САПР средств и систем управления. Методические указания к курсовому проекту на тему: ''Выбор элементов и устройств автоматики для систем автоматического управления с использованием персональных ЭВМ и удаленных баз данных''

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Московский Государственный Университет Печати Московский Государственный Институт электроники и математики — технический Университет

САПР средств и систем управления

Методические указания к курсовому проекту

на тему: “Выбор элементов и устройств автоматики для систем автоматического управления с использованием персональных ЭВМ и удаленных баз данных.” по направлению: “Автоматизация и управление (550200)”

Кафедра “Управление и информатика в технических сисмтемах ” Кафедра “Автоматизация полиграфического производства”

Москва -2000.

2

Издательство МГУП “Мир книги” Составители: к.т.н., проф. Г.Б. Фалк к.т.н., доц. А.Ф. Иванько В подготовке программного обеспечения для работы с удаленными базами данных активное участие принимал студент МГИЭМ С.Потомский.

Курсовая работа ‘‘Выбор элементов и устройств автоматики для систем автоматического управления с использованием персональных ЭВМ и удаленных баз данных”

предназначена для студентов, обучающихся по специальности 210100

“Управление и информатика в технических системах” и имеет целью выработать у студентов практические навыки по дисциплинам: “Электромеханические устройства автоматики”, “Электромеханические системы”, “САПР средств и систем управления”, “Базы данных и информационно-поисковые системы”. Курсовая работа может выполняться двумя способами: 1.С использованием информационно-поисковой системы, реализованной на автономной персональной ЭВМ типа IBM PC/AT. Система представляет собой СУБД на языке управления данными dBASE. 2.С использованием информационно-поисковой системы,расположенной на сервере МГИЭМ,дистанционое обращение к которому осуществляется через сеть Internet.

3

ВВЕДЕНИЕ В.1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В локальных системах автоматического управления (САУ), электроприводах промышленных роботов и технологического оборудования гибких автоматизированных производств (ГАП) широко применяются коллекторные и бесколлекторные двигатели постоянного тока, синхронные и асинхронные переменного тока, шаговые двигатели. При выборе необходимо учитывать следующие основные факторы: 1) функциональное назначение (исполнительный в системе автоматического управления, силовой приводной, приводной в программно-временном устройстве и т.д.); 2) тип, возможности и ограничения источника питания двигателя и усилителя мощности; 3) тип системы управления и требования к ее статическим и динамическим характеристикам (цифровые системы управления, аналоговые, комбинированные и т.д.); 4) конструкцию, характер нагрузок и движений объекта управления, с которым соединен двигатель; 5) условия работы (степень агрессивности среды, ее давление, температуру, влажность, вибрации, инерционные нагрузки), время работы двигателя и требуемый ресурс безотказной работы в заданных условиях; 6) ориентировочное значение предполагаемой выходной мощности и требуемый к.п.д. , необходимую мощность управления; 7) условия эксплуатации (возможность контроля, возможность восстановления при отказе, время приведения в готовность); 8) стоимость и эксплуатационные расходы. В зависимости от интересов и возможностей студента курсовая работа может выполняться двумя способами: 1.С использованием информационно-поисковой системы, реализованной на автономной персональной ЭВМ типа IBM PC/AT. Система представляет собой СУБД на языке управления данными dBASE. 2.С использованием информационно-поисковой системы,расположенной на сервере МГИЭМ,дистанционое обращение к которому осуществляется через сеть Internet.

4

В.2

ОБЪЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В настоящей курсовой работе осуществляется один из этапов проектирования локальных САУ и электроприводов ГАП, связанный с выбором электрических двигателей. Необходимо выбрать электрические двигатели для электроприводов кинематических звеньев промышленного робота, входящего в модуль ГАП; для привода координатного

стола,

перемещающего

обрабатываемые

изделия;

для

силового

программно-временного привода силовой части оборудования модуля ГАП и для приборной следящей системы, входящей в комплект измерительной аппаратуры модуля ГАП. Исходя из оценки факторов, приведенных в п. В.1, рекомендуется выбирать следующие типы двигателей: а) для силового программно-временного привода —

трехфазный асинхронный

двигатель; б) для приборной следящей системы —

исполнительный

двухфазный

асинхронный микродвигатель; в) для привода координатного стола — синхронный шаговый двигатель; г) для привода кинематического звена промышленного робота — исполнительный двигатель постоянного тока.

В.3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ В.3.1 Техническое задание на трехфазный асинхронный двигатель силового привода Режим работы двигателя: повторно-кратковременный. Нагрузочная диаграмма двигателя в виде графика зависимости мощности нагрузки Р от времени t (рис. В.1). Мощность Р задана с учетом потерь мощности в механическом передаточном устройстве.

5

P P1

P5 P2

P1

P4

P2

P3

tp1

tp2

tp3

tp4

tp5

t0

tp1 t

Tц рис. В.1

На этом рисунке: tp — время работы t0 — время паузы Tц — время цикла. Uном — номинальное напряжение питания. n1 — синхронная частота вращения. Список разрешенных к применению серий: - трехфазные асинхронные двигатели с повышенным скольжением 4АС, предназначенные

для

работы

при

различной

относительной

продолжительности

включения. Схема управления. Примечание: Пример Т3 для одного из вариантов приведен в таблице 1 приложений

6

В.3.2 Техническое задание на исполнительный асинхронный микродвигатель приборной следящей системы Способ управления — амплитудный или амплитудно-фазовый с конденсатором в цепи возбуждения. Umax,, Umin — верхняя и нижняя границы номинального напряжения управления. f — номинальная частота.

ωнг.max — максимальная угловая скорость исполнительной оси (нагрузки) εнг.max — максимальное угловое ускорение исполнительной оси. Мнг

—

максимальный статический момент сопротивления (нагрузки) на

исполнительной оси. iред.max — максимальное значение передаточного отношения редуктора. Список разрешенных к применению серий: - двухфазные исполнительные асинхронные микродвигатели с полым немагнитным ротором ДИД. Схема управления. Примечание: Пример Т3 для одного из вариантов приведен в таблице 2 приложений. В.3.3

Техническое задание на шаговый двигатель координатного стола.

Uном — номинальное напряжение управления. fш.дв.min — нижняя граница приемистости при номинальной нагрузке. Mнг — максимальный статический момент сопротивления (нагрузки) на исполнительной оси.

ωнг.max — максимальная угловая скорость исполнительной оси (нагрузки) при номинальной частоте приемистости. Jнг — максимальный момент инерции на исполнительной оси (нагрузки). Δθнг

— максимально допустимая дискретность отработки угла поворота

исполнительной оси. Список разрешенных к применению серий: - активные шаговые двигатели ШДА и ДШ. Схема управления.

7

Примечание: Пример Т3 для одного из вариантов приведен в таблице 3 приложений. В.3.4 Техническое задание на исполнительный двигатель постоянного тока промышленного робота Способ управления — якорный. Umax , Umin — верхняя и нижняя границы номинального напряжения управления. Δω*доп

— допустимое изменение угловой скорости при заданном изменении

момента ΔМ*зад = 10% в номинальном режиме.

ωнг.max — максимальная угловая скорость исполнительной оси (нагрузки). εнг.max — максимальное угловое ускорение исполнительной оси. Мнг — максимальный статический момент сопротивления (нагрузки) на исполнительной оси. Jнг — максимальный момент инерции на исполнительной оси (нагрузки). iред.max — максимальное значение передаточного отношения редуктора. Список разрешенных к применению серий: - двигатели с постоянными магнитами ДПМ. Примечание: Пример Т3 одного из вариантов приведен в таблице 4 приложений.

1. ВЫБОР ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ДЛЯ ПОВТОРНО- КРАТКОВРЕМЕННОГО РЕЖИМА, ЗАДАННОГО НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММОЙ 1.1 Выбор двигателя для повторно-кратковременного режима работы, заданного нагрузочной диаграммой Р(t) (рис. В.1), целесообразно проводить методом эквивалентной мощности. 1.2 Эквивалентная

мощность,

соответствующая

нагрузочной

диаграмме,

определяется по формуле Рэкв. =

∑ p ⋅t ∑t 2 i

pi

где i=1…5 Относительная продолжительность включения

pi

.

(1.1)

8

ПВ =

∑t Tц

pi

⋅ 100%

(1.2)

С учетом полученного значения ПВ необходимо пересчитать эквивалентную мощность к ближайшему стандартному значению ПВст= 15, 25, 40 (номинальное), 60, 100%. Рэкв.ст. = Рэкв. ⋅

ПВ ПВст.

(1.3)

Предварительный выбор двигателя может быть осуществлен двумя способами: а) с использованием автоматизированной системы, реализованной на ПЭВМ; б) по каталогу двигателей (л.5, табл.2.4 и 2.6). В обоих случаях выбирается двигатель с указанной в Т3 синхронной частотой вращения, у которого при выбранном Пвст максимально допустимая мощность Р2пвст ≥ Рэкв.ст

(1.4)

и разность между Р2пвст и Рэкв.ст минимальная. 1.3 Выбранный двигатель проверить по условиям пуска и перегрузочной способности. Условия проверки в первом приближении имеют вид

mп >

mк >

Р1 Р2 пвст.

Рmax Р2 пвст.

(1.5)

где mп и mк — отношение пускового и максимального момента к номинальному по каталогу (л.5, табл.3.4) или по списку технических данных двигателя, полученных от ПЭВМ.

Р1 и Рmax —

первое и максимальное в пределах цикла значение мощности

на нагрузочной диаграмме. Если для выбранного двигателя условия

(1.5) не выполняются, то выбирается

следующий по порядку более мощный двигатель.

Для него осуществляется только

проверка по условиям пуска и перегрузочной способности.

9

1.4 Для выбранного двигателя по формуле Клосса рассчитать и построить механическую характеристику. 1.4.1 Формула Клосса для расчета механической характеристики имеет вид

М эм =

где

2 ⋅ М max ⋅ (1 + а ⋅ S к ) S Sк + + 2 ⋅ a ⋅ Sк Sк S

(1.6)

S — скольжение; Sk — критическое скольжение; а=

R1′ — коэффициент; R2′′

R′1, R′′2 — относительные значения активных сопротивлений статора и ротора на Г-образной схеме замещения. Примечание: Значения S, Sк и Sном следует брать в относительных единицах. 1.4.2

Порядок расчета механической характеристики ω2 =f(Мэм) по формуле (1.6)

следующий: По каталогу (л.5, табл. 2.4 и 3.4) или по списку технических данных двигателя, полученных от ПЭВМ, подставить в формулу (1.6) значения Sк, R′1, и R′′2 и выполнить замену Мmax= mк⋅Мном, где Мном может быть определен исходя из значений номинальной мощности (л.5, табл. 2.4), номинального скольжения

(табл. 3.4) и синхронной частоты вращения, или по

списку технических данных двигателя, полученных от ПЭВМ. Подставить значение Мmax в (1.6) и рассчитать значения Мэм при изменении скольжения S в диапазоне от 0 до 1 ( 6-7 точек, включая Sном и Sк). Рассчитать значения угловой скорости ротора ω2, соответствующие выбранным значениям S. 1.4.3

Построить механическую характеристику выбранного асинхронного

двигателя ω2= f( Мэм). 1.5 Найти рабочую точку привода на механической характеристике двигателя при характеристике нагрузки, определяемой уравнением

10

М ст = М стп ⋅ (1 − 0.1 ⋅ где

ω2 ) ω1

Мст — статический момент сопротивления (при нулевой частоте вращения

ротора принять Мст.п= 1/3Мп);

ω1 — синхронная угловая скорость двигателя; Мп — расчетное значение пускового момента двигателя.

2. ВЫБОР ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО АСИНХРОННОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ (ИАД) ДЛЯ ПРИБОРНОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

2.1

В приводах приборных следящих систем мощностью от десятка до долей

ватта момент инерции нагрузки обычно очень мал, невелик и момент инерции ротора. Поэтому в общем моменте инерции возрастает доля, вносимая моментом инерции редуктора. При этих условиях задача расчета оптимального передаточного отношения редуктора не имеет смысла. Передаточное отношение определяется соотношением номинальной частоты вращения двигателя и заданной частоты вращения выходного вала. Проверку на нагрев таких двигателей не производят, т.к. их обмотка возбуждения рассчитана на длительный режим включения при неподвижном роторе двигателя, а ток по обмотке управления протекает только при вращении ротора. 2.2

Предварительные оценки и расчеты выполняются исходя из параметров

статического (без ускорения) режима работы привода. 2.2.1

Предварительная оценка диапазона номинальной мощности Рном для выбора

двигателя может быть сделана по максимальному значению статического момента нагрузки Мнг (Н⋅м) и максимальной угловой скорости исполнительной оси ωнг.max (рад/с) Рном= (1,2 ÷ 2,5)⋅Мнг⋅ωнг.max (Вт) Выбор двигателя завышенной

(по отношению к

(2.1) 2.1) мощности приведет к

увеличению габаритов и массы привода, повышенному расходу электроэнергии. Завышение мощности может отрицательно сказаться на динамических свойствах системы, т.к. с увеличением мощности двигателя растут размеры и, соответственно, момент инерции ротора. Двигатели заниженной (по отношению к 2.1) мощности практически

11

наверняка

не

обеспечивают

требуемых

динамических

показателей

системы

и

необходимую перегрузочную способность. 2.2.2

Оценка диапазона номинальной частоты вращения вала nном (об/мин)

выбираемого двигателя может быть сделана исходя из максимально допустимого передаточного отношения редуктора и заданного диапазона угловых скоростей исполнительной оси:

nном ≤ ω нг .max ⋅ i р ед.max ⋅

2.3

30

π

.

(2.2)

Предварительный выбор двигателя с использованием автоматизированной системы, реализованной на ПЭВМ

Автоматизированная система выбора двигателей представляет собой систему управления базой данных (СУБД), написанную на языке управления данными dBASE и отлаженную с помощью транслятора Clipper. 2.3.1

Предварительный выбор заключается в определении ограниченного

множества двигателей, принадлежащих к выбранным сериям, удовлетворяющих требованиям

(2.1)

и

(2.2)

и

имеющих

номинальное

напряжение

питания,

соответствующее Т3. 2.3.2

Предварительный

выбор

двигателей

осуществляется

студентом-

разработчиком в режиме диалога с ПЭВМ. При этом студент вводит в ПЭВМ данные, указанные в п.2.2 и ему выдается список двигателей, удовлетворяющих требованиям п.2.2. 2.3.3

Для предварительного выбранных двигателей студент должен распечатать

или записать технические данные. В таблицу данных ИАД входят: - тип двигателя; - номинальная мощность; - максимальная мощность управления; - номинальное напряжение возбуждения; - номинальное напряжение управления; - пусковой ток возбуждения; - пусковой ток управления; - частота напряжения питания;

12

- пусковой момент; - номинальный момент; - частота вращения ротора при х.х.; - напряжение трогания; - момент инерции ротора двигателя; - электромеханическая постоянная времени; - масса двигателя; - К.П.Д.; - габаритные размеры; - диаметр вала двигателя. Если для какого-либо из двигателей в данных отсутствует значение номинальной частоты вращения nном , определить nном через Рном и Мном. 2.4 Окончательный выбор двигателя Окончательный выбор двигателя осуществляется исходя из заданных показателей качества следящей системы, т.е. для динамического режима: εнг.max, ωнг.max. В

качестве

критерия

выбора

обычно

принимают

следующий:

двигатель

удовлетворяет требованиям Т3, если его пусковой момент больше или равен максимально возможному моменту сопротивления на валу двигателя Мmax в динамическом режиме: (1,2 ÷1,25) Мmax ≤ Mп , где

(2.3)

(1.2 ÷1.25) — коэффициент запаса по пусковому моменту. При этом выбор двигателя заключается в последовательном усечении множества двигателей, предварительно выбранных в п. 2.3. 2.4.1. Для каждого из двигателей, выбранных в п. 2.3, определить передаточное отношение редуктора iред, обеспечивающее заданную угловую скорость исполнительной оси: i р ед. =

π

⋅

nном

30 ω нг .max

.

(2.4)

2.4.2. Для каждого из редукторов рассчитать момент инерции, приведенный к валу двигателя. Примечание.Если двигателей несколько,то полный расчет момента инерции редуктора

можно производить только для одного из них – с наименьшим iред.На этом примере

13

определить,сколько первых ступеней дают порядка 95% от суммарного приведенного момента инерции редуктора.При расчете момента инерции остальных редукторов достаточно учитывать только это количество ступеней. 2.4.2.1. Задаться рекомендуемыми размерами и параметрами редукторов. Число ступеней редуктора m рекомендуется выбирать от 2 до 4 с таким расчетом, чтобы передаточное отношение ступени не превышало 10. Передаточные отношения ступеней ориентировочно принимаем равным

iст =

т

i ред .

Число зубьев zш рекомендуется принять равным 18−24. Тогда число зубьев на колёсах ступеней zkj=zш⋅iст,

Округляем число зубьев zkj

гдеj=1…m.

колес всех ступеней, за исключением последней, до

ближайших целых чисел. В последней ступени округление производится таким образом, чтобы произведение передаточных отношений ступеней наименее отличалось от заданного iред. Уточнение передаточных отношений ступеней осуществляется по формуле

т

расч

=

d ш1 zш

iст. j =

z kj zш

, где j=1…m.

Расчетный модуль зубьев определяется из соотношения:

где диаметр шестерни первой ступени dш1 (мм) выбирается в зависимости от диаметра вала двигателя dв.дв (мм) dш1 ≈ 2.5 dв.дв .

По СТ СЭВ 310−76 принимаем на всех ступенях нормальный модуль mz зацепления, ближайший наибольший к mрасч (табл 2.1). Таблица 2.1. 0.1

0.15

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.8

1

1.25

1.5

2

2.5

3

4

14

В зависимости от значения модуля рекомендуется выбирать ширину шестерни примерно равной 10 mz, колёс ⎯ 5 mz, диаметр валов dв ≈ 10 mz, длину валов

⎯ 10dв.

15

2.4.2.2. Составить кинематическую схему редуктора с числом ступеней m. Пример кинематической схемы двухступенчатого редуктора показан на рис. 2.1. Нагр. zш1

х

Двиг.

zк1

х

zш2 х

zк2 х

Рис. 2.1. 2.4.2.3. Приняв, что зубчатые шестерни, колеса и валы представляют собой стальные цилиндры соответствующих размеров, рассчитать момент инерции редуктора Jред, приведенный к валу двигателя.

2.4.3. Для каждой из выбранных пар двигатель ⎯ редуктор рассчитать максимально возможный момент сопротивления в динамическом режиме Mmax и проверить

условие

(2.3).

Момент

Mmax

определяется

статическими

моментами

сопротивления нагрузки и редуктора и моментами инерции всех подвижных частей привода: Mmax= M′нг +( Jдв + J′ред +( J′нг /ηред))⋅εнг.max ⋅ iред,

(2.5)

M′нг ⎯ статический момент сопротивления нагрузки, приведенный к валу

где двигателя;

J′ред , J′нг ⎯

моменты инерции редуктора и нагрузки, приведенные к валу

двигателя; ηред ⎯ к.п.д. редуктора (ориентировочно 0.8÷0.9).

Проверить условие (2.3), если оно выполняется, то двигатель отвечает требованиям ТЗ. Предпочтение следует отдать двигателю меньшей мощности.

16

2.5 Построение механической характеристики выбранного двигателя при номинальном напряжении управления 2.5.1. Реальные механические характеристики исполнительных асинхронных микродвигателей являются нелинейными и их жесткость зависит от коэффициента сигнала α (α=Uу /Uу.ном), где Uу и Uу.ном ⎯ текущее и номинальное значения напряжения управления. В первом приближении механические характеристики определяются уравнением М дв. = М nα ⋅ (1 − (1 − 4 μ) ⋅ где

ω2 ω − 4 μ ⋅ ( 2 )2) ω 0α ω 0α

,

(2.6)

Mдв ⎯ вращающий момент на валу двигателя; Mпα ⎯ пусковой момент при данном сигнале;

ω0α ⎯ угловая скорость холостого хода при данном сигнале; ω2 ⎯ угловая скорость ротора; μ ⎯ нелинейность механической характеристики. 2.5.2. Для выбранного двигателя из уравнения (2.5) определить расчетное значение нелинейности μ , при которой механическая характеристика будет проходить через заданные в каталоге точки холостого хода, пускового момента, номинальной нагрузки при номинальном напряжении управления (ω0α, Mпα, α). 2.5.3. При рассчитанном значении μ

рассчитать и построить механическую

характеристику выбранного двигателя при номинальном напряжении управления (число расчетных точек 5−7 в диапазоне от 0 до n0, где n0 ⎯ частота вращения двигателя при холостом ходе).

17

2.6. Определение параметров передаточной функции выбранного двигателя 2.6.1.

Механические

и

регулировочные

характеристики

исполнительных

асинхронных микродвигателей нелинейные и передаточные функции в общем случае весьма

сложные.

Однако,

при

линеаризации

характеристик

и

пренебрежении

электромагнитными переходными процессами передаточные функции упрощаются и имеют вид

W(p) = W(p) =

где

θ2(p) U у(p)

ω 2(p) U у(p) =

=

K дв 1 + τм p

K дв. p(1 + τ м p)

,

(2.7)

,

(2.8)

p ⎯ оператор Лапласа;

θ2 ⎯ угол поворота ротора. Коэффициент передачи двигателя dω 2 , dU у

K дв. =

(2.9)

электромеханическая постоянная времени

τм =

J дв. , K дем.

(2.10)

где коэффициент внутреннего демпфирования

K дем = 2.6.2.

При

линеаризации

dM дв. . dω 2

механических

(2.11) и

регулировочных

характеристик

коэффициент передачи двигателя может быть определен как отношение:

K дв. = Коэффициент

пропорциональности

Kn . K дем.

между

пусковым

(2.12) моментом

и

напряжением

управления Kn =

dM nα dU у

(2.13)

18

при линеаризации зависимости Mпα = f (Uу) (рис. 2.2.а, пунктирная линия) определяется по каталожным данным Mn . U у.ном

Kn =

(2.14)

Линеаризацию механической характеристики можно осуществить различными способами (рис. 2.2.б, пунктирная линия). Наиболее часто используются следующие три способа. Если установившийся режим работы ⎯ вращение двигателя с угловой скоростью близкой к номинальной, то линеаризацию целесообразно провести посредством касательной к точке B. При этом Kдем может быть определен по графически заданной механической характеристике. Если угловая скорость изменяется в диапазоне от нуля до номинальной, то линеаризацию целесообразно проводить посредством секущей AB. При этом K дем. =

M n − M ном

π

30

.

(2.15)

⋅ nном.

Если угловая скорость изменяется во всем диапазоне от нуля до скорости холостого хода, то линеаризацию можно провести посредством секущей AC. Это наиболее грубый способ линеаризации, при нем K дем. =

π

Mn

30

⋅ n0

.

19

Рис.2.2 2.6.3. Рассчитать для выбранного значения двигателя значения Kдв и τм при трех указанных в п. 2.6.2. способах линеаризации механической характеристики. При расчете использовать каталожные данные и расчетную механическую характеристику (п. 2.5.).

3. ВЫБОР ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ (ШД) ДЛЯ ДИСКРЕТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1 Особенности работы ШД предъявляют весьма жесткие требования к согласованию параметров выбираемого двигателя с заданной нагрузкой. Это особенно актуально в разомкнутых системах дискретного привода, когда пропуск двигателем хотя бы одного управляющего импульса приводит к ошибке преобразования электрического сигнала управления в угол, которую система исправить не в состоянии. Проверку на нагрев шаговых двигателей обычно не производят, так как они расчитаны на длительный режим прохождения импульсов тока по обмоткам управления. 3.2. Предварительный выбор ШД с использованием автоматизированной системы, реализованной на ПЭВМ. 3.2.1. Предварительный выбор заключается в определении ограниченного множества двигателей, принадлежащих к выбранным сериям и удовлетворяющих требованиям ТЗ по напряжению питания, приемистости, моменту нагрузки и угловой скорости. 3.2.2. Предварительный выбор ШД осуществляется студентом-разработчиком в режиме диалога с ПЭВМ. При этом студент вводит в ПЭВМ данные, указанные в п.3.2.1., и ему выдается список двигателей, удовлетворяющих требованиям п. 3.2.1. 3.2.3. Для предварительно выбранных ШД студент должен распечатать или записать технические данные. В таблицу данных ШД входят: - тип двигателя; - шаг αш; - число обмоток управления; - максимальный синхронизирующий момент; - номинальный момент нагрузки; - момент инерции ротора двигателя; - номинальный момент инерции нагрузки;

20

- приемистость двигателя при холостом ходе; - приемистость двигателя при номинальной нагрузке fш.дв; - потребляемая мощность; - габаритные размеры; - масса; - диаметр вала двигателя; - напряжение управления. 3.3. Выбор передаточного отношения редуктора и расчет приведенных моментов сопротивления и инерции нагрузки. 3.3.1. Для каждого из выбранных двигателей определить передаточное отношение редуктора

iред,

обеспечивающее

заданную

максимальную

угловую

скорость

исполнительной оси при номинальной частоте приемистости iред. =

π 180

⋅

α ш ⋅ f ш.дв. ω нг.max

.

(3.1)

Проверить, обеспечит ли это передаточное отношение заданную статическую точность отработки угла поворота исполнительной оси Δθнг, то есть выполняется ли условие iред. ≥

αш . Δθнг.

(3.2.)

Если условие 3.2. выполняется, то двигатель оставляется для последующих этапов выбора.

21

Если условие 3.2. не выполняется ни для одного двигателя, то выбрать двигатели, у которых нарушения условия наименьшее и принять iред. =

αш Δθнг.

3.4. Максимальное значение приведенных моментов сопротивления нагрузки M′нг и моментов инерции нагрузки J′нг при к.п.д. 0.8÷0.9 сравниваются с номинальными моментами Mном и номинальными моментами инерции Jном соответствующих двигателей. Предпочтение следует отдать ШД, у которых Mном наиболее близок к M′нг при выполнении условий Mном ≥ M′нг; Jном ≥ J′нг. 4. ВЫБОР ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ИДПТ) ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КИНЕМАТИЧЕСКОГО ЗВЕНА ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА

4.1 Предварительные оценки и расчеты. Предварительный выбор двигателей с использованием автоматизированной системы выбора осуществляется по аналогии с выбором исполнительного асинхронного микродвигателя (п.2.2 и 2.3). В таблицу данных ИДПТ входят: - тип двигателя; - номинальное напряжение управления Uном (В); - номинальный момент Mном (Н⋅м); - номинальная частота вращения nном (об/мин); - номинальный ток якоря Iном (А); - ток холостого хода Iхх (А); - частота вращения холостого хода nхх; - пусковой момент Мп; - момент инерции ротора двигателя Jдв (кг⋅м2) - число пар полюсов; - диаметр вала двигателя; - масса двигателя; - габаритные размеры.

22

4.2 Окончательный выбор двигателя Окончательный выбор двигателя осуществляется исходя из заданных показателей качества системы управления электропривода, т.е. для динамического режима: εнг.max, ωнг.max. В качестве критерия выбора

обычно принимают следующий: двигатель

удовлетворяет требованиям Т3, если его пусковой момент Мп больше или равен максимально

возможному

моменту

сопротивления

на

валу

двигателя

Мmax

в

динамическом режиме: (1.2 — 1.25)Мmax ≤ Мп .

(4.1)

При этом выбор двигателя заключается в последовательном усечении множества двигателей, предварительно выбранных в п.4.1. 4.2.1 Для каждого из двигателей, выбранных в п.4.1, определить передаточное отношение редуктора iред , обеспечивающее заданную угловую скорость исполнительной оси: iред. =

4.2.2

π 30

⋅

nном.

ω нг.max

.

(4.2)

Для каждого двигателя с выбранным редуктором рассчитать максимально

возможный момент сопротивления в динамическом режиме Мmax и проверить условие (4.1). Если условие (4.1) выполняется, двигатель оставляется для последующих этапов выбора. Максимальный момент сопротивления Мmax определяется статическими моментами сопротивления нагрузки и редуктора и моментами инерции всех подвижных частей привода:

M max = M нг′ . + (J дв. + J р′ ед. +

где

J нг′ .

) ⋅ ε нг.max ⋅ iред. .

ηред.

(4.3)

М′нг — максимальный момент нагрузки Мнг, приведенный к валу двигателя; J′нг — максимальный момент инерции Jнг, приведенный к валу двигателя;

23

J′ред — момент инерции редуктора, определенный по методике, изложенной в разделе 2 (п. 2.4.2);

ηред — к.п.д. редуктора (ориентировочно 0,8-0,9). 4.2.3 Все двигатели с редукторами, оставшиеся после выполнения п.4.2.2, удовлетворяют требованиям Т3. 4.2.3.1

Окончательно выбрать двигатель с наибольшим ускорением εнг. Из

двигателей, создающих примерно одинаковые ускорения, предпочтение следует отдать двигателю меньшей мощности. 4.2.3.2 Для выбранного двигателя записать выбранное передаточное отношение редуктора. 4.3 Построение механических и регулировочных характеристик выбранного двигателя 4.3.1

Механические и регулировочные характеристики могут быть построены на

основании уравнения механических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением:

ω =

Uу КФ

− М эм. ⋅

Rя (КФ)2

.

(4.4)

где Мэм — электромагнитный момент, развиваемый двигателем; Uу — напряжение управления на обмотке якоря. Значение (КФ) определяется на основе каталожных данных из формулы угловой скорости идеального холостого хода

ω 0и =

U ном. . КФ

(4.5)

Значение ωои можно ориентировочно определить графически, построив линейную электромеханическую характеристику ω = f(Iя) , проходящую через заданные в каталоге параметры номинального режима и реального холостого хода.

24

Сопротивление обмотки якоря Rя , если оно не задано в каталоге непосредственно, может быть ориентировочно определено на основе каталожных данных из уравнения равновесия э.д.с. и напряжений

U ном. = Е я + I ном.R я .

(4.6)

Е я = (КФ) ⋅ ω ном. .

(4.7)

где

4.3.2.Механические характеристики ω =f(Mэм) построить в диапазоне

Мэм = 0÷1,5Мном

при напряжениях управления

Uу = 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 Uном

Регулировочные характеристики ω = f(Uу ) построить в диапазоне Uу =0÷Uном при

Мэм = 0; 0,5; 1,0 Мном и для режима реального холостого хода двигателя. 4.3.3 Механические характеристики позволяют определить диапазон изменения напряжения управления на якоре двигателя, необходимый для поддержания заданной угловой

скорости

при

заданных

пределах

изменения

статического

момента

сопротивления. Этот диапазон тем уже, чем выше жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения вращающего момента двигателя к приращению угловой скорости . При прочих равных условиях, чем выше жесткость механических характеристик, тем менее жесткие требования предъявляются к усилителю системы управления. Обычно при расчетах жесткость оценивают в номинальном режиме следующим образом: при заданном относительном изменении момента

ΔМ ∗ =

ΔМ эм ⋅ 100% , М ном.

относительное изменение угловой скорости ротора

Δω ∗ =

Δω ном.

ω ном.

⋅ 100% .

не должно превышать допустимого. Рассчитать Δω ∗ выбранного двигателя при ΔМ ∗ = 10%

и сравнить с заданным

∗ ∗ . Если Δω ∗ ≤ Δω доп. , двигатель удовлетворяет требованиям Т3. Если значением Δω доп.

∗ Δω ∗ > Δω доп. ,

то либо согласовать изменение данного пункта Т3, либо вернуться в

п.4.2.3.1 и выбрать двигатель большей мощности.

25

4.4

Определение параметров передаточной функции и построение переходных характеристик для выбранного двигателя

4.4.1

Передаточные функции двигателя “угловая скорость —

напряжение

управления” и “угол θ — напряжение управления” имеют вид

ω(p)

W(p) =

u(p)

W(p) =

где

θ(p) u(p)

=

=

K дв. , (1 + τ м p) ⋅ (1 + τ я p)

(4.8)

K дв. , p(1 + τ м p) ⋅ (1 + τ я p)

(4.9)

р — оператор Лапласа; Кдв — коэффициент передачи двигателя;

τя — электромагнитная постоянная времени якоря; τм — электромеханическая постоянная времени. 4.4.2

Коэффициент передачи двигателя постоянного тока при якорном

управлении

К дв.=

4.4.3

ω 0и U ном.

=

1 . КФ

(4.10)

Электромагнитная постоянная времени

τя =

Lя . Rя

(4.11)

Индуктивность якоря, входящая в (4.11), ориентировочно определяется по формуле:

Lя =

где

30

π

⋅

0.4 ⋅ U ном. nном. ⋅ I ном. ⋅ p м

(Гн),

(4.12)

рм — число пар полюсов машины; берется из каталожных данных двигателя; 0,4 — эмпирический коэффициент для машин без компенсационной

26

обмотки. 4.4.4 Электромеханическая постоянная времени

τм =

4.4.5

J дв. ⋅ ω 0и . Мп

(4.13)

Рассчитать для выбранного двигателя значения

Кдв, τм и τя , записать

передаточные функции и построить переходные характеристики ω =f(t) и θ = f(t) для режима

пуска.

Уравнения

переходных

характеристик

можно

получить,

решив

дифференциальные уравнения, которым соответствуют передаточные функции (4.8) и (4.9) . Если τя < 0,1τм , то для упрощения решения можно принять τя = 0 . 5.ИНСТРУКЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ ПО РАБОТЕ С ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМОЙ ЧЕРЕЗ СЕТЬ INTERNET.

Информационно-поисковая система представляет из себя интерактивный WEB узел. Информационно-поисковая система включает в себя: 1) Методические указания к курсовому проекту на тему: “Выбор элементов и устройств автоматики для систем автоматического управления с использованием персональных ЭВМ ”, выполненные в виде гипертекстовых HTML- страниц; 2) Систему поиска двигателей, выполненную в виде формы-запроса и специальных программ, которые обрабатывают запрос и выдают информацию о двигателях.

Работа с системой осуществляется через Сеть Internet при помощи WEB- броузеров, таких как Netscape Navigator или Microsoft InternetExplorer. Кодировка HTML страниц - Windows 1251. Методические указания включают в себя следующие разделы: 1.Введение. 2. Выбор трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для повторно-кратковременного

27

режима, заданного нагрузочной диаграммой. 3. Выбор исполнительного асинхронного микродвигателя (ИАД) для приборной следящей системы малой мощности. 4. Выбор шагового двигателя (ШД) для дискретного электропривода. 5. Выбор исполнительного двигателя постоянного тока (ИДПТ) для системы автоматического управления электроприводом кинематического звена промышленного робота. 6. Приложения. 7. Базы данных. Раздел “Базы данных” включает в себя следующие подразделы: 1. Трехфазные асинхронные двигатели 2. Исполнительные асинхронные микродвигатели 3. Шаговые двигатели 4. Исполнительные двигатели постоянного тока

Описание работы с системой: Для работы с системой необходим ПК с операционной системой поддерживающей кодировку Windows 1251 и программа-броузер. Разрешение монитора желательно 800x600.

Для подключения к системе необходимо: 1) Запустить броузер 2) Подключиться к серверу . В окне броузера появится приглашение к работе с системой. Курсор мыши нужно подвести к кнопке “продолжить” и нажать на левую кнопку мыши.

28

Меню системы состоит из следующих пунктов: 1. Введение. 2. Выбор трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для повторно-кратковременного режима, заданного нагрузочной диаграммой. 3. Выбор исполнительного асинхронного микродвигателя (ИАД) для приборной следящей системы малой мощности. 4. Выбор шагового двигателя (ШД) для дискретного электропривода. 5. Выбор исполнительного двигателя постоянного тока (ИДПТ) для системы автоматического управления электроприводом кинематического звена промышленного робота. 6. Приложения. 7. Базы данных. Пункт 1 - Введение. Пункты 2-5 - Тексты методических указаний по выбору двигателей. Пункт 6 - Приложения. Пункт 7 - Выход для работы напрямую с базами данных по поиску двигателей. Для выбора нужного пункта необходимо: 1) Подвести курсора к номеру соответствующего пункта 2) Нажать левую кнопку мыши. Для возврата в основное меню из пунктов нужно: 1) Подвести курсор мыши к строке “Предыдущая страница”, которая находится в конце каждого пункта 2) Нажать левую кнопку мыши.

Базы данных: Для работы напрямую с базами данных выберете: 1) пункт 7 основного меню (Базы данных)

29

2) пункт подменю для поиска нужного двигателя: 1. Трехфазные асинхронные двигатели 2. Исполнительные асинхронные микродвигатели 3. Шаговые двигатели 4. Исполнительные двигатели постоянного тока

Для получения информации о двигателе необходимо 1) Заполнить поля формы-запроса 2) Нажать кнопку “Отправить запрос” Если запрос составлен некорректно, система предупредит об этом. Исправить запрос можно с помощью кнопки “Очистить поля”. Если запрос составлен верно, то система выдаст необходимую информацию о двигателе, которую можно сохранить на диске в виде HTML-документа, или распечатать на принтере.

Если вы работаете с базой данных по ассинхронному 3х фазному двигателю, то для поиска нужного двигателя необходимо заполнить ВСЕ поля формы, иначе система выдаст сообщение об ошибке. Если вы работаете с базами данных по ИАД, ШД, ИДПТ, то поиск двигателя будет осуществляться по тем критериям которые указаны в форме. Если какой-либо из критериев не указан, то система будет производить поиск только по тем критериям которые, указаны в форме-запросе. Если не указать ни один критерий поиска, то система выдаст информацию о всех двигателях.

30

Расчетно-пояснительная записка содержит:

1. Техническое задание. 2. Выполненные в ходе проектирования расчеты. 3. Технические данные выбранных двигателей и редукторов. 4. Статические и динамические характеристики выбранных двигателей. 5. Список литературы. Графический материал выполняется на чертежном листе формата А22 и содержит: 1. Принципиальные схемы включения выбранных двигателей. 2. Статические

и

динамические

характеристики

выбранных

двигателей.

31

ПРИЛОЖЕНИЯ

Варианты технического задания на выбор трехфазного асинхронного двигателя Таблица 1

Вар

Р1

Р2

Р3

Р4

Р5

tp1

tp2

tp3

tp4

tp5

t0

n1

Схема

кВт

кВт

КВт

кВт

кВт

c

c

c

c

c

c

об/мин

упр.

Напряжение питания 380 В, 50 Гц.

Варианты технического задания на выбор ИАД Таблица 2 Вар.

Umax

Umin

f

ωнг.max

εнг.max

Мнг.

В

В

Гц

рад/c

рад/с2

Н⋅м

iред .max

Схема упр.

Варианты технического задания на выбор ШД Таблица 3 Вар.

Uном

fш.дв min

ωнг.max

Мнг

Jнг

Δθ нг

Схема

В

Гц

рад/с

Н⋅м

кг⋅м2

град.

упр.

32

Варианты технического задания на выбор ИДПТ Таблица 4 Вар.

Umax

Umin

Δω*доп

ωнг.max

εнг.max

M нг

J нг

В

В

%

рад/с

рад/с2

Н⋅м

кг⋅м2

iред.max

Схема упр.

33

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков Н.И., Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. М.; Высшая школа, 1986, (гл. 4.9). 2. Робототехника и ГАП. т.2 Приводы робототехнических систем. М.; Высшая школа, 1986, ( § 4.5). 3. Руководство по проектированию систем автоматического управления. Под ред. Бесекерского В.А. М.; Высшая школа, 1983 (гл. 14). 4. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. М.; Энергоиздат, 1981, (§ 9.7, §10.5). 5. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А. М.; Энергоиздат, 1982. 6. Сабинин Ю.А.

Электромашинные устройства автоматики.

Л.;

Энергоиздат,1988, (гл.3, 4, 15, 16). 7. Арменский Е.В. и др.

Автоматизированный электропривод.

М.;

Высшая школа, 1987, (гл. 8). 8. Преображенский А.А. и др. Электромагнитные устройства ИИТ. М.; Высшая школа, 1982, (гл. 3). 9. Косинский А.В. и др.

Элементы и устройства автоматики.

М.;

Высшая школа, 1975, (гл. 4). 10. Захаров В.К. , Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л.; Энергоатомиздат, 1984.

34

СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………………3 1.Выбор трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором для повторно-кратковременного режима,заданного нагрузочной диаграммой………………………………………………………….7 2.Выбор исполнительного асинхронного микродвигателя(ИАД) для приборной следящей системы малой мощности………………………………10 3.Выбор шагового двигателя(ШД) для дискретного электропривода………..18 4.Выбор исполнительного двигателя постоянного тока (ИДПТ) для системы автоматического управления электропривода кинематического звена промышленного робота……………………………………………………20 5.Инструкция пользователю по работе с информационно-поисковой системой через сеть INTERNET………..……………………………………….. 25 Расчетно-пояснительная записка содержит…………………………………….28 Приложения……………………………………………………………………….30 Литература………………………………………………………………………...32

35

Составители: к.т.н., проф. Г.Б.Фалк к.т.н., доц. А.Ф.Иванько Методические указания рассмотрены на заседании кафедры “УиИТС” МГИЭМ ____________ протокол № _____________ и приняты к применению в учебном процессе. Зав. кафедрой д.т.н., профессор

А.Ф.Каперко

Методические указания рассмотрены на заседании кафедры “АПП” МГУП ____________протокол №_____________ и приняты к применению в учебном процессе. Зав. кафедрой к.т.н., доцент

Ю.Н.Самарин