Проектирование следящего электропривода

1. Введение
2. Техническое задание
3. Разработка функциональной схемы привода
4. Выбор ИД
5. Расчёт основных параметров редуктора
6. Выбор тахогенератора
7. Статический расчёт привода
8. Построение передаточной функции привода и его динамический расчёт
9. Синтез корректирующих звеньев
10. Реализация корректирующих звеньев
11. Составление принципиальной схемы привода
12. Заключение
13. Список использованных источников

Проектирование следящего электропривода

время
ПП
tn
%
%
с
-
-
0,1
15
0,3
Зубчатая
Транзисторный
3. Разработка функциональной схемы привода
Приводы стабилизированной скорости вращения (перемещения) рабочих органов (ПС) предназначены для обеспечения высокой точности поддержания на заданном уровне регулируемого параметра, в качестве которого обычно выступает скорость вращения, - проблема характерна для устройств, включающих в себя лентопротяжные механизмы, механизмы сканирования радиолокаторов и тепловизоров, механизмы протягивания пленки автоматических аэрофотокамер и т.п.
Основным требованием к таким приводам является обеспечение определенного вида переходного процесса при переходе от одного режима к другому и парирование возмущений, приводящих к снижению точности.
Особенно сложной задачей для указанных приводов является обеспечение устойчивой работы на низких ("ползучих") скоростях, когда флуктуации момента нагрузки могут приводить к полной остановке привода.
Вообще, общая функциональная схема следящего привода представлена на рис.1:
Рис. 1
На рис.1:
ЗУ – задающее устройство;
ИР – измеритель рассогласования;
УУ – устройство управления;
ИМ – исполнительный механизм;
РО – рабочий орган;
ПК – последовательное корректирующее звено;
УМ – усилитель мощности;
ИД – исполнительный двигатель;
ПМ – передаточный механизм (редуктор).
В качестве приводного двигателя в рассматриваемой системе, где требуется довольно большая мощность для преодоления моментов сухого и вязкого трения, нужно выбирать двигатель с достаточно большой мощностью для преодоления моментов сопротивления.
Управление двигателем осуществляется изменением питающего напряжения при помощи ШИМ-модулирования. Микросхема, генерирующая ШИМ-сигнал, управляется напряжением транзисторного усилителя с последовательно включённым звеном коррекции.
Сигнал обратной связи берётся с тахогенератора.
4. Выбор ИД
Двигатель в ЭП является главным исполнительным элементом, преобразующим напряжение в перемещение РО. От того, насколько быстро ИД развивает обороты, преодолевая сопротивление нагрузки, зависит, в конечном счете, быстродействие ЭП. От способности двигателя развивать момент на валу при малейших напряжениях управления зависит плавность работы ЭП и точность.
Значения скоростей и ускорений, которые может развивать реальный двигатель, ограничены по величине. Если требуемые скорости и ускорения привода выше тех, которые способен обеспечить двигатель, то попытки получения удовлетворительно работающего привода введением каких-либо корректирующих устройств будут безуспешными. Никакая система управления исполнительным двигателем не может обеспечить требуемые моменты и скорости, если они не заложены в конструкции ИД. Мощность, которую двигатель может рассеивать, не нагреваясь выше допустимой температуры, также ограничена по величине. Если мощность, теряемая в двигателе в процессе работы в заданном режиме, выше допустимой, то необходимо использовать дополнительные меры охлаждения, сокращать время работы или применять другой более мощный двигатель. Установка двигателей излишней мощности приводит к неоправданному возрастанию габаритов и веса привода, ухудшению энергетических показателей и т.п.
Применение двигателей заниженной, по сравнению с требуемой, мощности не может обеспечить движение выходного вала по заданному закону, или влечет за собой перегрев двигателя свыше допустимой температуры и, следовательно, резкое снижение срока службы привода. При правильном выборе мощности ИД и передаточного числа редуктора температура нагрева двигателя мало отличается от допустимой и динамические возможности привода используются полностью.
Для следящих приводов, работающих обычно в режиме движения с переменной скоростью, расчет мощности двигателя не может дать сразу однозначного решения, ибо величина требуемой мощности зависит от момента инерции якоря двигателя и передаточного числа редуктора, которые на первом этапе расчета неизвестны. В связи с этим выбор мощности ИД осуществляется методом последовательных приближений, т.е. сначала двигатель выбирается на основании приближенных соотношений, затем пригодность ориентировочно выбранного двигателя проверяется детальным анализом динамических возможностей и энергетических характеристик привода. В используемой методике ограничимся случаем непрерывного (широтно-импульсное управление на высокой частоте близко к непрерывному) управления двигателем с механической характеристикой, допускающей кусочно-линейную аппроксимацию. В качестве основного будем рассматривать длительный режим работы. Нагрев двигателя будем считать обусловленным среднеквадратическим моментом. Виды нагрузки сведём к типовым: постоянному статическому моменту, сухому и жидкому трению, шарнирному моменту и моменту, обусловленному инерционными характеристиками объекта управления, редуктора и самого двигателя.
Двигатель должен удовлетворять следующим параметрам: обеспечивать необходимую мощность, максимальный возможный момент и максимальную возможную скорость.
По данным ТЗ вычисляем максимальный момент нагрузки (при скорости вращения 16 рад/с):

.
Требуемая мощность ИД рассчитывается по формуле:
где:
- коэффициент допустимого превышения угловой скорости относительно номинальной.
- КПД редуктора, не зависящий от передаваемого момента,
- КПД редуктора, зависящий от момента.
Исходя из этих параметров, выбираем ИД ПГ-1 со следующими параметрами:
PH= 1000 Вт;
MH=3,16Нм;
MП=31,6Нм;
Ω Н =315рад/с;
JДВ =5,75кг∙м2;
U=60В;
Тм=5,5мс.
m=44 кг.
Исходя из того, что максимальный момент нагрузки развивается на номинальной скорости вращения (из-за вязкого трения, возрастающего с ростом скорости), при условии, что на этой скорости будет обеспечиваться достаточный момент для преодоления сухого и вязкого трения, в других случаях двигатель точно будет обеспечивать необходимый момент и мощность.
Найдём передаточное число редуктора:
.
Момент, развиваемый двигателем на скорости стабилизации Ω М =16рад/с, равен:
.
Таким образом, значение момента, развиваемого на максимальной скорости вращения, немного больше требуемого, значит двигатель способен обеспечить требуемые режимы.
5. Расчёт основных параметров редуктора
Передаточное число редуктора – 22. Число пар зубчатых колёс определяется по формуле:
Значение n округляется до ближайшего меньшего. Передаточные числа пар зубчатых колёс выбираются из соображений минимальности момента инерции редуктора (первые две пары в пределах 2-3, а третья и последующие – в пределах 4-8). Выбираем две зубчатые передачи с передаточными числами 2,5 и 2,4.
Число зубьев ведущих зубчатых колёс принимается равным 16. Количество зубьев остальных колёс определяются по формуле:
Находим:
Для определения размера зубчатых колёс находится модуль m:
где: M - максимальный момент нагрузки на выходном зубчатом колесе, Нм;
- коэффициент ширины зуба, выбирается в пределах 5 ÷ 10;
- допустимое напряжение в материале зубчатого колеса при расчете на выносливость, Н/м2; (вчастности, для Ст.40 9*108 Н/м;
- количество зубьев выходного зубчатого колеса.
Диаметр зубчатых колёс находится по формуле:
Находим:
Ширина зубчатых колёс:
6. Выбор тахогенератора
В качестве измерителя рассогласования в приводе стабилизации скорости целесообразно использовать тахогенератор. Условием пригодности тахогенератора является неравенство:
где δ - относительная ошибка стабилизации,
Δ – отклонение характеристики тахогенератора от статической в процентах.
Исходя из этих данных, выбираем тахогенератор ТГП-5 со следующими характеристиками:
класс точности: 0,2;
возбуждение от постоянного магнита;
крутизна характеристики – 4мВ/мин=0,004рад/с;
номинальная частота – 6000об/мин;
масса 0,09кг.
7. Статический расчёт привода
Расчет режима статики выполняется для установившегося режима работы привода и используется для определения требуемого из соображений точности общего коэффициента усиления усилительно-преобразовательного устройства.
Для режима работы с постоянной скоростью коэффициент передачи разомкнутого контура вычисляется по формуле:
где - жёсткость механической характеристики двигателя.
Коэффициент усиления электронного блока находится как:
где - крутизна характеристики тахогенератора.
8. Построение передаточной функции привода и его динамический расчёт
Для анализа динамических свойств электропривода можно использовать математическую модель на базе аппарата передаточных функций, и воспользоваться методом логарифмических частотных характеристик. Структурная модель системы представлена на рис. 2.
Рис. 2
Передаточная функция разомкнутой системы по скорости: