Привод подачи фрезерного станка

 

Необходимо реализовать следующую  функциональную схему:

 

1. Рисунок 2 – Функциональная схема

Здесь:

УСП – управляемый силовой преобрзователь;

ДПТ –  двигатель постоянного  тока(Wэм,Wмех);

ДС – датчик обратной связи по скорости(тахогенератор);

ДТ– датчик обратной связи по току;

РС – регулятор скорости (ПИД  регулятор);

РТ – регулятор тока.

В нашей работе применена система  подчиненного регулирования, так как  разбили задачу регулирования на ряд частных задач: управление током, управление скоростью.

Сущность данной системы в том, что каждый внутренний контур подчинен внешнему. В нашем случае, мы имеем 2 контурную систему. С помощью  датчика скорости (тахогенератора) создается обратная связь по скорости (внешний контур). А также мы имеем  обратную связь по току (внутренний контур).

Для начала нам необходимо выбрать  элементы данной системы и рассчитать передаточные функции всех элементов  электропривода.

 

 

 

 

На рис.4.1. приведена функциональная электрическая  схема СУ ЭП ЭПУ1-2П. Она содержит: двигатель постоянного тока (ДПТ) со встроенным тахогенератором ВR; ТПЯ – реверсивный ТП напряжения цепи якоря двигателя с трехфазной системой импульсно-фазового управления СИФУ; L сглаживающий реактор; ЗС – задатчик скорости.

Система управления ЭП одноконтурная с ПИ-РС и управляющим  органом (УО) с отрицательной обратной связью (ООС) по току. Она содержит: РС – регулятор скорости; УЗТ –  узел зависимого токоограничения; НЗ –  нелинейное звено; ФПЭ – функциональный преобразователь ЭДС двигателя; ПХ – переключатель характеристик; ЛУ – логическое устройство; УО –  управляющий орган; БЗ – блок защиты; ДТ, ДПВ – датчики тока и проводимости вентилей (тиристоров).

На вход РС подается напряжение задания скорости Uз,с с ЗС или с аналогового выхода устройства числового прграммного управления УЧПУ через R2, напряжение ООС по скорости uc с тахогенератора ВR через R4, R5 и напряжение установки нуля скорости двигателя с резистора R3. Uз,с подается разной полярности для реверсирования двигателя. Это обеспечивают реле К1 («вперед») и К2 («назад»), контакты которых подают напряжение к ЗС соответствующей полярности и через БЗ деблокируют РС. В ЭП принят ПИ – РС с ограничением выходного напряжения UРС резистором R8, что обеспечивает ограничение максимального значения выпрямленного напряжения преобразователя Ud max = E + ImaxR, определяющего максимальную установку тока якоря двигателя Imax = (Ud – E)/R.

С выхода РС напряжения uрс поступает на НЗ, которое подает напряжение управления током двигателя uу,т на ПХ и сигнал задания направления тока uз,н,т (направление вращения двигателя) на ЛУ.

В ЭП осуществляется зависимое нелинейное токоограничение  с помощью УЗТ, обеспечивающего  снижение установки тока ограничения  в функции скорости (напряжения uc, поступающего с ВR через делитель R6, R7.

Ограничение максимально  возможного выброса тока при пуске  двигателя обеспечивает ФПЭ, включенный в цепь положительной обратной связи  по скорости, формирующей переходный процесс скорости двигателя. Сигнал ФПЭ подан на НЗ, на выходе которого формируется напряжение управления ТПЯ uу,п = kНЗuРС + uЭ, где kНЗ – коэффициент усиления НЗ; uЭ – сигнал ПОС по скорости, пропорциональный ЭДС двигателя и сформированный ФПЭ. ФПЭ имеет арксинусную характеристику (uФПЭ = arcsin ), с помощью которой формируется напряжение управления преобразователя uу,п, точно компенсирующее изменение ЭДС преобразователя, имеющего нелинейную характеристику (Еп = Епоsinα). Поэтому в переходных процессах ток двигателя, равный I = (Eп – Ед)/ R, поддерживается постоянным независимо от скорости.

В схеме значение uэ выставляется резистором R9 так, чтобы среднее значение UРС при номинальной скорости двигателя на холостом ходу было ближе к нулю. Тогда UРС становится пропорциональным току двигателя и поэтому ограничение его уровня резистором R8 обеспечивает ограничение максимального выпрямленного напряжения, которое определяет максимальное значение тока якоря двигателя.

При правильной настройке  uэ диаграмма тока двигателя при пуске близка к прямоугольной. При недокомпенсации (uэ мало) с ростом скорости ток спадает, а при перекомпенсации (uэ велико) ток растет.

НЗ и ФПЭ  с резистором R9 образуют адаптивное устройство линеаризации характеристик ТПЯ в режиме прерывистого тока. НЗ имеет нелинейную характеристику и представляет собой усилитель с переменным коэффициентом усиления, который при малом сигнале управления повышает коэффициент усиления СУ ЭП, компенсируя этим повышение эквивалентного сопротивления цепи якоря R'э в режиме прерывистых токов. При этом НЗ имеет характеристику, обратную характеристике ТПЯ в режиме прерывистого тока, т. е. коэффициент усиления НЗ (kНЗ) обратно пропорционален коэффициенту усиления ТПЯ (kПЯ), а коэффициент передачи ФПЭ имеет зависимость kФПЭ = arcsin (Ед/Ед,ном), что компенсирует действие внутренней ООС по ЭДС двигателя Ед. С помощью такого адаптивного устройства обеспечивается постоянство коэффициента усиления ТПЯ в режимах прерывистого и непрерывного токов.

ТПЯ управляется  от трехканальной СИФУ, сигнал управления на которую подается от УО, где устанавливаются  углы управления αнач, αmin, αmax и сигнал управления суммируется с сигналом ООС по току, поданным через резистор R10. Для согласования реверсивного управляющего сигнала НЗ с нереверсивной регулировочной характеристикой УО служит ПХ, управляемый ЛУ. ЛУ обеспечивает раздельное управление катодной и анодной группами ТПЯ. Оно осуществляет выбор нужной группы в зависимости от знака Uз.с, определяющего направление (знак) тока двигателя Uзн, т, переключает группы на бестоковом интервале по сигналу ДПВ, обеспечивая переключение импульсов управления с одной группы тиристоров на другую сигналом разрешения Uр, и формирует задержки по времени в момент снятия импульсов с работающей ранее группы и подачи их на вступающую в работу группу.

Конструктивно элементы ЭП расположены на трех платах с печатным монтажем, установленных  в стандартной кассете БУК-б  и соединенных с общей схемой разъединительными клеммными соединителями. На платах расположены силовые элементы ТПЯ (силовая плата), элементы СУ ТПЯ: СИФУ, УО, ЛУ, ФИВ (плата управления ПУ1), элементы РС, НЗ, ПХ, УЗТ, ФПЭ, элементы защиты БЗ и элементы датчиков ДТ и  ДПВ (плата управления ПУ2).

ТПЯ представляет собой два трехфазных управляемых  выпрямительных моста, включенных встречно-параллельно  и работающих по принципу раздельного  управления. Каждый мост выполнен на тиристорах. Для защиты тиристоров от перенапряжений использованы цепи RC. Для повышения помехоустойчивости управляющий переход тиристора шунтируется резисторами (4,7 кОм). Для защиты тиристоров от перегрева в охладитель ТПЯ встроен терморезистор (6,8 кОм).

В ЭП предусмотрены  следующие электрические защиты: нулевая от исчезновения напряжения силовой цепи (питающей сети) и от снижения напряжения цепи управления; максимально-токовая от коротких замыканий; время-токовая от перегрузки двигателя; температурная от перегрева преобразователя, от обрыва цепи тахогенератора; от неправильного  чередования фаз сети управления; от блокирования регулятора скорости и сигнала задания.

При срабатывании соответствующей защиты БЗ транзистором VT1 осуществляется блокирование выхода РС, в УО обеспечивает максимальный угол управления αmax и в СИФУ сигналом Uз запрещает подачу управляющих импульсов на тиристоры ТПЯ, а также зажигает светоизлучающий диод, сигнализирующий о работе защиты (на схеме показан).

 

 

Разработку математической модели автоматизированного электропривода начнем с описания объекта управления, к которому отнесем преобразователь, двигатель и механизм подачи.

Уравнение равновесия напряжений для якорной цепи без  учета падения напряжения под  щетками можно записать

=  

где RЯЦ – сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;

LЯЦ – индуктивность якорной цепи, Гн;

i – ток якоря, А;

е – ЭДС  якоря, В;

U – напряжение, подводимое к якорю, В;

ЭДС якоря  описывается следующей зависимостью

=  

где кФ – конструктивная постоянная двигателя, В·с;

w – угловая скорость якоря, рад/с.

Электромагнитный  момент двигателя определяется следующим  образо

Поскольку электродвигатель ПБСТ-42МУХЛ4 имеет постоянные магниты, то магнитный поток в воздушном  зазоре без учета якоря во всех случаях постоянный Ф = const.

Движение  электропривода описывается следующим  уравнением

 

где JΣ – суммарный момент инерции электропривода, кг·м2.

Положение рабочего органа и угловая скорость якоря  связаны между собой уравнением

 

Силовой преобразователь, питающий электродвигатель можно упрощенно  представить, как апериодическое звено  первого порядка с передаточной функцией

 

где τ – постоянная времени преобразователя, с;

β – коэффициент усиления преобразователя.

Постоянная времени для шестифазного преобразователя определяется следующим образом

с

где Т1 – период питающего напряжения, Т1 = 20 мс.

Коэффициент усиления преобразователя при опорном  косинусоидальном сигнале

Перейдя от уравнений (5.1) – (5.5) к операторным составим математическую модель объекта управления в виде структурной схемы, которая показана на рисунке 5.1.

 

Рис. 5.1

Номинальный ток якоря

Рассчитаем сопротивление  якорной цепи исходя из того, что  потери в якоре составляют ~ 50% от всех потерь

Ом

Определение структуры и параметров управляющего устройства

Управляющее устройство построим по принципу подчиненного регулирования с тремя контурами: тока, скорости и положения. Определение параметров управляющего устройства начинаем с внутреннего контура. Контур регулирования тока якоря, в котором пренебрегаем влиянием внутренней обратной связью по ЭДС, показан на рисунке 5.2. А пренебрегаем потому, что

ТМ ≥ 4Т,

0,1 ≥ 4·0,0082 = 0,0328.

 

Коэффициент обратной связи по току

При оптимизации контура  тока по модульному оптимуму передаточная функция регулятора тока будет иметь  вид

Принимаем Т1 = Т = 0,0082 с. Тогда передаточная функция замкнутого контура имеет вид

 

с

После оптимизации  передаточная функция контура тока примет вид

В результате расчета регулятор тока будет  иметь следующие параметры

 

 

 

Коэффициент обратной связи по скорости

При оптимизации  контура скорости по симметричному  оптимуму передаточная функция регулятора скорости будет иметь вид

Передаточная  функция замкнутого контура скорости имеет вид

 

Т3 = 8 · τ = 8 · 0,0065 = 0,052 с

с

После оптимизации  передаточная функция контура скорости примет вид

В результате расчета регулятор скорости будет  иметь следующие параметры

Далее оптимизируем контур положения, который показан  на рисунке 5.4.

 

 

Коэффициент обратной связи по положению

Для оптимизации  контура положения по модульному оптимуму на входе контура скорость необходимо установить фильтр с передаточной функцией

 

Передаточная функция  замкнутого контура положение имеет  вид

Следовательно

В результате расчета регулятор положения  будет иметь следующие параметры

Общая структурная схема  представлена рис.5.5.