Шкаф управления силового промышленного робота ТУР-10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Разработка силового шкафа управления РБК ТУР-10

1.1 Структурная схема комплекса

Структурная схема представлена на рис.3.1. Данная схема состоит из таких видов блока: микропроцессорный блок (МБ), трансформатор, неуправляемый выпрямитель, широтно - импульсный преобразователь (ШИП), двигатель постоянного тока (ДПТ).

Рисунок 1.1- структурная схема комплекса

1.2 Разработка принципиальной схемы ШИП

1.2.1 Принцип управления ШИП ДПТ

Для управления ДПС разработан широтно-импульсный преобразователь (рисунок 3.2) по принципу широтно-импульсной модуляции. ШИМ (, англ. Pulse-width modulation (PWM)) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения, уровни. ШИП -- широтно импульсный преобразователь, который генерирует ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основным достоинством ШИМ -- высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счет использования их исключительно в ключевом режиме.

Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе. При широтно импульсной модуляции как колебание, которое несет, используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанными с дискретным модулирующим сигналом, есть длительность этих импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности.

1.2.2 Транзисторный преобразователь с ШИМ

Рис.1.2-Организация работы транзисторного преобразователя с ШИМ.

Управление ДПТ (двигателем постоянного тока) через транзисторные ключи методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется, с помощью таймера, работающего по ре жиму 2, при котором на вход управления таймером подаются импульсы с частотой модуляции fШИМ, выбираемой в пределах 500..1000 Гц (Т=1..2 мс). В ответ на каждый импульс управления таймер формирует импульс, длительность tИ которого пропорциональна коду задания кЗД, записываемому в таймер, и обратно пропорциональна частоте счета fСЧ, которая обычно составляет несколько мегагерц. В данной схеме ключи К1 и К2 работают в режиме ШИМ, а К3 и К4 включены постоянно в зависимости от направления вращения, задаваемом битом с порта.

Этап 1. Выбор силовых ключей, связанный с проработкой вариантов реализации схемы

На этом этапе разработчик определяется с выбором конфигурации -топологии схемы и устанавливает требования к выходным ключам выбранной схемы по пиковым значениям рабочего тока, напряжения и коммутируемой мощности и, исходя из установленных значений Im, max , Um, max и Pm, max, производит предварительный выбор МПП для выходных каскадов. Основой для выбора топологии схемы служат, в первую очередь, требования ТЗ по уровню выходной мощности устройства, по уровню входного питания, по массогабаритным показателям и кпд, а также условия электрической развязки "вход-выход". Например, если предстоит разработка преобразователя для промышленного электропривода, мощностью 20 кВт, с входным питанием от трехфазной сети переменного тока 380 В / 50 Гц, то почти наверняка, в качестве основного варианта реализации разработчик будет рассматривать мостовую схему. При этом довольно быстро рассчитав, что уровень рабочего напряжения на каждом из четырех выходных ключей схемы будет составлять с учетом переходных процессов около 800 В, при уровне пиковых токов до 100 А и уровне пиковой коммутируемой мощности до 80 кВт, разработчик данного устройства, также почти наверняка, в качестве силовых ключей этой схемы будет рассматривать либо тиристоры, например IGCT (Integrated Gate Control Thyristor) - запираемый тиристор с интегрированной схемой драйвера , либо IGBT в модульном исполнении. Более конкретный выбор он сделает на последующих стадиях разработки.

Если же, например, предстоит разработка ИВЭП, c питанием от однофазной сети 220 В / 50 Гц, мощностью 200 Вт, с жесткими требованиями по массогабаритным показателям и кпд, с необходимостью электрической развязки входа от выхода, то эти требования ТЗ также в значительной степени определяют выбор разработчика как по топологии схемы, так и по типам МПП в ее выходных каскадах. Так, в рассматриваемом примере разработчик скорее всего остановится либо на схеме обратноходового или прямоходового преобразователя (однотактные схемы), либо на полумостовой (двухтактной) схеме. Более конкретный выбор он сделает несколько позднее, рассмотрев другие требования ТЗ, а также определившись более точно с требованиями к ключевым элементам в каждом варианте реализации схемы.

В зависимости от конфигурации схемы эти требования могут отличаться по многим параметрам. Так, в последнем примере при использовании обратноходовой схемы, уровень рабочего напряжения на выходном ключе, в зависимости от величины напряжения на нагрузке будет составлять от 600 до 1000 В, при уровне пикового тока до 5 А и пиковой коммутируемой мощности до 5 кВт, а при использовании схемы полумоста - уровень рабочего напряжения на каждом из двух выходных ключей будет составлять с учетом переходных процессов примерно 400...450 В, при уровне пиковых токов до 3 А и пиковой коммутируемой мощности до 1,3 кВт. Ясно, что как для одной, так и для другой конфигурации схемы, разработчик в этом примере будет использовать транзисторные типы выходных ключей. При этом здесь могут использоваться как БМТ, так и MOSFET и IGBT. Причем каждый из этих трех типов МТ может быть представлен довольно широкой номенклатурой близких по параметрам приборов. На каком конкретно из них остановит свой выбор разработчик, определят последующие этапы сравнительного анализа.

Этап 2. Выбор силовых ключей после определения топологии схемы

На этом этапе разработчик, определившись с топологией схемы, либо с одним из возможных вариантов ее реализации, начинает сравнительный анализ конкурирующих типов транзисторов по совокупности технических показателей в расчете на их использование в схеме данной конфигурации (в данной статье нас интересуют случаи, где в качестве силовых ключей из всех возможных типов МПП используются именно мощные транзисторы - МТ) Можно выделить четыре подэтапа сравнений МТ по техническим показателям.

Подэтап 1. Все транзисторы, претендующие на использование в схеме данной конфигурации, сравниваются между собой по тем параметрам и характеристикам, которые приводятся в их спецификациях или технических условий (ТУ) и которые характеризуют указанные выше статические, динамические и энергетические показатели транзисторов как ключевых элементов.

Определившись с комплексом нормируемых в ТУ ключевых показателей для каждого из конкурирующих типов МТ и сравнив их между собой, разработчик в значительной мере уже делает свой выбор как в пользу того или иного типа МТ (БМТ, MOSFET или IGBT), так и в пользу того или иного конкретного прибора из всей возможной номенклатуры в пределах данного типа приборов. Во всяком случае после первого этапа он уже заметно локализует свой выбор, ограничивая его, как правило, 2-3 конкретными позициями, однако ему еще необходим ряд сравнений.

Подэтап 2. В соответствии со вторым подэтапом сравнительного анализа технических показателей, разработчик должен определить уровень статических, динамических и полных потерь мощности, выделяемых на каждом из оставшихся в рассмотрении конкурирующих МТ в выбранной для реализации схеме устройства. Определение этих потерь PLOSS, выполняется расчетным путем после снятия временных диаграмм мгновенных значений рабочего тока "i" и напряжения "u" за период tSW частоты преобразования

силовой преобразователь реле робот

fSW = 1/tSW

Наиболее достоверные результаты при этом получаются в случае схемотехнического макетирования реальной схемы устройства. Компьютерное моделирование также может использоваться для регистрации временных диаграмм в критичных точках схемы и последующего расчета мощностных потерь на МТ, что подробно представлено в статье А. Получаемые значения мощностных потерь на каждом из конкурирующих приборов позволяют определить как температуру Тc их корпусов при известной температуре Та окружающей среды

(Тc = Та + Ploss x Rth(c-a),

где Rth(c-a) - тепловое сопротивление корпус - окружающая среда для данного МТ), так и температуру Tj их переходов в рабочих режимах (Tj = Tc + Ploss x Rth(j-C), где Rth(j-C) - тепловое сопротивление переход-корпус для данного МТ), Естественно, все эти данные еще больше приблизят разработчика к окончательному выбору выходных МТ для проектируемого устройства.

Подэтап 3. В соответствии с третьим подэтапом сравнительного анализа технических показателей, разработчик должен нанести на графическую плоскость IВЫХ - UВЫХ траекторию рабочей точки выходных МТ в рассматриваемой схеме и соотнести ее с нормируемыми границами областей безопасной работы при прямом смещении управляющего электрода - ОБР(F) - для моментов включения транзистора и нахождения его в состоянии проводимости, а также с нормируемыми границами областей безопасной работы при обратном динамическом смещении управляющего электрода - ОБР(R) - для моментов выключения транзистора и нахождения его в состоянии отсечки. Указанную траекторию рабочей точки МТ, как и мощностные потери, необходимо получать на основе регистрации временных диаграмм мгновенных значений рабочего тока "i" и напряжения "u либо в процессе схемотехнического макетирования схемы устройства, либо в процессе компьютерного моделирования. Сравнение получаемых траекторий рабочих точек различных МТ с их границами ОБР, позволит определить запасы устойчивости сравниваемых приборов в рабочих режимах, что также весьма важно для разработчика.

Подэтап 4. На четвертом, последнем подэтапе сравнения технических показателей транзисторных ключей для данной топологии схемы, разработчику устройства необходимо сравнить конкурирующие приборы по показателям устойчивости к импульсным перегрузкам по току и напряжению. Как уже указывалось, в отношении тока это определяется либо перегрузочными областями работы, либо специально оговоренными режимами короткого замыкания.

Устойчивость по напряжению характеризуется величиной энергии вторичного пробоя ESB или лавинного пробоя EAV Очевидно, чем больше у данного рассматриваемого МТ запас между нормируемыми значениями указанных перегрузочных параметров и теми импульсными перегрузками, которые могут иметь место в реальной схеме устройства, тем весомее аргументы в пользу итогового выбора именно этого МТ со стороны разработчика.

Этап 3. Сравнение по стоимостным показателям

После завершения сравнительного анализа конкурирующих МТ по техническим показателям наступает этап сравнения по стоимости приборов. Значимость стоимостного фактора, также как и отдельных вышеприведенных технических показателей, в каждом конкретном случае может быть различной, и здесь не может быть общих правил и рекомендаций. Тем не менее на практике нередки случаи, когда именно этот этап технико-экономического сравнения конкурирующих приборов оказывается решающим для итогового выбора разработчика в пользу того или иного типа МТ. Причем опять же нередки случаи, когда выбранный в качестве оптимального прибора транзистор может уступать другому конкурирующему прибору по целому ряду важных технических показателей, но иметь при этом более низкую стоимость.

В целом можно сделать вывод, что указанный итоговый выбор мощного транзистора определяется неким условным соотношением цена/качество для каждого конкурирующего прибора, которое хотя и не выражается в каких-то конкретных цифрах и единицах измерения, тем не менее может быть определено разработчиком, исходя из его опыта и результатов вышеуказанного сравнительного анализа.

Помимо всего отмеченного, достаточно важное значение для итогового выбора разработчика могут также играть такие факторы, как возможности оперативного приобретения приборов, условия их поставок, а также то, какие фирмы эти приборы производят. Определенное значение могут иметь и условия информационно-техническ ой поддержки потребителя МПП со стороны их изготовителей и дистрибьюторов.

Принципиальная схема ШИП представлена на рис.1.2

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема ШИП

1.3 Принципиальная схема блока-реле

Принципиальная схема блока-реле представлена на рис. 2.3

Для коммутации якорной цепи приводов промышленного робота ТУР-10, был разработан релейный модуль, состоящий из 4-х силовых реле, которые коммутируются транзисторными ключами.

Основные технические характеристики разработанного релейного модуля представлены в таблице 1.

Таблица 1:

Основное назначение данного модуля - это выбор управляющего механизма промышленного робота.

Выбор механизма заключается в переключение якорной цепи двигателя одного механизма на выход широтно импульсного преобразователя, для того чтобы выбрать управляющий сигнал ширококонтрольного на транзисторный ключ который замкнет реле откинув тем самым якорною цепь двигателя и с подключением выбранного.

Реле предназначено для переключения таких пар механизмов как круговое вращение руки захвата, а также вертикальный подъем руки вторая пара механизма это поднятие силового плача, на разворот колоны робота осуществляется отдельно преобразователя, без использования блока-реле.

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема блока-реле

Рисунок 1.4 - Монтажная схема силового шкафа

Вывод

В курсовой работе было разработано шкаф управления силового промышленного робота ТУР-10.

Были разработанные широко импульсное преобразователи, блок-реле для переключения якорной цепи двигателя также было разработано монтажной схемы распределительного шкафа. Робототехнический комплекс ориентирован на применение высокопроизводительных и эффективных систем регулирования. При этом широкое применение находит электропривод постоянного тока по системе широтно-импульсный преобразователь - двигатель постоянного тока (ШИП-Д), несмотря на некоторую специфику, обусловленную дороговизной обслуживания привода постоянного тока, соотношением мощность - габариты, и надежностью электрических машин

Список литературы

1. Клюев_Проектирование систем автоматизации технологических процесов_Справочное пособие_1990

2. Колосов В.Г. Гибкая автоматизация; 1992

3. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. - М., Высш. шк., 1991. - 335с.

Размещено на Allbest.ru