Подбор элементов и расчет их передаточных функций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подбор элементов и расчет их передаточных функций

1. Выбор микропроцессора

Среди устройств автоматики наиболее широкое распространение получили микропроцессорные комплекты (МПК) серий К580, К583, К588. При выборе МПК следует руководствоваться следующими соображениями:

высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени;

возможность программной коррекции;

малое энергопотребление;

совместимость с другими микросхемами;

доступность элементов;

мощная и гибкая система команд МП;

наличие встроенных ЦАП и АЦП.

На основании этих критериев выбираем МП серии К583ВГ2. Это однокристальный МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с 8-ю разрядным ПЗУ, ОЗУ (емкостью 40х25 слов), ALU, двумя входными и четырьмя выходными аналоговыми каналами.

Этот МП выполнен по высококачественной n-МОП-технологии, совместим с БИС серии К580. В нем реализована мощная и гибкая система команд с расширенными возможностями адресации памяти.

Выбранный микропроцессор обладает необходимой производительностью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информации, возможностью программной коррекции ЛСУ, совместим с БИС, и имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени благодаря встроенным АЦП и ЦАП [15].

Технические характеристики МП К583ВГ2:

25-ти разрядное АLU;

16-ти разрядные ОЗУ (192х24 бит) и ПЗУ (40х25 слов);

время преобразования не более 50 мкс;

нелинейность ЦАП и АЦП <0,1%;

тактовая частота 5 МГц;

напряжение питания 2 В;

потребляемая мощность 1,0 В•А;

входное аналоговое напряжение не более 2 В;

выходное сопротивление (хранение) не менее 100 кОм;

выходной ток 0,4-2 мА;

входной ток не более 2,0 мА;

диапазон рабочих температур от -10 до 70 ⁰С.

Передаточную функцию МП принимаем равной единице:

W_МП(p)=1. (1)

2. Выбор гидроцилиндров (подъёмного и тягового)

Преобразование энергии потока жидкости в механическую энергию и перемещение выходного звена (вала, штока) происходит в гидродвигателе, являющемся исполнительным органом любой гидравлической системы. В объемном гидродвигателе преобразование энергии и движения осуществляется в процессе наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытесняемых тел (поршней, плунжеров, пластин и т.п.) при четком разделении приемной (нагнетательной) и отдающей (сливной) полостей. Объемные гидродвигатели подразделяют на гидроцилиндры (силовые и моментные) и гидромоторы. В гидромоторах выходное звено (вал) совершает неограниченное вращательное движение. В силовых гидроцилиндрах вытесняемое тело (поршень, плунжер) совершает возвратно-поступательное движение относительно корпуса, в моментных - возвратно-поворотное движение на угол менее 360°.

Гидродвигатели нашли широкое применение в качестве исполнительного органа при автоматизации отдельных операций технологических процессов, при автоматическом дистанционном управлении машинами, для приводов многих движений станков, перемещения орудий строительных и дорожных машин. Они имеют малый вес и объем на единицу мощности, легко встраиваются в различные механизмы, реверсивны, малоинерционны. Гидродвигатели работают при тех же давлениях, что и насосы [3].

Для данной системы подходит силовой гидроцилиндр. Силовые гидроцилиндры по своим схемам и конструкциям очень разнообразны. В зависимости от выполняемых операций они могут быть одностороннего и двустороннего действия, т.е. совершать работу под действием жидкости при движении поршня или плунжера только в одном или двух направлениях. В первом случае поршень возвращается в исходное положение благодаря собственному весу или под действием пружины.

Гидроцилиндры могут быть с выходом штока или плунжера только в одну сторону - цилиндры с односторонним штоком, или в обе стороны - цилиндры с двусторонним штоком. Гидроцилиндры могут также иметь несколько штоков или плунжеров, расположенных один в другом так, что общий ход их будет больше длины корпуса - это телескопические цилиндры

Выберем в качестве тягового гидроцилиндра поршневой гидроцилиндр одностороннего действия типа 4000М-4630010-Б. Здесь под действием потока рабочей жидкости, поступающей в штоковую полость, происходит втягивание штока.

Технические характеристики гидроцилиндра типа 4000М-4630010-Б:

Номинальный расход, м³/с 1.5

Давление в напорной гидролинии, МПа 10

Диаметр поршня, м 0.3

Масса поршня, кг 3

КПД гидроцилиндра 0.92

Максимальная скорость потока рабочей жидкости, м/с 6

Ход поршня, мм 2200

В качестве подъёмного гидроцилиндра выберем поршневой гидроцилиндр одностороннего действия типа 5700М-5330011-Б [3].

Технические характеристики гидроцилиндра типа 5700М-5330011-Б:

Номинальный расход, м³/с 2.5

Давление в напорной гидролинии, МПа 12

Диаметр поршня, м 0.4

Масса поршня, кг 4

КПД гидроцилиндра 0.85

Максимальная скорость потока рабочей жидкости, м/с 7

Ход поршня, мм 1000

Гидроцилиндр представляет собой инерционное звено с передаточной функцией вида

, (2)

где - коэффициент передачи гидроцилиндра;

- постоянная времени гидроцилиндра, с; (3)

- соотношение скорости и усилия [4].

При давлении в напорной гидролинии р=10 МПа соотношение скорости и усилия . При давлении в напорной гидролинии р=12 МПа соотношение скорости и усилия .

 - скорость перемещения поршня, м/с; (4)

Q_ГЦ - расход рабочей жидкости, поступающей в гидроцилиндр, м3/с;

- эффективная площадь поршня со стороны нагнетания, м2;

d_П - диаметр поршня, м;

m_П - масса поршня, кг;

- усилие, развиваемое гидроцилиндром, Н: (5)

р - давление в напорной гидролинии, Па.

(Н); (6)

(Н). (7)

Передаточная функция с учетом коэффициентов тягового гидроцилиндра 4000М-4630010-Б:

. (8)

Передаточная функция с учетом коэффициентов подъёмного гидроцилиндра 5700М-5330011-Б:

. (9)

3. Выбор насоса

Насос - гидравлическая машина, служащая для преобразования энергии приводного двигателя в механическую энергию потока жидкости и ее перемещения в полость высокого давления.

В устройствах и системах гидроавтоматики применяются поршневые (кривошипные и кулачковые) и роторные объемные насосы.

Поршневые насосы, обычно нерегулируемые, применяют для приводов в прессах, так как они могут работать при давлении свыше 400 кг/см².

Для целей автоматизации и в технике регулирования используют роторные насосы постоянной и регулируемой производительности.

Роторным насосом называют объемный насос, в котором жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или сложного движения вытеснителей относительно статора. Для насосов этого типа характерно бесклапанное распределение жидкости, благодаря чему они обладают свойствами обратимости, т.е. могут работать и как гидромоторы.

Насосы переменной производительности применяются для мощностей от сотен ватт до нескольких тысяч киловатт. У насосов переменной производительности рабочий объем может изменяться от нуля до некоторого максимального значения, а у насосов с реверсивной подачей поток жидкости может также менять и свое направление.

Остановим свой выбор на насосе постоянной производительности. Они более просты и дешевы и применяются в гидропередачах и системах автоматики с дроссельным или струйным регулированием перемещения исполнительных механизмов и для вспомогательных целей.

Шестеренный насос постоянной производительности с шестернями внешнего зацепления работает следующим образом: при вращении шестерен в определенном направлении жидкость переносится зубьями из камеры всасывания в камеру нагнетания.

Технические характеристики шестеренного насоса типа НШ10Е [3]:

Рабочий объем, м³ 10-2

Расход рабочей жидкости, м³/с 13,8

Давление нагнетания, МПа 12

Частота вращения, об/мин 1500

Мощность насоса, кВт 6

КПД объемный 0,92

Насос представляет собой инерционное звено с передаточной функцией

, (10)

где - коэффициент передачи насоса; (11)

- коэффициент неравнозначности подачи жидкости;

б - угол зацепления (стандартный угол зацепления б =20°);

z - число зубьев шестерни (z=8);

- постоянная времени насоса, с; (12)

V - рабочий объем, м³;

Q_Н - расход рабочей жидкости, м³/с.

Передаточная функция с учетом коэффициентов примет вид:

. (13)

4. Выбор двигателя

Выбран двигатель постоянного тока серии 2ПБ175МУХЛ3 с паспортными данными [8]:

Номинальная мощность Р_ном, кВт 7.5

Номинальное напряжение U_ном, В 220-440

Номинальная частота вращения двигателя nном, об/мин 1500

Номинальный момент М_ном, Нм 1.96

Ток якоря I_a, А 20

Сопротивление якоря R_a, Ом 2.4

Момент инерции двигателя J_дв, кгм³ 0.15

Масса двигателя m, кг 207

Номинальный КПД з 0.875

Принимается:

Частота вращения нагрузки n_н, об/мин 1500

Момент инерции нагрузки J_н, кгм³ 8

Передаточная функция ДПТ представляется как:

(14)

(электрической постоянной данного двигателя можно пренебречь).

Определим номинальную скорость вращения нагрузки:

(рад/с); (15)

(рад/с); (16)

(рад/с). (17)

Т. к. _ном = _треб, то выбранный двигатель по скорости проходит.

Определим конструктивные постоянные двигателя по ЭДС и по моменту:

(В·с/рад); (18)

(Н·м/А). (19)

Эквивалентный момент инерции:

(кгм²). (20)

Электрическая и механическая постоянные времени:

(с). (21)

Коэффициент передачи двигателя:

. (22)

Передаточная функция ДПТ:

. (23)

5. Выбор усилителя мощности

Выбор усилителя мощности производится по следующим показателям:

вид входного и выходного сигнала, тип питания;

требуемая мощность;

надежность, независимость от внешних влияний (особенно коэффициента усиления), чувствительность, массогабариты.

