Введение
Оглавление
Лазеры с распределённым брэгговским отражателем (DBR-лазеры) 15
Лазерные диоды. Принцип действия 18
Квантово-каскадные лазеры 20
Конструкция квантово-каскадного лазера 21
Квантово-каскадный лазер с резонатором Фабри-Перо 22
Лазер с распределенной обратной связью 22
Квантово-каскадные лазеры с внешними резонаторами 23
Полупроводниковые лазеры с кольцевым резонатором из полупроводникового усилителя. 23
Применение полупроводниковых лазеров 27
Аналитические исследования патентной литературы по датчикам вращения 29
Классификация датчиков, основные требования к ним 37
Виды датчиков 38
Требования, предъявляемые к датчикам 38
Датчики - генераторы 41
Индукционные датчики 42
Тахогенератор 42
Фотоэлектрические датчики 43
Бесконтактные датчики положения механизмов 46
Датчики с релейным выходом 48
Индуктивные датчики положения ИКВ-22 49
Индуктивные датчики положения ИД-5 50
Математическая модель 53
Выбор элементов системы автоматического управления 53
Выбор двигателя постоянного тока 53
Выбор тиристорного преобразователя 54
Выбор силового трансформатора 55
Выбор датчиков тока и скорости 55
Выбор функциональной схемы системы управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением 61
Синтез математической модели двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при постоянном магнитном потоке (Ф = const) 62
Построение временных и частотных характеристик системы ТП-ДПТ 66
Выбор структуры регуляторов и их гарантированных настроечных параметров 72
Настройка регуляторов тока и скорости на оптимум по модулю 72
Расчёт переходного процесса угловой скорости двигателя в САУ ТП-ДПТ с тахогенератором используемым в качестве датчика скорости 78
Расчёт переходного процесса угловой скорости двигателя в САУ ТП-ДПТ с полупроводникомым кольцевым лазером используемым в качестве датчика скорости 81
Заключение 85
Список литературы 87
Одним из важнейших элементов процесса расчёта и настройки линейных систем автоматики является умение анализировать их свойства по известной структурной схеме. Знать свойства системы - это означает знать поведение системы в статическом режиме, в переходных процессах, а также в режиме вынужденных колебаний. Это необходимо для проверки того - удовлетворяет ли тестируемая система заданным технологическим требованиям, требуется ли корректирующее воздействие и какого вида и т.д.
В диссертационной работе необходимо синтезировать автоматическую систему управления (АСУ) скоростью электропривода постоянного тока с использованием полупроводникового кольцевого лазера в качестве датчика угловой скорости. За последние годы особое внимание уделяется волоконно-оптическим датчикам на базе полупроводниковых лазеров, в том числе датчикам вращения. Сегодня существует несколько разновидностей датчиков вращения, это датчики на основе эффекта Саньяка, такие как, газовые кольцевые лазеры [1] и волоконно - оптические гироскопы [2], также существуют датчики вращения, основанные на других принципах, такие, как датчики на микро-электромеханических системах (МЭМС) [3].
Преимущество датчика вращения важными параметрами является точность определения параметров вращения, чувствительность к другим, отличным от вращения, воздействиям, а также стоимость и простота изготовления, массогабаритные характеристики.
Наряду с выше приведёнными примерами датчиков вращения возможно использования такого датчика на основе полупроводникового кольцевого лазера [4]. Его использование в качестве датчика вращения является новой задачей. Таким образом, создание технологии изготовления полупроводниковых кольцевых лазеров и их исследование является актуальной задачей современной наукой, как с научной, так и с практической точек зрения. Как известно, в лазере важную роль играет резонатор, от его размеров, формы и характеристик зависит спектр генерируемого излучения и соответственно область применения.
Обычно резонатор образуется двумя параллельными зеркалами, размещенными по сторонам усиливающей среды, что обеспечивает оптическую обратную связь. Такой резонатор называется резонатором Фабри-Перо.
Резонатор, посредством которого осуществляется положительная обратная связь, может иметь различную геометрическую форму, например, прямоугольную, треугольную, квадратную, круговую. Кольцевым лазером называют лазер, резонатор которого замкнут. Часть кольца, в частности, можно реализовать с использованием оптического волокна, которое замыкается через
оптический усилитель. Различают кольцевые лазеры с внешним или с интегрированным резонатором: либо активная среда заполняет резонатор не полностью, тогда остальная его часть является внешней, либо же весь резонатор заполнен активной средой. Активной средой кольцевых лазеров может быть газ, полупроводник, краситель и т.д.
