формира посотояннипо знак импулси, продължитрелността Т, на които е пропорционален входния сигнал Uy. Електромеханичните характеристики на двигателя са аналогични на тия при несиметрчно управление Фиг 7.6.

В реалните схеми управляемите ключове не се изключват мигновено, което може да предизвика къси съеденения в силовата верига. За обезпечаване на сигорната работа на разгледаните реверсивни схеми ШИП-ДИП, по същата пречина преди затваряне на следващият ключ триябва да се въведе пауза . В резултат на тази пауза, при определени натоварвания, токът в котвата се прекъсва, а в съответните участъци електромеханичните характеристики на двигателя имат нелинеен характер. Реалните електромеханични характеристики при разгледаните алгоритми на управление са означени Фиг. 7.6 с 2. [2]


VIII. Блокова и принципнa схеми на ситемата ШИП – ДПТ с НВ.
Блокава схема на система за регулиране на постояннотоков двигател чрез системата ШИП-ДПТ e дадена на Фиг. 8.1



Фиг. 8.1 Блокова схема на затворена система ШИП - ДПТ
Методите с помоща на които се формират импулсни поредици с променлив коефициент на запълване са няколко. В нашият случаи използваме метод при които се сравнява дадена опорна носеща честота с управляващо на прежение Фиг. 8.2. При стойност на управляващото напрежение, по-ниска от опорното сработва сравняващо устройство, генериращо импулс. Дължината на този импулс зависи от продължителността временния интервал, през който носещата честота е с напрежение по-голямо от управляващото. [2]


Фиг.8.2 Формиране на управляващи импулси към силовите ключове
На Фиг. 8.3 е даден модела на системата за управление със силовите ключове и ПТД изграден с библиотечни функции в симолинк от powersim toolbox.

Фиг. 8.3 принципха схема на система за иправление на ПТД с НВ
Изхода на регулатора на ток се сравнява с генератор на триъгално напрежение за формирането на управляващи импулси към транзисторите.

9.2.Алгоритъм за работата на програма за регулиране на скоростта

МП – микропроцесор ;

АЦП – аналого - цифров преобразовател ;

ОВС - обратна връзка скорост

ОВТ – обратна връзка ток ;

w_ov - променлива ;

w_ot - променлива ;


X. Реализация на модули за управление на ШИП и регулатори на ток и скорост на едночипови микрокомпютри на MICROCHIP^®.
Програма за инциализация и управление на модула за ШИМ

#include <18F452.h>

#use delay(clock=10000000)

#fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP

#use delay(clock=10000000)
void main()

{

setup_timer_2(T2_DIV_BY_1, 127, 1);

setup_port_a(ALL_ANALOG);

setup_adc(adc_clock_internal);

while( TRUE )

{

w_ref=read_adc();

set_adc_channel( 1 );

w_ov=read_adc();

set_adc_channel( 2 );

i_ov=read_adc();

#asm

Код на регулаторите на скорост и на ток

set_pwm1_duty(out_RT);

}

}

XI. Изводи и заключения:

От постигнатите резултати се вижда, че така синтезираната система е с по-добри показатели от случая без регулиращи контури.

На база на постигнатите резултати може да се развие системата и да се стигне до практическа реализация.

Така изградения модел позволява изследване на системата преди нейното практическо реализиране, което скъсява времето за проектиране.

Чрез микропроцесори може да се синтезират регулатори и ШИМ без да се използва аналогова схемотехника, която увеличава обема и цената на реализираното устроиство.


Използвана литература
1 -Владимир Ключев - Теория на електрозадвижването – София ,1989 г
2 – Доц. д-р инж. Михо Рачев Михов – Управление на електромеханични системи, 1999 г.
3 – доц. Здравко Илиев – Ръководство за упражнения по системи за управление на електрозадвижванията

Съдържание

Задание................................................................................................................................................2

I. Увод..................................................................................................................................................3 II. Описание на обобщена електрическа машина. Двуфазен модел…………………………………………………………………………………………………3

2.1. Oбобщена електрическа машина........................................................................................3

2.2.Структура и характеристики на линериализирания електромеханичен преобразовател..................................................................................................................................6

III. Математическо описание на постояннотоковият двигател. Статични и динамични характеристики…………………….............................…....8

3.1. Общи сведения……………………………………………………….…...................................8

3.2. Математично описание на процесите при преобразуването на енергията в двигателя за постоянен ток с независимо възбуждане .....................................................9

3.3 Естествени характеристики на двигателя с независимо възбуждане.................13

3.4. Изкуствени статични характеристики и режими на работа на двигателя с независимо възбуждане…………….......................................................................................…15

3.5. По - подробни сведения за управлението на постоянно - токовите двигатели чрез промяна на напрежението, подавано към котвата.......................................... 18

3.5.1. Релейно-контактното управление е дискретно управление, което се осъществява с различни контактни апарати и устройства с релейно действие. Като примери могат да се посочат ……………………..............................................................18

3.5.2. Управление на двигатели за постоянен ток с преоразователи с ествествена комутация…………………………………………………………....................................................19

3.6. Динамични свойства на електромеханичния преобразовател с независимо възбуждане ……………………………………………….....................................................….….20

IV. Описание с предавателни функции..................................................................... 23

V. Синтез на регулатори на ток и на скорост................................... .....................27

5.1 Съставяне на структорна схема на системата на системата СП-ДПТ с НВ.........................................................................................................................................................27

5.2. Определяне на числените стойности на параметрите на обекта на управление и на обратните връзки.....................................................................................28

5.3. Настроика на регулиращите контури .....................................................................29

1. 
   Определяме сумарната времеконстанта...............................................................29
   

5.3.3. Правивим единична обратна връзка.....................................................................30

5.3.4 Намираме предавателната функция на обекта, желаната предавателна функция и настроиваме реголатора на ток по модулен оптимум...............................................................................................................................................31

5.3.5 Намиране компенсирания контур за регулиране на ток.........................................31

5.3.6 Намираме коефициентите на обратната връзка скорост и коефициента на усилване ......................................................................................................................................32

5.3.7. Правивим единична обратна връзка ...................................................................33

5.3.8 Намираме предавателната функция на обекта, желаната предавателна функция и настроиваме реголатора на ток по модулен оптимум..............................................................................................................................................33

VI. Моделиране на системата ШИП – ДПТ с НВ. Статични и динамични характеристики..............................................................................................34

VII. Свойства на системата ШИП – ДПТ.................................................................38

7.1. Предпоставки за избора на системите с ШИП -ДПТ в сравнение със системите използващи ТП - ДПТ…………………………..................……...................……38

7.1.1 В сравнение със системата ТП - ДПТ, системите ШИП - ДПТ осигоряват по-добри динамични показатели, изразяващи се в следното ................................................38

7.1.2. Енергетични показатели на системите ШИП-ДПТ ……........................…38

7.2. Импулсното управление на постояннотокови ЕМС може да се реализира в следните вариянти………………………………………..............................................................39

7.3.1. едноквадрантни(нереверсивни)

7.3.2 двуквадрантни

7.3.3.четириквадрантни (с реверсиране и по ток и поскорост)...........................................................................................................................................39

7.4.1 Симетрично управление...........................................................................................40

7.4.2 Несиметрично управление.......................................................................................44

7.4.3 Поредно управление..................................................................................................46

9.1.Алгоритъм за съставянето на цифров ПИ – регулатор.............................................51