Электропривод звена подвижности ПР по схеме АИН-АД

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДГТУ

Кафедра РиМ

Частотно-регулируемый электропривод звена подвижности ПР на базе "АИН-АД"

Разработал Попов

Проверил Карнаухов

Оглавление

электропривод двигатель расчет вольт-частотная

1. Силовой расчет звена подвижности исполнительного механизма ПР 3

1.1 Расчет сил трения и силового заклинивания в направляющих поступательного движения исполнительного механизма

1.2 Расчет момента инерции, статического момента, требуемой мощности двигателя

2. Выбор исполнительного двигателя и редуктора передаточного механизма

3. Статический расчет электропривода

3.1 Параметры Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя

3.2 Расчет и коррекция вольт-частотной характеристики

4. Динамический расчет электропривода

4.1 Расчет передаточных функций объекта регулирования (асинхронного двигателя с автономным инвертором напряжения)

4.2 Расчет и настройка регулятора контура тока

4.3 Синтез регулятора скорости

5. Расчет силовых элементов автономного инвертора напряжения

5.1 Определение электрических параметров транзисторного ключа

5.2 Расчет фильтра звена постоянного напряжения АИН

6. Устройство и принцип работы АИН

6.1 Состав и блок-схема электропривода

6.2 Силовая часть

6.3 Микропроцессорная система управления (МСУ)

6.4 Система электропитания блоков управления

6.5 Конструкция

Заключение

Список источников

Автоматизированный электропривод играет в роботостроении и станкостроении исключительно важную роль. Его значение не ограничивается только преобразованием электрической энергии в механическую, хотя это одна из основных функций, выполняемых приводом в производственных машинах.

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

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

Выполнение курсового проекта по приводам роботов - самостоятельная творческая работа по решению комплексной инженерной задачей. Знания и опыт, приобретенные при выполнении этого проекта являются базой для выполнения дипломного проектирования. Вместе с тем работа над курсовым проектом подготавливает к решению более сложных задач общетехнического характера, с которыми встретится будущий инженер.

электропривод двигатель расчет вольт-частотная

1. Силовой расчет звена подвижности исполнительного механизма ПР

1.1 Расчет сил трения и силового заклинивания в направляющих поступательного движения исполнительного механизма

При расчете привода следует учитывать силы сопротивления движению исполнительного механизма. Величина сил трения зависит от величин нормальных реакций в опорах, определяемых весом подвижных частей, схемой приложения внешних сил и конструкцией направляющих.

Значение силы трения определяется по формуле:

где, Fi - сила трения в i-й опоре, n - число опор, FУ - сумма модулей нормальных реакций в опорах, µ ? коэффициент трения скольжения или качения.

На рисунке 1.1 приведена конструкция направляющих узлов, обеспечивающих перемещение подвижного органа в требуемом направлении. В случае несоответствия размеров конструкции системе действующих на исполнительный орган сил, возможна ситуация, когда внешняя движущая сила P не в состоянии привести исполнительный орган в движение, т. е. возникает силовое заклинивание.

Выражение для реакции в опорах А и В имеет вид:

Примем а = 0.1 м, b = 0.2 м;

Рассчитаем по формуле (1.1) FT:

Условие отсутствия заклинивания у приводов подъема для наихудшего варианта - подъема вверх - имеет вид:

Выбираем F = 210 H.

Подставив значения реакций в формуле (3.3) и выполнив преобразования получаем:

Размещено на Allbest.ru

Имеем ввиду, что:

Действительно, условие выполняется, т. к.:

Условие отсутствия заклинивания выполнено, сила F выбрана верно.

1.2 Расчет момента инерции, статического момента, требуемой мощности двигателя

Момент инерции нагрузки определяется с учетом преобразования вращательного движения шестерни в поступательное перемещение рейки по формуле:

Где Dш ? диаметр шестерни; Jвр - момент вращения.

Где - плотность стали для материала шестерни;

Где b1 - ширина шестерни, b2 - ширина рейки.

Где - коэффициент ширины зубчатого венца.

