Проектирование системы управления приводом подачи токарного станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство профессионального образования Российской Федерации

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра автоматизированного электропривода и промышленной электроники

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Микроэлектронные, микропроцессорные информационные и управляющие устройства»

Проектирование системы управления приводом подачи токарного станка

Номер зачетной книжки А00035

Выполнил: студент группы

Руководитель проекта:

Новокузнецк 2004

Аннотация

Мосалев А.Б. Проектирование системы управления приводом подачи токарного станка: Курсовой проект по специальности «Микроэлектронные, микропроцессорные информационные и управляющие устройства» (200400). - Новокузнецк, 2004. -20с., табл.2, источников 4, чертежей 1 лист формата А1 (принципиальная схема контроллера).

Разработан проект по микроэлектронным, микропроцессорным информационным и управляющим устройствам. Целью проекта является закрепление знаний не только по данному курсу, но и по курсам, которые лежат в основе данного, а также таких вопросов, как: принцип действия контроллера, методы расчета и синтеза регуляторов и т.д. В данном курсовом проекте дан расчет регуляторов тока и скорости, синтезирована математическая модель системы, разработаны функциональная схема системы в целом и принципиальная схема контроллера.

Содержание

Введение

1. Задание на курсовой проект

2. Основные требования предъявляемые к электроприводам подачи токарных станков

3. Синтез регулятора тока

3.1 Синтез аналогового регулятора тока

3.2 Синтез цифрового регулятора тока

4. Синтез регулятора скорости

4.1 Синтез аналогового регулятора скорости

4.2 Синтез цифрового регулятора тока

5. Моделирование системы с помощью Matlab-Simulink

6. Описание микроконтроллера

6.1 Цоколевка и описание выводов

6.2 Архитектура микроконтроллера AT90SL4433

7. Разработка функциональной схемы

8. Разработка принципиальной схемы

Заключение

Список литературы

Введение

электропривод токарный станок микроконтроллер

Интерес к автоматизированному электроприводу в последнее десятилетие еще более усилился в связи с появлением новых технических средств автоматизации технологических процессов и установок, микроэлектронной техники, робототехнических систем и автоматических управляющих комплексов. Производительность технологического оборудования в значительной степени определяется мощностью используемых средств электропривода и уровнем их автоматизации. Значительные успехи в области силовой электроники и информационной техники, а также в научном обосновании проектирования и расчета электроприводов привели в настоящее время к появлению новых решений, во многом качественно отличающихся от классических способов построения электропривода.

Электроприводы играют в настоящее время важную роль при решении задач автоматизации во всех отраслях народного хозяйства. Их технические параметры существенно влияют на качество и надежность автоматизированных технологических процессов.

Развитие силовой электроники и микроэлектроники оказало плодотворное влияние на разработки в области электропривода и автоматики. Современный автоматизированный электропривод включает в себя системы управления и регулирования с высоким уровнем организации и одновременно сам является подсистемой в иерархической структуре автоматизации.

1. Задание на курсовой проект

Требуется спроектировать систему управления приводом подачи токарного станка на базе микроконтроллера с параметрами объекта управления, приведенными в таблице 1.1.

Задание на курсовой проект. Таблица 1.1

Наименование	Значение
Номинальное напряжение якоря	Uя=440B
Номинальный ток якоря	Iя=200А
Сопротивление якоря	Rя=0,012Ом
Постоянная времени якорной цепи	Tя=0,1с
Максимальный ток якоря	Imax=2,5Iя
Произведение конструктивной постоянной на магнитный поток	кФ=8,0В.с
Постоянная времени тиристорного преобразователя	Tп=0,01с
Магнитная постоянная	Тм=0,13с

2. Основные требования, предъявляемые к электроприводам подачи токарных станков

Расширение технологических возможностей станков и в первую очередь многооперационных (обрабатывающих центров), а также освоение нового твердосплавного и быстрорежущего инструмента обеспечили возможность проведения на одном станке различных технологических, операций: фрезерования, сверления и растачивания; точения, сверления и растачивания и т. д.

Это в свою очередь привело к усложнению электроприводов подач вследствие увеличения вращающего момента на валу двигателя, расширения диапазона рабочих подач и установочных перемещений, увеличения быстродействия привода как при управляющем воздействии, так и при возмущении по нагрузке и т. д.

В последние годы существенно изменилась конструкция станков вследствие значительного сокращения механической части приводов подач. В ряде случаев стала возможной установка высокомоментных двигателей, имеющих меньшие габаритные размеры по сравнению с обычными ДПТ с электромагнитным возбуждением, непосредственно на ходовой винт. Исключение коробки передач привело не только к сокращению механической части привода, но также и к повышению КПД и снижению момента инерции электромеханического привода. В связи с этим снизилась нагрузка на двигатель при холостых перемещениях и возросла составляющая от резания в обшей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков средних размеров нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20--30 % номинальной.

Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебание нагрузки на электроприводе подачи при резании, что ужесточило требование к статической и динамической жесткости привода подачи.

Увеличение скорости быстрых перемещений до 10 м/мин, снижение скорости установочных перемещений привело к значительному увеличению диапазона регулирования. Максимальная рабочая подача на современных многооперационных станках составляет 10--30% скорости быстрых перемещений. Полный диапазон регулирования в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100--10000, а в карусельных расширяется до 30000--40000. Реальный диапазон регулирования привода подачи каждой оси в станках с ЧПУ при контурном фрезеровании бесконечен, так как минимальная подача по каждой оси в двух точках обрабатываемой окружности равна нулю.

Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, максимальной частоты сигнала управления приводов от системы ЧПУ, дискретности управления, максимальной частоты вращения приводного электродвигателя, коэффициента редукции передачи от двигателя к механизму, коэффициента усиления по скорости следящего привода и максимального значения ошибки, запоминаемой системой ЧПУ.

Например, в серийных системах ЧПУ НЗЗ максимальная частота управляющих импульсов в устройстве управления приводом f=8000 Гц при дискретности 6=0,01 мм, максимальная скорость подачи v_б.х=80мм/с=4800мм/мин; в системе ЧПУ Н55 максимальная частота f -- 16 000 Гц и максимальная скорость соответственно равна v_б.х=9,6 м/мин.

На небольших токарных и сверлильных станках, в том числе для сверления печатных плат с большим количеством операций и малым ходом, наибольшее значение имеет быстродействие привода и систем ЧПУ. В этих случаях часто производительность ограничена самим станком. В соответствии с предельными характеристиками передач винт-гайка качения определяются максимальная требуемая частота вращения двигателя и максимально допустимое ускорение как отношение максимального вращающего момента к собственному моменту инерции винта. Таким образом, в каждом конкретном случае может быть найдено минимально допустимое время переходного процесса по условиям механической прочности передачи винт--гайка качения.

Система ЧПУ также вносит ограничение минимального времени разгона и замедления привода. Как известно, система может запомнить ограниченную ошибку между заданным и действительным положениями координатных осей станка. Эта ошибка в разных системах составляет от ±0,5 мм (Н22, НЗЗ, Н55) дo ±10 мм (1Н22, размер 4) при линейной зависимости сигнала, управляющего электроприводом, от ошибки. Эго рассогласование может быть увеличено в переходных режимах при наличии так называемого накопителя в системе ЧПУ соответственно до ±(3--5) мм и до ±20 мм. При этом сигнал управления приводом остается на неизменном уровне, соответствующем рассогласованию +-0,5 или +-10 мм, до выхода системы из накопителя. Из-за неудовлетворительных динамических свойств регулируемого электропривода, особенно при возмущении по нагрузке, появляется шероховатость поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода при сбросе и набросе нагрузки, а также при реверсе двигателя под нагрузкой на самых малых частотах вращения (контурное фрезерование в режиме круговой интерполяции). Для электроприводов подач изменение частоты вращения при набросе и сбросе нагрузки 0,5 М_HOM относительно уровня 0,5 М_ном не должно превышать 100 % при n=0,001 nном и времени восстановления 100 мс. Время реверса под нагрузкой М_ном^. n=0,001 n_ном не более 0,5 с.

Стабильность позиционирования и обработки в значительной степени зависит от стабильности электромеханической системы приводов подач, которая определяется стабильностью ее звеньев и в первую очередь привода, датчика положения и системы ЧПУ. Стабильность характеристик комплектного электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью входного усилителя и датчика скорости -- тахогенератора. Причем наибольшая нестабильность имеет место при малых частотах вращения, когда полезный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падением напряжения в щеточном контакте тахогенератора. Именно поэтому в большинстве широкорегулируемых приводов, выпускаемых ведущими зарубежными электротехническими фирмами, применяются высокостабильные входные полупроводниковые усилители и устанавливаются серебряные щетки на тахогенераторе. Порядок величин, характеризующих допустимые нестабильности входного сигнала и сигнала обратной связи, можно определить из следующих рассуждений, В большинстве систем ЧПУ ошибке в 10 мм соответствует сигнал управления приводом, приблизительно равный 10 В. Таким образом, нестабильности сигнала в 1 мВ соответствует ошибка 1 мкм. А так как нестабильность привода подачи являются лишь составляющей в общей доле нестабильности позиционирования и обработки, то можно судить об исключительно высоких требованиях к стабильности характеристик регулируемого электропривода. Формулы, по которым рассчитываются погрешности, те же, что для главного привода.

Другим фактором, влияющим на стабильность, а следовательно, и на идентичность параметров при обработке партии деталей, является характер переходного процесса по управляющему воздействию в замкнутых системах следящего и регулируемого электроприводов. При апериодическом переходном процессе и движении в одну сторону не происходит раскрытие люфтов в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что приводит к существенному повышению стабильности и точности позиционирования и обработки.

В соответствии с проведенным анализом можно сформулировать качественные требования к станочным электроприводам. Количественные оценки должны быть определены конкретно применительно к каждой группе станков. Установка во всех станках сверхточных, сверхбыстродействующих и сверхстабильных электроприводов сопряжена со значительными техническими трудностями и необоснованно высокими экономическими затратами.

Таким образом, основные требования, предъявляемые к современным станочным электроприводам, следующие: минимальные габариты электродвигателя при высоком вращающем моменте; высокая максимальная скорость; значительная перегрузочная способность привода в режимах кратковременной и по втор но-кратковременной нагрузки; широкий диапазон регулирования; высокая стабильность характеристик и в первую очередь усилителя и тахогенератора; высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения; высокое быстродействие при набросе и сбросе нагрузки а при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения; высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях вплоть до самых малых; высокая надежность и ремонтопригодность; удобство конструктивной установки двигателя на станке п встройки преобразователей в шкафы и ниши станков; малые габаритные размеры и расход активных материалов; небольшой расход дефицитных материалов; простота наладки, ремонта и эксплуатации; высокая унификация узлов и отдельных элементов; высокая экономичность и малая стоимость.

Как видно из перечисленных, а также многих других требований, совмещение всех их в одном устройстве принципиально невозможно. Поэтому при проектировании и применении станочных электроприводов в каждом конкретном случае удовлетворение одним требованиям достигается, в ущерб другим.

В силу этого для правильного выбора электроприводов станков очень важно иметь возможно более полный перечень характеристик применяемых электроприводов и в первую очередь удовлетворяющих отмеченным требованиям.

3. Синтез регулятора тока

3.1 Синтез аналогового регулятора тока

Максимальный ток якоря, согласно заданию, равен:

I_яmax=2.5I_н=500А; (3.1.1)

Коэффициент обратной связи по току равен:

К_от=U_рсн/I_max=0,02; (3.1.2)

Найдем коэффициент тиристорного преобразователя:

(3.1.3)

Передаточная функция аналогового регулятора контура тока выглядит следующим образом:

(3.1.4)

3.2 Синтез цифрового регулятора тока

Средствами Matlab преобразуем аналоговый регулятор в эквивалентный цифровой с периодом дискретизации Т=0,001с.

>> Wrt=tf([0.1 1],[1.467 0])

Transfer function:

0.1 s + 1

---------

1.467 s

>> Wrtz=c2d(Wrt,0.001,'foh')

Transfer function:

0.06851 z - 0.06783

-------------------

z - 1

Sampling time: 0.001

Далее данную передаточную функцию, записанную в Z-форме, преобразуем в разностное уравнение.

Кроме того, необходимо учитывать, что Х=Х_з-Х_ос в связи с присутствием обратной связи по току.