Система управления скоростью двигателя за счёт регулирования напряжения на якоре является типовой. Задающим сигналом на входе является выходной сигнал регулятора скорости (РС), который должен обеспечить плавный пуск, регулирование частоты вращения якоря и останов двигателя постоянного тока.
Выбираются функционально необходимые элементы системы: двигатель, тиристорный преобразователь и датчики. На основании этих данных рассчитывают основные параметры автоматизированного электропривода, под которыми понимают постоянные величины, определяющие его статические и динамические свойства. Это активные и реактивные сопротивления цепей, момент инерции на валу электродвигателя, передаточные коэффициенты и коэффициенты усиления, электромеханическая и электромагнитная постоянные времени.
От корректности расчётов элементов АСУ зависит точность результатов расчёта переходных процессов тока двигателя и его угловой скорости. Расчёты желательно выполнять с применением программного обеспечения ЭВМ, позволяющего с высокой точностью рассчитать весь процесс изменения искомых величин от одного установившегося состояния до другого. Результаты полученные моделированием на ЭВМ будут использованы для определения качественных показателей АСУ. Последние влияют на физическую реализуемость и область применения той или иной системы управления в электрических приводах.
Расчет частотных характеристик и переходных функций регуляторов, настраиваемых по определенным в задании оптимумам и расчет переходных процессов при пуске и набросе нагрузки АСУ «тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока», выполним при помощи процессора символьных вычислений программного обеспечения Mathcad.
Работа в диссертационной работе велась по трём направлениям, выполняемых последовательно:
Произвели анализ лазеров и датчиков угловой скорости, системы
автоматического управления.
В системе регулирование ведётся по двум координатам ЭП — скорости и тока. Замкнутая структура ЭП выполняется по схеме с подчинённым регулированием координат. Регулирование каждой координаты осуществляется собственными регуляторами, которые вместе с соответствующими обратными связями образуют замкнутые контуры. Таким образом, внутренний контур тока подчинён внешнему контуру скорости - основной регулируемой координате.
Расчёт и выбор элементов силовой части. Синтез САУ, включающий расчёт передаточных функций.
В соответствии с заданием произвели расчёт и выбор элементов силовой части системы: двигатель типа 2ПА, тиристорный преобразователь типа ТПР, силовой трансформатор ТСЗ, система импульсно - фазового управления. Для каждого элемента рассчитали передаточную функцию и составили структурную схему. Построение и анализ переходных процессов.
Проанализировав систему по переходной характеристике, определили время переходного процесса, перерегулирование и быстродействие. По критерию Найквиста, ЛАЧХ и ЛФЧХ система является устойчивой и имеет запас устойчивости.
По полученным результатам можно сказать, что система спроектирована так, чтобы она имела максимальную точность выполнения возложенной на неё задачи регулирования заданного объекта. Основой является оптимизация закона регулирования, то есть наилучшее построение регулятора (системы управления) для осуществления заданной программы управления. Одним из интереснейших применений лазеров является их использование в навигационной технике, в частности в качестве датчиков вращения для автономного измерения угловой скорости объекта. Ранее для этой цели использовались только механические гироскопы, действие которых основано на эффекте «волчка», то есть способности раскрученного массивного тела сохранять в пространстве направление оси вращения. Лазерный гироскоп имеет ряд существенных преимуществ перед механическим.
Во-первых, отсутствие движущихся частей позволяет снизить время выхода прибора на режим с 20 - 30 с до 0.5 - 1.0 с и повысить устойчивость прибора к механическим воздействиям (по ударам с 10 - 20 g до 150 - 200 g).
Во-вторых, лазерный гироскоп нечувствителен к линейным ускорениям до 1000 g, в то время как механический гироскоп даёт значительную ошибку при ускорении от 50 g и выше.
В-третьих, лазерный гироскоп выдаёт информацию в дискретном виде, что удобно при преобразовании её в цифровую для последующей обработки.
Сравнивая графики переходных процессов мы видим, что использование полупроводникового кольцевого лазера в качестве датчика вращения в САУ возможна и имеет ряд преимуществ по сравнению с тахогенераторами. Это уменьшение пусковых токов, более точное регулирование скорости двигателя постоянного тока. Всё это достигается за счёт преимуществ лазерного гироскопа.
Но следует учитывать, что отличие оптимальной системы состоит в том, чтобы добиться не просто требуемых показателей, а наилучших показателей, то есть «извлечь» из системы все, что она может дать по определённому виду качества, наиболее важному для этой системы, при соблюдении заданных требований по всем другим её свойствам.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
