1. Привод - это управляемая электро-, пневмо- или гидромеханическая система. Её назначение - преобразовывать электрическую (пневматическую, гидравлическую) энергию в механическую и обратно и управлять этим процессом.
Привод представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для приведения в движение робота или его звеньев.
Привод должен обеспечивать:
отработку сигналов управления с необходимой точностью;
регулирование скорости и апериодический характер переходных процессов;
высокое быстродействие, существенно превышающее быстродействие системы управления движением робота;
функционирование в переходных режимах;
обеспечивать реверс и торможение, длительное время находиться в заторможенном состоянии;
иметь малые массу и размеры;
обеспечивать высокую надежность.
Электрический привод обладает высоким быстродействием и точностью, компактным двигателем, большим крутящим моментом, высокой надежностью и низким уровнем шума. При увеличении мощности масса и габариты привода существенно возрастают. Преобразование вращательного движения в поступательное связано со сложной механикой.
Гидравлический привод отличается высокой удельной мощностью и малой инерционностью, просто защищается от перегрузок и легко реализует как поступательное, таки вращательное движения. Однако он имеет низкий КПД, требует насосную установку.
Пневматический привод обладают простотой и высокой надежностью, развивают высокие скорости и могут неограниченно долго находиться в заторможенном состоянии, имеют небольшую массу и низкую стоимость. Однако такие привода ограничены по мощности, скорость движения плохо регулируется, а позиционирование осуществляется по упорам.
2. Этапы проектирования
1) Определение исходных данных для расчета: минимальное и максимальное значение приведенного момента инерции; максимальный момент или сила сопротивления движению; максимальная скорость вращения или движения; максимальные ускорения; допустимые погрешности.
2) Разработка системы управления приводом: математическая модель, алгоритм регулирования, реализация системы управления.
3) Разработка структурных, функциональных и принципиальных схем, определение параметров и выбор основных элементов электропривода.
4) Расчет динамических характеристик, проверка устойчивости привода.
5) Исследование переходных процессов на математической модели привода.
6) Техническая реализация электропривода.
ИП
– источник энергии; ПР – преобразователь,
обеспечивающий передачу энергии в
двигатель привода; СУ – система управления
привода; ДВ – двигатель; РО – рабочий
орган; ИС – измерительная система; МП
– механически преобразователь; g
– задающее воздействие, поступающее
от системы верхнего уровня; f
– возмущение.
Основная функция электропривода состоит в управлении координатами, т.е. в их принудительном направленном изменении в соответствии с требованиями системы управления робота верхнего уровня.
Функция преобразователя ПР – преобразование энергии, поставляемой источником питания в такую же энергию, но с параметрами, требуемыми двигателем. В регулируемых приводах ПР управляемые.
Двигатель преобразует энергию, поступающую от ПР в механическую. Иногда (в электроприводах) ДВ может работать в режиме генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую.
Механический преобразователь МП - редуктор, пара винт-гайка, система блоков, кривошипно-шатунный механизм и т.п. осуществляет согласование момента и скорости двигателя с моментом и скоростью рабочего органа технологической машины.
3 . Цепь якоря, согласно второму закону Кирхгофа, описывается следующим уравнением:
где Ея – ЭДС, наводимая в обмотках якоря за счет его вращения; Uя – внешнее напряжение, приложенное к якорю; Lя – индуктивность якоря; Iя – ток якоря; Rя – активное сопротивление якоря. Аналогичным образом можно записать второй закон Кирхгофа для цепи возбуждения:
где Uв – внешнее напряжение, приложенное к обмотке возбуждения; Lв – индуктивность обмотки возбуждения; Rв – активное сопротивление обмотки возбуждения; Iв – ток обмотки возбуждения.
Механическое вращение вала двигателя описывается на основе второго закона Ньютона, который для вращающегося тела имеет вид:
где J – момент инерции на валу двигателя; w – частота вращения вала двигателя; Mдв – момент, развиваемый на валу двигателя; Мс – момент сопротивления.
М
ощность,
развиваемая двигателем, определяется
выражением:
Э
та
же мощность выражается через следующее
произведение:
П
риравнивая
правые части (4), (5), получим выражение
для момента двигателя:
ЭДС якоря определяется следующим выражением:
где р – число пар полюсов двигателя; N – число витков обмотки якоря; а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря; Ф – поток возбуждения.
Подставляя (7) в (6), получаем выражение для момента двигателя:
г
де
се – конструктивная постоянная двигателя.
Учитывая, что магнитный поток возбуждения
и ток возбуждения пропорциональны
у
равнение
(2) можно представить в виде
О
бъединив
уравнения (1), (3), (8), (10) получим следующую
модель двигателя постоянного тока
независимого возбуждения:
4
.
При использовании в
электроприводе постоянного тока
двигателя с независимым возбуждением
(рис. 2.2) с питанием от источника напряжения
U=const уравнение электромеханической
характеристики (I)
имеет вид:
М
еханическую
характеристику (М)
получим, подставив в (12) ток, выраженный
из (8):
Характеристики ω(М) и ω(I) это прямые линии, проходящие через две характерные точки: М=0, ω=ω0 и =0, I=Iкз, М = Мкз; при Ф = const они различаются лишь масштабами по оси абсцисс. Скорость ω=U/(сеФ) (рис. 2.3) соответствует режиму холостого хода.
Участки характеристики между 0 и Мкз, где знаки и М совпадают, соответствуют двигательному режиму работы; участки с разными знаками и М - тормозным режимам.
Тормозные режимы - это генераторные режимы, поскольку механическая энергия, поступившая с вала машины, преобразуется в электрическую и передается через электрические зажимы машины. В зависимости от того, куда поступает электрическая энергия, различают три тормозных режима.
5.
а) Торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное) или генераторный режим работы параллельно с сетью
Если якорь двигателя вращать от некоторого постороннего источника со скоростью, превышающей скорость холостого хода, то ЭДС двигателя будет больше приложенного напряжения, в результате чего ток в якоре двигателя и момент изменят свой знак. Механическая энергия, поступающая на вал двигателя, преобразуется в электрическую и рекуперируется в сеть. На механических характеристиках торможению с отдачей энергии в сеть соответствуют участки ab и a’b’ (рис. 2.3)
б) Торможение противовключением или генераторный режим работы последовательно с сетью
В
этом режиме изменяет знак скорость при
сохранении знака момента или знак
момента при сохранении знака скорости.
Первый случай имеет место при действии
момента статической нагрузки, превышающего
момент короткого замыкания. В результате
изменения знака скорости ЭДС совпадает
с приложенным напряжением, и ток в якоре
равен
Второй случай используется для остановки двигателя путем изменения полярности напряжения, подводимого к его якорю. Вследствие механической инерции скорость двигателя и ЭДС в начальный момент сохраняются неизменными, а ток будет равен:
На механических характеристиках торможению противовключением соответствуют участки cd и c’d’. В этом энергия поступает в привод и со стороны механизма, и от сети и рассеивается в сопротивлениях якорной цепи; в предыдущем случае энергия, поступающая от механизма, передавалась в сеть.