4. Синтез регулятора скорости

4.1 Синтез аналогового регулятора скорости

В качестве регулятора скорости возьмем пропорционально-интегральный регулятор. Пропорциональный регулятор скорости имеет передаточную функцию:

(4.1.1)

Найдем коэффициент обратной связи контура скорости:

К_ос=U_з/_н=20/49,7=0,402; (4.1.2)

Таким образом, передаточная функция пропорционального регулятора скорости будет иметь вид:

(4.1.3)

Таким образом, пропорционально-интегральный регулятор имеет вид:

(4.1.4)

4.2 Синтез цифрового регулятора тока

Аналогичным образом, преобразуем аналоговую форму в эквивалентную цифровую с помощью среды Matlab:

>> Wrc=tf([17.248 1],[0.08 0])

Transfer function:

17.25 s + 1

-----------

0.08 s

>> Wrcz=c2d(Wrc,0.001,'foh')

Transfer function:

215.6 z - 215.6

---------------

z - 1

Sampling time: 0.001

Действуя таким же образом, получаем соответствующее разностное уравнение:

Аналогично, необходимо учитывать, что Х=Х_з-Х_ос в связи с присутствием обратной связи по скорости.

5. Моделирование системы с помощью Matlab-Simulink

Синтезируем модель системы. Перед каждым АЦП в обратных связях поставим фильтры Баттерворта (второго порядка), которые представляю собой ФНЧ. Частота среза фильтра должна быть в три раза меньше принятой частоты квантования.

(5.1)

В качестве фильтра Баттеруорта используем прототипный фильтр Саллена и Кея (активный ФНЧ RC-фильтр второго порядка с положительной обратной связью). Известно, что имеются частные случаи фильтра Салена и Кея, в результате которых он обладает свойствами таких фильтров, как: фильтр Баттеруорта, Бейсселя, Чебышева.

Принципиальная схема такого фильтра имеет вид:

Рис.1. Принципиальная схема фильтра Салена и Кея.

Передаточная функция этого фильтр имеет вид:

(5.2)

где К₀=(R_A+R_B)/R_B.

Фильтр Баттеруорта получается, если R₁=R₂=R, C₁=C₂=C и К₀=1,586.

Так как нам необходимо Т=0,003с, то выбираем R=3кОм (МЛТ-0,25), а С=1мкФ (К73-11). Тогда коэффициент при операторе в первой степени будет равен:

(5.3)

Для понижения перерегулирования перед входным АЦП ставим фильтр первого порядка с передаточной функцией:

(5.4)

Постоянную времени входного фильтра подбираем так, чтобы минимизировать перерегулирование.

Реализовать его можно с помощью следующего фильтра:

Рис.2. Входной ФНЧ.

Его передаточная функция имеет вид:

(5.5)

С помощью Matlab-Simulink добиваемся плавного переходного процесса и из ниже приведенной схемы видим, что наиболее плавный ПХ получается при Т=0,2с. Так как Т=R^.C, то из стандартной ряда сопротивлений и емкостей выбираем С=1мкФ (К73-11) и R=200кОм (МЛТ-0,25). А для того, чтобы добиться стандартной передаточной функции фильтра (по формуле (5.4)) ограничимся соотношением R₂>>R₁.

Тиристорный преобразователь характеризуется следующей передаточной функцией:

(5.6)

Якорная цепь характеризуется следующей передаточной функцией:

(5.7)

Согласно всему выше сказанному получаем следующую модель системы:



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. Двухконтурная модель системы управления.

Проанализируем переходный процесс по управлению:

Рис.4. Переходный процесс по управляющему воздействию.

Видим, что время установления примерно равно 1с, перерегулирование исключено вообще. Таким образом, двигатель будет разгоняться плавно, равномерно.

6. Описание микроконтроллера

6.1 Цоколевка и описание выводов

Выбираем микроконтроллер фирмы ATMEL, а именно, микроконтроллер АТ90LS4433.

Рис.5. Внешний вид микроконтроллера АТ90LS4433.

Описание выводов представим в виде таблицы 6.1.

Описание выводов микроконтроллера АТ90SL4433. Таблица 6.1.

Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
	DIP	TQFP
XTAL1	9	7	I	Вход инвертора генератора и вход внешнего тактового сигнала
XTAL2	10	8	O	Выход инвертора генератора
	1	29	I	Вход сброса. При удержании на входе НИЗКОГО уровня в течение 50нс выполняется сброс устройства
Порт В. 6-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими регистрами
PB0 (ICP)	14	12	I/O	В0 (Вход захвата таймера счетчика Т1 (режим захвата))
PB1 (OCI)	15	13	I/O	В1 (Вход таймера/счетчика Т1 (режимы сравнеия, ШИМ))
PB2 ()	16	14	I/O	В2 (Выбор Slave-устройства на шине SPI)
PB3 (MOSI)	17	15	I/O	В3 (Выход (Master) или вход (Slave) данных модуля SPI )
PB4 (MISO)	18	16	I/O	В4 (Вход (Master) или вsход (Slave) данных модуля SPI )
PB5 (SCK)	19	17	I/O	В5 (Выход (Master) или вход (Slave) тактового сигнала модуля SPI )
Порт С. 6-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими регистрами
РС0(АВС0)	23	23	I/O	С0 (Вход 0 АЦП; отключаемый входной буфер)
РС1(АВС1)	24	24	I/O	С1 (Вход 1 АЦП; отключаемый входной буфер)
РС2(АВС2)	25	25	I/O	С2 (Вход 2 АЦП; отключаемый входной буфер)
РС3(АВС3)	26	26	I/O	С3 (Вход 3 АЦП; отключаемый входной буфер)
РС4(АВС4)	27	27	I/O	С4 (Вход 4 АЦП; отключаемый входной буфер)
РС5(АВС5)	28	28	I/O	С5 (Вход 5 АЦП; отключаемый входной буфер)
Порт D. 8-разрядный двунаправленный порт ввода вывода с внутренними подтягивающими регистрами
PD0 (RXD)	2	30	I/O	D0 (Вход UART)
PD1 (TXD)	3	31	I/O	D1 (Вход UART)
PD2 (1NT0)	4	32	I/O	D2 (Вход 0 внешнего прерывания)
PD3 (1NT1)	5	1	I/O	D3 (Вход 1 внешнего прерывания)
PD4 (TO)	6	2	I/O	D4 (Вход внешнего тактового сигнала таймера счетчика Т0 )
PD5 (T1)	11	9	I/O	D5 (Вход внешнего тактового сигнала таймера счетчика Т1 )
PD6 (AIN0)	12	10	I/O	D6 (Положительный вход компаратора; отключаемый входной буфер)
PD7 (AIN1)	13	11	I/O	D7 (Отрицательный вход компаратора; отключаемый входной буфер)
AREF	21	20	P	Вход опорного напряжения для АЦП
AGND	22	21	P	Общий вывод (аналоговый)
AVCC	20	18	P	Вывод источника питания АЦП
GND	8	5	P	Общий вывод
VCC	7	4	P	Вывод источника питания

6.2 Архитектура микроконтроллера АТ90SL4433

Рис.4. Структурная схема микроконтроллера АТ90SL4433.

7. Разработка функциональной схемы

Рис.5. Функциональная схема системы.

8. Разработка принципиальной схемы

Рис.6. Принципиальная схема контроллера на базе микроконтроллера фирмы ATMEL AT90SL4433.

Заключение

В результате проектирования получен контроллер системы управления приводом подачи токарного станка. В проекте не ставилась задача экономического обоснования. Был выбран наиболее удобный микроконтроллер фирмы ATMEL AT90SL4433, синтезированы цифровые регуляторы скорости и тока, разработана математическая модель в соответствии с заданием на проектирование, функциональная и принципиальная схема контроллера, будущая система проверена на качество переходного процесса.

Список литературы

1. Сандлер А.С. Электропривод и автоматизация металлорежущих станков-М.: Высшая школа, 1972.

2. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному - М.: СОЛОН-Пресс, 2004.

3. Ефстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы “ATMEL” - М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2002.

4. Шёнфельд Р., Хабигер Э. Автоматизированные электроприводы - Л: Энергоатомиздат, 1985.

Размещено на Allbest.ru