Разработка микропроцессорной системы управления асинхронного двигателя

Дипломный проект.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образование
КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Естественно-технический факультет
Кафедра «Приборостроение»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ
РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Работа к защите допущена заведующим кафедрой
Министерство образования и науки Российской Федерации
Министерство образования и науки Кыргызской республики
НА ВЫПОЛНЕНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА
(на выпускную квалификационную работу)
Специальность: «Приборы и методы контроля качества и диагностики»
Тема дипломного проекта (выпускной квалификационной работы)
«Разработка микропроцессорной системы управления асинхронного двигателя»
Исходные данные к проекту (выпускной квалификационной работы)
а)Проектируемое устройство должно осуществлять пуск реверс и регулирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором систем электропривода машин и механизмов
б)В качестве основного элемента должен быть микропроцессор микро-ЭВМ (микроконтроллер МК)
в)Принцип регулирования – частотный (например с использованием ШИМ) с током управления по фазе не менее 2 А
рСодержание текстовой части (перечень вопросов подлежащих разработке)
а)Информационный поиск и анализ принципов регулирования электродвигателей.
б)Выбор и обоснование пускорегулирующего устройства
в)Разработка блок-схемы алгоритма управления
г)Разработка структурной схемы инвертора
д)Разработка принципиальной схемы коммутатора фазы управления.
е)Общие технические требования к печатной плате
Перечень графического (иллюстративного) материала
а)Схема замещения асинхронного двигателя
б)График сравнительных кривых КПД
в)График принципа работы (например ШИМ)
г)Общая схема управления МК на общем управлении
д)Блок-схема алгоритма управления
е)Структурная схема управления
ж)Принципиальная схема коммутатора инвертора
Консультанты по проекту (работе) (с указанием относящихся к ним разделов)
Список рекомендованной литературы
а)Радин В.И. Брускин Д.Э. Зорохович А. Е.; Под ред. И.П. Копылов-М.: «Электрические машины: Асинхронные машины» Учеб. Для электромех. спец. Вузов» Высшая школа 1988-328 с.
б)Л.А. Коледов «Технология и конструкция микросхем микропроцессоров и микросборок» «Радио и связь» Москва 1989г.
Календарный график написания дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов
% выполнения от всего
Подпись руководителя
Список используемых источников
ЗАДАНИЕ ВЫДАЛ РУКОВОДИТЕЛЬ
ЗАДАНИЕ ПРИНЯТО К ИСПОЛНЕНИЮ
Бтр долбоору иштелип чыккан энергия нмдч башкаруу кескич негизги кыймылынын ч этап асинхрондук мотору системасынын бир блг катары. Аппарат системасын жана ылдамдыгы билгизгичи башкаруу бирдигинин турат.
Башкаруу бирдиги акыркы жогорку ылдамдыктагы микроконтроллер ылайыкташтырылган энергия нмдч башкаруу мыйзамдары менен келишим негизинде жзг ашыруу ошондой эле ал жннд маалымат экранда клавиатура киргиз жана дисплей маалыматтарды анын ичинде системасын башкаруу иштей ишке ашыруу болуп саналат. Ылдамдык сенсор кыймылдаткыч ылдамдыгын аныктоо чн зарыл болгон кагуусу муунду жзг толугу менен санариптик-менен-аналогдук тзлш болуп саналат.
Тажрый балардын кыймылдаткычтары башкаруу системалары жагында жргзлгн патенттик изилд энергия нмдч мыйзамдарды жана изилд жолу менен ишке ашыруу чн пайыздык ченди эсептд каталарды азайтуу. Санариптик ылдамдык укурук менен синтезделген модели.
Жаы аппаратты киргиз жана аны тзнн жана ишинин наркынын экономикалык таасирин баалоо жргз. Биз аппаратты пайдаланууга жана сактоого коопсуздук маселелерин карайт.
В рамках настоящего дипломного проекта разработана энергосберегающая система управления трехфазным асинхронным двигателем главного движения токарного станка. Устройство состоит из блока системы управления и датчика скорости.
Блок системы управления представляет собой микропроцессорную реализацию законов энергосберегающего управления выполненную на новейшем высокоскоростном микроконтроллере а так же реализацию интерфейса управления системой включая ввод с клавиатуры и отображение данных на индикаторе. Датчика скорости представляет собой законченное цифро-аналоговое устройство осуществляющее генерацию импульсов необходимых для определения частоты вращения двигателя.
Проведены патентные исследования в области систем управления асинхронными двигателями реализации энергосберегающих законов и исследование способов снижения погрешности при подсчете скорости. Синтезирована модель цифрового контура скорости.
Оценен экономический эффект при внедрении нового устройства и затраты на его изготовление и эксплуатацию. Рассмотрены вопросы безопасности при эксплуатации и техническом обслуживании устройства.
As part of the graduation project developed energy-saving control system of three-phase asynchronous motor of the main movement of the lathe. The device consists of a control unit of the system and speed sensor.
Management unit is a microprocessor-based implementation of the energy-saving control laws adapted to the latest high-speed microcontroller as well as the implementation of the system management interface including keyboard input and display data on the display. Speed sensor is a complete digital-to-analog device that performs pulse generation needed to determine the engine speed.
Conducted patent research in the field of induction motors control systems the implementation of energy-saving laws and study ways to reduce the errors in calculating the rate. Synthesized model of digital speed loop.
To assess the economic effect of the introduction of the new device and the cost of its construction and operation. We consider security issues in the operation and maintenance of the device.
Разработка микропроцессорной системы управления асинхронного двигателя
Содержание выпускной квалификационной работы изложено на 77 с. содержит 24 рис. 3 табл. 16 источников 1 прил. 5л графического материала
Цель работы: Разработка автоматической системы управления с использованием микропроцессора для регулирования режимами работ токарного станка
В процессе работы были проведены следующее:
Обзор и анализ существующих способов регулирования скорости асинхронного двигателя
Была сделана математическая модель асинхронного двигателя. Произведен расчет следующих параметров время разгона максимальное угловое ускорение ходового винта нагрузка и многие другие параметры.
