евс лекции пдф

В разделяемой памяти, через которую осуществляется обмен данными между контроллером и системой ЧПУ выделяются 3 блока:

1.Блок специальных маркеров

2.Блок входных данных контроллера

3.Блок выходных данных контроллера

Блок специальных маркеров используется для оповещения о не регулярных ситуациях, возникающих в системе ЧПУ или в контроллере. В каждом кванте времени этот блок анализируется на наличие в нем сбоев или признаков особо важных сигналов.

Управление приводами подач.

Вприводе подачи можно выделить 2 большие части:

- механическую - электрическую

К механической части относят: муфта, ШВП, подшипники, перемещаемый узел.

Муфта или редуктор используются для связи двигателя с ШВП. Редуктор (зубчатые, ременные) используются для повышения крутящего момента.

Внастоящий момент в приводах подачи чаще всего используют сильфонную муфту.

Электрическая часть.

При применении индивидуальных приводов система управления верхнего уровня управляет приводами таким образом, что бы возникало нужное согласование движений. Контрольный блок управления выполняет все функции регулирования для всех подключенных осей и реализует технологические связи между осями.

Двигатели.

1.По виду питающего напряжения:

-постоянного тока

-переменного тока

Двигатели переменного тока: синхронные и асинхронные.

2.По характеру движения якоря или ротора:

-вращательного действия

-поступательного действия

-непрерывные

-шаговые (вращения/перемещения дискретны)

Вентильные двигатели.

- двигатели, в которых коммутация секций (фаз) обмотки статора изменяется с помощью полупроводникового коммутатора, управляемого сигналами датчика положения ротора.

На сердечнике ротора вентильного двигателя крепятся пластины из редко земельных металлов, что позволяет снизить момент инерции.

Обмотки фаз статора получают питание от автономного инвертора тока, управляемого ключами. Датчик ротора выполнен в виде сегмента расположенного на валу двигателя и вращающегося вместе с ним. На неподвижной части датчика расположено 6 чувствительных элементов. Когда сегмент перекрывает собой данный чувствительный элемент, элемент активизируется и через систему управления инвертором воздействует на соответствующий ключ инвертора, замыкая его и удерживая в замкнутом состоянии все время пока элемент перекрыт сегментом.

В любой момент времени перекрыты 2 чувствительных элемента, следовательно, замкнуты 2 ключа и ток протекает через 2 обмотки статора.

Преимущества вентильных двигателей:

I. По сравнению с двигателями постоянного тока

1.имеют высокую надежность (нет щеточно-коллекторного узла)

2.меньший момент инерции

3.высокое быстродействие

4.более широкий диапазон регулирования за счет повышенной максимальной частоты вращения

5.более высокий КПД

6.хороший отвод тепла

7.лучшие массогабаритные показатели

8.меньший уровень шума

II. По сравнению с асинхронными двигателями

1.лучший КПД и малый момент инерции ротора

2.большее быстродействие и лучшая управляемость

Недостатки:

1.более высокая стоимость

2.сложность конструкции

Классификация систем управления электроприводов.

I.

-замкнутые (с обратной связью)

-разомкнутые

II. По уровню управления:

-верхний уровень (технологический)

-нижний уровень (формирует свойство электропривода)

III. По типу алгоритма управления:

-линейный

-нелинейный

-аналитический

-логический - на основе жесткой логики

-логический - на основе нежесткой логики (fuzzy логики)

IV. По способу управления

-модальное управление

-каскадное или подчиненное управление

-адаптивное

Технологическая координата электропривода:

-скорость рабочего органа

-положение рабочего органа

Задачи системы управления.

1.Стабилизация некоторой координаты управления

2.Программное управление по заранее известному закону

3.Слежение за некоторой изменяемой величиной, закон изменения которой заранее не известен

4.Самонастройка или адаптация системы управления на оптимум какого-либо показателя объекта управления.

Показатели качества управления электроприводов.

Качество выполнения задач систем управления оценивается различными технологическими показателями.

Выделяют 2 группы показателей:

1.Качество системы управления:

-надежность

-стоимость

-изменяемость алгоритма управления

-габариты

2.Качество, характеризующее результат воздействия системы управления на объект управления:

-жесткость механических характеристик

-диапазон регулирования скорости

-точность регулирования координат электропривода, их перерегулирование, быстродействие, плавность движения

Быстродействие привода. Это время переходного процесса tп.п.. Переходный процесс считается завершенным, когда значения изменяемой величины попадают в 5% зону относительно заданного значения. Перерегулирование (σ) - влияет на плавность движения – это превышение устанавливаемой величины над заданным значением.

Так же на плавность движения влияет показатель колебательности М= Аmax. Управление приводом возможно в пределах от 0 Гц до значения полосы пропускания ωп.п. (Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы).

Жесткость механических характеристик электропривода.

Сравнительная оценка механических характеристик проводится по жесткости, т.е. по углу наклона механической характеристики.

Выделяют:

-абсолютно жесткие характеристики

-жесткие

-мягкие

-абсолютно легкие

Системы модального управления.

Ряд современных приводов представляет собой объекты управления, которым трудно придать устойчивость или высокие динамические показатели движения. К таким приводам можно отнести приводы со многими взаимосвязанными координатами, с несколькими входами и выходами с многомассовой подвижной частью.

Для данного типа приводов оказывается эффективным модальный способ управления, который заключается в следующем:

- замыкание обратных связей по всем координатам объекта управления, характеризующем его состояние в момент времени. При соответствующем подборе коэффициентов обратной связи можно получить желаемые характеристики объекта управления относительно выходных координат.

Система управления с подчиненным регулированием координат.

Дв – двигатель Д – датчик

РП – регулятор положения РС – регулятор скорости РТ – регулятор тока

КРТ – коэффициент обратной связи по току КРС - коэффициент обратной связи по скорости

КРП - коэффициент обратной связи по положению

Лекция 5

В структуре управления двигателем имеется 3 регулятора:

-положение

-скорости

-тока

Три контура управления. Чем больше контуров в системе подчиненного регулирования, тем меньше быстродействие внешнего контура. По сравнению с одноконтурной системой быстродействие n-контурной системы будет ниже в 2n-1 раза. Соответственно чем лучше будет настройка внутреннего контура, тем лучше будет работать внешний контур. Поэтому настройку приводов с подчиненным регулированием проводят последовательно от внутреннего контура к внешнему, стараясь обеспечить максимальное качество настройки каждого из контуров. Задача контура тока – обеспечить постоянство тока инвертора и следовательно постоянство среднего момента двигателя в заданном диапазоне скоростей в пределах допустимого значения тока.

Контур скорости обеспечивает необходимую жесткость механической характеристики и требуемые динамические показатели электропривода.

Контур положения обеспечивает необходимую точность позиционирования.

Наблюдающее устройство в системах управления.

Используется в сложных объектах управления, для которых модальное управление оказывается наиболее эффективным. Не все переменные можно измерить, поэтому для практической реализации модального регулятора труднодоступные измерению переменные состояния выделяются косвенным путем. Для этой цели используются наблюдающие устройства. Наблюдающие устройства выполняют функцию идентификации всего объекта управления, и представляет собой математическую модель.

Наблюдатель работает в реальном времени и имеет обратные связи по разности между доступными измерению выходными переменными объекта управления и их математическими оценками наблюдателям.

Узлы токоограничения в системах управления скоростью управления привода.

Недостатком системы модального управления является отсутствие ограничения координат при больших изменениях входных воздействий. Например, при увеличении задающего сигнала по скорости одновременно будут возрастать ток и ускорение значения, которые могут оказаться недопустимыми.

Улучшить свойства электропривода можно с помощью нелинейных обратных связей. Нелинейность в обратной связи позволяет оставлять действие связи на том интервале контролируемой величины, где это действие желательно и исключать его там, где оно ухудшает качество системы.

Идея упреждающего токоограничения заключается в том, что соответственно заданному допустимому уровню тока управляющий сигнал подается одновременно задающим сигналом.

Адаптивное управление в электроприводах.

Рассмотренные способы управления распространяются на линейные объекты управления с заранее известными и неизвестными параметрами. При изменении параметров, нарушаются условия оптимизации, заложенные при синтезе соответствующих регуляторов и динамические показатели электроприводов, ухудшаются. Особенно чувствителен к изменениям параметров способ подчиненного регулирования, для сохранения показателей качества электропривода, в условиях изменяемости его параметров, возникает задача адаптации, которая решается автоматическим путем – изменением параметров регуляторов, включением, отключением специальных фильтров, формированием дополнительных воздействий к действиям регуляторов.

Датчики.

Датчик состоит из двух частей:

-измеритель - преобразователь

Результат измерений – это реакция измерителя, который на выходе преобразователя представляет собой электрическую величину.

Различают 3 класса датчиков:

1.Аналоговые

2.Цифровые

3.Бинарные

Характеристики датчиков.

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. На изменение измеряемой величины идеальный датчик реагирует мгновенно. На практике любому датчику требуется время на отработку входного воздействия.

Соответственно выделяют 2 группы характеристик:

-статические

-динамические

Динамические характеристики.

Отражают работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий.

1.Время прохождения зоны нечувствительности

2.Запаздывание – время, через которое показания датчика первый раз достигают 50% от установившееся величины

3.Время нарастания – время .за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90% от измеряемой величины.

4.Время достижения первого максимума

5.Время переходного процесса

6.Относительное перерегулирование

7.Статическая ошибка – отклонение выходной величины датчика от истинного значения. Эта ошибка может быть устранена калибровкой датчика.

Статические характеристики.

Показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение.

1.Чувствительность – отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине.

2.Разрешение – наименьшее изменение измеряемой величины, которая может быть зафиксирована и точно показана датчиком.

3.Линейность – показывает зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях.

4.Статическое усиление – усиление датчика, большой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измерительного устройства.

5.Дрейф – отклонение показаний датчика, когда измеряема величина остается постоянной в течении длительного времени.

6.Рабочий диапазон.

7.Повторяемость.

Лекция 6

Датчики положения.

Вращающиеся датчики положения крепятся на валу двигателя и позволяют определять его угловое положение.

Состоит из 4-х частей:

1.Источник излучения (как правило светодиод);

2.Фотоприемник(фоторезисторы, фотодиоды);

3.Модулятор – связан с ротором двигателя и представляет собой диск или цилиндр с прорезями, являясь якорем датчика положения ротора;

4.Среда для передачи излучения (воздушный промежуток).

Когда диск вращается, то лучи проходят сквозь его прорези и попадают на оптический датчик. Оптический датчик работает как переключатель, который включается или выключается при попадании на него лучей света. Это дает возможность определить относительное или абсолютное положение и направление вращения двигателя. Полученная информация отправляется в систему управления.

Если прорезь экрана пропускает излучение источника, то фотодиод VФ резко уменьшает свое внутреннее сопротивление в обратном направлении, и через него и транзистор V начинает проходить ток. Транзистор открывается и сигнал на выходе Uвых

резко уменьшается. Если экран при своем перемещении перекрывает поток излучения, то фотодиод перестает пропускать ток в обратном направлении и транзистор закрывается. На выходе возникает сигнал Uвых . Uз – источник, ускоряющий процесс запирания транзистора при уменьшении тока через фотодиод.

Датчик предназначен для управления коммутатором трехфазного двигателя. Датчик положения ротора (ДПР) состоит из диска с выступом, имеющим размер 1200 (для двухполюсного двигателя). Диск закрепляется на валу двигателя. Неподвижная часть содержит три чувствительных элемента, выполненных в виде П-образной конструкции, в верхней наружной части которой встроен фотоприемник, выдающий сигнал Uc для управления силовым транзистором коммутатора. В нижнюю часть встроен излучатель – светодиод VC, питаемый напряжением Uu. Если в прорезь элемента входит выступ диска, то на выходе появляется сигнал Uвых.

Достоинство фотоэлектрических датчиков:

1.Позволяет получить достаточно крутой фронт сигнала и имеет простую конструкцию.

2.Не создают реактивных моментов на валу двигателя, что важно для высокоточных приводов.

3.Для многополюсных двигателей относительно большого диаметра, возможно обеспечить компактность конструкции за счет расположения n-чувствительных элементов по радиусу и применения для каждого чувствительного элемента своей прорези на экране-якоре.

Недостатки:

1.Низкий уровень выходного сигнала

2.Ненадежность из-за возможности загрязнения поверхности элементов.

Все вращающиеся датчики имеют существенный недостаток. Т.к. они устанавливаются на валу двигателя, то не могут напрямую измерить линейное положение исполнительных органов станка. Они выдают рассчитанное положение, основанное на данных о шаге ходового винта, и в высокоточных станках для определения линейного положения не применяются. Их можно использовать в конструкции шпинделя для определения числа оборотов при вращении и для нахождения его углового положения.

Линейные датчики положения.

Используются практически во всех современных станках с ЧПУ для точного определения абсолютной или относительной позиции исполнительных органов.

Датчики содержат два взаимосвязанных узла:

-растровую шкалу

-считывающую головку

Растровая шкала расположена вдоль направляющих, представляет собой линейку с маленькими прямоугольными прорезями - растрами.

Считывающая головка перемещается вместе с исполнительным органом станка, состоит из:

-осветителей

-фотоприемника

-индикаторной пластины

Причем осветители и индикаторные пластины находятся с одной стороны от растровой шкалы, а фотоприемник с другой.

На индикаторной пластине присутствуют растровые участки со смещенным шагом для формирования двух сигналов. Когда считывающая головка перемещается вдоль растровой шкалы, то световые сигналы от осветителей проходят через индикаторную пластину, затем через шкалу и регистрируются фотоприемниками. Полученные сигналы позволяют определить величину и направление перемещения. На растровой шкале может находиться дополнительная дорожка референтных меток для задания собственного начала отсчета.

Слайд 6.

Растровый анализатор содержит 4 окна инкрементного считывания и окно референтной метки 5. 4 окна позиционно согласованны с дорожкой регуляторного растра шкалы. Шаги растров в окнах равны шагам регуляторного растра шкалы. При этом в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на половину шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно Г (используется для задания опорного сигнала). Референтная метка 5 позиционно согласована с дорожкой референтных меток шкалы.

Канал считывания информации позволяет сформировать два ортогональных периодических сигнала IA и IB. Наличие растрового смещения позволяет определить величину перемещения. Число периодов сигналов определяет величину перемещения. Специальные методы обработки сигналов IA и IB позволяют обеспечить контроль перемещения с дискретностью много меньшей периода регулярного растра.

Для возможности задания собственного начала отсчета в преобразователях перемещения используется дорожка референтных меток. В процессе относительного перемещения шкалы и считывающей головки при совмещении полей Д шкалы и поля 5 с фотоприемника снимается аналоговый сигнал координатно-зависимой величины. Этот сигнал используется устройством обработки для координатной привязки считывающего узла к началу отсчета преобразователя. При этом учитывается значение опорного сигнала.

Методы измерения.

Абсолютный.

Значение текущей координаты известно сразу же после включения датчика и может быть считано в любой момент. Абсолютное значение координаты определяется из штрихов шкалы, которая состоит из нескольких дорожек или последовательного кода.

Инкрементальный.

В этом методе шкала представляет собой последовательность штрихов с одинаковым периодом. Координата вычисляется путем подсчета штрихов от 0-ой точки, заданной в любом месте шкалы. Для определения положения требуется абсолютная точка отсчета, в качестве которой на шкале используется отдельная дорожка со штрихами, несущая референтную метку.

Методы считывания.

1. Отображающий

Генерация сигнала на основании значений свет/тень: две шкалы со штрихами двигаются друг относительно друга. Носитель штрихов шаблона делается из прозрачного материала, носитель самой шкалы может быть также из прозрачного материала или с металлической отражающей поверхностью.

Лекция 7.

После прохождения лучей света через шаблон образуется определенная светотеневая последовательность. Затем прошедшее излучение попадает на шкалу. При движении шаблона вдоль шкалы штрихи на шаблоне могут совпадать со штрихами на шкале, образуя в местах просвета на выходе «свет», либо штрихи накладываются на просветы и образуется «тень». Фотоэлементы преобразуют интенсивность волн в электрический сигнал.

2. Интерферентный метод считывания.

Основан на дифракции (огибание волнами препятствий) и интерференции (наложение световых волн друг на друга) волн света при прохождении его через дифракционную решетку. Из полученного сигнала затем вычисляется пройденный путь. В качестве шкалы используется дифракционная ступенчатая решетка - на отражающую поверхность наносятся штрихи высотой 0,2 мкм. Перед ней находится пропускающий изучение шаблон с фазовой решеткой такого же периода как и у шкалы.

Принцип действия.

При попадании световой волны на шаблон, она разделяется на три части с примерно равной интенсивностью. От шкалы с решеткой они отражаются таким образом, что наибольшая интенсивность оказывается у двух из трех волн. Эти волны снова встречаются на шаблоне и накладываются друг на друга, огибают его штрихи. При этом образуется 2 группы волн, которые покидают шаблон под разными углами. Фотоэлементы преобразуют интенсивность волн в электрический сигнал.

Системе ЧПУ также необходима информация о скорости, ускорении и замедлении ИО станка. Расчет величины ускорения и замедления необходим для точного позиционирования.

Конечные выключатели.

Применяются для предотвращения выхода рабочего органа за пределы допустимой зоны. Бывают контактные

и бесконтактные.

В контактных выключателях замыкание или размыкание контакта производится под воздействием рычажного или нажимного привода с пружиной.

Бесконтактный выключатель:

Импульсный датчик имеет катушку индуктивности с разомкнутым магнитопроводом. Когда магнитопровод 1 разомкнут, сопротивление катушки 2 мало и по цепи катушки реле 4 протекает ток, достаточный для того, чтобы реле находилось в включенном состоянии. Когда исполнительный орган 3 при перемещении занимает положение над

магнитопроводом, сопротивление катушки 2 возрастает, реле отключается и происходит переключение контактов 5. Для более чёткого срабатывания параллельно катушке переключается конденсатор.

Датчики скорости.

Тахогенераторы - предназначены для преобразования мгновенного значения частоты вращения вала в пропорциональный электрический сигнал. Наиболее часто применяют датчики постоянного тока. В конструкции тахогенераторов предусмотрены меры по снижению пульсаций выходного напряжения, при малых скоростях вращения.

Выходное напряжение пропорционально скорости вращения вала. Знак напряжения отражает направление вращения двигателя.

Недостатки:

-не могут измерять очень медленные вращения, т.к. получающийся сигнал очень маленький.

-создается дополнительная нагрузка на вращающийся вал и содержит трущиеся детали.

-в современных электроприводах их точность недостаточна

Для высокоточных приводов используется цифровые датчики скорости. Содержат две основные части:

1.Датчик импульсов, преобразующий угол поворота вала в число импульсов

2.Кодовый преобразователь – счетчик импульсов

Частота вращения вала пропорциональна частоте импульсов f=ω2π*N;

ω - угловая скорость

N- количество импульсов на 1 оборот вала

Датчик может быть выполнен на основе фотоэлектрического кодового диска. Датчик вырабатывает две серии импульсов сдвинутых по фазе на π/2, которые используются для определения величины угловой скорости и ее знака.

Слайд1.

На двух дорожках расположены цепи, пропускающие свет от источника ис1 и ис2 на фотодиоды bh1 и bh2. Когда свет падает на фотодиод он открывается; Когда цепь выходит из луча света фотодиод закрывается. Посредством элект.схемы сигналы из цепи фотодиода преобразуются в последовательность импульсов. Число импульсов определяют угол поворота вала.

Возможны два способа определения скорости вращения вала:

1.Подсчитывается количество импульсов N за определенное время T. Это число импульсов будет характеризовать среднее значение скорости за время T. Точность измерения составит δ=1/N, т.е. будет тем выше, чем больше измеряема скорость и период измерений Т.

2.Измерение интервала времени между двумя импульсами путем подсчета числа высокоточных импульсов помещаемых на измеряемом интервале.

Достаточно высокая точность на низких скоростях, с повышением скорости точность измерения падает.

Тензодатчик (тензометрический датчик).

Измерение деформаций различных конструкций.

Среди электронных тензодатчиков наибольшее распространение получил, тензорезистивный датчик. Тензометрический датчик измеряет силу косвенным методом – путём измерения деформации калиброванного элемента, вызванной действием данной силы.

Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем резистивным элементом, под действием силы основание закрепленного элемента меняет свои размеры(сжимается или растягивается). Следовательно элемент также меняет свое сопротивление.

Разделяют:

-не наклеиваемые

-наклеиваемые

Не наклеиваемый(слайд3) – состоит из проволоки, натянутой между двумя стойками. Сила воздействует на проволочку, вызывает ее удлинение или сжатие, что приводит к пропорциональному увеличению или уменьшению ее сопротивления

R=ρ*LA;

L- проволоки

A – площадь сечения

Ρ – Удельное сопротивление.

Наклеиваемый датчик – состоит из тонкой проволоки или проводящей фольги закрепленной на плоской пластине. Датчик устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Используется гораздо чаще не наклеиваемого.

Слайд 6.

Фольговые датчики – являются наиболее популярной версией наклеиваемых датчиков. Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с основанием, что улучшает токи утечки при высоких температурах и дает большие напряжения изоляции между чувствительным элементом и основанием. С другой стороны, фольговые чувствительные элементы имеют большее отношение площади поверхности к площади поперечного сечения (обладают большей чувствительностью) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение так же обеспечивают хороший температурный контакт чувствительного элемента с основанием, что улучшает саморазогрев датчика.

Полупроводниковые датчики могут использовать пьезорезистивный эффект. Их можно сделать достаточно малых размеров при сохранении высокого номинала сопротивления. Обладают в 30 раз большей чувствительностью, чем металофольговые датчики, но зависят от температуры, изменения их сопротивления, от деформации так же не линейное.

Для прецизионных измерений не используют настолько широко как металофольговые. Пьезоэлектрические преобразователи применяются там, где изменения силы носит динамический характер. Пьезоэлектрические преобразователи являются преобразователями сдвига (смещения) с достаточно большим зарядом на выходе при малом механическом сдвиге.

Термодатчики.

1.Терморезистивные датчики (РДТ – резистивный датчик температуры)

2.Терристоры

3.Термопары

Лекция 8.

Терморезистивные датчики.

Работа основана на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. В основном для изготовления этого типа датчиков используется платина, т. к. обладает прочностью, долговременной стабильностью и воспроизводством характеристик.

Терристоры.

Полупроводниковый резистор электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Характерны: большой температурный коэффициент сопротивления, простота устройства, стабильность характеристик во времени и способность работать при значительных механических нагрузках.

Температурный коэффициент сопротивления - величина равная относительному изменению электрического участка цепи при изменении температуры на единицу. Характеризуют зависимость сопротивления от температуры, измеряется в K-1.

Может быть положительным и отрицательным: для большинства положительны, т.е. сопротивление растёт с увеличением температуры. Для полупроводников он отрицателен, сопротивление с ростом температуры падает.

Термопара.

Термоэлектрический преобразователь температуры.

Пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце. Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов пропорциональная разности температур.

У разных металлов разность потенциалов будет различной.