|
|
Производственная практика нир. Производственная практика НИР. Виды систем приводов робота Требования к электроприводам роботаманипулятора
Содержание:
Виды систем приводов робота………………………………………………………………4
Требования к электроприводам робота-манипулятора……………………….5
Классификация систем управления электроприводами………………………6
Системы управления скоростью электроприводов постоянного тока…8
Расчёт и выбор электродвигателя ……………………………………………………….10
Обоснование и расчёт крутящего момента электродвигателя……………10
Обоснование и выбор электродвигателей для звеньев робота………….16
Обоснование и выбор элементной базы электропривода………………….18
Обоснование тирристорного преобразователя……………………………………18
Обоснование выбора датчиков…………………………………………………………….27
Обоснование датчика тока……………………………………………………………………27
Обоснование датчика скорости……………………………………………………………..29
Обоснование выбора элементов защиты……………………………………………..31
Виды систем приводов робота
Существуют различные комплексы приводных систем промышленных роботов-манипуляторов. Они подразделяются на: электромеханические, гидравлические, пневматические, а также могут включать в свой состав комбинацию из всех трех типов.
Самыми простыми считаются гидравлические приводные системы робота. Данная система состоит из небольшого количества подвижных элементов при высокой нагрузочной способности, а также достаточно большой скорости. Подобные системы чаще всего используют в своем составе гидравлические двигатели, работающие в паре с электрогидравлическими сервоклапанами. В таких комплексах обычно используются аналоговые устройства для обеспечения управления и обратной связи. К основным недостаткам гидропривода относятся повышенные колебания системы с понижением рабочей скорости, при движении к запрограммированной точке, а также требуется дополнительная площадь, на которой располагаются гидравлические насосы и дополнительное оборудование. Гидравлические привода отличаются повышенным уровнем рабочего шума, при этом они нуждаются в частой замене масла и фильтров, что несет за собой большие эксплуатационные затраты, а также для таких систем необходим постоянный ремонт, который связан с утечкой масла с гидролинии, сбор и отвод охлаждающей гидравлической жидкости.
В отличие от гидравлических, пневматические приводы чаще всего применяются для роботов, работающих по определенному циклу. Данный вид промышленных роботов используется для перемещения грузов или на линии сборки. Основным преимуществом пневматических систем считаются сравнительно небольшие затраты на техническое обслуживание и ремонт. Главным недостатком таких систем является высокая стоимость при реализации процесса управления скоростью агрегата и его положением в пространстве из-за свойства сжимаемости воздуха, вследствие чего такие системы выполняют работы в режиме программного управления.
В промышленных роботах-манипуляторах, в состав которых входят электромеханические привода, используют чаще всего моментные двигатели постоянного тока, либо шаговые моторы, а также применяются асинхронные моторы и серводвигатели. Данный тип двигателей отличается высоким КПД, а также хорошими показателями в соотношении момента и скорости. В связи с тем, что максимальной мощности такие двигатели достигают при работе на высоких скоростях вращения, то их необходимо использовать совместно с редукторами (для понижения скорости). В отличии от вышеперечисленных, электромеханические приводы обладают большей точностью и повторяемостью перемещений.
Требования к электроприводам робота-манипулятора
Электропривод робота-манипулятора в соответствии с требованиями современной техники должен соответствовать следующим техническим требованиям:
Из-за сложных условий эксплуатации шаговые двигатели обычно используются в роботизированных манипуляторах.
Поэтому необходимо отметить некоторые специфические свойства робота как объекта управления:
- в качестве электродвигателей робота-манипулятора следует использовать специальные электрические машины с учетом характеристик этого механизма.
- наиболее важной особенностью двигателей являются высокие крутящие моменты;
- электродвигатель должен соответствовать перегрузкам, которые возможны во время работы, что, если изделие застряло, может привести к длительному режиму короткого замыкания электродвигателя;
- при оценке конкретных условий работы робота следует учитывать очень строгие условия окружающей среды. Электродвигатели часто подвергаются сильному тепловому излучению при резке продукта пламенем;
- электропривод должен быть адаптирован для работы в интегрированной системе автоматизации всей системы.
Из-за вышеуказанных свойств и технологических требований для управления электроприводом манипулятора:
- они должны иметь высокую скорость, повышенную перегрузочную способность;
- они должны иметь устройство для дистанционного управления дискретными или аналоговыми сигналами различных командных устройств;
- они должны обеспечивать надежную защиту оборудования в аварийных условиях.
Использование специализированного робототехнического оборудования обеспечивает: повышение надежности работы мастерской; уменьшение количества бракованной продукции; снижение энергопотребления в соответствии со всеми технологическими требованиями.
Для ПМ реализуется режим многократной кратковременной работы, который характеризуется кратковременной работой двигателя с периодами выключения двигателя, кроме того, во время работы двигатель не успевает достичь постоянной температуры и во время выключения не успевает достичь температуры окружающей среды.
Основные компоненты диаграммы нагрузки:
– время пуска: t_п= 0,2 с ;
– время цикла: t_ц= 60 с;
– продолжительность включения: ПВ 80% ;
– время работы на установившейся скорости:
〖 t〗_у= t_ц ПВ -4 t_п=46,3 с . (1.1)
Классификация систем управления электроприводами
Системы управления приводом электрических манипуляторов (СУЭП) необходимы для обеспечения движения по заданной траектории с необходимой скоростью исполнительного инструмента (захвата) путем независимого управления каждым соединением манипулятора. Их можно разделить на системы с открытой и закрытой цепочкой действий.
При разомкнутой схеме работы обратная связь отсутствует, в случае отклонения выходного значения от заданного входной управляющий сигнал не изменяется.
В замкнутой цепи наличие обратной связи влияет на управляющий сигнал на входе в случае отклонения от требуемого значения выходных переменных. Для обеспечения требуемого характера изменения координат системы используются контроллеры и измерительные и передающие устройства (ИПУ), которые получают и обрабатывают информацию о координатах блока питания и генерируют управляющие сигналы, которые влияют на блок питания в соответствии с полученными данными.
По принципу построения системы управления приводом ее можно разделить на:
системы управления отклонениями. В такой системе на входе имеются управляющие сигналы, пропорциональные отклонениям фактических значений переменных от требуемых. Эти отклонения представляют системную ошибку;
системы с комбинированным управлением. Эти системы позволяют полностью или полностью устранить ошибку после завершения процесса перехода. Это достигается введением дополнительного сигнала на вход, который компенсирует сигнал ошибки;
нарушенные или неизменные системы. Они используются для уменьшения или полного устранения ошибки помех. В этих системах используется компенсационное устройство, через которое сигнал подается на контроллер. Такое устройство обеспечивает измерение неисправности и дает каналам компенсации определенные динамические свойства.
Предполагается, что система управления выполняет несколько задач:
Стабилизация, т.е. стабильность управляемой команды. Наиболее распространенной является стабилизация скорости.
Программное управление, которое обеспечивает изменение контролируемой координаты в соответствии с законом, заранее определенным и определенным программой. Это обеспечивает корректировку позиции исполнительного органа.
Мониторинг, т. е. управление, осуществляется с целью изменения координат в соответствии с ранее неизвестным законом. Эта система регулирует положение исполнительного органа (ИО).
Адаптивная система управления используется при изменении параметров или внешних условий. Такая система может адаптироваться к меняющимся условиям труда. Это перенастраивает параметры или структуру контроллера, чтобы обеспечить оптимальную работу системы во всем диапазоне изменений параметров. Адаптивные системы могут быть с или без автоматического поиска оптимальных условий труда. Эти системы можно разделить на:
• самонастройка, при которой изменение параметров контроллера выполняется на основе динамических характеристик объекта и информации, получаемой в процессе;
• самоорганизация. В таких системах алгоритм создается на основе текущей информации о состоянии объекта, а также изменяется структура и параметры контроллера.
Системы управления скоростью электроприводов постоянного тока
Рассмотрим несколько вариантов систем управления скоростью для электроприводов постоянного тока:
• модальные системы управления;
• системы с узлами ограничения тока;
• системы с подчиненным координированным управлением.
Модальные системы управления используются для широкого спектра электроприводов, которые трудно придать устойчивости. Такие электроприводы включают в себя системы со многими взаимосвязанными координатами, с несколькими входами и выходами, с подвижной частью с несколькими массами. Примерами являются некоторые типы манипуляторов, роботов, локаторов и т. д. Электроприводы, такие как динамические системы, характеризуются высоким порядком результирующего дифференциального уравнения. Невозможно стабилизировать их движение с помощью одной обратной связи и одного контроллера из-за большого количества переменных, которые определяют динамическое состояние электропривода. Суть этого управления заключается в том, что, закрывая операционный усилитель во всех координатах, характеризующих его состояние в любой момент, и вызывая переменные состояния с подходящим выбором коэффициентов обратной связи, можно получить требуемые характеристики объектов управления относительно выходных координат.
