Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
81
• Звукоизолирующие материал имеет специальную структуру.
Отражает не только звуковые, но и тепловые волны.
• Шумопоглотители ‒ волокнистый или пористый материал, в
котором большое количество связанных между собой полостей (в
некоторых моделях с плотным изолирующим слоем с лицевой
стороны). Открытая структура задерживает и рассеивает шум.
4.3.3. Выбор материалов.
Если разные модели материала имеют одинаковый состав и
структуру, но разную толщину, то можете руководствоваться
правилом - чем толще, тем лучше. При этом эффективность также
зависит от способа комбинации и площади оклейки. Не для всех
материалов и зон автомобиля процентное соотношение покрытой
площади прямо пропорционально эффективности.
Среди производителей эксперты рекомендуют:
• STP и Шумoff, которые являются признанными лидерами на
отечественном рынке;
• Vikar;
• Noisebuster;
• SGM.
4.3.4. Трос
Для реализации разработанного способа передачи крутящего
момента необходимо с учетом рабочих сил подобрать тросы
необходимой прочности.
Прочность стального троса ‒ это один из основных критериев
его оценки. От прочности изделия, которая определяется его
толщиной, конструкцией и способом изготовления, зависит
допустимая нагрузка стальных тросов.
Это в свою очередь непременно отразится на большом
количестве деталей, которые в зависимости от диаметра выбранного
82
троса будут иметь соответствующие элементы выполнены с учетом
этого параметра.
4.3.5. Муфты
Очевидно, что при разработке конструкции без использования
муфт не обойтись как минимум для обеспечения соосности между
ротором двигателя и валом редуктора, поэтому рассмотрим наиболее
популярные виды соединительных муфт и проанализируем их.
Жесткие муфты представляют собой наиболее простую
разновидность. Жесткие муфты имеют цельнометаллический корпус
из стали, алюминия или другого металла, что обуславливает их
особую прочность, то есть такие муфты способны передавать
значительный момент без деформации. Жесткие муфты, например,
серии BA (алюминиевые), отличаются большой жесткостью и низкой
стоимостью. Однако, жесткость имеет обратную сторону - муфты BA
неспособны компенсировать несоосность валов и поглощать
вибрации, вследствие чего могут быть применены только в станках с
точно изготовленными конструктивными деталями и высоким
качеством сборки.
Спиральные муфты, также как и жесткие муфты серии BA,
изготавливаются из цельного куска алюминиевого сплава, но имеют
существенное отличие - центральная часть муфты имеет точное
поперечное распиливание. Эти пропилы сделаны так, что гибкие
спиральные муфты легко сгибаются в определенных пределах, но при
этом жесткость на кручение муфты практически не меняется - она все
также передает момент синхронно, без зазоров и упругих
деформаций. Однако, сам момент передается при этом, естественно,
намного - в 4-8 раз меньше, чем у жестких муфт, потому что пропилы
уменьшают прочность прутка алюминия. Такая плата за основное
преимущество ‒ гибкость (при высокой бюджетности), которая дает
возможность соединять валы ‒ так, угол между валами для муфт серии
83
DR может достигать 2 градусов, а минимальная межосевое расстояние
- 0.2 мм.
Эти муфты (серия BF) являются разборными ‒ кулачковыми.
Между двумя цельными частями муфты вставлена амортизирующая
полиуретановая прокладка - с одной стороны, полиуретан имеет
достаточную твердость, чтобы передавать момент синхронно, с
другой, достаточно упруг и вязок, чтобы поглощать некоторую часть
ударных вибраций. В результате муфты BF, с одной стороны,
способны передавать значительный крутящий момент, в несколько
раз больше, чем в спиральных муфтах (что приближает их по этому
свойству к жестким муфтам BA), а с другой - способны немного
компенсировать несоосность валов (угол до 1 градуса) и поглощать
вибрации, что полезно при использовании шаговых двигателей. Из
минусов стоит отметить то, что полиуретановая прокладка
подвержена нормальному износу-со временем материал постепенно
деформируется, и появляется зазор, и тогда возникает потребность
замены муфты.
Мембранные муфты также являются разборными гибкими
муфтами, и представляют собой более продвинутое решение, чем
спиральные ‒ мембранные муфты тоже применяются тогда, когда
нужно соединить валы, которые могут быть под углом. Применение
стальных мембран в качестве передающего момент элемента
позволяет устранить основную слабость спиральных муфт ‒ малую
нагрузочную способность. Мембранные муфты способны абсолютно
синхронно передавать момент, равный и даже больший, чем жесткие
муфты BA, а гибкость их (за счет прекрасной упругости стали мембран)
при этом превосходит гибкость спиральных муфт DR - угол между
валами может достигать 2.5 градуса, межосевое расстояние ‒ 0.2 мм.
Единственный аспект, в котором мембранные муфты уступают
спиральным - это скорость вращения, но максимальная скорость
вращения мембранных муфт в 10000-14000 об / мин удовлетворит
подавляющем большинстве практических задач. Мембранные муфты
используются везде, где прочности спиральной муфты не хватает
84
(есть вероятность повреждения муфты), а также в тех случаях, где
пружинные свойства спиральных муфт нежелательны. Так,
мембранные муфты желательно использовать с мощными
двигателями ‒ шаговыми двигателями с фланцем NEMA 34 и более, а
также серводвигателями.
Окончательный выбор муфты, которая будет применена в
разработке будет осуществлена только для готовой окончательно
конструкции, которая определит конкретные эксплуатационные
условия и требования.
Вывод: Таким образом, проанализировав предыдущую
информацию стало очевидным что на сегодняшний день бесспорно
вся система будет подвергаться контролю микроконтроллеру (из
наиболее распространенных и доступных является платформа для
разработки Arduino). Из ряда двигателей будут применены шаговые
двигатели Nema серий 23 и 34 (Приложение 6). Однако несмотря на
наличие на сегодняшний день в относительно свободном доступе
электромиографических датчиков, был выбран для первого
прототипа все же опираться на концепцию более простого и
примитивного контроля, а именно размещением управляющих
кнопок на костылях, что не только не будет проблем с шумами, но и
позволит пользоваться аппаратом людям у которых конечности
отсутствуют вовсе.
В процессе работы над проектом стало очевидным, что
необходимо, чтобы условия прекращения поставок питания на
приводы, подвижность в шарнирах блокировалось. Это бы позволило
экономить энергию и в случае неполадок или просто окончания
заряда батарей / топлива, зафиксировать конструкцию статически,
что очень существенно учитывая потенциальную область
применения изделия. Было принято решение разработать
специальные тормоза-фиксаторы ротору двигателя, которые сводятся
пружинами растяжения и разводятся электромагнитами.
85
Выводы
Конструкции с применением ШВП тормозов не нуждались бы,
что делает вариант их использования довольно привлекательным
ввиду при этом на то, что для получения необходимых усилий было
бы достаточно двигателей 2-2.7 Нм, что также отразилось бы на
электропотреблении в лучшую сторону, а также на суммарном весе
блоков перемещений. Однако, конструкции ШВП являются
общеизвестными и не требуют дополнительного рассмотрения. Они
могут быть применимы к разработке с привлечением минимального
количества нестандартных элементов. Поэтому дальнейшую работу
проведем с разработкой блоков под созданные способы передачи
крутящего момента на конструкциях 2 и 3 в данном разделе.
86
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ДВУНОГОГО ЭКЗОСКЕЛЕТА
С ПЯТЬЮ СТЕПЕНЯМИ ПОДВИЖНОСТИ
5.1. Управление электроприводом экзоскелета, построенным
на основе высокомоментного двигателя с постоянными
магнитами
Система управления бесколлекторным двигателем с
постоянными магнитами была реализована в среде Matlab –
Simulink. На рисунке 5.1 изображена общая схема системы
управления бесколлекторным двигателем постоянного тока с
датчиком положения ротора.
Рисунок 5.1 – Схема системы управления
Работа инвертора напряжения основана на переключении
источника постоянного напряжения с целью периодического
изменения полярности напряжения. Частота переключения
задается сигналами управления, формируемыми управляющей
схемой (блока гистерезиса управления).
Метод гистерезиса управления применяется для подавления
шумов и для улучшения динамических характеристик двигателей
Инвертор
напряжения
VDC
Гистерезис
управление
Hyteresis
current control
d
θ
/
dt
ПИ
1 / Kt
ω
ref
ω
r
ПИ
ПИ
ПИ
-
+ + + - - + -
I
ref
I
a
I b I
c
Датчик
положения
ротора
БДПТ
87
[11]. Принцип работы гистерезиса управления однофазным током
А изложен на рисунках 5.2 и 5.5.
Рисунок 5.2 – Принцип работы гистерезиса
управления
Рисунок 5.3 – Схема реализации управления
Из блока гистерезиса управляющие импульсы подаются в
блок инвертора напряжения, чтобы включить (выключить)
соответствующие фазные ключи по признакам, указанным в
таблице 5.1.
88
Таблица 5.1 – Признаки включения ключей
Угол
поворота
ротора
Выход
датчика Халла
Включение
Фазные токи
H1
H2
H3
A
B
C
0 – 60
1
0
0
T1
T4
+ia
-ia
выкл
60 – 120
1
1
0
T1
T6
+ia
выкл
-ic
120 – 180
0
1
0
T3
T6
выкл
+ib
-ic
180 – 240
0
1
1
T3
T2
-ia
+ib
выкл
240 – 300
0
0
1
T5
T2
-ia
выкл
+ic
300 – 360
1
0
1
T5
T4
выкл
-ib
+ic
На рисунках 5.4, 5.5 и 5.6 показаны составляющие модели
бесколлекторного двигателя постоянного тока. Она содержит в себе
следующие блоки: блок электродвижущей силы, блок вычисления
фазных токов, блок создания законов фазных индуктивностей, блок
вычисления скорости, электромагнитного момента и угла поворота.
Рисунок 5.4 – Блок вычисления скорости, электромагнитного
момента и угла поворота
89
Рисунок 5.5 – Блок вычисления фазных токов
Рисунок 5.6 – Блок создания законов фазных индуктивностей
На рисунке 5.7 изображен блок, используемый для
преобразования сигналов от датчика Холла:
90
Рисунок 5.7 – Блок преобразования сигналов от датчика Холла
Для моделирования были выбраны следующие параметры
двигателя: Мощность 40 Вт, количество пар полюсов 4, фазное
сопротивление 0.7 Ом, фазная индуктивность: 5.1мГн,
взаимоиндуктивность: 1.5мГн, коэффициент электродвижущей
силы 40В/об/мин, напряжение питания Vdc = 120V, коэффициент
взаимности: 0.1.
Регулятор тока настроен на оптимум по модулю, а регулятор
скорости – на симметричный оптимум.
Результаты моделирования представлены на рисунке 5.8:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]