Асинхронные электродвигатели12
2 Короткозамкнутый ротор. Ротор асинхронной машины типа "беличья клетка"14
3 Асинхронный двигатель. Фазный ротор14
4Способы управления асинхронным двигателем15
5Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором17
6Принцип работы асинхронных электродвигателей20
8Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором23
9Реостатное регулирование24
Микропроцессорная система25
1Принцип работы микропроцессора и структурная схема27
2Архитектуры типы характеристики и параметры микропроцессоров35
Математическая модель41
2Математическая модель асинхронного двигателя43
3Расчет усилий и моментов44
4Нагрузочные и скоростные диаграммы48
5Выбор мотор-редуктора50
6Проверка двигателя на нагрев51
7Структурная схема системы управления выбор структуры и расчет параметров регуляторов 54
8Расчетная схема системы управления привода в среде MATLAB Simulink57
9Результаты моделирования динамических процессов при малых входных воздействиях и в заданных рабочих режимах 59
Способы регулирования скорости асинхронного двигателя62
1 Частотное регулирование63
2 Переключение числа пар полюсов65
3 Изменение величины питающего напряжения67
4 Введение добавочного сопротивления в цепь ротора70
Разработка микропроцессорной системы управления асинхронного двигателя71
В настоящее время многие достижения в области науки и техники обусловлены развитием электроники. Сейчас невозможно найти какую-либо отрасль промышленности в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники автоматики.
Проектирование электронных устройств промышленного назначения представляет собой процесс обработки информации в ходе которого на основе исходных данных и других сведений необходимых для решения поставленной задачи с помощью определенных методик и соответствующего математического аппарата разрабатывается техническая документация на устройство наилучшим образом отвечающему поставленной задаче проектирования.
Одним из важных направлений в котором двигается технический прогресс является разработка новых энергосберегающих систем управления и модернизация в этом аспекте существующих объектов промышленности. Это особенно актуально в настоящее время в связи с постоянным удорожанием энергетических ресурсов.
Для промышленных устройств также очень важен показатель надежности который характеризует работу устройства в неблагоприятных условиях. Ведь условия функционирования точного вычислительного оборудования на производстве в плане окружающей обстановки весьма неблагоприятные.
Целью настоящего дипломного проекта является разработка микропроцессорной системы управления для асинхронного трехфазного двигателя главного движения токарного станка с параметрами которые не уступают а в ряде случаев и превосходят параметры аналогичных устройств.
Основная часть содержит необходимые расчеты тексты и алгоритмы программного обеспечения выбор элементной базы выбор схемных решений необходимых для успешного проектирования и другие результаты.
В заключении отражены результаты проектирования а список используемых источников содержит ссылки на литературу и другие источники.
Асинхронные электродвигатели
В настоящее время на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей выпускаемых промышленностью. К ним относятся и трехфазные асинхронные двигатели.
Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики бытовых и медицинских приборах устройствах звукозаписи и т.п.
Асинхронная машина- это электрическая машина переменного тока частота вращенияроторакоторой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля создаваемого током обмотки статора.
В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. В России асинхронными машинами стали называть машины которые являютсяиндукционными.
Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.
Достоинства асинхронных электродвигателей:
Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется:
простотой их конструкции
надежностью в работе
хорошими эксплуатационными свойствами
невысокой стоимостью
простотой в обслуживании.
Небольшой пусковой момент.
Значительный пусковой ток.
Асинхронная машина имеет статор и ротор разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части - конструктивные обеспечивающие необходимую прочность жёсткость охлаждение возможность вращения и т.п.
Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае - многофазную) обмотку проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл. град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам "треугольник" или "звезда" и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.
По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: скороткозамкнутымротором и сфазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора - из электротехнической стали и шихтованным.
2Короткозамкнутый ротор. Ротор асинхронной машины типа "беличья клетка
Короткозамкнутая обмотка ротора часто называемая "беличья клетка" из-за внешней схожести конструкции состоит из медных или алюминиевых стержней замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями "беличьей клетки" отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности "беличью клетку" выполняют из медных стержней концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.
3Асинхронный двигатель. Фазный ротор
Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки а также для снижения шума вызываемого магнитными причинами. Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором а именно увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока на роторе применяют специальную форму паза. При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока за счет которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (при пуске).
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток что является существенным недостатком "беличьей клетки". Поэтому их применяют в тех электрических приводах где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении и отсутствие механического контакта со статической частью машины что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора когда магнитопровод "ротора" остается неподвижным а вращается в магнитном зазоре только полый цилиндр из алюминия (беличья клетка или короткозамкнутая обмотка ротора) можно достичь малой инерционности двигателя.
4Способы управления асинхронным двигателем
Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора иили его момента.
Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:
а)реостатный - изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора кроме того это увеличивает пусковой момент;
б)частотный - изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора.
Применяется включение двигателя через частотный преобразователь:
а)переключением обмоток со схемы "звезда" на схему "треугольник" в процессе пуска двигателя что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза но в то же время снижается и момент;
б)импульсный - подачей напряжения питания специального вида (например пилообразного);
в)введение добавочной э. д. с с согласно или противонаправлено с частотой скольжения во вторичную цепь.
г)изменением числа пар полюсов если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для к. з. роторов);
д)изменением амплитуды питающего напряжения когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск);
е)фазовое управление характерно тем что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления;
ж)амплитудно-фазовый способ включает в себя два описанных способа;
з)включение в цепь питания статора реакторов;
и)индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором.
5Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором
Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть - статор и вращающая часть называемая ротором.
Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.
Фазы обмотки можно соединить по схеме ''звезда'' или "треугольник" в зависимости от напряжения сети. Например если в паспорте двигателя указаны напряжения 220~380В то при напряжении сети 380В фазы соединяют "звездой". Если же напряжение сети 220В то обмотки соединяют в "треугольник". В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.
Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.
Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток - ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка - сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.
На рисунке 1.5.1 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 - станина 2 - обмотка статора 3 - ротор 4 - контактные кольца 5 - щетки.
Рисунок 1.5.1-Асинхронная машина с фазным ротором
У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной аналогично обмотке статора с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами закреплёнными на валу ротора и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рисунке 1.5.2 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.
Рисунок 1.5.2-Условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым(а) и фазным(б) ротором
В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1) (Рисунок 1.5.3) сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.
Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3) насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала так и друг от друга. С помощью щеток (4) находящихся в скользящем контакте с кольцами (3) имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).
Рисунок 1.5.3-Фазный ротор
Асинхронный двигатель с фазным роторомимеет лучшие пусковые и регулировочные свойства однако ему присущи большие масса размеры и стоимость чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.
6Принцип работы асинхронных электродвигателей
Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p по формуле:
где – угловая частота радс;
p – количество обмотки.
Пересекая проводники обмотки статора и ротора это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим магнитным полем создается электромагнитный момент. Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора не равна угловой скорости магнитного поля называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный т.е. несинхронный.
Работа асинхронной машины характеризуется скольжением S которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля и ротора :
Значение и знак скольжения зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля определяют режим работы асинхронной машины. Так в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении скольжение S=0 ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол ЭДС в его обмотке не индуктируется ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю. При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: =0 S=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от S=1 при пуске до S=0 в режиме идеального холостого хода.
При вращении ротора со скоростью >в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент. При вращении ротора в направлении противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1) асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент. Таким образом в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1 ÷ 0) генераторный (s=0 ÷ -) режимы и режим противовключения (s=1 ÷ +). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.
Фазный ротор имеет трехфазную (в общем случае - многофазную) обмотку обычно соединённую по схеме "звезда" и выведенную на контактные кольца вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металл графитовых щёток скользящих по этим кольцам в цепь обмотки ротора:
а)включают пускорегулирующий реостат выполняющий роль добавочного активного сопротивления одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости.
б)включают индуктивности (дроссели) в каждую фазу ротора. Сопротивление дросселей зависит от частоты протекающего тока а как известно в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя а при необходимости - "подхватить" двигатель у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.
в)включают источник постоянного тока получая таким образом синхронную машину.
г)включают питание от инвертора что позволяет управлять оборотами и моментными характеристиками двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора с фразировкой противоположной той которой запитан статор.
8Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором
Пусковые условия асинхронного двигателя с фазной обмоткой ротора можно существенно улучшить ценой некоторого усложнения конструкции и обслуживания двигателя.
Т.к. активное сопротивление фазной обмотки ротора относительно мало то для получения максимального начального пускового момента необходимо в цепь ротора включить пусковой реостат с сопротивлением фазы
Как только ротор начинает вращаться уменьшается скольжение а вместе с ним ЭДС и ток ротора вследствие чего уменьшается вращающий момент. Чтобы двигатель продолжал развивать вращающий момент близкий к максимальному сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. Наконец когда двигатель достигает номинальной частоты вращения пусковой реостат замыкают накоротко.
Для уменьшения механических потерь и износа колец и щеток двигатели снабжаются иногда приспособлением для подъема щеток и замыкания колец накоротко.
Чем больше должен быть пусковой момент чем ближе он к максимальному моменту тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо тяжелых условий пуска реостат подбирается так чтобы пусковой момент был равен максимальному.
Чтобы пусковой реостат в течение времени пуска не перегревался его мощность должна примерно равняться мощности двигателя. Для двигателей большой мощности пусковые реостаты изготавливаются с масляным охлаждением.
Конечно применение пускового реостата значительно улучшает пусковые условия асинхронного двигателя повышая пусковой момент и уменьшая пусковой ток.
9Реостатное регулирование
В трехфазных асинхронных двигателях с фазным ротором применяется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного реостата как при пуске двигателя. Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора а не на кратковременную как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристикуМвр(s) - делает ее более мягкой. Если при постоянном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (rp1rp2rp3) то рабочая точка будет с одной кривойМвр(s) на следующую соответствующую возросшему сопротивлению цепи ротора соответственно чему растет скольжение а следовательно уменьшается частота вращения двигателя. Этим путем можно изменять частоту вращения ротора в пределах от номинальной до полной остановки. Недостатком такого способа регулирования являются относительно большие потери энергии.
Микропроцессорная система
ЭВМ получили широкое распространение начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств называемых микропроцессорами.
Микроконтроллер (MCU) — микросхема предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути это однокристальный компьютер способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы вместо целого набора как в случае обычных процессоров применяемых в персональных компьютерах значительно снижает размеры энергопотребление и стоимость устройств построенных на базе микроконтроллеров.
Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.
Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем их можно встретить во многих современных приборах таких как телефоны стиральные машины и т.п. Большая часть выпускаемых в мире процессоров— микроконтроллеры.
Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства которые практически всегда используются не сами по себе а в составе более сложных устройств в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера скрыта от пользователя внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства на микроконтроллерах обычно предназначены для решения одной задачи.
Микроконтроллеры — наиболее простой тип микропроцессорных систем в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы.
Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рисунок 2.1). В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы одиночные цифровые сигналы цифровые коды последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение накопление сигналов (или информации) но суть от этого не меняется. Если система цифровая (а микропроцессорные системы относятся к разряду цифровых) то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.
Рисунок 2.1-Электронная система
1Принцип работы микропроцессора и структурная схема
Рисунок 2.1.1-Структурная схема микропроцессора
В состав МП (рисунок 2.1.1) входят арифметическо-логическое устройство устройство управление и блок внутренних регистров.
Арифметическо-логическое устройство состоит из двоичного сумматора со схемами ускоренного переноса сдвигающего регистры и регистров для временного хранения операндов. Обычно это устройство выполняет по командам несколько простейших операций: сложение вычитание сдвиг пересылку логическое сложение (ИЛИ) логическое умножение (И) сложение по модулю 2.
Устройство управления управляет работой АЛУ и внутренних регистров в процессе выполнения команды. Согласно коду операций содержащемуся в команде оно формирует внутренние сигналы управления блоками МП. Адресная часть команды совместно с сигналами управления используется для считывания данных из определенной ячейке памяти или для записи данных в ячейку. По сигналам УУ осуществляется выборка каждой новой очередной команды.
Блок внутренних регистров БВР расширяющий возможности АЛУ служит внутренней памятью МП и используется для временного хранения данных и команд. Он также выполняет некоторые процедуры обработки информации.
На рисунке 2.1.2 приведена более подробная структурная схема однокристального МП. Здесь блок внутренних регистров содержит регистры общего назначения и специальные регистры: регистр-аккумулятор буферный регистр адреса буферный регистр данных счетчик команд стека признаков.
Регистры общего назначения (РОН) число которых может изменятся от 4 до 64 определяют вычислительные возможности МП. Их функция – хранение операндов. Но могут выполнять также и роль регистров. Все РОН доступны программисту который рассматривает их как сверхоперативное запоминающее устройство.
Регистр – аккумулятор («накопитель») предназначен для временного хранения операнда или промежуточного результата действий производимой в АЛУ. Разрядность регистра равна разрядности информационного слова.
Буферный регистр адреса служит для приема и хранения адресной части выполняемой команды. Возможное количество адресов определяется разрядностью регистра.
Буферный регистр данных используется для временного хранения выбранного из памяти слова перед передачей его во внешнюю шину данных. Его разрядность определяется количеством байт информационного слова.
Регистр команд принимает и хранит код очередной команды адрес которой находится в счетчике команд. По сигналу УУ в него передается из регистра хранимая там информация.
Регистры стека делятся на стек и указатель стека. В МП стек – набор регистров хранящих адреса команд возврата при обращении к подпрограммам или состояние внутренних регистров при обработке прерываний. Стек может быть выполнен не только на внутренних регистрах МП составляя его часть но и находиться в ОЗУ занимая там отведенную для него зону. В последнем случае для обращения к нему необходим специальный регистр – указатель стека.
Указатель стека хранит адреса последней занятой ячейки стека которую называют вершиной. Содержащее в указателе число указывает где находится вершина стека. Когда в стек записывается очередное слово то число в указателе стека соответственно увеличивается. Извлечение слова из стека сопровождается наоборот уменьшением числа заполняющего указатель стека. Кроме такой процедуры предусматривается возможность считывания без разрушений содержимого любой ячейки стека при неизменном числе хранимом в указателе стека
Регистр признаков представляет собой набор триггеров – флажков. В зависимости от результатов операций выполняемых АЛУ каждый триггер устанавливается в состояние 0 или 1. Флажковые биты определяющие содержимое регистра индицируют условные признаки: нулевого результата знака результата перевыполнения и т. п. Эта информация характеризующая состояние процессора важна для выбора дальнейшего пути вычислений.
Рисунок 2.1.2-Основные части микропроцессора
Рассмотрим более подробно основные части микропроцессора (рисунок 2.1.2).
Внутренняя шина данных соединяет собой основные части МП.
Шиной называют группу линий передачи информации объединенных общим функциональным признаком. В микропроцессорной схеме используется три вида шин: данных адресов и управления.
Разрядность внутренней шины данных т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа соответствует разрядности слов которыми оперирует МП. Очевидно что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного МП внутренняя шина данных состоит из восьми линий по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь в виду что по шине данных передаются на только обрабатываемые АЛУ слова но и командная информация. Следовательно недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру (числа разрядов указаны на рисунке в скобках рядом с названиями блоков).
Шина данных МП работает в режиме двунаправленной передачи т. е. по ней можно передавать слова в обоих направлениях но не одновременно. В этом случае требуется применение специальных буферных схем и мультиплексного режима обмена данных между МП и внешней памятью. Мультиплексный режим (от английского слова multiple – многократный множественный) иногда называемый многоточечным - режим одновременного использования канала передачи большим числом абонентов с разделением во времени средств управления обменом.
Мультиплексор – устройство которое выбирает данные от одного двух (или более) входных информационных каналов и подает эти данные на свой выход. Схема мультиплексора состоит из двухвходовых логических элементов И-ИЛИ управляемых распределителем импульсов. Промышленностью выпускаются мультиплексоры которые могут входить в состав а также в виде отдельных БИС (например восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.).
Демультиплексор – устройство выполняющее противоположную мультиплексору функцию - подает данные подводимые к его входу на один (или более) выходной информационный канал.
Мультиплексоры и демультиплексоры позволяют компоновать из микропроцессорных элементов микро ЭВМ для любой длины машинного слова. Предположим что задача обработки данных заключается в сложении двух операндов каждый из которых представляет собой восьмиразрядное двоичное число – байт.
Восьмиразрядное арифметически – логическое устройство выполняет все арифметические и логические операции. На первый вход АЛУ поступает байт из восьмиразрядного аккумулятора а на второй вход – из восьмиразрядного промежуточного регистра. Результат сложения указанных двух байтов передается с выхода АЛУ через внутреннюю шину данных в аккумулятор. Такая организация удовлетворяет одноадресной организации микропроцессора. Для нее характерно то что один из операндов участвующих в обработке всегда находится в аккумуляторе адрес которого задан неявно. Поэтому при выполнении операции сложения двух операндов требуется указывать только один адрес – второго операнда содержащегося например в одном из восьми регистров общего назначения (РОН). К АЛУ подключены регистр признаков предназначенный для хранения и анализа признаков результата операции и схема десятичной коррекции (на рис. 2 не показана) позволяющая проводить обработку данных в двоично-десятичном коде.
В состав микропроцессора входят также указатель стек счетчик команд буферный регистр адреса ОЗУ. Первые два РОН – регистры W и Z – предназначены для кратковременного хранения данных во время выполнения команды (эти регистры недоступны программисту) остальные шесть РОН – регистры B C D E H и L – cлужат ячейками внутренней памяти называемой сверхоперативным запоминающим устройством (СОЗУ). В них хранятся операнды подлежащие обработки в АЛУ результаты обработки данных выполненных в АЛУ и управляющие слова. В каждом регистре помещается один байт. Обращение к РОН – адресное. Попарное расположение регистров B и C D и E H и L дает возможность проводить обработку двухбайтовых слов называемую обработкой “удвоенной точности”. Обмен данными с РОН (считывание и запись информации) осуществляется через мультиплексор причем требуемый регистр выбирается с помощью селектора регистров по сигналу УУ.
В левой части рис. 2 расположены регистр команд дешифратор кода операции и УУ (хотя дешифратор относится к УУ он нарисован отдельно для большей наглядности). Стековый регистр адреса на рисунке отсутствует так как стек представляет собой определенную зону ОЗУ.
Обмен информацией между регистрами и другими блоками микропроцессора производится через внутреннюю шину данных причем передачи команд и данных разделены во времени. Связь с внешней шиной данных осуществляется через буферный регистр данных.
Микропроцессор – это программно-управляемое устройство. Процедура выполняемой им обработки данных определяется программой т. е. совокупностью команд. Команда делится на две части: код операции и адрес. В коде операции заключена информация о том какая операция должна быть выполнена над данными подлежащими обработке. Адрес указывает место где расположены эти данные (в регистрах общего назначения микропроцессора т. е. во внутренней или внешней памяти). Слово данных подвергаемое обработке представляет один байт. Команда может состоять из одного двух или трех байтов последовательно расположенных в памяти.
Первый байт команды содержит код операции. Считанный в начале интервала выполнения команды называемого циклом команды ее первый байт поступает по внутренней шине данных в регистр команд где хранится в течение всего цикла. Дешифратор кода операции дешифрует содержимое регистра команд – определяет характер операции и адреса операндов. Эта информация подается в УУ которое вырабатывает управляющие сигналы направляемые в блоки микропроцессора участвующие в выполнении данной команды.
В том случае когда код операции непосредственно указывает адрес данных – объекта обработки операция начинается сразу после считывания первого байта команды. Если же в команде содержится более одного байта то остальные байты несущие информацию об адресе ячейки памяти где хранятся данные передаются либо в буферный регистр адреса либо в один из РОН только после завершения всей процедуры считывания команды или иначе говоря после получения полной информации о местонахождении операндов и о том какая операция должна выполнятся начинается операция.
Рассмотрим пример выполнения операции сложения двух операндов. Первый операнд хранится в аккумуляторе второй в одном из РОН (его адрес указан в команде) откуда он передается в промежуточный регистр. Согласно коду операции АЛУ суммирует поступающие на его вход байты и выдает результат который фиксируется в аккумуляторе. Этот результат можно использовать при дальнейших этапах обработки.
Наряду с многокристальными и однокристальными МП используются секционированные или разрядно-модульные МП. Основной их отличительной особенностью является то что каждый модуль предназначен для обработки нескольких разрядов машинного слова а слово в целом обрабатывается группой модулей или секций соединенных между собой.
2Архитектуры типы характеристики и параметры микропроцессоров
Архитектура микропроцессора (Architecture) – принцип его внутренней организации общая структура конкретная логическая структура отдельных устройств.
Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации возможность совмещения выполнения команд во времени наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора регистры управляющие схемы арифметико-логические устройства запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура микропроцессора - это система команд типы обрабатываемых данных режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей языка ЭВМ структуры данных.
В соответствии с архитектурными особенностями определяющими свойства системы команд различают:
а)Микропроцессоры с CISC архитектурой.
CISC (Complex Instruction Set Computer) - Компьютер со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры корпораций Intel (Integrated Electronics) и AMD (Advanced Micro Devices) относятся к категории CISC.
б)Микропроцессоры с RISC архитектурой.
RISC (Reduced Instruction Set Computer) - Компьютер с сокращенной системой команд. Упрощена система команд и сокращена до такой степени что каждая инструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростилась структура микропроцессора и увеличилось его быстродействие.
Пример микропроцессора с RISC-аpхитектуpой - Power PC. Микропроцессор Power PC начал разрабатываться в 1981 году тремя фирмами: IBM Motorola Apple.
в)Микропроцессоры с MISC архитектурой.
MISC (Minimum Instruction Set Computer) - Компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет таким образом программа преобразуется в небольшое количество длинных команд.
Разрядность – максимальное количество разрядов двоичного кода которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.
Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 или IA-32 (Intel Architecture 32 bit) но совсем скоро произойдет переход на более совершенную производительную 64-х битную архитектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Фактически переход уже начался этому свидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD (Advanced Micro Devices) этот микропроцессор примечателен тем что может работать как с 32-х битными приложениями так и с 64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.
Разрядность микропроцессора обозначается mnk и включает:
m - разрядность внутренних регистров определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
n - разрядность шины данных определяет скорость передачи информации;
k - разрядность шины адреса определяет размер адресного пространства. (Например микропроцессор i8088 характеризуется значениями mnk=16820)
Объем адресуемой памяти – максимальный объем памяти который может обслужить микропроцессор.
-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Гб (4х109 байт) памяти а 64-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х1012 байт) памяти.
Набор дополнительных инструкций (Instruction Set) - применяются в современных CISC-микропроцессорах и способны значительно ускорить их работу. Естественно только при условии поддержки данных наборов со стороны приложения. Все традиционные современные процессоры поддерживают набор инструкций MMX который был самым первым (разработан корпорацией Intel еще в 1997 году). MMX расшифровывается как MultiMedia eXtensions (мультимедийные расширения). Он представил дополнительные возможности ориентированные на обработку цифрового изображения и звука. В основе технологии лежит концепция (микроархитектура) SIMD (Single Instruction Many Data – "одна команда много данных") когда при помощи одной инструкции одновременно обрабатывается несколько элементов данных. SSE SSE2 3DNow! - дальнейшее развитие этой идеи. Микропроцессоры Intel Pentium 3 поддерживают SSE а Pentium 4 и AMD Athlon 64 еще и SSE2 (это относится и к соответствующим микропроцессорам Intel Celeron). Процессоры AMD Athlon и Duron поддерживают наборы инструкций 3DNow!Professional и MMX в Athlon XP была добавлена поддержка SSE (на уровне микрокода ядра).
Технологический процесс производства (Process Techno 025 m; ). Чем меньше число тем меньше сам кристалл следовательно меньше потребляемая мощность и тепловыделение. А ведь тепловыделение сильно препятствует увеличению частоты на которой работает микропроцессор. Где-то в 1997 году произошел переход с 025 m на 018 m технологию производства. А уже в 2001 году произошел переход на 013 m технологию что позволило намного увеличить частоту. Вот-вот произойдет переход на 009 m.
Производительность микропроцессора определяется параметрами:
a.Тактовая частота (Частота ядра) (Internal clock) – это количество электрических импульсов в секунду. Каждый импульс несет в себе некую информацию - это могут быть команды процессору или данные памяти. Тактовая частота задается кварцевым генератором - одним из блоков расположенных на материнской плате. Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с очень высокой точностью и лежит в мега или гигагерцовом диапазоне. Один герц - один импульс один мегагерц - один миллион импульсов один гигагерц - тысяча мегагерц. Микропроцессор работающий на тактовой частоте 800 МГц выполняет 800 миллионов рабочих тактов в секунду. В зависимости от сложности обрабатываемой команды процессору для выполнения задачи необходимы сотни и тысячи тактов. Но для выполнения простых операций бывает достаточно одного такта. Чем выше тактовая частота ядра тем выше скорость обработки данных. Современные микропроцессоры работают на частотах от 300 МГц до 47 ГГц.
b.Частота системной шины (System clock или Front Side Bus) – системная шина служит для связи микропроцессора с остальными устройствами. Микропроцессор имеет две частоты: тактовая частота ядра и частота системной шины. Чем выше частота системной шины тем выше скорость передачи данных между микропроцессором и остальными устройствами. Частота системной шины современных микропроцессоров от 66 МГц до 266МГц.
c.Объем Кэш-памяти (Cache) – Кэш-память быстрая память малой емкости используемая процессором для ускорения операций требующих обращения к памяти. Кеш – промежуточное звено между микропроцессором и опретивной памятью. Различают несколько уровней кэша: кэш первого уровня (L1) - кэш команд (инструкций) которые предстоит исполнить кэш первого уровня размещается на одном кристалле с процессором. Кэш второго уровня (L2) - кэш данных - используется для ускорения операций с данными (в первую очередь чтения). На общую производительность влияет размер кэша L2. Чем больше L2 тем дороже процессор т.к. память для кэша еще очень дорога. Поэтому эффективнее увеличивать частоту кэша а для этого он должен находиться как можно ближе к ядру процессора. Кэш-память может работать на частоте 14 13 12 11 от частоты ядра. Современные микропроцессоры имеют кэш объемом от 8 Кб до 5Мб.
Предельно эксплуатационные параметры микропроцессоров:
a.Напряжение питания микропроцессора – величина питающего напряжения микропроцессоров зависит от технологического процесса и от частоты ядра. Чем меньше кристалл и ниже частота тем меньше напряжение питания. Напряжение питания современных микропроцессоров от 05 В до 35 В чаще всего от 12 В до 175 В.
b.Ток ядра – у современных микропроцессоров ток протекающий через ядро от 1 А до 90 А.
c.Потребляемая мощность – зависит от величины питающего напряжения и от частоты ядра. Чем меньше напряжение питания и частота тем меньше потребляемая мощность. Мощность современных микропроцессоров от 1Вт до 120 Вт. Чаще всего в пределах 40-70 Вт.
d.Максимальная температура нагрева кристалла – максимальная температура кристалла при которой возможна стабильная работа микропроцессора. У современных микропроцессоров она колеблется в пределах от 60С до 95С.
Физические параметры микропроцессорв (Форм-фактор):
а)Тип размеры корпуса
в)Количество выводов
г)Форма расположения выводов
Математическая модель
Таблица 3.1.1-Параметры электропривода суппорта токарного станка
Основные характеристики
Максимальное усилие резания
Максимальная скорость движения суппорта при прямом ходе
Максимальная скорость движения суппорта при обратном ходе
Длина обрабатываемой части детали
Максимальное ускорение без процесса резания
Коэффициент трения ста-ли по стали со смазкой
КПД шарико-винтовой передачи
Электропривод с асинхронным двигателем
Характер работы привода
Повторно- кратковременный
На рисунке 3.1.1 приведено схематическое изображение токарного станка. Обрабатываемая деталь левым концом закреплена в патроне (или на планшайбе) передней бабки.
Правый конец удерживается на задней бабке так что деталь имеет возможность вращаться. Вращение детали осуществляется главным приводом расположенным в передней бабке. На суппорте крепится режущий инструмент (резец) которым обрабатывается деталь.
Привод суппорта включает в себя двигатель подачи (мотор-редуктор) вращающий ходовой винт шарико-винтовой передачи Связь ходового винта с суппортом осуществляется через гайку жестко связанную с суппортом. При рабочем ходе суппорт перемещается в продольном направлении (на рисунке слева направо) и происходит обработка детали резцом. При обратном ходе суппорт возвращается в исходное состояние. При обратном ходе процесс резания отсутствует. Привод суппорта запускается до начала обработки детали. После выхода на рабочую скорость резец подводится к детали и начинается процесс резания.
Рисунок 3.1.1-Схематическое изображение токарного станка
2Математическая модель асинхронного двигателя
где – момент прикладываемый к двигателю Н·м;
– приведенный момент инерции к валу электродвигателя всех масс вращающих частей Н·м;
– угловая скорость радс;
– коэффициент вязкого трения;
– момент нагрузки Н·м.
Время переходного процесса
3Расчет усилий и моментов
Усилие для преодоления трения скольжения при движении суппорта по направляющим:
Максимальное усилие на суппорте при установившемся движении в процессе резания:
Максимальная угловая скорость ходового винта в процессе резания:
Максимальная угловая скорость ходового винта при обратном ходе суппорта:
Пассивный момент нагрузки на ходовом винте в процессе резания с учетом коэффициента запаса Kзап=1.3:
Пассивный момент нагрузки на ходовом винте без процесса резания при прямом ходе с учетом коэффициента запаса Kзап=1.3:
Пассивный момент нагрузки на ходовом винте при обратном ходе суппорта с учетом Kзап
Мощность на ходовом винте необходимая для движения суппорта с максимальной скоростью в процессе резания:
Время разгона и равное ему время торможения (без процесса резания):
Максимальное угловое ускорение ходового винта:
Время работы привода на установившейся скорости в процессе резания:
Время работы привода на установившейся скорости при обратном ходе:
Момент инерции суппорта приведенный к ходовому винту (выходному валу редуктора):
Движущий момент на ходовом винте в зависимости от режима:
4Нагрузочные и скоростные диаграммы
T2= не учитывается в связи с очень малым значением
Рисунок 3.4.1-Нагрузочные и скоростные диаграммы
5Выбор мотор-редуктора
Таблица 3.5.1-Параметры двигателя DFR63M4
-проверка по максимальному моменту
К двигателю был выбран редуктор R 07.
Момент инерции редуктора в расчётах будет не учитываться т.к. он составляет менее 5% от момента инерции двигателя.
Далее для расчёта в среде Matlab Simulink параметры двигателя будут выбраны в соответствии с двигателем DR 63M4.
6Проверка двигателя на нагрев
Выбор преобразователя и схема его подключения
По рассчитанным данным подходит преобразователь фирмы SEW MOVIDRIVE MDX60
Таблица 3.6.1-Параметры преобразователя фирмы SEW MOVIDRIVE MDX60
Рисунок 3.6.1-Схема подключения силовой части преобразователя
7Структурная схема системы управления выбор структуры и расчет параметров регуляторов
Рисунок 3.7.1-Структурная схема системы регулирования скорости при векторном управлении асинхронным двигателем в действующих значениях переменных
Настройка токовых контуров:
Настройка контура регулирования потокосцепления ротора:
Настройка контура скорости:
8Расчетная схема системы управления привода в среде MATLAB Simulink
Рисунок 3.8.1-Структурная схема всей системы
Рисунок 3.8.2-Структурная схема асинхронного двигателя
Рисунок 3.8.3-Структурная схема задатчиков скорости и момента
9Результаты моделирования динамических процессов при малых входных воздействиях и в заданных рабочих режимах
Рисунок 3.9.1-График момента сопротивления
Рисунок 3.9.2-График скорости
Рисунок 3.9.3-График реакции потока на малое входное воздействие
Рисунок 3.9.4-График реакции скорости на малое входное воздействие
Рисунок 3.9.5-График момента двигателя
Способы регулирования скорости асинхронного двигателя
Рисунок 4.1-Способы регулирования скорости асинхронного двигателя
Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы шкивы) что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.
Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.
Из представленных на рисунке 4.1 способов самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:
напряжения подаваемого на статор
вспомогательного сопротивления цепи ротора
частоты рабочего тока.
Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.
1 Частотное регулирование
гдеn1 – частота вращения поля обмин;
f – частота питающей сети (Гц);
p – число пар полюсов статора;
– коэффициент пересчета мерности.
Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная то напряжение изменяется пропорционально частоте.
Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой например в много контактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя приводящего в движение намоточный вал регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору следящему за правильностью выполнения технологических операций ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.
Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.
Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они по сравнению с тиристорами имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.
2 Переключение числа пар полюсов
Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Из выраженияnо = 60fр следует что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращенияnо магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.
Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.
Рисунок 4.2.1-Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а - с одинарной звезды на двойную; б - с треугольника на двойную звезду
Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 42 84 126. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12864 имеет две переключаемые обмотки
3 Изменение величины питающего напряжения
Так как частота вращения магнитного поля статораnо = 60fр то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности полезного действия перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.
Схема частотного электропривода приведена на рисунке 4.3.1 а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рисунке 4.3.2.
Рисунок 4.3.1-Схема частотного электропривода
Рисунок 4.3.2-Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании
С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.
Частотное регулированиескорости асинхронного двигателяпозволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 - 30):
Частотный способ является наиболее перспективным для регулированияасинхронного двигателяс короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики поскольку минимальны потери скольжения.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовыеIGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частотыIвых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.
4 Введение добавочного сопротивления в цепь ротора
Введениерезисторовв цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения поскольку n = nо(1 - s).
При увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.
Жесткостьмеханических характеристикзначительно снижается с уменьшением частоты вращения что ограничивает диапазон регулирования до (2 - 3) : 1.
Недостатком этого способа являются значительные потери энергии которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только длядвигателя с фазным ротором.
Дипломная работа посвящена разработке микропроцессорной системы управления асинхронным двигателем которая будет регулировать скорость двигателя в токарном станке.
В данный момент существует довольно много способов регулирования скорости асинхронного двигателя каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Исходя из этого следует сделать универсальную микропроцессорную систему которая позволит выбирать один из способов регулирования. Таким образом возможно регулирование не только скорости регулирования но и регулирования таких характеристик как: коэффициент полезного действия потери энергии потери скольжения и многое другое.
Для управления скорости асинхронного двигателя будет подключен микропроцессор AtMega128 (8-разрядный AVR – микроконтроллер с внутрисистемно-программируемой флеш-памятью емкостью 128 кбайт). Микроконтроллер AtMega128 имеет ряд отличительных особенностей:
Высокопроизводительный маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер
Развитая RISC-архитектура
– 133 мощных инструкций большинство из которых выполняются за один машинный цикл
– 32 8-разр. регистров общего назначения + регистры управления встроенной периферией
– Полностью статическая работа
– Производительность до 16 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц
– Встроенное умножающее устройство выполняет умножение за 2 машинных цикла
Энергонезависимая память программ и данных
– Износостойкость 128-ми кбайт внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памяти: 1000 циклов записьстирание
– Опциональный загрузочный сектор с отдельной программируемой защитой
Внутрисистемное программирование встроенной загрузочной
Гарантированная двухоперационность: возможность чтения во время записи
– Износостойкость 4 кбайт ЭСППЗУ: 100000 циклов записьстирание
– Встроенное статическое ОЗУ емкостью 4 кбайт
– Опциональная возможность адресации внешней памяти размером до 64 кбайт
– Программируемая защита кода программы
– Интерфейс SPI для внутрисистемного программирования
Интерфейс JTAG (совместимость со стандартом IEEE 1149.1)
– Граничное сканирование в соответствии со стандартом JTAG
– Обширная поддержка функций встроенной отладки
– Программирование флэш-памяти ЭСППЗУ бит конфигурации и защиты через интерфейс JTAG
Отличительные особенности периферийных устройств
– Два 8-разр. таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения
– Два расширенных 16-разр. таймера-счетчика с отдельными предделителями режимами сравнения и режимами захвата
– Счетчик реального времени с отдельным генератором
– Два 8-разр. каналов ШИМ
– 6 каналов ШИМ с программируемым разрешением от 2 до 16 разрядов
– Модулятор выходов сравнения
– 8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования
несимметричных каналов
дифференциальных каналов
дифференциальных канала с выборочным усилением из 1x 10x и 200x
– Двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный не передачу данных в байтном формате
– Два канала программируемых последовательных УСАПП
– Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущийподчиненный
– Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором
– Встроенный аналоговый компаратор
Специальные возможности микроконтроллера
– Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания
– Встроенный калиброванный RC-генератор
– Внешние и внутренние источники прерываний
– Шесть режимов снижения энергопотребления: холостой ход (Idle) уменьшение шумов АЦП экономичный (Power-save) выключение (Power-down) дежурный (Standby) и расширенный дежурный (Extended Standby)
– Программный выбор тактовой частоты
– Конфигурационный бит для перевода в режим совместимости с ATmega103
– Общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода
Ввод-вывод и корпуса
– 53 –программируемые линии ввода-вывода
– 64-выв. корпус TQFP
– 2.7 - 5.5В для ATmega128L
– 4.5 - 5.5В для ATmega128
Градации по быстродействию
– 0 - 8 МГц для ATmega128L
– 0 - 16 МГц для ATmega128
На микроконтроллер AtMega128 подключаются необходимые схемы и датчики для того чтобы скорость асинхронного двигателя можно было регулировать для:
Короткозамкнутого асинхронного двигателя по:
а)частотному регулированию изменения частоты
б)переключению числа пар полюсов
в)изменению величины питающего напряжения
Асинхронного двигателя с фазным ротором по:
а)введению добавочного сопротивления в цепи ротора
б)асинхронному вентильному каскаду
в)двигателю двойного питания
Способ регулирования по изменению величины питающего напряжения может использоваться как для короткозамкнутого двигателя так и для асинхронного двигателя с фазным ротором.
Преимущества данной системы заключаются в использовании данной системы как для короткозамкнутых двигателей так и для асинхронных двигателей с фазным ротором; использование нескольких методов регулирования скорости движения что позволяет менять параметры КПД подача энергии и многих других характеристик которые могут повлиять на качество изделия.
Рисунок 5.1-Структурная схема системы управления скорости асинхронного двигателя
БУ – блок управления
БРД – блок регулирования двигателем
АД – асинхронный двигатель
В настоящем дипломном проекте разрабатывалась микропроцессорная система управления асинхронным двигателем главного движения токарного станка.
Поскольку устройство построено на высокоинтегрированной микропроцессорной базе то были достигнуты хорошие массогабаритные и функциональные показатели.
Был произведен анализ структур систем управления способов их реализации по результатам которого был сделан выбор исходя из соображений минимальных затрат простоты реализации наличия элементной базы.
Основная часть дипломного проекта содержит необходимые расчеты исходные тексты и алгоритмы программ а так же выбор элементов системы управления в целях поддержания значений указанных в техническом задании.
С помощью ЭВМ в программном пакете MatLab рассчитывались динамические характеристики источника которые показывают что отклонение параметров выходных значений не превышает заданное.
Копылова И.П. «Проектирование электрических машин» Учебник для вузов Книга 1» Москва: Энергоатомиздат 1993. - 464 с.
Радин В.И. Брускин Д.Э. Зорохович А. Е.; Под ред. И.П. Копылов-М.: «Электрические машины: Асинхронные машины» Учеб. Для электромех. спец. Вузов» Высшая школа 1988-328 с.
Кузнецов М.И. «Основы электротехники» Учебное пособие. Изд. 10-е перераб. "Высшая школа
PC К. Айден Х. Фибельман М. Крамер. «Аппаратные средства» BHV – Санкт-Петербург» Санкт-Петербург 1997г.
Л.А. Коледов «Технология и конструкция микросхем микропроцессоров и микросборок» «Радио и связь» Москва 1989г.
Б.Ф. Высоцкий «Инженер-конструктор технолог микроэлектронной и микропроцессорной техники» «Радио и связь» Москва 1988г.
Журнал «Hardware» №39 1997 год
Дайнеко В.А. Ковалинский А.И. «Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий»

5.dwg

Датчик скорости (энкодер)
Датчик напряжения и тока 1
Асинхронный двигатель 1
Преобразо- ватель частоты 1
-х фазное напряжение
Измерительная подсистема вращения инструмента
Управляющая подсистема вращения инструмента
Датчик напряжения и тока 2
Асинхронный двигатель 2
Преобразо- ватель частоты 2
Измерительная подсистема подачи инструмента
Управляющая подсистема подачи инструмента
Шпиндельная коробка передач
Коробка подачи инструмента
Технологи- ческий процесс
Разработка микропроцессорного устройства управления асинхронным двигателем

3.dwg

Датчик скорости (энкодер)
Датчик напряжения и тока 1
Асинхронный двигатель 1
Преобразо- ватель частоты 1
-х фазное напряжение
Измерительная подсистема вращения инструмента
Управляющая подсистема вращения инструмента
Датчик напряжения и тока 2
Асинхронный двигатель 2
Преобразо- ватель частоты 2
Измерительная подсистема подачи инструмента
Управляющая подсистема подачи инструмента
Шпиндельная коробка передач
Коробка подачи инструмента
Технологи- ческий процесс
Результаты моделирования динамических процессов при малых входных воздействиях и в заданных рабочих режимах

2.dwg

Датчик скорости (энкодер)
Датчик напряжения и тока 1
Асинхронный двигатель 1
Преобразо- ватель частоты 1
-х фазное напряжение
Измерительная подсистема вращения инструмента
Управляющая подсистема вращения инструмента
Датчик напряжения и тока 2
Асинхронный двигатель 2
Преобразо- ватель частоты 2
Измерительная подсистема подачи инструмента
Управляющая подсистема подачи инструмента
Шпиндельная коробка передач
Коробка подачи инструмента
Технологи- ческий процесс
Математическая модель асинхронного двигателя

4.dwg

Датчик скорости (энкодер)
Датчик напряжения и тока 1
Асинхронный двигатель 1
Преобразо- ватель частоты 1
-х фазное напряжение
Измерительная подсистема вращения инструмента
Управляющая подсистема вращения инструмента
Датчик напряжения и тока 2
Асинхронный двигатель 2
Преобразо- ватель частоты 2
Измерительная подсистема подачи инструмента
Управляющая подсистема подачи инструмента
Шпиндельная коробка передач
Коробка подачи инструмента
Технологи- ческий процесс
Принцип работы и структурная схема микропроцессора

1.dwg

Датчик скорости (энкодер)
Датчик напряжения и тока 1
Асинхронный двигатель 1
Преобразо- ватель частоты 1
-х фазное напряжение
Измерительная подсистема вращения инструмента
Управляющая подсистема вращения инструмента
Датчик напряжения и тока 2
Асинхронный двигатель 2
Преобразо- ватель частоты 2
Измерительная подсистема подачи инструмента
Управляющая подсистема подачи инструмента
Шпиндельная коробка передач
Коробка подачи инструмента
Технологи- ческий процесс
Способы регулирования асинхронного двигателя