Исходя из требуемой мощности, выбираем в качестве усилителя магнитный электромашинный усилитель ЭМУ140АМС (требуемый коэффициент усиления мощности - 18750).

Усилители данного типа предназначены для работы в автоматизированных приводах постоянного тока. При создании приводов электромашинным усилителям отдается все большее предпочтение. Прогресс в конструировании электромашинных усилителей выявляет их новые и новые потенциальные возможности, заложенные в самом физическом принципе работы ЭМУ.

Преимущества ЭМУ: высокая устойчивость к внешним воздействиям, в первую очередь климатическим и механическим; мягкая передача нагрузок в сеть, отсутствие искажений формы тока и излучения помех в питающую сеть; неограниченные возможности регулирования.

Электромашинные усилители серии ЭМУ изготовляются в широком диапазоне мощностей - 0,22-10 кВт; питание усилителей осуществляется от сети 50 Гц 220/380 В, 400 Гц 220/380 В или от сети постоянного тока.

Паспортные данные ЭМУ140АМС [8]:

Допустимое входное напряжение U_вх, В 10^-2-2·10²

Допустимый входной ток I_вх, A 10^-4-10^-2

Коэффициент усиления К_У 10⁴-10⁵

Постоянная времени Т_У, с 0,001

Передаточная функция усилителя запишется в виде:

. (24)

Принимаем коэффициент усиления равным 18750.

. (25)

6. Выбор траверсы

Выбрана траверса П181.02 с горизонтальным ходом с техническими характеристиками [16]:

Максимальная грузоподъемность, кг 1100

Масса, кг 100

Габаритные размеры, мм 4000х1300х1090

Максимальный ход траверсы, мм 2000

Траверса представляет собой пропорциональное звено с передаточной функцией

, (26)

где - коэффициент передачи траверсы.

где - рабочее перемещение. =2 м,

- усилие на входе траверсы,

- рабочее перемещение. =2 м.

. (27)

7. Выбор датчика перемещений

В качестве датчиков перемещения могут быть использованы ёмкостные, индуктивные, трансформаторные, резисторные (реостатные, потенциометрические), струнные, фотоэлектрические, струйные, индукционные, оптические, ферродинамические датчики, кодирующие диски. Различают датчики перемещения малых перемещений - от нескольких мкм до нескольких см и больших перемещений - от десятков см до нескольких м; для измерения больших перемещений применяют датчики пути. Также для измерения относительно больших перемещений могут быть использованы реостатные датчики. Наиболее высокую чувствительность при измерении малых перемещений обеспечивают фотоэлектрические, ёмкостные и некоторые типы индуктивных датчиков. Для измерения перемещений, связанных с деформацией деталей, используют тензодатчики, обычно с усилителями.

Реостатный датчик - это реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Работа реостатного датчика основана на зависимости электрического сопротивления проводника от его длины.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения [делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности]. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром, поэтому реостатный датчик иногда называют потенциометрическим.

Потенциометрические датчики пути работают по принципу линейно изменяющегося сопротивления (реостата), в котором ползунок перемещается по направляющей. Напряжение питания подается к датчику таким образом, что выходное напряжение на ползунке пропорционально его положению на направляющей. Направляющая датчика изготавливается из высококачественного пластика. Благодаря этому достигается высокая разрешающая способность прибора при значительной скорости перемещения (до 10 м/с). Потенциометрические датчики используются чаще всего благодаря своим преимуществам. Прежде всего, это абсолютный процесс, при котором измеряемые величины могут быть сразу измерены при включении напряжения питания. Также датчик прост в обращении и при относительно невысокой стоимости позволяет с высокой точностью измерять перемещения в диапазоне от 10 мм до 2000 мм [7].

Технические характеристики потенциометрического датчика пути MSL38:

Диапазон измерения, мм 103…2021

Сопротивление, кОм 20

Допуск на сопротивление, % ±20

Разрешение, мм <0,01

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт 3,0

Подшипник скольжения

Максимальный ток в ползунке, мА 10

Макс. скорость измерения, м/с 10

Рабочая температура, °С -40…+100

Материала провода константан

Коэффициент чувствительности K_чув не хуже 150 В/м

Допустимая температура нагрева провода, °С 600

Таким образом, датчик перемещения представляет собой пропорциональное звено с передаточной функцией

. (28)

Действительно, выходное напряжение датчика:

, (29)

где R - сопротивление всей обмотки, Ом;

R₁ - сопротивление обмотки на длине X, Ом;

U_п - напряжение питания, В.

Т. к. , то и .

микропроцессор гидроцилиндр насос траверса

Таким образом, передаточная функция датчика:

. (30)

Размещено на Allbest.ru

...