Главная Коллекция "Otherreferats" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Разработка системы автоматизированного управления регулируемым электроприводом главного движения металлорежущего станка

Разработка системы автоматизированного управления регулируемым электроприводом главного движения металлорежущего станка

Расчет и выбор источника питания для электропривода на базе комплектного тиристорного преобразователя. Статические режимы работы системы автоматизированного управления электроприводом. Комплексный расчет цифрового электропривода – контура скорости в РЭП.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 21.10.2012
Размер файла 375,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные для проектирования:

1. Номинальная мощность электродвигателя: 1 кВт

2. Номинальное напряжение на якоре электродвигателя: 220 В

3. Номинальная частота вращения ротора электродвигателя: 1000

4. Номинальный КПД электродвигателя: 80%

5. Сопротивление обмотки якоря электродвигателя: 4,17 Ом

6. Сопротивление обмотки добавочных полюсов: 0,274 Ом

7. Момент инерции электродвигателя: 0,01

8. Приведенный момент инерции привода:

9. Диапазон регулирования: 20

10. Допустимое ускорение: 800

11. Допустимая статическая погрешность: 10%

Аннотация

электропривод автоматизированный цифровой

В данном курсовом проекте разработана система автоматизированного управления регулируемого электропривода. Также был произведен расчет всех элементов системы, в том числе регуляторов тока скорости, коэффициентов обратных связей и нелинейных звеньев. Система РЭП рассчитана в статических и динамических режимах. Была произведена оценка качества регулирования в аналоговой и цифровой САУ РЭП. Были выбраны средства сопряжения с микропроцессорной системой управления и цифровые датчики скорости.

САУ РЭП обеспечивает заданный диапазон регулирования скорости, устойчивость системы при работе двигателя на заданную максимальную нагрузку.

Ключевые слова: РЭП, ЦЭП, САУ, управление, аналоговый, цифровой, переходный процесс.

  • СОДЕРЖАНИЕ
  • Аннотация
  • Введение
  • 1. Расчет и выбор источника питания для ЭП на базе комплектного тиристорного преобразователя
    • 1.1 Расчет и выбор силового трансформатора
    • 1.2 Расчет и выбор тиристоров для силовых вентильных блоков комплектного преобразователя. Выбор схемы соединения вентильных блоков
    • 1.3 Определение параметров якорной цепи электропривода
    • 1.4 Построение статических характеристик тиристорного преобразователя
    • 1.5 Выбор и краткое описание комплектного тиристорного преобразователя
  • 2. Статические режимы работы САУ ЭП
    • 2.1 Построение естественной электромеханической характеристики (при питании от сети) и характеристики в разомкнутой системе (при питании от ТП)
    • 2.2 Составление расчетной функциональной схемы РЭП
    • 2.3 Расчет задатчика интенсивности
    • 2.4 Построение упорной электромеханической характеристики РЭП в замкнутой системе
    • 2.5 Расчет и выбор регуляторов скорости и тока и их нелинейных звеньев
  • 3. Динамика САУ РЭП
    • 3.1 Составление структурной схемы в соответствии с заданным порядком астатизма и функциональным назначением электропривода
    • 3.2 Расчет переходных процессов в РЭП
      • 3.2.1 Составление дифференциальных уравнений в форме Коши и уравнений связи
      • 3.2.2 Составление таблицы исходных расчетных данных для реализации стандартных программ построения переходных процессов в РЭП
    • 3.3 Оценка качества регулирования в различных режимах работы
  • 4. Расчет цифрового электропривода - контура скорости в РЭП
    • 4.1 Определение периода дискретного времени управления в цифровом электроприводе
    • 4.2 Составление функциональной и структурной схем цифрового электропривода
    • 4.3 Синтез регулятора скорости в цифровом электроприводе на основе технического оптимума
    • 4.4 Составление дискретной передаточной функции оптимального регулятора в соответствующем контуре
      • 4.4.1 Составление дискретной передаточной функции замкнутой САУ РЭП по замкнутым звеньям
      • 4.4.2 Составление дискретной передаточной функции замкнутой САУ РЭП по желаемой передаточной функции
    • 4.5 Выбор цифровых датчиков скорости
    • 4.6 Выбор средств сопряжения микропроцессора с измерительными преобразователями и исполнительными органами
    • 4.7 Расчет переходных процессов по скорости в относительных единицах методом разложения в ряд Лорана
    • 4.8 Оценка качества регулирования в ЦЭП
  • 5. Сравнение качества регулирования в аналоговой и цифровой САУ РЭП
  • Выводы
  • Приложение А
    • А.1 Пуск в холостую
    • А.2 Наброс нагрузки
    • А.3 Сброс нагрузки
    • А.4 Генераторное торможение
  • Приложение Б
  • Приложение В

Введение

Регулируемый электропривод металлорежущего станка, обеспечивающий непосредственно процесс резания, называется главным. Назначение привода главного движения - регулирование скорости вращения шпинделя при различных режимах работы станка. Главный привод должен регулироваться при постоянной мощности, т.к. силовое резание выполняется при меньших частотах вращения шпинделя, а чистовая обработка с меньшими усилиями резания - при высоких частотах.

Анализ технологических режимов различных групп станков показывает, что диапазон регулирования частот вращения шпинделя не превышает 100. Однако в большинстве случаев станки имеют дополнительную двух-трехступенчатую коробку скоростей. Главный привод должен обеспечивать точность обработки при соблюдении заданной шероховатости и с необходимой производительностью. Особенно жесткие требования предъявляются к статической и динамической жесткости привода. Неудовлетворительные динамические свойства РЭП являются причиной увеличения шероховатости поверхностей. Для обеспечения необходимой точности следует иметь высокостабильный привод с апериодическим переходным процессом при изменении скорости.

