4. Расчеты электромеханической системы.
4.1. Выбор двигателя
В Таблице 1 выбираем вариант задания.
|
|
Масса груза (г) |
Сила трения (Н) |
t1 (сек) |
t2- t1 (сек) |
t3- t2 (сек) |
t4-- t3 (сек) |
t5-t4 (сек) |
V1(м/сек) |
V2(м/сек) |
V2 - V1(м/сек) |
V3 (м/сек)
|
t6-t5 (сек) |
t7-t6 (сек) |
|
|
1 |
10 |
1 |
0,1 |
2 |
0,1 |
5 |
7,5 |
0,2 |
0,4 |
0,04 |
|
|
|
|
Разработать
устройство перемещения детали по
поверхности рабочего стола в заданном
временном цикле.
Анализируем параметры движения объекта. Находим мощность отдаваемую двигателем в нагрузку в статическом режиме. Максимальная мощность в статическом режиме отдается в нагрузку на временном отрезке t3 –t4.
Рст = Fтр vст =1Н*0,4м/сек =0,4 Вт
Выбираем двигатель СЛ – 121, имеющий следующие параметры
|
Система возбуждения |
Тип двигателя |
Номинальные данные |
|
Габарит |
, мм |
|
Масса. кг | ||||||
|
Напряжение \в
напряжение, в |
мощность на валу, вт |
скорость вращения, об/ мин |
вращающий момент, кг*см |
ток возбуждения. А |
ток якоря, а |
момент иннерции якоря,кг см |
длина корпуса с концом вала |
наружный диаметр корпуса |
длина конца вала |
диаметр конца вала
| |||
|
Параллельное возбуждение |
СЛ—121 |
110 |
5 |
4800 |
0,14 |
0,07 |
0,21 |
0,03 |
82 |
50 |
6,5 |
4 |
0,44 |
Пусковой момент двигателя равен Мкз = 0,28 кГ*см
Оценим быстродействие двигателя, для чего, рассчитаем механическую постоянную времени двигателя на холостом ходу.
Тм = Jw0/Mном
(выполнив расчет, оцениваем пригодность двигателя.)
4.2. Выбор кинематической схемы эмс.
Составляем кинематическую схему механической части эмс.
Рис.2 Кинематическая схема эмс.
Общий случай приведения. Рассмотрим еще один характерный вариант выполнения механической части (фрагмент), когда вращательное движение преобразуется в поступательное (рис. 2.6, а). Здесь также есть возможность выбрать элемнт приведения – либо это будет барабан и мы получим модель на рис. 2.6, б, либо груз – ему будет соответствовать модель с поступательным движением на рис. 2.6, в. Принципы приведения сохраним прежние: приводя массы, позаботимся о неизменности кинетической энергии в реальном и приведенном элементах; приводя упругости, будем считать неизменной потенциальную энергию; приводя силы и моменты, - работу на элементарных перемещениях.
Рис. 2.6. Механическая часть с вращательным и поступательным движением – к приведению масс и сил
Применительно к модели на рис. 2.6, 6будем иметь для масс
т. е.
(2.22)
для жесткостей
т. е.
(2.23)
для сил и моментов
,
т. е.
(2.24)
Во все формулы приведения вошла величина
,
м, которую называют радиусом приведения.
Обобщение полученных результатов.Во-первых, операция приведения масс, жесткостей, сил, моментов всегда связана с двумя элементами механической части - элементом приведения, т.е. тем, к которому что-то приводится (будем, как и прежде, отмечать его индексом «пр»), и приводимым элементом – его снабдим индексом j,чтобы подчеркнуть, что приводимых элементов может быть несколько (j=1, 2, ..., n).
Во-вторых, результат приведения – модель исходной системы, в которой все приведенные элементы движутся в статическом режиме со скоростью элемента приведения ωприлиvпр; обозначим эту величину в общем случае yпр.
В-третьих, связь в статическом режиме между скоростью элемента приведения yпри фактической скоростью приводимого элементауj – это параметр системы; назовем егокоэффициент приведенияи обозначим
. (2.25)
В частных случаях он будет передаточным
отношением
(или
)
или размерной величиной, связанной
с радиусом приведения:
.
В-четвертых, приведение масс, моментов инерции (обозначим их общим символом J)и жесткостей сводится к делению фактической величины на квадрат коэффициента приведения, т. е.
(2.26)
(2.27)
приведение сил и моментов (обозначим их общим символом М)сводится к делению фактической величины на коэффициент приведения, т. е.
(2.28)
иногда можно учитывать потери в передачах, вводя соответствующие значения КПД.
Таким образом, очень многие и даже весьма сложные кинематические цепи, образующие механическую часть электропривода, могут быть сведены к простым моделям, представляющим собой систему эквивалентных (приведенных) масс, соединенных связями с приведенными жесткостями, находящуюся под воздействием системы приведенных сил и движущуюся в статическом режиме с одной скоростью.
Приведение возможно только тогда, когда: кинематическая цепь не имеет разветвлений, каждый элемент обладает лишь одной степенью свободы, коэффициенты приведения постоянны.
3.2.4. Выбор усилителя и вспомогательных устройств
Выбор усилителя определяется типом следящей системы (постоянного или переменного тока), условиями работы системы, требуемой мощностью и необходимым коэффициентом передачи предварительного усилителя.
Усилитель разделяют на усилитель напряжения (УН) и мощности (УМ). УМ нагружается на обмотку управления исполнительного двигателя и развивает на выходе мощность, необходимую для надежного управления двигателем. Важным параметром УМ является его выходное (внутреннее) сопротивление, от величины которого существенно зависит электромеханическая постоянная времени двигателя Тм . Для снижения Тм внутреннее сопротивление должно быть возможно меньшим. Предварительный усилитель - УН - должен обеспечить требуемую добротность системы. Напряжение, ток или мощность на выходе УН должны быть достаточными для управления УМ.
Коэффициент усиления УН = Ку можно предварительно выбрать исходя из требований к максимальному значению скорости Ωм системы и статической ошибки Хст, через коэффициент усиления разомкнутой системы, т.е. добротность по скорости Kv
:
Кv = Ωм/Хст (1)
Добротность по скорости, в свою очередь, определяется как произведение коэффициентов усиления всех звеньев системы:
Kv = Кир Ку Кид Кред , (2)
где Кир, Кид, Кред - коэффициенты передачи измерителя рассогласования, исполнительного двигателя и редуктора.
К настоящему этапу расчета все коэффициенты, кроме Кv, найдены, тогда, решая совместно (1) и (2), получим величину Кv.Найденное значение Кv не является окончательным, так как часто бывает необходимо увеличить усиление, чтобы компенсировать затухание, вносимое корректирующими звеньями. Окончательное значение Кv устанавливается после выполнения динамического расчета.
Определяющим фактором при построении схемы усилителя является тип исполнительного двигателя. Структура усилителя определяется общими правилами: усиление сигнала осуществляется на переменном токе, суммирование и корректирование - на постоянном токе. Поэтому усилители следящих систем содержат преобразователи сигналов модуляторы и демодуляторы.
Так, при использовании в следящей системе ИР и ИД постоянного тока в усилителе применяют двойное преобразование сигнала.
Входной сигнал постоянного тока преобразуется с помощью модулятора в пропорциональный сигнал переменного тока. Далее сигнал усиливается с помощью УН и поступает на демодулятор, в котором происходит его обратное преобразование в сигнал постоянного тока. В УМ сигнал усиливается до требуемого значения по мощности. Двойное преобразование сигнала требуется и при использовании ИР и ИД переменного тока, так как в большинстве случаев приходится применять корректирующие звенья постоянного тока. Однако преобразование сигнала здесь происходит в обратной последовательности. Демодуляторы обычно содержат фильтры, постоянная времени которых определяется требуемым коэффициентом пульсаций. Постоянная времени фильтра должна быть учтена при динамическом синтезе системы.
УМ для следящей системы переменного тока (исполнительный двигатель переменного тока) строят на транзисторах или интегральных схемах. Оконечные каскады систем постоянного тока могут быть построены на транзисторах, тиристорах, магнитных и электромашинных усилителях. Транзисторные к тиристорные схемы реализуют импульсный способ управления скоростью исполнительного двигателя.
При выборе и расчете УМ необходимо обратить особое внимание на то, что магнитные и электромашинные усилители имеют инерционность, и их передаточная функция будет содержать постоянные времени. Предварительные усилители выполняются обычно на транзисторах или интегральных схемах, и их инерционностью пренебрегают.
К вспомогательным устройствам относят: синхронизирующие устройства двухканальных следящих систем, схемы защиты от больших входных сигналов, фазосдвигающие цепи, широтноимпульсные преобразователи сигнала, модуляторы, демодуляторы, фильтры и т.д. Выбор схемы этих устройств определяется выбором структуры усилителя, измерителя рассогласования и исполнительного двигателя.
Вычисляем момент инерции исполнительного механизма.
Разработать
устройство перемещения детали по
поверхности рабочего стола в заданном
временном цикле.
Варианты заданий на разработку электромеханической системы. Таблица 1
|
Варианты
заданий | |||||||||||||
|
Номер варианта |
Масса груза (г) |
Сила трения (Н) |
t1 (сек) |
t2- t1 (сек) |
t3- t2 (сек) |
t4-- t3 (сек) |
t5-t4 (сек) |
V1(м/сек) |
V2(м/сек) |
|
V3 (м/сек)
|
t6-t5 (сек) |
t7-t6 (сек) |
|
1 |
10 |
1 |
0,1 |
2 |
0,1 |
5 |
7,5 |
0,2 |
0,4 |
|
Определяется расчетом, по минимальному времени возврата в исходное положение |
Определяется расчетом, по минимальному времени возврата в исходное положение |
По минимальному времени торможения |
|
2 |
20 |
4 |
0,2 |
5 |
0,1 |
1 |
5 |
0,5 |
0,2 |
| |||
|
3 |
10 |
5 |
1 |
3 |
1 |
0,4 |
4 |
0,6 |
0,3 |
| |||
|
4 |
15 |
5 |
2 |
4 |
0,5 |
1 |
1 |
0,1 |
0,2 |
| |||
|
5 |
30 |
6 |
1 |
5 |
0,3 |
2 |
2 |
0,2 |
0,3 |
| |||
|
6 |
40 |
10 |
0,5 |
1 |
0,4 |
3 |
3 |
0,3 |
0,4 |
| |||
|
7 |
25 |
4 |
0,3 |
2 |
0,1 |
0,4 |
4 |
0,1 |
0,5 |
| |||
|
8 |
35 |
8 |
0,4 |
3 |
0,2 |
0,5 |
5 |
0,2 |
0,6 |
| |||
|
9 |
45 |
5 |
0,5 |
2 |
0,3 |
0,6 |
6 |
0,3 |
0,7 |
| |||
|
10 |
50 |
4 |
1 |
3 |
0,4 |
1 |
7 |
0,4 |
0,2 |
| |||
|
11 |
10 |
6 |
0,5 |
1 |
2 |
0,9 |
0,1 |
0,1 |
0,15 |
| |||
|
12 |
10 |
5 |
2 |
1 |
1 |
0,8 |
1 |
0.2 |
0,25 |
| |||
|
13 |
15 |
10 |
3 |
0,5 |
1 |
0,7 |
1 |
0,3 |
0,35 |
| |||
|
14 |
100 |
20 |
1 |
0,5 |
2 |
0,6 |
0,1 |
0,4 |
0,45 |
| |||
|
15 |
60 |
30 |
1 |
1 |
0,5 |
0,1 |
0.6 |
0,1 |
0,2 |
| |||
|
16 |
70 |
30 |
2 |
2 |
0,5 |
0,2 |
0,5 |
0,2 |
0,6 |
| |||
|
17 |
80 |
40 |
3 |
3 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,1 |
0,2 |
| |||
|
18 |
90 |
50 |
4 |
4 |
0,3 |
0,4 |
0,3 |
0,1 |
0,2 |
| |||
|
19 |
100 |
60 |
5 |
5 |
0,4 |
0,5 |
0,2 |
0,1 |
0,2 |
| |||
|
20 |
110 |
70 |
6 |
6 |
0,5 |
0,6 |
0,1 |
0,1 |
0.5 |
| |||
|
21 |
10 |
1 |
0,1 |
0, |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,3 |
0,4 |
|
|
|
|
|
22 |
20 |
2 |
0,2 |
0,6 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
|
|
|
|
|
23 |
30 |
3 |
0,3 |
0,7 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,5 |
0,6 |
|
|
|
|
|
24 |
40 |
4 |
0,4 |
0,8 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,3 |
0,5 |
|
|
|
|
|
25 |
50 |
5 |
0,5 |
0,9 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,3 |
0,5 |
|
|
|
|
|
26 |
60 |
6 |
0,6 |
1 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,3 |
0,4 |
|
|
|
|
|
27 |
70 |
7 |
0,7 |
2 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
|
|
|
|
|
28 |
80 |
8 |
0,8 |
3 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
|
|
|
|
|
29 |
90 |
9 |
0,9 |
4 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,4 |
0,7 |
|
|
|
|
|
30 |
100 |
10 |
1 |
5 |
1 |
0,4 |
0,3 |
0,4 |
0,7 |
|
|
|
|
- оценить необходимую мощность двигателя
– выбрать двигатель с запасом мощности 20 -30 %
– выбрать кинематическую схему согласования двигателя с перемещаемым объектом
– определить необходимое передаточное число редуктора
– выполнить приведение системы к скорости вращения двигателя
– записать математическое описание механической характеристики выбранного двигателя
– выполнить расчет переходного процесса при разгоне двигателя, оценить механическую постоянную системы
– сравнить механическую постоянную системы с временем разгона груза во всех переходных режимах, заданных графиком работа устройства
– рассчитать режим работы при перемещениях с постоянной скоростью
– сравнить мощность необходимую для выполнения заданных режимов с допустимой мощностью двигателя.
– в случае, если мощность двигателя окажется не достаточной, выбрать более мощный двигатель и повторить расчет
– выбрать способ регулирования скорости
– разработать электрическую принципиальную схему
– выбрать датчик измерения скорости, удовлетворяющий заданной точности
– выбрать датчики, обеспечивающие фиксацию исходного и конечного, положений детали на рабочем столе
– замкнуть обратную связь системы управления
– оформить пояснительную записку
выбор мощности двигателя
При выборе мощности двигателя руководствуемся заданным графиком движения детали. На графике режиму максимальной мощности соответствует точка выхода на статический режим, момент времени t3..Р=FV2 .F– сила трения (нагрузка на привод),V – заданная скорость перемещения детали в статическом режиме работы.
выбор двигателя
Анализируем задание и выбираем вариант структурной схемы управления двигателем.
Выбираем двигатель с мощностью, удовлетворяющей заданию. В качестве двигателя можно выбрать двигатель постоянного или переменного тока. Оцениваем электромеханическую постоянную двигателя. Электромеханическая постоянная двигателя должна быть на порядок меньше времени переходных режимов работы установки. Записываем необходимые сведения о выбранном двигателе.
выбор кинематической схемы привода
Выбор кинематической схемы привода заключается в выборе способа преобразования вращательного движения ротора двигателя в поступательное перемещение детали в рабочем пространстве установки. Выбрав способ преобразования, рассчитываем передаточное число редуктора. Для определения передаточного числа редуктора выбираем диаметр ведущей шестерни вала, рассчитываем линейную скорость движения ведущей шестерни редуктора.
Минимальный диаметр ведущей шестерни принимаем равным четырем диаметрам вала двигателя. Передаточное число редуктора определяем по формуле k =V2 /Vnom .
На начальном этапе проектирования редуктор принимаем одноступенчатым. Люфтов, зазоров и проскальзывания в системе нет.
.Во-первых, операция приведения масс, жесткостей, сил, моментов всегда связана с двумя элементами механической части - элементом приведения, т.е. тем, к которому что-то приводится (будем, как и прежде, отмечать его индексом «пр»), и приводимым элементом – его снабдим индексом j,чтобы подчеркнуть, что приводимых элементов может быть несколько (j=1, 2, ..., n).
Во-вторых, результат приведения – модель исходной системы, в которой все приведенные элементы движутся в статическом режиме со скоростью элемента приведения ωприлиvпр; обозначим эту величину в общем случае yпр.
В-третьих, связь в статическом режиме между скоростью элемента приведения yпри фактической скоростью приводимого элементауj – это параметр системы; назовем егокоэффициент приведенияи обозначим
. (2.25)
В частных случаях он будет передаточным
отношением
(или
)
или размерной величиной, связанной
с радиусом приведения:
.
В-четвертых, приведение масс, моментов инерции (обозначим их общим символом J)и жесткостей сводится к делению фактической величины на квадрат коэффициента приведения, т. е.
(2.26)
(2.27)
приведение сил и моментов (обозначим их общим символом М)сводится к делению фактической величины на коэффициент приведения, т. е.
(2.28)
иногда можно учитывать потери в передачах, вводя соответствующие значения КПД.
Таким образом, очень многие и даже весьма сложные кинематические цепи, образующие механическую часть электропривода, могут быть сведены к простым моделям, представляющим собой систему эквивалентных (приведенных) масс, соединенных связями с приведенными жесткостями, находящуюся под воздействием системы приведенных сил и движущуюся в статическом режиме с одной скоростью.
Приведение возможно только тогда, когда: кинематическая цепь не имеет разветвлений, каждый элемент обладает лишь одной степенью свободы, коэффициенты приведения постоянны.