Недостатком системы является отсутствие ограничения координат при больших изменениях входных долей, т.е. по мере увеличения опорного сигнала в скорости, в то же время текущего и ускорения повышения, значения которых могут быть выше, чем допустимо. Устранить чрезмерные токи и ускорение можно, ограничив скорость изменения входного сигнала с помощью специального формирующего устройства - регулятора интенсивности. Однако, если к валу прикладывается большая нагрузка, вероятность недопустимого превышения тока и крутящего момента остается вероятной.
Свойства электропривода с усилителем сумматора могут быть улучшены посредством значительных изменений входных воздействий посредством нелинейных обратных связей - ограничений. Нелинейность обратной связи позволяет оставить коммуникационное действие с интервалом изменения контролируемой величины, если это действительно необходимо, и исключить его из областей, где этот эффект влияет на качество системы.
Система управления с подчиненным координатным управлением широко использовалась путем последовательного изменения контроллера с объектом управления. Такая настройка выполняется с использованием модульного оптимума (МО) или симметричного оптимума (СО). МО обеспечивает большую полосу пропускания, ограниченную характеристиками контроллера и полосой пропускания датчиков и преобразователей. Оптимизация для максимальной пропускной способности также является оптимизацией с точки зрения скорости, т.е. чем шире полоса пропускания, тем короче время, необходимое для завершения процесса перехода.
РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Расчет крутящего момента электродвигателя
В данной выпускной квалификационной работе выполняется упрощенный выбор двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. По рассчитанному значению крутящего момента, а также схеме управления двигателем из существующего перечня ДПТ выбирают двигатель для каждого звена. При выборе двигателя динамическая составляющая момента не учитывается.
Основные характеристики механизма и изделия:
– mз – масса заготовки, 25 кг;
– l1 – длина первого звена робота, 0,8 м;
– l2 – длина второго звена робота, 1,45 м;
– l3 – длина третьего звена робота, 1,2 м.
– l3 – длина клешни робота, 0,25 м.
Двигатель в клешне робота должен поднимать груз весом до 25 кг. Рассчитаем максимально необходимый статический момент манипулятора для удержания его в вытянутом горизонтальном положении. Рассчитаем статический момент.
Для третьего звена:
M_(c3 )=g [(〖 m〗_(г )+〖 M〗_(456 ) ) 〖 L〗_(3 )+〖 M〗_(3 ) L_3/2 ] (1+〖 k〗_(тр ) )=
=9,81 (25+93) 0,8+118 0,4 1,08=977 Нм (2.1)
Для второго звена:
〖 M〗_(c2 )=g [(〖 m〗_(г )+〖 M〗_(456 ) ) 〖 (L〗_(3 )+〖 L〗_(2 ))+M_(2 ) L_2/2 +M_(3 ) (〖 L〗_(2 )+L_3/2)](1+〖 k〗_(тр ) )=
=9,81 [(25+93) (0,8+1,6)+213 1,6/2 +118 (1,6 + 0,8/2)] (1++ 0,08)==7306,2 Нм (2.2)
Для первого звена:
M_(c1 )=g [(〖 m〗_(г )+〖 M〗_(456 ) ) 〖〖(L〗_(1 )+〖 L〗_(2 )+L〗_(3 ))+M_(3 ) 〖 〖(L〗_(1 )+〖 L〗_(2 )+〗_ L_3/2) +〖 M〗_(2 ) 〖 〖(L〗_(1 )+〗_ L_2/2)+M_(1 ) L_1/2 ] (1+〖 k〗_(тр ) )=9,81 [(25+93) (1,3+1,95+ 0,25)++ 118 (1,3+1,95++ 0,25/2 )+ + 213 (1,3+1,95/2)+69 1,3/2]1,08= =13908,8 Нм (2.3)
Рассчитаем момент инерции.