Целью данного курсового проекта является проектирование регулируемого электропривода на базе комплектного тиристорного преобразователя, в котором реализована система подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Конечной целью проекта является расчет параметров электропривода, которые позволят обеспечить поставленные задачи по точности и стабильности.

1. Расчет и выбор источника питания для ЭП на базе комплектного тиристорного преобразователя

1.1 Расчет и выбор силового трансформатора

Теоретическое значение типовой мощности трансформатора идеального выпрямителя с нагрузкой на противоЭДС:

(1.1)

где - коэффициент схемы по мощности.

(1.2)

Расчетная типовая мощность трансформатора:

(1.3)

где

(1.4)

На основании найденных значений типовой мощности, линейного напряжения и тока принимаем трансформатор ТТ-6.

Таблица 1.1. Технические характеристики согласующего трансформатора ТТ-6.

Параметр

Значение

Мощность, кВА

6

Первичная обмотка

Напряжение, В

380/220

Число витков

177

Вторичная обмотка

Напряжение, В

2087

Число витков

84

В

4

В

Не более 5

Потери в меди, Вт

240

Для выбранного трансформатора и заданной схемы соединения вентилей определяем фактическое значение и :

(1.5)

(1.6)

1.2 Расчет и выбор тиристоров для силовых вентильных блоков комплектного преобразователя. Выбор схемы соединения вентильных блоков

Для выбора вентилей определяется среднее значение тока вентиля:

(1.7)

где - коэффициент схемы по среднему току вентиля.

(1.8)

Номинальный ток вентиля:

(1.9)

где - коэффициент запаса, выбираемый исходя из надежности работы вентиля с учетом пусковых токов.

(1.10)

Величина тока, проходящего через вентиль при коротком замыкании на стороне постоянного тока:

(1.11)

Полагая, что кратковременный допустимый ток, протекающий через вентиль, не должен превышать 15-тикратного значения номинального тока, найдем номинальный ток вентиля:

(1.12)

Так как , то принимаем номинальный ток вентиля .

Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю, определяется по соотношению:

(1.13)

где - коэффициент схемы по максимальному напряжению вентиля.

(1.14)

На основании рассчитанных параметров выбираем тиристор Т112-10-12.

Таблица 1.2. Технические характеристики тиристора Т112-10-12.

Параметр

Значение

, А

10

, А

150

, В

1200

1.3 Определение параметров якорной цепи электропривода

Активное сопротивление трансформатора, приведенное к цепи выпрямленного тока:

(1.15)

где - число параллельных проводов, - число фаз, - выпрямленный ток.

(1.16)

(1.17)

Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к цепи выпрямленного тока:

(1.18)

Сопротивление, вносимое за счет перекрытия анодных токов:

(1.19)

Сопротивление щеточного контакта:

(1.20)

Индуктивность трансформатора, приведенная к контуру двигателя:

(1.21)

Индуктивность двигателя:

(1.22)

где - коэффициент индуктивности для компенсированных машин, - число полюсов, - угловая скорость двигателя.

(1.23)

Активное сопротивление сглаживающего дросселя:

(1.24)

Расчетное активное сопротивление цепи якоря:

(1.25)

Предельный угол регулирования:

(1.26)

где ,

.

(1.27)

где ; ; ; .

. (1.28)

. (1.29)

По определяем относительную величину эффективного значения первой гармоники выпрямленного напряжения - .

Индуктивность сглаживающего дросселя:

(1.30)

Расчетная индуктивность якорной цепи:

(1.31)

Электромагнитная постоянная времени:

(1.32)

Электромеханическая постоянная времени:

(1.33)

1.4 Построение статических характеристик тиристорного преобразователя

Регулировочная характеристика преобразователя при условном холостом ходе может быть построена по уравнению .

Зависимость напряжения на якоре электродвигателя в функции угла регулирования преобразователя при неизменном (номинальном) моменте на валу может быть определена с помощью уравнения .

Рисунок 1.1 - Регулировочные характеристики преобразователя при условном холостом ходе и номинальной нагрузке электродвигателя

Характеристика «вход-выход» преобразователя может быть построена при известной регулировочной характеристике системы управления тиристорами и по регулировочной характеристике путем последовательного перестроения.

Рисунок 1.2 - Характеристика «вход-выход» преобразователя

По полученной характеристике определяем коэффициент передачи преобразователя:

(1.34)

1.5 Выбор и краткое описание комплектного тиристорного преобразователя

По результатам расчетов и построенной статической характеристике выбираем источник питания на базе КТП - нереверсивную трехфазную тиристорную станцию управления двигателями типа ШУВ3502-1АУ4. Станция имеет мостовую силовую схему, рассчитана номинальный выпрямленный ток до 50 А, номинальное выпрямленное напряжение до 230 В. КТП типа ШУВ 3000 представляет унифицированную серию, в которой использован блочный способ построения силовых цепей и функциональных узлов управления, что позволяет комбинацией блоков получить широкий класс РЭП мощностью до 200 кВт и диапазоном регулирования от 20 до 2000.