Определим статический момент:

Теперь, имеется возможность определить требуемую мощность приводного двигателя:

Вт

где Кзап - коэффициент запаса, учитывающий возможное увеличение требуемой мощности для динамических режимов движения, Кзап = 1.2-1.5; Vmax - максимальная линейная скорость перемещения звена манипулятора.

2. Выбор исполнительного двигателя и редуктора передаточного механизма

Предварительный выбор двигателя обычно производят из справочной литературы, по результатам расчета «требуемой» мощности, значение которой несколько занижается (на 10-20%) в связи с кратковременным режимом работы. Для рассматриваемого случая ближайшими по «требуемой» мощности являются асинхронные двигатели (АД) с номинальной мощностью Вт, необходимые для расчета параметры которых приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Для решения вопроса окончательного выбора ИД необходимо построить энергетические характеристики каждого, а затем (по необходимым условиям и параметрам объекта управления) выбрать соответствующий тип двигателя звена подвижности робота. Необходимым условием для выбора АД из четырех двигателей является определение максимального уровня расчетного момента Мр, характеризуемого точкой пересечения энергетической характеристики ИД с линией, проходящей на уровне «требуемой» мощности Ртр для ОУ.

Для построения энергетических характеристик двигателей будет использоваться программа для расчета и построения зависимостей, разработанная в среде MatLab, состоящая из следующей последовательности выполнения расчетных операций (этапов):

· момент на валу двигателя изменяется в интервале от 0 (при n=nсинхр)до (при n=0), где ? принимается как перегрузочный коэффициент АД по моменту;

· угловая скорость (в рад/с)определяется через частоту вращения в виде , где n ? текущая частота вращения двигателя (об/мин);

· формируется две механические характеристики с разными жесткостями, что возможно при координатах точек (0, ), (, ) и (до , 0);

· рассчитывается мощность

для построения характеристик определяется номинальная угловая скорость выбранных двигателей

(рад/с)

где - номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

Расчетные значения приведены ниже соответственно АД

Примерное построение характеристик выполняется в координатах Щ(М), Рэнерг(М), что и представлено на рисунке 2.1

Рис.2.1 Энергетические и механические характеристики двигателей

Построенные энергетические характеристики и линия «требуемой» мощности для движения ОУ, в чатности звена ПР, определяют расчетные моменты двигателей, т.е.

Н*м

Н*м

Н*м

Н*м

Для определения ориентировочного значения передаточного числа редуктора ИМ необходимо рассчитать требуемый момент для движения звена подвижности ИМ ПР согласно выражению

Н*м

Расчет ориентировочного значения передаточного числа редуктора осуществляется по соотношению

,

Где значение Мдв определяется из энергетических характеристик АД.

Тогда

Ожидаемую угловую скорость на выходе редуктора с ориентировочным передаточным числом определяют из соотношения

что позволяет для выбранных редукторов записать:

полученные угловые скорости должны соответствовать заданной скорости движения ИМ ПР при обеспечении требуемого момента на выходе редуктора, т.е.

,

где ? крутящий момент на выходе тихоходного вала редуктора.

Возможность движения ИМ со скоростью обеспечивается АД, например, АИР71А2 (частота вращения 2820 об/мин), и планетарным одноступенчатым редуктором ЗП-25М с основными параметрами:

· номинальное передаточное число редуктора i=8;

· максимальный крутящий момент на тихоходном валу Мкр=85Н*м;

· КПД з=97%;

Для принятого варианта исполнения редуктора пересчитывается угловая скорость выходного вала

Что позволяет перемещать ОУ при расчетном радиусе шестерни зубчато-реечной передачи (r=75 мм) со скоростью 2,7675 м/с, что на 1,2% ниже заданной скорости перемещения звена ПР.

Размещено на Allbest.ru

3. Статический расчет электропривода

3.1 Параметры Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя

В практике проектирования электропривода ПР широко используют схемы замещения (СЗ, рисунок 3.1) асинхронного двигателя для приближенного определения параметров r1, r2', Xу1, X2', Xм (без учета активного сопротивления контура намагничивания).