Для третьей степени подвижности:
〖 J〗_(3 )=(〖 m〗_(г )+〖 M〗_(456 ) ) L_3^2+M_(3 ) (L_3/2)=
=(25+93) 〖0,8〗^2+118 〖0,4〗^2=94,4 кгм^2 (2.4)
Для второй степени подвижности:
〖 J〗_(2 )=(〖 m〗_(г )+〖 M〗_(456 ) ) (〖L_3+L_2)〗^2+M_(2 ) (〖L_2/2)〗^2+M_(3 ) (L_2+ 〖L_3/2)〗^2=
=(25+93) (0,8+ 〖1,6)〗^2+213 〖0,4〗^2+118 (1,6+ 〖0,4)〗^2 =94,4 кгм^2
(2.5)
Для первой степени подвижности:
〖 J〗_(1 )=(〖 m〗_(г )+〖 M〗_(456 ) ) (〖L_1+L_2+L_3)〗^2+M_(3 ) (〖L_1+L_2+L_3/2)〗^2+M_(3 )
(L_1 + 〖L_2/2)〗^2 +M_(1 ) (〖L_1/2)〗^2=(25+93) (0,25+1,96+ 〖1,3)〗^2+118
(1,3+1,95+ 〖0,25/2)〗^2+213 (1,3+ 〖1,95/2)〗^2 +69 c (〖1,3/2)〗^2=3921,2 кгм^2 (2.6)
Рассчитаем инерционный (динамический) момент.
Для третьей степени подвижности:
ε_(3 )=(w_3/t_p )=(1,57/0,4)=3,93 рад/с^2 , (2.7)
где w_(3 )=90 (π/180)=1,57 рад/с^2 . (2.8)
Динамический момент:
〖 M〗_(3дин )= J_(3 ) ε_(3 )=94,4 3,93=370,5 Нм (2.9)
Для второй степени подвижности:
ε_(2 )=(w_2/t_p )=(1,57/0,4)=3,93 рад/с^2 , (2.10)
где w_(2 )=90 (π/180)=1,57 рад/с^2 . (2.11)
Динамический момент:
〖 M〗_(2дин )= J_(2 ) ε_(2 )=1288 3,93=5061,8 Нм (2.12)
Для первой степени подвижности:
〖 ε〗_(1 )=(w_1/t_p )=(1,83/0,4)=4,58 рад/с^2 , (2.13)
где w_(1 )=105 (π/180)=1,83 рад/с^2 . (2.14)
Динамический момент:
〖 M〗_(1дин )= J_(1 ) ε_(1 )=3921,2 4,58=17959,1 Нм (2.15)
Расчет будем вести при условии равенства статических моментов наибольшему, так как возможно переворачивание звеньев манипулятора.
Расчет эквивалентного момента.
Для третьей степени подвижности:
M_(эквд.3)=√(([(M_с3 + M_(дин.3) )^2+(M_с3 -〖 M〗_(дин.3) )^(2 )] 〖4t〗_(п )+〖 M〗_с3 2 t_(у ))/(t_ц ПВ))=
= √(([ (977 +〖 370,5)〗^2 +(977 - 〖370,5)〗^2 ] 4 0,4+ 〖977〗^2 4,64 )/(60 0,8 ))=997,7 Нм (2.16)
Для второй степени подвижности:
M_(эквд.2)=√(([(M_с2 + M_(дин.2) )^2+(M_с2 -〖 M〗_(дин.2) )^(2 )] 〖4t〗_(п )+〖 M〗_с2 2 t_(у ))/(t_ц ПВ))=
= √(([ (7306,2 +〖 5061,8)〗^2 +(7306,2 - 〖5061,8)〗^2 ] 4 0,4+ 〖7306,2〗^2 4,64 )/(60 0,8 ))=2634,4 Нм (2.17)
Для первой степени подвижности:
M_(эквд.1)=√(([(M_с1 + M_(дин.1) )^2+(M_с1 -〖 M〗_(дин.1) )^(2 )] 〖4t〗_(п )+〖 M〗_с1 2 t_(у ))/(t_ц ПВ))=
= √(([ (13908,8 +〖 17959,1)〗^2 +(13908,8 - 〖17959,1)〗^2 ] 4 0,4+ 〖13908,8〗^2 4,64 )/(60 0,8 ))=5147,5 Нм (2.18)
При повторно-кратковременном режиме, эквивалентный момент необходимо привести к ПВ = 80 %.
Для третьей степени подвижности:
〖 M〗_(экв.3)= M_(эквд.3) √ПВ=997,7 0,89=887,5 Нм (2.19)
Для второй степени подвижности:
〖 M〗_(экв.2)= M_(эквд.2) √ПВ=2634,4 0,89=2344,6 Нм (2.20)
Для первой степени подвижности:
〖 M〗_(экв.1)= M_(эквд.1) √ПВ=5147,5 0,89=4581,3 Нм (2.21)
Рассчитаем мощность для двигателей робота-манипулятора.
Для третьей степени подвижности:
〖 P〗_(расч.3)= M_экв3 w_(3 )=887,9 1,57=1304,08 Вт (2.22)
Для третьей степени подвижности:
〖 P〗_(расч.2)= M_экв2 w_(2 )=2344,6 1,57=3681,4 Вт (2.23)
Для третьей степени подвижности:
〖 P〗_(расч.1)= M_экв1 w_(1 )=4581,3 1,83=8877,9 Вт (2.24)
Двигатель в основании робота-манипулятора вращает всю конструкцию, однако он вращает в горизонтальной площади, что уменьшает нагрузку и необходимый крутящий момент. Предварительный выбор электродвигателя осуществляется по номинальной мощности. Условия выбора двигателя:
〖 P〗_расч⩽P_н ; w_(расч.)⩽w_н , где (2.25)
w_н - номинальная угловая скорость выбранного электродвигателя;
w_(расч.) - угловая скорость приводного механизма;
P_н - номинальная мощность выбранного электродвигателя;
P_расч - расчетная эквивалентная мощность приводного механизма.
Выбор электродвигателей для звеньев робота
Для двигателя клешни, основания и третьего звена выбираем двигатель постоянного тока серии DMP-122-2MA. Технические характеристики двигателя приведены в таблице 1.
Таблица 1
Тип электродвигателя
|
Мощность, кВт
|
Напряжение, В
|
Ток,
А
|
Частота вращения, об/мин
|
DMP-122-2MA
|
2
|
110
|
21,6
|
3000
|
220
|
9,3
|
Рис. 1 Двигатель постоянного тока фирмы ABB серии DMP-122-2MA
Для двигателя второго звена выбираем двигатель постоянного тока серии DMP-122-2LA. Технические характеристики двигателя приведены в таблице 2.
Таблица 2
Тип электродвигателя
|
Мощность, кВт
|
Напряжение, В
|
Ток,
А
|
Частота вращения, об/мин
|
DMP-122-2LA
|
4
|
110
|
24,3
|
3000
|
220
|
11,8
|
Рис. 2 Двигатель постоянного тока фирмы ABB серии DMP-122-2LA
Для двигателя первого звена выбираем двигатель постоянного тока серии DMP-122-2LA. Технические характеристики двигателя приведены в таблице 3.
Таблица 3
Тип электродвигателя
|
Мощность, кВт
|
Напряжение, В
|
Ток,
А
|
Частота вращения, об/мин
|
DMP-122-4М
|
9
|
110
|
34,3
|
3000
|
220
|
22,7
|
Рис. 3 Двигатель постоянного тока фирмы ABB серии DMP-122-4М
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Тиристорный преобразователь
Выпрямитель - это преобразователь переменного напряжения в постоянное. Неконтролируемые выпрямители изготавливаются на основе диодов, управляемые - на основе тиристоров или других управляемых полупроводниковых приборов (транзисторов или блокируемых тиристоров). Выпрямители используются, например, в системах питания двигателей постоянного тока на электрифицированных транспортных средствах, в сварочном оборудовании, в линиях электропередач постоянного тока. В большинстве случаев цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности содержит счетчик эдс и активный индуктивный резистор. Чтобы обеспечить требуемый режим работы нагрузки (например, при регулировании скорости двигателей постоянного тока), необходимо отрегулировать среднее значение выпрямленного напряжения, что возможно в случае выпрямителей на основе тиристоров или транзисторов.
Для питания якорных цепей электродвигателей используется реверсивная однофазная мостовая двухкомплектная встречно-параллельная симметричная схема выпрямления с раздельным управлением (рис. 4 а). В качестве вентилей используются тиристоры с импульсно-фазовым управлением (СИФУ). Для питания обмоток возбуждения электродвигателей используется нереверсивная однокомплектная однофазная мостовая симметричная схема выпрямления. В качестве вентилей используются силовые диоды.
Состав схемы управления якорной обмоткой двигателя (рис. 3 а): защитный автомат QF; согласующий трансформатор TP; уравнительные реакторы LR1 и LR2; две группы тиристоров включенные встречно-параллельно (VS1.1…VS1.4; VS2.1…VS2.4); ДПТ с НВ; RC-фильтры; LD-сглаживающий дроссель в цепи якоря двигателя; Блок СИФУ для задания управляющих напряжений.
Состав схемы управления обмоткой возбуждения (рис. 3 б): защитный автомат QF; 4 силовых диода (VD1…VD4); обмотка возбуждения (независимая).
Трансформатор соответствует входному и выходному напряжению преобразователя и (аналогично реактору ограничения тока) ограничивает ток короткого замыкания во входных цепях. Сглаживающие реакторы предназначены для сглаживания волн направленного напряжения и тока. Реакторы недоступны, если индуктивность нагрузки достаточна для ограничения пульсаций в указанных пределах. Балансирующий индуктор необходим для уменьшения пульсации тока в цепи якоря двигателя, что положительно влияет на работу системы в целом (улучшается процесс переключения двигателя и уменьшается его нагрев).
На рисунках ниже приведены схемы для питания якорной обмотки ДПТ и его независимой ОВ.
Рис. 3 (а) Реверсивная однофазная мостовая двухкомплектная встречно-параллельная симметричная схема выпрямления с раздельным управлением
Рис. 3 (б) Нереверсивная однокомплектная однофазная мостовая схема выпрямления
Принцип работы выпрямителя якорной цепи (когда значения  и противо-ЭДС равны 0):
Рис. 3.1 Упрощенная схема однофазного мостового выпрямителя
В данную схему включены четыре вентиля-тиристора (рис. 3.1). К одной диагонали моста подключена вторичная обмотка трансформатора, а к другой диагонали — ДПТ с НВ. Будем считать, что в момент времени = 0 ( = 2ft) потенциал точки a становится выше потенциала точки b (полярность без скобок на рис. 3.1). Поэтому при подаче управляющих импульсов на тиристоры VS1 и VS3 они отпираются. Когда тиристоры VS1 и VS3 открыты, VS2 и VS4 находятся под напряжением вторичной обмотки трансформатора, которое для них является обратным. Тиристоры VS1 и VS3 находятся в проводящем состоянии до тех пор, пока ток в них не спадет до нуля. При активной нагрузке VS1 и VS3 выключаются в момент = , когда меняется полярность входного напряжения. При подаче импульсов управления на тиристоры VS2 и VS4 в момент времени = они включаются. Затем указанные процессы повторяются на каждом периоде входного напряжения.
Общая точка «К» катодов вентилей VS1 и V2 является для ДПТ положительным полюсом, а общая точка «А» анодов вентилей V3 и V4-отрицательным.
Во вторичной обмотке трансформатора ток проходит оба полупериода и имеет синусоидальную форму. Ток не имеет постоянной составляющей и вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует.
Реверс двигателя осуществляется аналогично указанному ранее принципу управления, только при этом работает уже вторая группа тиристоров.
Возможность осуществлять задержку моментов включения тиристоров на угол позволяет регулировать выходное напряжение. Угол называют углом управления и отсчитывают относительно моментов естественного включения тиристоров ( = 0, π, 2π, …).
Из рис. 3.1 видно, что с увеличением угла среднее за период значение выходного напряжения уменьшается. При угле управления = 0:
 (3.1)
где  – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Зависимость (α):
 (3.2)
При угле = среднее значение выходного напряжения становится равным нулю. Зависимость  (α) называется регулировочной характеристикой.
Рис. 3.2 Диаграммы напряжения и токов при активной нагрузке
При углах управления > 0 в случае наличия катушки индуктивности (дросселя) в цепи нагрузки, после изменения знака напряжения на вторичной обмотке ток в тиристорах продолжает протекать за счет накопленной в катушке энергии. Тиристоры VS1 и VS3 не выключаются в момент = (рис. 3.2). В результате длительность протекания тока через тиристоры () увеличивается, а на диаграмме выпрямленного напряжения появляются отрицательные участки, величина которых определяется моментом снижения тока до нуля ( = + = = + ). При увеличении индуктивности интервалы проводимости тиристоров возрастают. При некотором (граничном) значении индуктивности ток нагрузки становится непрерывным, а время проводимости каждой пары тиристоров становится равным .
Рис. 3.3 Диаграммы напряжения и токов при активно-индуктивной нагрузке ( )
В случае ток нагрузки становится идеально сглаженным (рис. 3). На практике можно считать, что такой режим возникает при /  > 5. При увеличении угла площадь отрицательных участков на диаграмме выпрямленного напряжения увеличивается, а среднее значение (постоянная составляющая) уменьшается. Зависимость (α) в случае RL-нагрузки определяется как
  (3.3)
Среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при = / 2.
Рис. 3.4 Диаграммы напряжения и токов при активно-индуктивной нагрузке ( )
При заданном результирующем значении L и R моменты включения тиристоров напрямую зависят от противо-ЭДС . Если  , то тиристоры не включаются, ток  , следовательно, продолжительность протекания тока через тиристор λ=0.
С уменьшением угол λ начинает возрастать при условии, если , . Следовательно, в зависимости от угла  , мы получаем несколько разних режимов работы этой схемы. Полученные графики токов и напряжений приведены на рисунке 3.5.
В режиме I угол 0< <180˚, поэтому выпрямленный ток имеет прерывистый характер. Поэтому на интервале (0-01) будут включены тиристоры VS1 и VS3, а на интервале (02-03) – тиристоры VS2 и VS4 соответственно. В режиме II выпрямленный ток имеет непрерывный характер ( =180˚=π). Моментом включения тиристоров VS1 и VS3 будет точка 0 на рис. 3.5.
Рис. 3.5 Кривые токов и напряжений однофазной мостовой схемы с противо-ЭДС
Выбор датчиков
Существует четыре основных типа датчиков в системах автоматического управления приводом: ток, скорость, напряжение и положение. Датчики крутящего момента (силы), мощности и ЭДС также используются. Сигналы от этих датчиков обычно получают путем обработки данных от датчиков тока и напряжения.
По принципу действия датчики делятся на аналоговые и дискретные. Аналоговые датчики преобразуют и обрабатывают входное значение в аналоговой форме. Для дискретных датчиков входная величина преобразуется в цифровую информацию.
3.2.1 Датчик тока
Датчик тока предназначен для преобразования тока якоря в напряжение, пропорциональное этому напряжению, которое равно стандартному уровню напряжения элементов системы управления, а также для гальванического разделения цепи якоря двигателя и цепей управления. В промышленности чаще всего используются три типа датчиков: резистивные, на основе эффекта Холла и трансформатор тока. Датчики на основе трансформатора тока используются только в цепях переменного тока, поэтому они не подходят для этого манипулятора. Основные характеристики датчиков сопротивления и датчиков на основе эффекта Холла приведены в таблице 4.
Поскольку в датчиках сопротивления отсутствует гальваническая развязка, был выбран датчик на основе ячеек Холла.
Таблица 4
Датчик
|
Ток
|
Диапазон измерения, А
|
Гальваническая развязка
|
Вносимые потери
|
Внешний источник питания
|
Частотный диапазон, кГц
|
Погрешность измерения тока, %
|
Относительная стоимость
|
Резистор
|
Постоянный
|
<20
|
Нет
|
Есть
|
Нет
|
100
|
<1
|
Очень низкая
|
Переменный
|
Нет
|
>500
|
Низкая
|
Ячейка Холла
|
Постоянный и переменный
|
<1000
|
Есть
|
Нет
|
Есть
|
200
|
<10
|
Средняя/Высокая
|
Трансформатор тока
|
Переменный
|
<1000
|
Есть
|
Есть
|
Нет
|
Сеть тока
|
<5
|
Высокая
|
Эти датчики могут быть открытого и закрытого типа. Датчики закрытого типа обеспечивают высокую точность, большую пропускную способность и не имеют нулевого отклонения выходного тока. Датчик тока закрытого типа с характеристиками указан в таблице 5.
Таблица 5
Характеристика
|
Значение
|
Номинальный ток
|
От 5 до 100 А
|
Точность
|
≤±0.5
|
Рабочее напряжение
|
12-15 В
|
Диапазон рабочих температур
|
-20…+70°С
|
Номинальный выходной ток
|
25мА
|
Сопротивление
|
54-145 Ом
|
Время реакции системы
|
1мкс
|
Датчик скорости
В настоящее время чаще всего используются четыре типа датчиков:
импульсные датчики, в которых частота выходного импульса пропорциональна измеренной скорости вращения. Конструкция датчиков основана на принципе генерации импульсов, например, фотоэлектрический датчик, индуктивный датчик и т. Д. Они могут выдавать до нескольких тысяч импульсов на выход. Точность передаваемой скорости при использовании таких датчиков зависит от точности установки времени измерения, а также от погрешности счетчика импульсов и обычно составляет 0,01 - 0,001%;
датчики, в которых стабильные частоты опорных импульсов генерируются с помощью кварцевого генератора, а специальная электронная схема определяет количество таких импульсов на оборот вала;
датчики, в которых скорость вращения измеряется с помощью тахогенераторов с последующим преобразованием выходного напряжения тахогенератора в требуемый цифровой код;
датчики со специальными фазовращателями и последующее преобразование информации, содержащейся в фазе напряжения, в сигнал, пропорциональный измеренной скорости, и его дальнейшее преобразование в определенный код.
В своей работе в качестве датчика скорости я выбрал абсолютный энкодер. Абсолютные энкодеры – это датчики угла поворота, которые, в отличии от инкрементальных энкодеров, имеют более сложное устройство и более сложный процесс обработки сигналов, но при этом отличаются значительно более широкими возможностями применения. На выходе абсолютные датчики выдают непосредственно информацию о текущем угле поворота без необходимости дополнительной интерпретации с помощью счетчика импульсов. При этом абсолютный датчик угла поворота не нуждается в привязке к нулевым меткам и определяет положение вала сразу после включения оборудования. Благодаря этому позиционные энкодеры отличаются более высокой точностью и могут применяться в областях, критичных к быстрому и точному измерению текущего положения объекта.
При выборе энкодера необходимо обращать внимание на следующие параметры: число импульсов на оборот (чем больше импульсов, тем выше точность, если энкодер инкрементальный); вал, отверстие под вал (и их диаметр). От этого зависит каким образом на энкодер будет передаваться вращение, либо объект будет подсоединяться к отверстию энкодера, либо на вал энкодера будет передаваться вращение, например, зубчатой передачи или ремня; тип выходного сигнала энкодера. Данный параметр влияет на снятие сигнала энкодера и дальнейшую его передачу; напряжение питания. От этого показателя зависит работа системы и точность снятия сигнала; длина кабеля и тип разъема влияют на возможность установки рабочей системы; другие требования к крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепежной штанги и др). Данный параметр влияет на устойчивость установки и тем самым на точность системы; степень защиты энкодера от проникновения пыли и влаги.
В таблице 6 представлены основные характеристики абсолютного энкодера, который установлен на манипуляторе.
Таблица 6
Характеристика
|
Значение
|
Питание
|
12 - 24 В пост. тока ± 5% (колебания P-P: макс. 5%)
|
Тип выхода
|
Line Driver
|
Частота входного синхронизирующего сигнала SSI
|
от 100 кГц до 1 МГц
|
Диапазон рабочих температур
|
От - 10 до 70°C, хранение: от - 25 до 85°C
|
Уровень входа
|
Высокий: 5 - 24 В пост. тока, низкий : 0 - 1.2 В пост. Тока
|
Код выхода
|
24 бит, Двоичный код или код Грея
|
Выходной интерфейс
|
SSI (Синхронный последовательный интерфейс)
|
Выбор элементов защиты системы
Элементы защиты должны обеспечивать защиту системы при коротких замыканиях в ее элементах. В бакалаврской работе выполняется упрощенный выбор защиты на базе автоматического выключателя, выбранного по длительному рабочему току элементов системы.
 (3.4)
 (3.5)
 (3.6)
По каталогу выбираем автоматы защиты ABB SH201M 1P + N. Основные характеристики автоматов приведены в таблице 7.
Таблица 7
Тип автомата
|
Номинальный ток, А
|
Номинальное напряжение, В
|
Ном. отключающая способность, кА
|
ABB SH201M
|
13
|
220
|
10
|
ABB SH201M
|
16
|
220
|
10
|
ABB SH201M
|
20
|
220
|
10
|
|
|
|
Скачать 292.99 Kb.