Рисунок 1.3 - Структурная схема КТП серии ШУВ3000

Р - токоограничительные реакторы; БЗРП - блок защиты сети от радиопомех; А1-А4 - автоматические выключатели; ТТ - трансформаторы тока; БЗП - блок защиты от перенапряжений; ВС - вентильная секция; ПР - предохранитель; БЗ - блок защиты; УДР - узел управления дистанционным расцепителем; ПДТ - панель датчика тока; СЗ - сеточная защита; ПНЗ - панель нулевой защиты; РУ - регулирующее устройство; БУПН - блок усилителя полупроводникового нереверсивного; БКТ - блок коррекции и токоограничения; ЛУ - логическое устройство; БЛ - блок логики; БКЛ - блок ключей; ДН - датчик напряжения; Ф - фильтр сетевого напряжения; БП - блок питания; БВ - блок возбуждения двигателя; В - вентилятор.

Станция управления состоит из регулируемого тиристорного выпрямителя, выполненного по мостовой трехфазной схеме, а также блоков управления и регулирования, обеспечивающих создание автоматизированного регулируемого электропривода постоянного тока. Блок БЛ преобразует реверсивный сигнал в однополярный для управления нереверсивным усилителем. Введение блокировки по выходному напряжению усилителя позволяет переключать импульсы только при нулевом напряжении усилителя, соответствующем , что исключает броски тока при реверсе и торможении привода. При смене полярности задающего напряжения меняет знак, давая БЛ команду на переключение ключей, однако БЛ не изменяет своего состояния из-за наличия блокировок по току и напряжению усилителя. Начинается быстрый спад напряжения на выходе усилителя и тока в силовой цепи.

2. Статические режимы работы САУ ЭП

2.1 Построение естественной электромеханической характеристики (при питании от сети) и характеристики в разомкнутой системе (при питании от ТП)

Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения имеет вид:

(2.1)

где - сопротивление цепи якоря двигателя.

Используя паспортные данные двигателя, определим:

1. угловую скорость идеального холостого хода:

(2.2)

2. максимальную угловую скорость:

(2.3)

3. коэффициент ЭДС электродвигателя:

(2.4)

4. номинальный момент:

(2.5)

Рисунок 2.1 - Механические характеристики двигателя при питании от сети

Жесткость механической характеристики:

(2.6)

Статизм механической характеристики:

(2.7)

Коэффициент при ослабленном потоке:

(2.8)

Диапазон регулирования скорости в первой зоне (изменением напряжения):

(2.9)

Диапазон регулирования скорости во второй зоне (изменением магнитного потока):

(2.10)

Построение электромеханических характеристик двигателя при питании от преобразователя в разомкнутой системе осуществляется по формуле:

(2.11)

Жесткость электромеханической характеристики:

(2.12)

Статизм электромеханической характеристики:

(2.13)

Рисунок 2.2 - Электромеханические характеристики двигателя при питании от тиристорного преобразователя в разомкнутой системе регулирования

2.2 Составление расчетной функциональной схемы РЭП

Рисунок 2.3 - Расчетная функциональная схема 2-хконтурной замкнутой САУ РЭП

Расчетная функциональная схема РЭП составляется в соответствии с рисунком 2.3. На рисунке приняты следующие обозначения: ЗС - задатчик скорости; ЗИ - задатчик интенсивности; - напряжение задания; - напряжение управления во внешнем контуре, определяемое разностью между и сигналом обратной связи по скорости ; НЗ2 - нелинейное звено в регуляторе скорости - зона насыщения; - напряжение сравнения в зоне насыщения; РС - регулятор скорости; - коэффициент усиления регулятора скорости; - выходное напряжение регулятора скорости; - напряжение управления во внутреннем контуре, определяемое разностью между и разностным значением сигнала обратной связи по току и опорным напряжением в НЗ1; РТ - регулятор тока; - выходное напряжение регулятора тока; ТП - тиристорный преобразователь; - напряжение на выходе тиристорного преобразователя; Д1 - статорная часть электродвигателя; - момент сопротивления; - ток двигателя; Д2 - якорная часть двигателя; ДТ - датчик тока; НЗ1 - нелинейное звено в контуре тока - зона нечувствительности; - угловая скорость; - напряжение сравнения в контуре тока; ТГ - тахогенератор - реализует обратную связь по скорости; - коэффициент передачи по скорости; ПУ - промежуточный усилитель в цепи обратной связи по скорости или делитель напряжения.

В схеме используется отрицательная обратная связь по скорости и отрицательная обратная связь по току с отсечкой.

Цепь обратной связи по току выполнена зоной нечувствительности , а входной каскад усилителя насыщается при .

Перепад скорости в замкнутой системе:

(2.14)

Перепад скорости в разомкнутой системе:

(2.15)

где

Тогда:

(2.16)

Требуемый коэффициент усиления разомкнутой системы, необходимый по соображениям заданного статизма, определим следующим образом:

(2.17)

Коэффициенты усиления регуляторов скорости и тока по контурам управления:

(2.18)

Необходимый коэффициент обратной связи по скорости:

(2.19)

2.3 Расчет задатчика интенсивности

Для получения постоянного динамического тока якоря в переходных режимах система управления электропривода должна обеспечить постоянное ускорение двигателя. Это достигается с помощью задатчика интенсивности.

Рисунок 2.4 - Схема электрическая принципиальная задатчика интенсивности

Входное постоянное напряжение, пропорциональное заданной скорости привода, заряжает конденсатор C1, в цепи которого установлен транзистор VT1, регламентирующий зарядный ток, который остается постоянным вплоть до очень малого напряжения на переходе «коллектор-база». Величина этого тока регулируется током смещения через эмиттерный переход. Требуемая полярность напряжения на транзисторе VT1 обеспечивается мостом VD1VD4.

Напряжение на конденсаторе C1 изменяется по закону:

(2.20)

где - заданное допустимое угловое ускорение, - постоянная времени заряда, - сопротивление в цепи заряда.

Из соотношения получим . Из справочника выбираем конденсатор типа КБГТ-33МС емкостью 33 мкФ.

Если к зажимам конденсатора подключить вход СУ, охваченной отрицательной обратной связью, то напряжение на конденсаторе и напряжение (скорость) на двигателе будет изменяться по линейному закону: .

2.4 Построение упорной электромеханической характеристики РЭП в замкнутой системе

Значение угловой скорости определяется из уравнения статической характеристики для замкнутой САУ:

(12.21)

Упорная характеристика строится по пяти характерным точкам, каждая из которых определяется двумя координатами: значением угловой скорости и заданным значением силы тока I.

Точка 1 - точка идеального холостого хода: .

Скорость идеального холостого хода:

(12.22)

Точка 2 - точка номинального режима: .

(12.23)

(12.24)

Точка 3 - точка, в которой регулятор скорости переходит в режим насыщения (обратная связь по скорости прекращает свое действие): .

(12.25)

(12.26)

(12.27)

Точка 4 - точка, в которой вступает в действие отсечка по току: .

(12.28)

(12.29)

(12.30)

Точка 5 - точка, в которой наступает стопорный режим: .

(12.31)

Рисунок 2.5 - Упорная электромеханическая характеристика в замкнутой САУ ЭП

2.5 Расчет и выбор регуляторов скорости и тока и их нелинейных звеньев

Рисунок 2.6 - Схема НЗ2 и регулятора скорости

Рисунок 2.7 - Статическая характеристика регулятора скорости и НЗ2

Выбор регулятора скорости и зоны насыщения НЗ2 осуществляется в соответствии с рисунком 2.6.

Входное напряжение на НЗ2 (определяется разностью между напряжением задания и сигналом обратной связи по скорости):

(12.32)

Напряжение на выходе регулятора скорости при :

(12.33)

Реализация регулятора тока и зоны нечувствительности в контуре тока НЗ1 осуществляется в соответствии с рисунком 2.8.

Значение коэффициента обратной связи по току выбирается из соотношения:

(12.34)

Напряжение сравнения:

(12.35)

Рисунок 2.8 - Схема НЗ1 и регулятора тока

Рисунок 2.9 - Сигнал на входе регулятора тока - напряжение сравнения внутреннего контура

Для осуществления отсечки по току принимаем стабилитроны на напряжение срабатывания , для формирования зоны насыщения принимаем стабисторы, так как .

По справочнику выбираем стабилитрон типа Д815В

() и стабистор типа 2С107А

().

3. Динамика САУ РЭП

3.1 Составление структурной схемы в соответствии с заданным порядком астатизма и функциональным назначением электропривода

Структура САУ РЭП реализует идею подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Данная система является астатической системой первого порядка (системой однократного интегрирования).

Рисунок 3.1 - Структурная схема РЭП

Регулятор во внутреннем токовом контуре РЭП представляется ПИ-регулятором с передаточной функцией , полученной в результате суммирования усилительного и интегрирующего звена , где - коэффициент регулятора тока интегрирующий:

(3.1)

где - некомпенсируемая постоянная времени.

(3.2)

(3.3)

где ;

. Тогда .

Учитывая, что , получим:

(3.4)

Величины сопротивлений и рассчитаны в п.2.3: , . Учитывая, что и , принимаем емкость конденсатора C 60 мкФ.

Регулятор во внешнем контуре скорости РЭП является П-регулятором с коэффициентом усиления . Регулятор реализован на операционном усилителе, охваченном обратной связью.

Рисунок 3.3 - Структура регулятора скорости

Рисунок 3.2 - Структура регулятора тока

Задатчик интенсивности, коэффициенты обратной связи, нелинейные элементы схемы 3.3 рассчитаны ранее.

Тиристорный преобразователь является апериодическим звеном САУ со следующей передаточной функцией:

(3.5)

где .

Электрическая часть двигателя (статор) имеет передаточную функцию:

(3.6)

где .

Статический ток, соответствующий приложенной нагрузке:

. (3.7)

Механическая часть двигателя (ротор) имеет передаточную функцию:

(3.8)

3.2 Расчет переходных процессов в РЭП

Переходный процесс по определенному параметру представляет собой графическое решение дифференциального уравнения, описывающего движение исследуемой системы по соответствующей координате. Поэтому переходные процессы по току и скорости в РЭП рассчитываются на основе решения соответствующих дифференциальных уравнений.

3.2.1 Составление дифференциальных уравнений в форме Коши и уравнений связи

Система дифференциальных уравнений составляется на основе структурной схемы, показанной на рисунке 3.1. На схеме выходные и выходные параметры звеньев, в знаменателе передаточных функций которых содержится оператор p, обозначаются через и y с соответствующими индексами. Нелинейные звенья НЗ1 и НЗ2 представлены в виде функций F1 и F2 соответственно. Дифференциальные уравнения, описывающие каждое из указанных звеньев, получают путем преобразования их передаточных функций. Уравнения, записанные в форме Коши, имеют следующий вид:

1. интегральная часть регулятора тока:

2. тиристорный преобразователь:

3. электрическая часть двигателя (статор):

4. механическая часть двигателя (ротор):

Входные параметры описываются следующими алгебраическими уравнениями:

1.

2.

3.

4.

3.2.2 Составление таблицы исходных расчетных данных для реализации стандартных программ построения переходных процессов в РЭП

Расчет переходных процессов по току и скорости осуществляется на основе стандартной программы «РЭП-СЭП». Решение системы уравнений, приведенных в п.3.2.1, производится методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага.

Таблица 3.1 - Исходные данные для программы «РЭП-СЭП»

№

Параметр

Идентификатор

Значение и единица измерения

Наименование параметра

1

0,244 c

Время переходного процесса

2

7,78

Коэффициент передачи регулятора скорости

3

7,78

Коэффициент передачи регулятора тока

4

0,84

Коэффициент передачи интегральной части

5

31,17

Коэффициент передачи тиристорного преобразователя

6

0,01 c

Постоянная времени тиристорного преобразователя

7

Коэффициент передачи Д1

8

0,025 c

Электромагнитная постоянная времени

9

Коэффициент передачи Д2

10

Коэффициент обратной связи по току

11

Коэффициент обратной связи по скорости

12

10 В

Напряжение задания

13

0,53…10,6 А

Статический ток нагрузки

14

0,061 с

Механическая постоянная времени

15

3,42 В

Напряжение сравнения в НЗ1

16

0,15 В

Напряжение сравнения в НЗ2

17

В

Выходное напряжение с ПИ-регулятора

18

В

ЭДС тиристорного преобразователя

19

А

Сила тока

20

Скорость электродвигателя

Параметры принимаются по результатам расчета предыдущего этапа, поэтому в случае пуска в холостую эти параметры принимаются равными нулю. Расчет производится для четырех этапов: пуск в холостую, наброс нагрузки, снятие нагрузки, генераторное торможение. При набросе нагрузки статический ток принимают равным номинальному току двигателя. Задающее напряжение при генераторном напряжении снижается до 57 В.

3.3 Оценка качества регулирования в различных режимах работы

По полученным кривым переходного процесса для каждого режима осуществляется оценка качества регулирования САУ РЭП по т.н. прямым показателям качества: время переходного процесса и статической погрешности в установившемся режиме, причем данная погрешность должна соответствовать погрешности, полученной при построении статической упорной характеристики РЭП в замкнутой САУ. Это условие является одним из критериев правильности решения.

Рисунок 3.4 - Кривые переходных процессов скорости и тока

Пуск РЭП главного движения осуществляется в холостую. По таблице А.1 в «Приложении А» определим, что динамический ток составляет 10,592 А, что не превышает двух номинальных токов. Время переходного процесса составляет 0,244 с. Статическая погрешность в установившемся режиме определится как не превышает 5% величины.

При набросе нагрузки (таблица А.2) ток двигателя колеблется около номинального (5,3 А) с амплитудой 0,1…0,2 А. Статическая ошибка не превышает 5% величины. Просадка по скорости составляет 0,067 , что позволяет охарактеризовать данную САУ РЭП как высокоточную и устойчивую при работе под нагрузкой.

При сбросе нагрузки (таблица А.3) величина тока колеблется около значения 5,59 и наблюдается небольшой скачок скорости (0,3), после чего скорость стабилизируется. Статическая ошибка не превышает 5% величины.

При генераторном торможении наблюдается стабильное снижение тока и скорости до 5,1 А и 93,325 соответственно (таблица А.4).

Согласно полученным данным исследования можно сделать вывод о том, что проектируемая система соответствует требованиям по устойчивости и точности САУ РЭП, что говорит о правильности проведенного расчета.

4. Расчет цифрового электропривода - контура скорости в РЭП

Управление тиристорным регулируемым электроприводом производится путем изменения угла управления тиристоров через дискретные промежутки времени. Эти свойства регулируемого электропривода создают предпосылки для использования цифровых регуляторов на основе микроЭВМ. При таком подходе процесс проектирования электропривода сводится к выбору оптимальной структуры системы и ее программированию.

4.1 Определение периода дискретного времени управления в цифровом электроприводе

Проектирование средств сопряжения МПС с объектом связано с определением конкретных величин, обеспечивающих требуемые показатели работы цифрового электропривода по точности и быстродействию, которые зависят от периода дискретности времени управления в цифровом электроприводе.

При выборе периода дискретности возможно использование различных подходов. В качестве расчетного значения принимают наименьшее.

1. Для электропривода с тиристорным преобразователем период дискретности равен:

(4.1)

где - число фаз преобразователя; - частота питающей сети. Тогда .

2. Для выбранного порядка астатизма период дискретности рассчитывается по формуле:

(4.2)

где - порядок астатизма; - линейное ускорение.

Принимая усредненные значения , , получим . Тогда .

3. Для избранной точности управления период дискретности рассчитывается по формуле:

(4.3)

где - порядок экстраполяции для данного цифрового электропривода. Тогда .

Исходя из полученных значений периода дискретности, выбираем период дискретности .

4.2 Составление функциональной и структурной схем цифрового электропривода

На рисунке обозначены: a[n] - код задания для ; ЦР - цифровой регулятор в контуре скорости; - сумматор ; - код управляющего воздействия; y(t) - аналоговый сигнал управляющего воздействия; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; НЧ - аналоговая (непрерывная) часть цифрового электропривода; - период квантования; - код ошибки; - аналоговый сигнал обратной связи; - код обратной связи; ОУ - объект управления.

Рисунок 4.1 - Функциональная схема цифрового электропривода

Рисунок 4.2 - Структурная схема цифрового электропривода

Рисунок 4.3 - Структурная схема РЭП в Z-преобразовании

4.3 Синтез регулятора скорости в цифровом электроприводе на основе технического оптимума

Синтез цифрового регулятора основан на оптимизации контуров управления аналоговых схем регулирования с дальнейшим преобразованием передаточных функций аналоговых регуляторов в передаточные функции цифрового регулятора на основании таблиц Z-преобразования.

Оптимизация аналоговых регуляторов осуществляется на основе идеи последовательной коррекции передаточной функции желаемой разомкнутой системы:

(4.4)

где - передаточная функция непрерывной неизменяемой части, в которую входят двигатель, преобразователь и редуктор; - передаточная функция желаемой разомкнутой системы.

(4.5)

где - передаточная функция замкнутого контура тока, тогда .

Желаемая передаточная функция разомкнутой системы составляется на основе технического оптимума:

(4.6)

Отсюда можно определить передаточную функцию регулятора скорости:

(4.7)

Таким образом регулятор скорости представляет собой пропорциональное звено системы автоматического управления с коэффициентом передачи .

Передаточная функция для разомкнутого контура тока имеет вид:

(4.8)

где - передаточная функция регулятора тока; - передаточная функция тиристорного преобразователя.

Передаточная функция разомкнутого контура тока составляется на основе технического оптимума:

(4.9)

Отсюда определяется передаточная функция регулятора тока:

(4.10)

Таким образом регулятор тока представляет собой ПИ-регулятор, состоящий из интегральной и пропорциональной части:

(4.11)

Определим частоты сопряжения для построения ЛАЧХ для полученных контуров скорости и тока:

(4.12)

Рисунок 4.4 - ЛАЧХ контуров тока и скорости

На рисунке обозначены: 1 - ЛАЧХ регулятора тока; 2 - ЛАЧХ регулятора скорости.

4.4 Составление дискретной передаточной функции оптимального регулятора в соответствующем контуре

Пользуясь таблицей Z-преобразований получим дискретную передаточную функцию для регуляторов скорости и тока:

(4.13)

Для программной реализации регуляторы тока и скорости необходимо представить в разностных уравнениях:

(4.14)

где - выходной сигнал регулятора; - входной сигнал регулятора.

(4.15)

Откуда получим: . Представим полученное выражение в конечных разностях:

, (4.16)

откуда .

Полученное выражение позволяет получить значение выходного сигнала регулятора в любой момент времени , зная значение выходного сигнала в предыдущий момент времени - , и значения входного сигнала - и . Т.е. регулятор может быть реализован программно.

Проведя аналогичные преобразования для регулятора скорости, получим следующее:

. (4.17)

4.4.1 Составление дискретной передаточной функции замкнутой САУ РЭП по замкнутым звеньям

(4.18)

где - коэффициент передачи непрерывной части по скорости; ; .

. (4.19)

Дискретную передаточную функцию разомкнутой системы получаем путем перемножения дискретной передаточной функции контура скорости и дискретной передаточной функции ЦАП:

. (4.20)

Дискретная передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

(4.21)

4.4.2 Составление дискретной передаточной функции замкнутой САУ РЭП по желаемой передаточной функции

Желаемая передаточная функция контура скорости в соответствии с идеей технического оптимума имеет вид:

(4.22)

Осуществим Z-преобразование передаточной функции :

. (4.23)

(4.24)

(4.25)

Для замкнутой САУ цифрового электропривода дискретная передаточная функция будет иметь вид:

(4.26)

4.5 Выбор цифровых датчиков скорости

Для высокоточных цифровых систем стабилизации скорости двигателей применяются частотные тахогенераторы - импульсные датчики скорости. Датчик состоит из ротора с нарезанными на нем зубцами и сердечника из трансформаторной стали. Зазор между сердечником и ротором - не более 1 мм. Обмотка сердечника питается постоянным током, создающим магнитный поток через ротор. При вращении ротора величина зазора периодически меняется, вследствие чего в обмотке наводится ЭДС датчика скорости с частотой , где p - число зубцов ротора.

Формирование прямолинейных импульсных сигналов производится двухкаскадным усилителем на транзисторах. Импульсы датчика преобразуются далее в сигнал в цифровом коде при помощи цифрового преобразователя частоты и поступают в систему управления. Посредством интегрирующего усилителя импульсы тока преобразуются в дальнейшем в аналоговый сигнал, пропорциональный скорости (для аналоговых систем). Импульсные датчики с индукционными частотными тахогенераторами могут работать при скоростях свыше .

4.6 Выбор средств сопряжения микропроцессора с измерительными преобразователями и исполнительными органами

Сигналы в САУ РЭП являются аналоговыми и имеют различную форму. ЭВМ, напротив, оперирует строго определенными формой и уровнем. В связи с этим встает задача сопряжения САУ РЭП с ЭВМ.

Из ЭВМ код задания передается на регистр-защелку, который поддерживает его постоянным на время преобразования в сигнал управления . Преобразование осуществляет ЦАП. Далее сигнал поступает на регулятор тока и тиристорный преобразователь, управляющие скоростью двигателя. Скорость двигателя определяется датчиком импульсов, который преобразует скорость вращения ротора двигателя в последовательность импульсов - сигнал обратной связи . Количество импульсов данного сигнала подсчитывается счетчиком импульсов, который преобразует его в код и передает на регистр-защелку и далее в ЭВМ. Все операции записи-чтения синхронизируются ЭВМ. Полный цикл вычисления производится за время - период дискретности системы.