Общие параметры АД (из справочной литературы) приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1

Общие параметры АД

Рисунок 3.1 Т-образная схема замещения

Для многих двигателей параметры Т-образной схемы замещения определяются производителем и их можно найти в справочной литературе. Для АД модели АИР71А2 параметры Т-образной схемы замещения представлены в таблице 3.2

Таблица 3.2

Параметры Т-образной схемы замещения

В режиме установившейся частоты вращения звена подвижности манипулятора статический момент Мс нагрузки обусловлен моментами от технологической силы Мт и трения о воздух Мтр.возд. С учетом изложенного зависимость статического момента сопротивления на валу двигателя от частоты вращения можно представить выражением вида

, Нм

где k1,2 ? коэффициенты статической и динамической составляющих соответственно. Определяют также

где ? текущее значение частоты вращения АД.

В соответствии с рисунком 3.1 рассчитываем ток холостого хода АД при номинальной частоте напряжения статора

, А

Тогда относительное значение холостого хода АД составит

В режиме номинальной нагрузки АД при коэффициентах k1=0.8, k2=0.2, k3=1 и Mтреб=20.09 можно получить для конкретных значений следующую зависимость Мс=f(Щ), т.е.

Это выражение в дальнейшем может быть использовано для составления структурной схемы блока статической нагрузки и моделирования переходных процессов в электроприводе проектируемого ПР при изменении скорости движения звена.

3.2 Расчет и коррекция вольт-частотной характеристики

Известно, что при уменьшении частоты f1<f1ном снижается скорость Щ0, а магнитный поток Щд АД увеличивается. Это приводит к глубокому насыщению магнитной цепи АМ и увеличению намагничивающего тока, что снижает энергетические показатели АД, т.е. (cosц, з). При этом изменяется и критический момент на валу АД, что отрицательно сказывается на технических характеристиках технологического оборудования. С целью сохранения перегрузочной способности АД на низких частотах применяют коррекцию вольт-частотной характеристики по напряжению, компенсируя падение напряжения в обмотке статора АД путем добавления некоторого напряжения (при частоте f1min) к рассчитанному значению напряжения Uфmin. коррекцию напряжения на обмотках статора АД выполняют при проектировании СУ электропривода в последовательности:

1. Из условия обеспечения равномерного вращения вала АД задаются минимально допустимой частотой, например, n2min=(5-10) об/мин. Минимальную частоту выходного напряжения АИН в этом случае рассчитывается соответственно выражению

Гц

2. Напряжение фазы АД (при частоте f1min) определяют из соотношения

3.

В

С целью сохранения перегрузочной способности АД на низких частотах выполняют коррекцию вольт-частотной характеристики по напряжению, компенсируя падение напряжения в обмотке статора АД путем добавления к рассчитанному значению (при значении f1min) приращения напряжения, определяемого как

4. Находят скорректированное значение фазного напряжения при f1min

На рисунке 3.2 приведены нескорректированные (сплошная линия) и скорректированные (пунктирная линия) вольт-частотные характеристики управляемого электродвигателя в схеме «АИН-АД», позволяющие обеспечить улучшенные (по нагрузочной способности) механические характеристики выбранного АД.

Рис.3.2 Вольт-частотные характеристики электропривода

На рисунке 3.3 приведены механические характеристики АД, позволяющие оценить возможности проектируемого электропривода ПР, собранного по широко распространенной схеме «АИН-АД» и с автоматической IR-компенсацией напряжения обмоток статора АД.

Рис. 3.3 Механические характеристики двигателя АИР71А2 при частотном управлении

Построение механических характеристик АД выполнено для нормальных и пониженных частот с коррекцией и без коррекции фазного напряжения. уравнение механической характеристики асинхронного двигателя при известных параметрах АД

,Нм

Чтобы построить механические характеристики, т.е. зависимости n(М), необходимо выразить скольжение ротора от частоты согласно выражению

Где n - текущее значение частоты вращения; ? скорость вращения поля статора при заданной частоте f1 питающего напряжения АД.

По полученным графическим зависимостям можно приближенно рассчитать статизм для верхней и нижней механических характеристик. Повышение жесткости механических характеристик АД в заданном диапазоне регулирования скорости движения ИМ ПР способствует улучшению качества управления ПР в целом.

4. Динамический расчет электропривода

4.1 Расчет передаточных функций объекта регулирования (асинхронного двигателя с автономным инвертором напряжения)

В рассматриваемом электроприводе имеет место два взаимосвязанных контура регулирования: ЭДС обмотки статора и скорости вращения. Синтез системы регулирования скорости можно выполнить в первом приближении, используя упрощенную структуру системы при частотном управлении, представленную на рисунке 4.1 в соответствии с приведенной методикой упомянутого подраздела рассчитывают все коэффициенты и передаточные функции звеньев структурной схемы, в частности:

1. Коэффициент преобразования

В/Гц

2. Передаточные функции звеньев, представленных на структурной схеме:

· первое звено (частотный преобразователь)

где - постоянная времени частотного преобразователя (АИН)

· второе звено (ротор асинхронного двигателя)

·

где ? постоянная времени ротора; - коэффициент усиления ротора.

· третье звено (преобразование тока в электромагнитный момент) представляют коэффициентом Kмэ, определяемым по выражению

· четвертое звено определяют через механическую инерционность привода, т.е.

где ; - приведенный момент инерции подвижного звена манипулятора

· пятое звено определяют из необходимости преобразования единиц измерения (частоты вращения из рад/с в об/мин):

· шестое звено можно получить с учетом влияния естественной обратной связи (ОС) по ЭДС асинхронной машины (как в двигателе постоянного тока) в виде

Структурная схема расчетной модели системы «АИН-АД» приведена на рисунке 4.2 разработана в программной среде MatLab. Такая схема позволяет осуществлять исследование поведения системы при исключении или введении новых элементов, в частности, регуляторов тока и скорости, расчет которых также приводится.

Перечень блоков, входящих в модель:

1- Блок задания частоты.

2- Коэффициент усиления частоты;

3- ПИД-регулятор скорости;

4,5,6- регулятор тока;

7- частотный преобразователь;

Рис.4.2 Модель частотно-управляемого электропривода в Simulink

8 ? ротор асинхронного двигателя;

9 ? преобразователь тока в электромагнитный момент;

10 ? механическая инерционность привода;

11 ? преобразователь угловой скорости в частоту вращения;

12 ? NCD-блок для настройки регулятора скорости

13 ? редуктор (i=12.5);

14 ? времязадающий элемент, реализующий момент нагружения ЧРП технологическим усилием;

15, 17 ? умножители;

16 ? коэффициент статической составляющей момента ;

18 ? имитатор нагрузки ;

19 ? коэффициент динамической составляющей момента ;

20 ? блок, формирующий отношение ;

21 ? естественная обратная связь по ЭДС асинхронной машины;

Осциллограммы работы данной модели при отсутствии блоков регулировки тока (элементы 2-4) и скорости (элементы 2,12) представлены на рисунке 4.3

Рис.4.3. Характер изменения координат электропривода в системе «АИН-АД» при отсутствии регуляторов скорости и тока

Из анализа осциллограмм переходных процессов исследуемой электромеханической системы можно заключить, что такие зависимости как время переходного процесса, ток и момент АД нуждаются в некоторой коррекции с целью повышения качества управления согласно заданию.

4.2 Расчет и настройка регулятора контура тока

Настройку контура тока (выбор типа регулятора и расчет его характеристик) в системе подчиненного регулирования обычно производится по техническому оптимуму переходного процесса, перерегулирование в котором не превышает 5-10%.

Для расчета параметров регулятора тока часто используют метод желаемых ЛАЧХ, заключающийся в том, что по определенной методике строятся желаемая амплитудная характеристика разомкнутой системы и ЛАЧХ объекта управления, а затем графическим вычитанием из ЛАЧХ управляющего устройства, по которой и определяют его передаточную функцию. Для поиска решения задают такие графоаналитические критерии качества контура тока: