Разработка автоматизированного электропривода системы позиционирования

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Для современного промышленного производства характерно широкое внедрение автоматизированного электропривода- основы механизации и комплексной автоматизации технологических процессов. Совершенствование систем автоматизированного электропривода с использованием новейших достижений науки и техники является одним из непременных условий при решении задач всемерного повышения эффективности промышленного производства, ускорения роста производительности труда и улучшения качества выпускаемой продукции.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, преобразующую электрическую энергию в механическую. Посредством этой системы приводятся в движение рабочие органы технологических (производственных) машин и осуществляется управление преобразованной энергией.

Современные электроприводы металлорежущих станков являются основным звеном автоматизированных систем управления технологическим процессом. Механическая энергия, необходимая для создания относительного перемещения инструмента и заготовки, в основном поступает от электрического двигателя - силовой части электропривода. Задающие и информационные системы в технологическом процессе проходят через информационную часть системы управления электроприводом.

1. Выбор электропривода

(1)

где зред = 0,4 - КПД редуктора по условиям задания на проектирование.

В качестве привода подачи выберем Двигатель 2ПН180МУХЛ4 на 110 В со встроенным тахогенератором ТС-1М. в состав которого входят следующие элементы:

- двигатель 2ПН180МУХЛ4;

- тахогенератор ТС-1М;

- трансформатор ТТ6;

- тиристорный преобразователь рода тока ПТОМ-115-32(50).

Таблица 1 - Технические данные двигателя 2ПН180МУХЛ4 на 110 В

Наименование параметра	Значение
Частота вращения, n, об/мин	750
Мощность номинальная Рн, кВт	5,4
Ток номинальный Iн , А	55
Момент номинальный Мн , Н м	50
КПД, %	78,5
Частота вращения мах nmax,, об/мин	3000
Маховый момент,	0,2
Кратность пускового тока In/Ip	3
Число полюсов, 2p	4
Сопротивление якоря, Rя, Ом	0,084
Сопротивление дополнительной обмотки , Rд, Ом	0,056

Таблица 2 - Технические данные трансформатора ТТ6

Наименование параметра	Значение
Мощность номинальная Рн, кВА	6
Напряжение первичной обмотки Uв.н, В	380
Напряжение вторичной обмотки Uн.н.,В	104/208/416
Мощность холостого хода Pх.х., Вт	60
Мощность короткого замыкания, Pк.з., Вт	180
Ток номинальный Iн, А	9,13
Напряжение короткого замыкания Uк, %	10
Ток холостого хода Iх.х., А	0,15Iн

Таблица 3 - Технические данные тахогенератора ПТ-1

Наименование параметра	Значение
Напряжение номинальное, Uн,В	100
Частота номинальная, nн об/мин	3000
Мощность номинальная, Pн, Вт	5
Ток номинальный, Iн, А	200
Сопротивление якоря, Rя , Ом	-
Сопротивление обмотки возбуждения Rв, Ом	-
Напряжение обмотки возбуждения,Uв , В	-

Таблица 4 - Технические данные тиристорного преобразователя ПТОМ-115- 32(50)

Наименование параметра	Значение
Напряжение номинальное Uн, В	115
Ток номинальный Iн, А	32
Ток длительный допустимый I длит.доп, А	40
Ток максимальный допустимый I max.доп, А	50
Мощность длительная, Рдлит, кВт	7

2. Функциональная схема САР положения

Упрощённая функциональная схема САР положения приведена на рисунке 1:



Рисунок 1. Функциональная схема САР: РП - регулятор положения; ДП - датчик положения; РС -регулятор скорости; ТГ - датчик скорости (тахогенератор); М - двигатель (механизм); ТП - тиристорный преобразователь; ОВ - обмотка возбуждения

3. Определение передаточных функций звеньев САР

Определение передаточной функции электродвигателя.

Двигатель постоянного тока при управлении изменением напряжения якоря представляют в виде следующей системы:

Рисунок 2. Структурная схема электродвигателя

электродвигатель дроссель усилитель уравнительный

Постоянную времени якорной цепи Тя определяют по следующей формуле:

, (2)

где Lя.ц - индуктивность якорной цепи;

Rя.ц - сопротивление якорной цепи.

Индуктивность якорной цепи вычисляют по формуле:

, (3)

где Lтр - приведенная индуктивность трансформатора:

Lя.д.- индуктивность якоря двигателя

Приведенную индуктивность обмотки трансформатора определяют по формуле:

, (4)

где Xб - приведённое индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;

щ - угловая частота питающей сети.

, (5)

где Zтр - полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора;

Rтр - приведенное активное сопротивление трансформатора.

Полное приведенное сопротивление обмоток трансформатора вычисляют по формуле:

 (6)

где Uк - напряжение короткого замыкания;

Pн - номинальная мощность трансформатора;

Uн - номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора должно со ответствовать напряжению питания тиристорного преобразователя.

Приведенное активное сопротивление трансформатора определяют по формуле:

(7)

где Pк.з.- потери при коротком замыкании.

Подставив полученные значения в формулу (5), получим значение приведенного сопротивления обмоток трансформатора:

Ом.

Подставив полученные значения в формулу (4), получим значение приведенной индуктивности обмотки трансформатора:

Гн.

Индуктивность якоря двигателя определяют по формуле:

(8)

где г - конструктивный коэффициент, г = 0,1 для компенсированных машин, г = 0,6 для некомпенсированных машин;

- скорость вращения якоря.

Подставив полученные значения в формулу (3), получим значение индуктивности якорной цепи:

Гн.

Полное сопротивление якорной цепи вычисляют по формуле:

(9)

Где сопротивление уравнительного дросселя:

падение напряжения на уравнительном дросселе, при номинальном выпрямленном токе ;

Сопротивление якоря двигателя:

, (10)

где Rя - сопротивление якорной обмотки;

Rд.п - сопротивление дополнительной обмотки;

Rк.о. - сопротивление компенсационной обмотки;

Rщ - сопротивление щеточного контакта.

Сопротивление щеточного контакта определяют по формуле:

(11)

где Uщ - падение напряжения на щеточном контакте, Uщ = 1ч2 В. Принимаем Uщ = 1,5 В

Подставив значения в формулу (10), получим значение сопротивления якоря двигателя:

Динамическое сопротивление тиристора вычисляют по формуле:

= (12)

где Uт = (0,5 ч 1,5) В - классифицикационное падение напряжения на тиристоре, принимаемUт = 1,3 В;

Iср.вентн - среднее значение тока, протекающего через тиристор при номинальном моменте сопротивления на двигателе.

Среднее значение тока через тиристор определяется по формуле:

(13)

где kз = 1,3 - коэффициента запаса по току.

Подставив полученное значение в формулу (12) получим:

Коммутационное сопротивление тиристора определяют по формуле

(14)

где m- число коммутаций вентилей за период напряжения сети (пульсность схемы) для мостовой схемы m = 6, для нулевой m = 3.

Подставив полученные значения в формулы (2), (9) получим следующие результаты:

Вычислим суммарное сопротивление якорной цепи ТП-Д:

Откуда постоянная времени якорной цепи

Приведённый к валу двигателя суммарный момент инерции механических элементов привода:

(15)

Где:

; кг·м2 - момент инерции двигателя.(16)

Передаточный коэффициент двигателя постоянного тока при регулировании скорости изменением подводимого напряжения к якорю

(16)

- коэффициент ЭДС(17)

Конструктивный коэффициент машины определим по формуле:

(18)

Передаточная функция двигателя:

Определение передаточной функции тиристорного преобразователя.

Технические данные тиристорного преобразователя ПТОР-230-10 представлены в таблице 3.

Передаточная функция тиристорного моста вместе с системой импульсно-фазового управления СИФУ, как правило, апроксимируется апериодическим звеном первого порядка. При наличии фильтра на входе СИФУ постоянная времени Тф = (0,006ч0,008) с, что обусловлено дискретностью подачи отпирающих импульсов и особенностью работы управляемого тиристорного выпрямителя (тиристорного преобразователя).

, (19)

где Uт.п - выходное напряжение тиристорного преобразователя;

Uу - напряжение, подаваемое на вход СИФУ тиристорного преобразователя;

Кт.п - коэффициент передачи тиристорного преобразователя;

ТТ.П. = Тф + 1/(2mf) = Тф + 0,002 - постоянная времени тиристорного преобразователя.

Коэффициент тиристорного преобразователя



Принимая во внимание, что ТТ.П. = 0,008 с, передаточная функция тиристорного преобразователя будет иметь вид:

Определение передаточной функции промежуточного усилителя.

В современных тиристорных приводах постоянного тока для улучшения статических и динамических характеристик системы в промежуточные усилители вводятся различные корректирующие цепи, чем обеспечивается регулирование необходимых динамических свойств системы.

В системах позиционирования статическая ошибка, приведенная к валу двигателя при вращательном движении механизма определяется из выражения:

, ; - приведенный радиус, м/рад; (20)

где kрс - коэффициент усиления разомкнутой системы;

i - передаточное отношение редуктора;

Mc - момент сопротивления;

в - жёсткость механической характеристики системы;

дзад = 0,5 - заданная погрешность позиционирования.

F- сила сопротивления механизма

V - скорость перемещения механизма

Жёсткость механической характеристики системы определяется из выражения:

(21)

Уравнение электромеханической характеристики имеет вид:

, (22)

При этом6

- скорость идеального холостого хода, щн = 87,5 с-1.

Учитывая, что электромеханическая и механическая характеристики представляют собой прямую линию, определим жёсткость механической характеристики:

Н·м·с/рад.

Подставив полученные значения в формулу (20) найдём коэффициент усиления разомкнутой системы:

где Мс = 19,1 Н·м - максимальный момент сопротивления механизма, приведенный к валу двигателя. Из условий выбора электропривода известно, что . Отсюда:



Здесь за щmax =78,5 с-1 принята номинальная скорость двигателя.

Коэффициент усиления разомкнутой системы:

(23)

Из формулы (20) найдём коэффициент усиления промежуточного усилителя:

Где:

- радиус приведения скоростей. (24)

Техническая реализация промежуточного усилителя представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Промежуточный усилитель

Произведём расчёт параметров звена. Коэффициент усиления промежуточного усилителя:

kпр.ус = R8/R7

Примем R7 = 1 кОм; тогда R8 = 79,7 кОм.

Определение передаточных функций датчиков

Определение передаточной функции датчика тока.

Передаточная функция датчика тока определяется следующим образом:

где 10 - максимальное значение напряжения с датчика тока, В;

Iн- номинальный ток двигателя.

Определение передаточной функции датчика скорости.

Технические данные тахогенератора П-1 представлены в таблице 4.

Передаточная функция тахогенератора имеет вид

,

где Uн = 100 В напряжение тахогенератора

- номинальная скорость вращения тахогенератора.

Так как в обратную связь принято подавать напряжение 10 В, то необходим согласующий усилитель, коэффициент усиления которого равен:

Тогда:

.

Согласующее устройство выполним на базе делителя напряжения

Примем R1 = 10 Ом, тогда R2 = 130 Ом.

Определение передаточной функции датчика положения

Примем диапазон регулирования 1800 или 3,14 рад. Тогда, учитывая, что в обратную связь подаётся 10 В, передаточная функция будет иметь вид:

В/рад.

4. Расчёт регулятора тока

Для построения переходной характеристики регулятора тока составим структурную схему замкнутого контура:

Рисунок 4. Переходная характеристика замкнутого контура тока

Получим передаточную функцию:



Для расчёта регулятора тока воспользуемся частотным методом с использованием ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы.

Для их построения используется следующий скрипт (код программы):

>> num=[108,6];

>> den=[0.0000405 0.0135 1];

>> sys=tf(num,den);

>> margin(sys)

Синтез регуляторов с помощью логарифмических частотных характеристик производится в таком порядке. Вначале строятся ЛАЧХ Lнск(щ) и ЛФЧХ цнск(щ) нескорректированной системы. Далее определяют желаемую ЛАЧХ системы, т. е. ЛАЧХ, при которой выполняются заданные требования к качеству управления. Желаемая ЛАЧХ Lск(щ) (её обычно обозначают Lж(щ)) скорректированной системы состоит из нескольких основных участков:

1) низкочастотный. Определяет установившиеся детерминированные режимы.

2) среднечастотный. Определяет качество переходного процесса (перерегулирование, время переходного процесса).

3) высокочастотный. Не оказывает существенного влияния на качество переходного процесса, поэтому её принимают совпадающей с ЛАЧХ нескорректированной системы.

Учитывая выше сказанное, произведём синтез регулятора тока.

Переходная характеристика контура тока представлена на рисунке 4, а ЛЧХ на рисунке 5.



Рисунок 5. ЛЧХ для разомкнутой системы

Как видно из рисунков система обладает большой колебательностью, большим перерегулированием у=75% и малым запасом по фазе ? ц=16,80. Для улучшения качества переходного процесса в качестве регулятора применим интегро-дифференцирующее звено. Скорректированная система должна обеспечить запас по фазе ? ц=660.

Постоянные времени примем:

T1= 0,12с; T2=0,00526с; T3=0,0039с; T4=0,00017с.

Произведём расчёт параметров звена.

T1+T4=T2+(1+R1/R2)T3

T2=R1C1

T3=R2C2

Подставляя значения постоянных времени определяем параметры звена:

R1=10 кОм R2=1 кОм C1=6 мкФ C2=10 мкФ.

Подставим значения постоянных времени в желаемые регуляторы тока и затем необходимо добиться оптимального перерегулирования переходного процесса у ? 5%, путем корректировки значения знаменателя вновь созданных звеньев.

Получим оптимальной:

Переходной процесс скорректировано системы представлен на рисунке 6. Из рисунка видно что перерегулирование системы у=3,75%, а время переходного процесса tпп=16·10-2с.

Техническая реализация данного звена представлена на рисунке 7.

Рисунок 6. Переходной процесс скорректированной системы

Рисунок 7. Техническая реализация регулятора тока

6. Расчёт регулятора скорости

Произведём синтез регулятора скорости. В звене Step поставить значение Step time - 0.

Переходной процесс контура скорости представлен на рисунке 8, а ЛЧХ на рисунке 9. Для построения последней необходимо посчитать ПФ разомкнутого регулятора скорости. Для этого к ПФ замкнутого регулятора тока добавить ПФ вновь введенных звеньев.

Рисунок 8. Переходной процесс контура скорости

Как видно из рисунков система обладает малым быстродействием. Для улучшения качества переходного процесса в качестве регулятора применим пропорционально-интегральный регулятор. Скорректированная система должна обеспечить запас по фазе ? ц=650 и по амплитуде ?L=13 дБ.



Рисунок 9. Техническая реализация регулятора скорости

Заключение

При выполнении данного курсового проекта была освоена методика проектирования автоматизированного электропривода.

В результате проектирования был разработан автоматизированный электропривод системы позиционирования, обеспечивающий заданную точность позиционирования механизма при максимальной скорости задающего сигнала и максимальном моменте сопротивления. Исследованы и проанализированы переходные процессы при различных режимах работы системы.

Спроектированная система удовлетворяет всем поставленным требованиям.

Литература

1) Автоматизированный электропривод. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Автоматизированный электропривод», составители: Г.Н. Коуров, В.Ц. Зориктуев, УАИ, 1989.

2) Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат, 1982.

3) Зимин Е.М., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводом. - М.: Энергия, 1979.

4) Зориктуев В.Ц. Автоматизированный электропривод металлорежущих станков: Учебное пособие. - Уфа, 1981.

5) Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

6) Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1981.

7) Электротехнический справочник (в 3-х томах). Под общей редакцией М.Г. Чиликина. - М.: Энергия, 1975.

Размещено на Allbest.ru