Регистры-защелки выбираем из серии К580: К580ИР82 - 8-миразрядные регистры с управлением по уровню и тремя состояниями входных-выходных линий, напряжение питания +5 В, максимальный ток - 32 мА.

Преобразователь ЦАП имеет следующие характеристики: 10 разрядов, время установления - 5 мкс, абсолютная погрешность 3%, опорное напряжение 17 В, ток потребления 2 мА, напряжение питания 517 В.

Для формирования последовательности импульсов, число которых прямо пропорционально зависит от скорости вращения ротора двигателя, используем датчик импульсов ВЕ178 с частотой импульсов - . Он представляет собой источник и приемник светового сигнала, разделенные диском с прорезями. Диск связан с валом ротора и при его вращении перекрывает и открывает доступ светового сигнала от источника к приемнику, формируя импульсы.

Рисунок 4.5 - Схема цифрового контура скорости

Количество импульсов подсчитывается двумя счетчиками импульсов СТ16 555 4Е 19, работающих совместно (для обеспечения 8-миразрядности). Питание СТ16 производится от напряжения 15 В. Подсчитанное количество импульсов за период дискретности счетчик преобразует в код и передает на регистр-защелку и далее в ЭВМ, и обнуляется сигналом с ЭВМ, поданным на вход R.

4.7 Расчет переходных процессов по скорости в относительных единицах методом разложения в ряд Лорана

Расчет переходных процессов в цифровом электроприводе производится путем разложения Z-преобразования соответствующей передаточной функции в ряд Лорана. На вход системы подается единичный сигнал, который вызывается изменением входного параметра в зависимости от передаточной функции системы: , где - единичный скачок на входе системы.

В программу для расчета переходных процессов в цифровом электроприводе вводится дискретная передаточная функция системы с учетом единичного входного воздействия:

1. по реальным звеньям:

(4.27)

2. по желаемой передаточной функции:

(4.28)

4.8 Оценка качества регулирования в ЦЭП

Время переходного процесса в ЦЭП уменьшилось до 0,13 с. Переходный процесс в ЦЭП происходит без перерегулирования по экспоненциальному закону. Динамическая погрешность находится в пределах 5%. Дискретизация по времени и уровню не вносит существенной ошибки, что говорит о правильном выборе периода дискретности для данного цифрового привода.

Рисунок 4.6 - График переходного процесса в ЦЭП

Таблица значений для переходного процесса в ЦЭП приведена в «Приложении Б».

5. Сравнение качества регулирования в аналоговой и цифровой САУ РЭП

Анализ переходных процессов в ЦЭП показал существенное улучшение времени и точностных параметров переходного процесса в системе.

Время переходного процесса в ЦЭП уменьшилось и составило 0,066 с против 0,244 с в аналоговом приводе.

Переходный процесс в ЦЭП проходит по экспоненциальному закону без перерегулирования.

Спроектированная САУ ЦЭП превосходит аналогичную САУ РЭП по точности и временным показателям. Очевидно, что система является полностью управляемой. Программная реализация регулятора скорости с помощью ЭВМ позволяет регулировать величину скорости с большой точностью, сем аппаратным исполнением регулятора, что улучшает точность обработки, а следовательно и качество изделий.

Выводы

Спроектированный электропривод выполнен по схеме питания ТП-Д на базе комплектного тиристорного преобразователя ШУВ 3000, в котором реализована система подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Допустимый диапазон регулирования равен 20 и обеспечивает номинальную скорость резания 104,67 . Система автоматического регулирования выполнена двухконтурной - внешний контур скорости и внутренний контур тока. Сигнал на выходе регулятора скорости является управляющим для замкнутого внутреннего контура. Таким образом осуществляется подчиненное регулирование.

Переходные процессы в аналоговой САУ РЭП носят апериодический характер, время переходных процессов составляет .

Полученные показатели не выходят за пределы допустимых значений, которые были заданы.

Переходные процессы в цифровой САУ РЭП носят экспоненциальный характер и имеют меньшее, нежели в аналоговой системе) время переходного процесса - .

ЦЭП обладает более гибкой структурой, имеет более стабильные характеристики. Цифровые системы обеспечивают более высокую точность регулирования тока и скорости, а также высокие динамические характеристики.

Приложение А

А.1 Пуск в холостую

0

0,259

0,061

0,244

0,025

3,423

7,777

2,2

0,146

7,777

0,43

0

0,842

0,094

0

31,166

10

0

0,01

0,53

0

Таблица А.1 - Пуск в холостую

Время, с

Ток, А

Скорость, c-1

0,00

0,155

0,050

0,01

1,044

0,053

0,02

3,222

0,189

0,02

5,375

0,689

0,03

6,362

1,426

0,03

7,131

2,358

0,04

8,678

3,436

0,05

9,018

4,610

0,05

10,180

5,840

0,06

10,592

7,089

0,06

10,084

8,327

0,07

8,883

9,530

0,08

8,291

21,767

0,09

7,568

23,710

0,10

7,192

34,559

0,11

6,820

45,325

0,11

6,459

56,011

0,12

6,114

57,618

0,13

5,487

67,616

0,14

5,409

78,017

0,14

5,407

88,359

0,15

5,406

88,649

0,16

5,405

95,890

0,16

5,404

99,090

0,17

5,401

101,384

0,18

5,400

101,487

0,19

5,379

102,625

0,20

5,370

102,668

0,20

5,364

102,697

0,21

5,360

102,715

0,22

5,355

103,724

0,23

5,356

104,729

0,24

5,346

106,718

0,25

5,300

109,400

А.2 Наброс нагрузки

0

0,259

0,061

0,244

0,025

3,423

7,777

2,2

0,146

7,777

0,43

0,03

0,842

0,094

36,284

31,166

10

10,6

0,01

0,53

109,4

Таблица А.2 - Наброс нагрузки

Время, с

Ток, А

Скорость, c-1

0,00

5,283

109,700

0,01

5,282

109,689

0,02

5,283

109,679

0,02

5,287

109,669

0,03

5,302

109,660

0,03

5,308

109,652

0,04

5,504

109,645

0,05

5,511

109,641

0,05

5,519

109,637

0,06

5,526

109,635

0,06

5,533

109,633

0,07

5,540

109,637

0,08

5,546

109,649

0,09

5,552

109,656

0,10

5,558

109,664

0,11

5,563

109,673

0,11

5,567

109,682

0,12

5,571

109,692

0,13

5,575

109,703

0,14

5,578

109,715

0,14

5,581

109,727

0,15

5,583

109,739

0,16

5,585

109,752

0,16

5,587

109,791

0,17

5,588

109,805

0,18

5,590

109,819

0,19

5,591

109,832

0,20

5,591

109,846

0,20

5,592

109,860

0,21

5,593

109,874

0,22

5,593

109,888

0,23

5,593

109,902

0,24

5,592

109,943

0,25

5,592

109,957

А.3 Сброс нагрузки

0

0,259

0,061

0,244

0,025

3,423

7,777

2,2

0,146

7,777

0,43

0,06

0,842

0,094

37,219

31,166

10

5,592

0,01

0,53

109,863

Таблица А.3 - Сброс нагрузки

Время, с

Ток, А

Скорость, c-1

0,00

5,592

109,865

0,01

5,592

109,886

0,02

5,592

109,997

0,02

5,592

110,011

0,03

5,591

110,014

0,03

5,591

110,028

0,04

5,591

110,031

0,05

5,591

110,035

0,05

5,591

110,038

0,06

5,591

110,042

0,06

5,591

110,045

0,07

5,591

110,049

0,08

5,591

110,052

0,09

5,591

110,056

0,10

5,591

110,059

0,11

5,591

110,062

0,11

5,591

110,066

0,12

5,591

110,069

0,13

5,591

110,072

0,14

5,591

110,076

0,14

5,591

110,079

0,15

5,591

110,093

0,16

5,591

110,096

0,16

5,591

110,099

0,17

5,591

110,103

0,18

5,591

110,106

0,19

5,591

110,109

0,20

5,591

110,123

0,20

5,591

110,126

0,21

5,591

110,129

0,22

5,591

110,158

0,23

5,591

110,159

0,24

5,591

110,160

0,25

5,591

110,162

А.4 Генераторное торможение

0

0,259

0,061

0,244

0,025

3,423

7,777

2,2

0,146

7,777

0,43

0,09

0,842

0,094

38,154

31,166

10

5,591

0,01

0,53

110,163

Таблица А.4 - Генераторное торможение

Время, с

Ток, А

Скорость, c-1

0,00

5,591

104,536

0,01

5,590

104,519

0,02

5,589

104,503

0,02

5,584

104,502

0,03

5,583

103,560

0,03

5,580

103,553

0,04

5,577

102,536

0,05

5,576

102,403

0,05

5,574

102,113

0,06

5,573

101,626

0,06

5,566

100,640

0,07

5,562

99,653

0,08

5,561

99,636

0,09

5,556

99,610

0,10

5,454

98,693

0,11

5,442

95,707

0,11

5,435

95,700

0,12

5,324

92,733

0,13

5,323

92,717

0,14

5,322

90,760

0,14

5,211

89,773

0,15

5,271

89,717

0,16

5,256

86,845

0,16

5,232

86,800

0,17

5,218

84,827

0,18

5,205

84,112

0,19

5,195

81,854

0,20

5,167

81,367

0,20

5,158

78,880

0,21

5,114

71,474

0,22

5,111

70,387

0,23

5,106

68,701

0,24

5,103

68,514

0,25

5,101

65,127

Приложение Б

Таблица Б.1 - Переходный процесс в ЦЭП

Время

Значение

0,00100

0,05000

0,00600

0,24427

0,00700

0,27815

0,00800

0,31052

0,00900

0,34143

0,01000

0,37096

0,01100

0,39917

0,01200

0,42611

0,01300

0,45184

0,01400

0,47642

0,01500

0,49989

0,01600

0,52232

0,01700

0,54373

0,01800

0,56419

0,01900

0,58373

0,02000

0,60240

0,02100

0,62022

0,02900

0,73689

0,03000

0,74868

0,03100

0,75995

0,03200

0,77071

0,03300

0,78100

0,03400

0,79082

0,03700

0,81771

0,03800

0,82588

0,03900

0,83369

0,04000

0,84115

0,04100

0,84827

0,05000

0,89960

0,05100

0,90410

0,05200

0,90840

0,05300

0,91251

0,05400

0,91643

0,05500

0,92018

0,05600

0,92376

0,05700

0,92717

0,05800

0,93044

0,05900

0,93356

0,06000

0,93654

0,06100

0,93938

0,06200

0,94210

0,06300

0,94470

0,06400

0,94718

0,06500

0,94955

0,06600

0,95181

0,06700

0,95397

0,06800

0,95604

Приложение В

Рисунок В.1 - Модель двухконтурной САУ РЭП

Рисунок В.2 - Переходный процесс в системе по скорости

Рисунок В.3 - Переходный процесс в системе по току

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены