Главная База знаний "Allbest" Производство и технологии Разработка автоматической системы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока на переносной машине для поперечной резки труб "Сателлит-24В"

Разработка автоматической системы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока на переносной машине для поперечной резки труб "Сателлит-24В"

Классификация процессов термического способа резки металлов. Автоматизация переносной машины для поперечной резки труб "Сателлит-24В" фирмы ООО "Фактор". Математическая модель объекта двигателя постоянного тока как объект регулирования частоты вращения.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 28.01.2015
Размер файла 2,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Введение
  • 1. Техническое задание
  • Описание технологического процесса
  • Технология газокислородной резки
  • Техника газокислородной резки
  • Технология плазменной резки
  • Традиционная плазменная резка
  • Плазменная резка при использовании дополнительной среды
  • Преимущества и недостатки плазменной резки
  • Основные параметры при плазменной резке
  • Устройство и принцип работы машины
  • Существующий уровень автоматизации
  • Возможные варианты и обоснования целесообразности выбора принятого решения
  • Разработка структурной схемы
  • Разработка функциональной схемы
  • 2. Математическая модель
  • Математическая модель объекта двигателя постоянного тока как объект регулирования частоты вращения
  • Математическая модель тахометрического моста
  • 3. Расчет настроечных параметров АСР
  • Выбор и расчет основных параметров электродвигателя
  • Расчет параметров электропривода постоянного тока
  • Выбор закона регулирования
  • Расчет устойчивости АСР
  • Оптимизация параметров регулятора в пакете Simulink входящий в программу MatLab 6.5
  • Выбор аппаратуры автоматики
  • Микроконтроллер PIC16F887
  • Основные характеристики
  • Микросхема управления двигателем L298N
  • Программная реализация ПИ-регулятора
  • Сумматор ПИ-регулятора
  • Широтно-импульсная модуляция
  • Рекомендации по монтажу средств автоматики
  • Заключение
  • Список использованной литературы

Введение

В настоящее время, в Российской федерации резка металла приобретает все большее значение. Это происходит в первую очередь за счет увеличения объемов производства с которыми не справляется обычная ручная резка, а также в связи со значительным развитием кибернетики и автоматики, благодаря чему изготовление станков и машин для фигурной вырезки деталей и заготовок не представляет технической сложности и окупаемость данного оборудования лежит в пределах 0,5 - 1 года, что делает его очень доступным для многих производств и потребителей.

Резкой металлов называют отделение частей (заготовок) от сортового, листового или литого металла. Различают механическую (ножницами, пилами, резцами), ударную (рубка) и термическую резку.

Термической резкой называют обработку металла (вырезку заготовок, строжку, создание отверстий) посредством нагрева. Паз, образующийся между частями металла в результате резки, называют резом. По форме и характеру реза может быть разделительная и поверхностная резка, по шероховатости поверхности реза - заготовительная и чистовая. Термическая резка отличается от других видов высокой производительностью при относительно малых затратах энергии и возможностью получения заготовок любого, сколь угодно сложного, контура при большой толщине металла.

Можно выделить три группы процессов термической резки: окислением, плавлением и плавлением-окислением. При резке окислением металл в зоне резки нагревают до температуры его воспламенения в кислороде, затем сжигают его в струе кислорода, используя образующуюся теплоту для подогрева следующих участков металла. Продукты сгорания выдувают из реза струей кислорода и газов, образующихся при горении металла. К резке окислением относятся газопламенная (кислородная) и кислородно-флюсовая резка. При резке плавлением металл в месте резки нагревают мощным концентрированным источником тепла выше температуры его плавления и выдувают расплавленный металл из реза с помощью силы давления дуговой плазмы, реакции паров металла, электродинамических и других сил, возникающих при действии источника тепла, либо специальной струей газа. К способам этой группы относятся дуговая, воздушно-дуговая, сжатой дугой (плазменная), лазерная и термогазоструйная резка.

При резке плавлением-окислением применяют одновременно оба процесса, на которых основаны две предыдущие группы способов резки. К способам этой группы относятся кислородно-дуговая, кислородно-плазменная, кислородно-лазерная резка.

Изготовление станков с ЧПУ в существенной мере облегчило труд резчика, повысило производительность труда и точность изготовления детали (заготовки), благодаря чему возросла роль резки металла в заготовительном производстве. Современное изготовление станков с ЧПУ отличается интенсивным расширением многообразия выпускаемой продукции.

Повышение технических характеристик станков и увеличение числа их функций приводит к увеличению числа деталей и сборочных единиц, входящих в станок, усложнению их конструкции и повышению точности изготовления, замене традиционных материалов на новые, обладающие улучшенными физико-механическими свойствами.

В этих условиях автоматизация основных и вспомогательных технологических процессов служит основным средством повышения эффективности производства. В связи с этим модернизация станков и их автоматизация являются на сегодняшний день необходимым этапом развития промышленности в России.

Надо заметить, что резка металла, как правило, рентабельна, быстро окупаема и, следовательно, экономически выгодна, т.к. металл как товар не имеет срока годности.

термическая резка металл вращение

Данная работа посвящена автоматизации переносной машины для поперечной резки труб "Сателлит-24В" фирмы ООО "Фактор".

1. Техническое задание

Данная курсовая работа выполняется на основании задания и исходных данных. Целью данного задания является разработка автоматической системы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока на переносной машине для поперечной резке труб "Сателлит-24В".

При проектировании систем автоматизации технологических процессов необходимо руководствоваться:

с основными техническими направлениями в проектировании систем управления и средств автоматизации, исходя и достижений науки и техники;

с результатами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ;

с передовым отечественным и зарубежным опытом в области автоматизации технологических процессов;

с действующими нормативными документами на проектирование систем автоматизации технологических процессов, утвержденными в установленной форме, государственными стандартами, каталогами на приборы, средств автоматизации, монтажные изделия и т.п.;

с нормами и правилами строительного проектирования, санитарными, электротехническими, противопожарными и другими требованиями.

При проектировании систем автоматизации должно обеспечиваться:

с решение задач автоматизации на современном техническом уровне, а также применение новейших видов оборудования и материалов;

с снижение стоимости производства машины;

с определение стоимости оборудования и монтажа окончательно на все время производства машины;

с определение технико-экономического эффекта от внедрения принятых в проекте решений;

Основные задачи автоматизации технологического процесса заключается в следующем:

с поддержание всех параметров процесса в установленных пределах с учётом устойчивого ведения процесса в целом;

с смена шагового двигателя на двигателя на двигатель постоянного тока. Разработка АСР частоты вращения двигателя.

Описание технологического процесса

Машина переносная для поперечной резки труб "Сателлит-24В" предназначена для автоматизированной прямолинейной газо-кислородной и плазменной резки металлических труб в полевых и производственных условиях. Подробно опишем эти технологические процессы.

Технология газокислородной резки

Газокислородная резка заключается в сгорании разрезаемого металла в кислородной струе и удалении этой струей образовавшихся оксидов.

Процесс газокислородной резки представлен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Газокислородная резка, схема процесса

Разрезаемый металл предварительно нагревается подогревающим пламенем резака, которое образуется в результате сгорания горючего газа в смеси с кислородом. При достижении температуры воспламенения металла в кислороде (не менее 1800°С), на резаке открывается вентиль чистого кислорода (99-99,8%) и начинается процесс резки. Чистый кислород из центрального канала мундштука, предназначенный для окисления разрезаемого металла и удаления оксидов, называют режущим в отличие от кислорода подогревающего пламени, поступающего в смеси с горючим газом из боковых каналов мундштука.

Струя режущего кислорода вытесняет в разрез расплавленные оксиды, которые, в свою очередь, нагревают следующий слой металла, способствуя его интенсивному окислению и т.п. В результате разрезаемый лист подвергается окислению по всей толщине, а расплавленные оксиды удаляются из зоны резки под действием струи режущего кислорода.

Техника газокислородной резки

Поверхность разрезаемого листа следует очистить от окалины, краски, масла, ржавчины и грязи. Особое внимание уделяется очистке поверхности листа от окалины, поскольку она препятствует контакту металла с пламенем и струей режущего кислорода. Для этого требуется незначительный прогрев поверхности стали подогревающим пламенем резака, в результате которого окалина отскакивает от поверхности. Прогрев следует выполнять узкой полосой по линии предполагаемого реза, перемещая пламя со скоростью, приблизительно соответствующей скорости резки.

Перед газокислородной резки металл нагревается с поверхности в начальной точке реза до температуры его воспламенения в кислороде. После пуска струи режущего кислорода и начала процесса окисления металла по толщине листа резак перемещают по линии реза.

Как правило, прямолинейная газокислородная резка стальных листов толщиной до 50 мм выполняется вначале с установкой режущего сопла мундштука в вертикальное положение, а затем с наклоном в сторону, противоположную направлению резки (обычно на 20-30є). Наклон режущего сопла мундштука в сторону ускоряет процесс окисления металла и увеличивает скорость кислородной резки, а, следовательно, и ее производительность. При большей толщине стального листа резак в начале резки наклоняют на 5є в сторону, обратную движению резки.

Газокислородная резка относительно плазменной и лазерной резки обладает следующими преимуществами:

Максимальная толщина разрезаемого материала может достигать 500 мм.;

Меньшие капитальные затраты;

Минимальные требования к техническому обслуживанию.

Недостатками технологии кислородной резки по сравнению с плазменной и лазерной резкой являются:

Меньшая скорость резки;

Большая зона нагрева;

Большее образование окалины, что требует дополнительное время на обработку;

Отсутствие возможности резки нержавеющей стали и алюминия;

Меньшая производительность.

Технология плазменной резки

Плазменная резка - это термический процесс, который благодаря чрезвычайно концентрированному приложению энергии обеспечивает высокие скорости резки и поэтому является экономически эффективным применительно к мягким и низколегированным сталям (стали, в химическом составе которых помимо железа, углерода и неизбежных примесей присутствуют специальные так называемые легирующие примеси, однако, процент примесей в низколегированных сталях не превышает 2,5%, легирующие примеси могут включать никель, хром, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден, медь, кобальт, ниобий, титан, алюминий, бор, азот). По сравнению с ацетилено-кислородной резкой потребление энергии является значительно меньшим, поэтому обработанные детали являются достаточно точными, в худшем случае наблюдаются незначительные коробления и деформации. В известной мере плазменная резка конкурирует с лазерной и ацетилено-кислородной.

За последние годы плазменная резка существенно усовершенствована. Имеется различие между резкой в атмосфере (сухие резы) и резкой под водой. Существует разговорный термин "прецизионная плазменная резка", который фирмы применяют без пояснений, хотя обычно имеется в виду использование дополнительной среды.

До конца 80-х годов установки для плазменной резки с инжекцией воды и для подводной резки считались вполне современными и экономичными. Вскоре за ними последовали существенно усовершенствованные установки для сухой плазменной резки, где сначала в качестве режущего газа использовался воздух, затем кислород. Усовершенствования касались не только увеличения срока службы электродов, но и существенного повышения скорости резки. Сухая резка была отработана до такой степени, что в новых установках она стала наиболее предпочтительной.

Традиционная плазменная резка

При традиционной плазменной резке дуга ограничена только соплом с подачей плазменного газа, который поступает в V-образные канавки с вписанными углами приблизительно от 6 до 10 градусов. Как правило, резка осуществляется в атмосфере. Дуга (плазменная дуга прямого действия) возникает между неплавящимся электродом (катодом) и заготовкой (анодом). В редких случаях она возникает между электродом и соплом, тогда она называется "плазменная дуга непрямого действия". Такой процесс используется почти исключительно вручную применительно к тонким листам или непроводящим материалам.

Плазменная резка при использовании дополнительной среды

Резка при использовании дополнительной среды является дальнейшим усовершенствованием в том отношении, что с помощью этой среды ограничивается длина плазменной дуги. При толщине листа порядка 3 мм параллельность обработанных поверхностей при использовании кислорода в качестве режущего газа сопоставима с этим показателем при лазерной резке (с кислородом). Более того, возможно получение параллельных поверхностей при резке листов толщиной до 8 мм. Если в качестве режущего газа используется азот, обработанные поверхности получаются очень гладкими, но несколько выпуклыми.

Плазменная резка при использовании дополнительной среды может применяться не только в атмосфере (сухая резка), но и под водой. Если в качестве дополнительной среды используется газ, осуществляется обычная сухая резка. Такой подход широко применяется в настоящее время, особенно на тех предприятиях, где получают профильные поверхности почти любых размеров (без ограничений, которые налагает ванна с водой). Кроме того, вода, которая попадает между плазмой и экранирующим соплом, может использоваться как дополнительная среда. В случае резки высоколегированных сталей и алюминия предпочитают использовать в качестве дополнительной среды воду.

Плазменная резка при инжекции воды применяется также при обработке мягких и низколегированных сталей. Тангенциальная инжекция воды образует водяной колокол, и давление пара служит дополнительным ограничением плазменной дуги, так же как при использовании дополнительного газа. Процесс плазменной резки при инжекции воды часто применяется при резке под водой. На рисунке представлен пример реализации принципа применения газовых резаков в некоторых процессах.

Схематичное представление плазменных резаков: а) обычный резак; в) плазменный резак с использованием дополнительного газа; с) плазменный резак с инжекцией воды

При резке с использованием дополнительной среды (газа или воды) с обеих сторон прорези при толщине резки примерно до 8 мм получаются почти параллельные обработанные кромки. Некоторые изготовители машин режут даже листы толщиной до 12 мм. При соответствующем повороте резака возможно и при прямых резах получать "хорошую сторону" и "плохую сторону" (прорезь с одним уклоном).

Увеличенные плотности тока получаются при использовании специальных резаков, когда вращение газа еще больше ограничивает плазменную дугу. Это рассматривается как плазменная резка с увеличенным ограничением. Принцип вращения газа и применение многоступенчатых резаков при парциальном нагнетании газа оказались эффективными при резке листов примерно до 30 мм. В этом случае одна обработанная поверхность почти отвечает требованиям перпендикулярности относительно другой (как при лазерной резке) без необходимости поворота режущей головки.

2. Режущие газы, применяемые при плазменной резке

При плазменной резке, когда обрабатываются мягкие и низколегированные стали, предпочтительным режущим газом является кислород, При этом расплавленное железо имеет пониженную вязкость, благодаря чему разжиженный материал легче удаляется из прорези. В результате образуются кромки почти без заусенцев. Более того, преимуществом использования кислорода является исключение повышенного содержания азота в обработанных кромках.

Азот также используется как режущий газ. При этом, с одной стороны, при равной толщине листа резка выполняется при меньшей силе электрического тока и благодаря этому при меньших термических нагрузках на электрод, срок службы которого увеличивается. С другой стороны, листы большей толщины могут разрезаться и в том случае, когда нагрузка не уменьшается. Однако следует иметь в виду, что в этом случае возможно увеличение содержания азота в обработанной кромке, что может отрицательно сказаться при выполнении последующей обработки. Как дешевый плазменный газ используется воздух, но по сравнению с использованием кислорода он имеет ряд недостатков, в том числе уменьшение сроков службы электродов и сопел и повышение содержания азота на обработанных кромках.

Преимущества и недостатки плазменной резки

Преимущества и недостатки сухой плазменной резки и резки под водой приведены в таблице 1. Принятие решения о выборе того или другого варианта резки зависит от конкретных условий работы, которые очень специфичны для различных предприятий.

Таблица 1

Преимущества

Недостатки

Сухая плазменная резка

Простые манипуляции;

Хорошая наблюдаемость за ходом резки;

Использование на листах толщиной более 40 мм;

Повышение скорости резки по сравнению с резкой под водой;

Большая гибкость в отношении размера начального листа;

Снижение затраты на повторяющиеся процессы по сравнению с резкой под водой;

Плазменная резка под водой

Меньшее выделение пыли;

Существенно меньший уровень шума;

Нет необходимости в специальных средствах защиты от ультразвукового излучения;

Дополнительное охлаждение листов - меньшие деформации;

Необходимость в сложных системах экстрагирования;

Высокий уровень шума при резке;

Необходимость в дополнительном защитном устройстве от ультрафиолетового излучения;

За процессом нельзя наблюдать;

невозможна оптимизация параметров во время резки;

сложные процессы обработки удаления воды;

возможна коррозия после резки;

в некоторых случаях более шероховатые обработанные кромки;

режущие головки, имеются в основном только для листов толщиной более 6 мм;

Что касается самого процесса резки, то сухая и подводная обработка в принципе отличаются незначительно. Режущий и завихряющийся газ создают почти идентичную атмосферу в зоне резки в результате давления газа. Если не считать крышку для завихряющегося газа, быстроизнашиваемые детали одинаковы для обоих процессов. Поэтому трудно рекомендовать критерии для выбора, когда предпочтительна сухая плазменная резка и когда резка под водой.

Преимуществами резки под водой являются существенно более низкий уровень шума и значительно более низкая эмиссия ультрафиолетового излучения, как и меньшее выделение пыли. Кроме того, может давать положительный эффект дополнительное охлаждение листов окружающей водой. Более интенсивное рассеивание тепла в зоне резки позволяет в значительной мере исключить деформации в обработанных деталях. Одним из положительных факторов при сухой резке является возможность обработки более толстых листов, чем при резке под водой, где толщина ограничивается примерно 40 мм. Что касается качества и производительности, преимущества на стороне сухой резки. Поэтому почти 90% производителей продукции предпочитают в настоящее время сухую плазменную резку.

Основные параметры при плазменной резке

Основными параметрами, регулируемыми при плазменной резке, являются: состав плазмообразующего газа, зазор между соплом и листом (факельный зазор), сила тока плазменной дуги и скорость резки. Причем, последний фактор напрямую зависит от двух предыдущих.

Скорость резки оказывает существенное влияние на качество реза, в первую очередь на наличие шлака на нижней поверхности и на легкость его удаления.

При пониженной скорости резки плазмообразующий газ будет расходоваться нерационально, на нижней стороне листа образуется "низкоскоростной" шлак, который легко удаляется.

При повышенной скорости резки дуга начинает осциллировать, в результате чего линия реза получается волнистой. На нижней стороне листа образуется так называемый, "высокоскоростной" шлак, отделение которого затруднено

Скорость резки должна быть такой, чтобы угол отставания прорезания нижней кромки от верхней не превышал 5°.

Сравнительная таблица технологий термического раскроя

Газокислородная резка

Плазменная резка

Качество резки

Хороший угол среза Большая зона нагрева Требуется обработка для удаления окалины Не эффективна для резки нержавеющей стали и алюминия

Отличный угол среза Малая зона нагрева Практически без образования окалины Отличное или хорошее качество резки мелких элементов

Производительность

Медленная скорость резки Долгий предварительный прогрев увеличивает время прожига

Очень большая скорость резки при любой толщине Очень короткое время прожига Повышение производительности за счет быстрого отключения резака Очень короткое время прожига

Эксплуатационные расходы

Низкая производительность и необходимость обработки повышают удельные затраты на резку по сравнению с плазменной технологией

Длительный срок службы расходных деталей, хорошая производительность и отличное качество резки обеспечивают наименьшие удельные затраты по сравнению с другими технологиями

Обслуживание

Минимальные требования к техническому обслуживанию - может проводиться собственными бригадами технического обслуживания

Средние требования к техническому обслуживанию - обслуживание многих компонентов может проводиться собственными бригадами технического обслуживания

Устройство и принцип работы машины

Механическая часть (Рис.2). Механическая часть машины представляет собой каретку (1), устанавливаемую непосредственно на трубу, которую предстоит резать. На каретке смонтирован механизм ее перемещения, состоящий из редуктора (2) и электродвигателя (3). На выходном валу (4) редуктора в подшипниковых опорах (5 и 6) установлена ведущая звездочка (7). Звездочка своими зубьями входит в зацепление со звеньями приводной цепи (8), которая охватывает разрезаемую трубу по диаметру. Каретка обкатывается по трубе, опираясь на четыре свободновращающихся колеса (9). Чтобы приводная цепь с необходимым усилием прижималась к трубе и не проскальзывала при перемещении машины, на каретке имеется шарнирно-пружинный механизм натяжения цепи, состоящий из шарнирно-закрепленной на каретке плиты (10) и двух пружин (11), натягиваемых или освобождаемых гайками (12) на стойках (13). (Для создания натяга приводной цепи гайки (12) нужно отпустить; для снятия натяга, что требуется при установке и переустановке машины на трубе, пружины надо сдавить, затянув гайки). На каретке в кронштейнах (14) установлена трубчатая направляющая (15), на которой монтируются одно или два зажимных устройства (16) для установки плазменного резака или газокислородной горелки, для чего предусмотрены сменные обжимные полукольца (17).

Рисунок 2. Общий вид

Технологические параметры

Характеристика

Значение

Диаметр разрезаемой трубы, мм

120-1440

Толщина стенки разрезаемой трубы, мм:

- газовая технология

от 5 до 200

Скорость перемещения, мм/мин

50-1500

Количество резаков

2 кислородных

Размещение пульта управления

вне корпуса машины

Параметры питающей электросети - входное напряжение

выходное напряжение

переменный однофазный 220 В, 50 Гц,

постоянный 24 В

Максимальная потребляемая мощность машины, кВт (не более)

0,2

Габаритные размеры, мм:

- ходовой части

750x430x330

Масса, кг (не более):

- ходовой части

22

Габаритные размеры машины в ящиках в разобранном и упакованном виде, мм:

700х700х450, 1750х300х70

Масса машины в разобранном виде в упаковке, кг (не более):

22

Существующий уровень автоматизации

Машина термической резки (МТР)"Сателлит-24В" предназначена для резки труб диаметром от 120 до 1440 мм и снятия кольцевых фасок в полевых условиях при отсутствии нормального заземления.

Привод перемещения резака по цепи осуществляется шаговым двигателем, работающим на безопасном напряжении 24В. При использовании шагового двигателя не требуется энкодер и система с обратной связью для определения позиции вала. Позиция вала определена контроллером, который подает импульсы на двигатель. Однако это может быть и недостатком. При слишком тяжелой нагрузке на ось, шаговый двигатель может остановиться, а информация об этом не поступит в контроллер. Из-за отсутствия обратной связи, в шаговых двигателях нет компенсации механического люфта. Когда в системе нет обратной связи, шаговый двигатель может выполнить не совсем то, что ему предписано. Поэтому шаговые двигатели обычно используются в системах, где нагрузка постоянна или, по крайней мере, всегда известна. Например, в механизме головок чтения/записи дисковода - нагрузка в данном устройстве практически постоянна. В нашем примере, когда каретка двигаясь поперек трубы принимает вертикальное положение, нагрузка сильно изменяется во время операции, шаговый двигатель может остановиться или проскочить требуемую позицию, а это приведет к нарушению технологического процесса.

Если известно, как меняется нагрузка, то можно уменьшить силу тока обмоток шагового двигателя при легкой нагрузке или, напротив, увеличить при значительной нагрузке на ось. Примером такой ситуации может быть как раз система, где двигатель должен повернуть что-то массивное. С другой стороны, если нагрузка обладает значительной массой, как наша машина, то от применения шагового двигателя лучше отказаться.

Как видно, существующая система автоматизации не отвечает текущим требованиям автоматизации.

Возможные варианты и обоснования целесообразности выбора принятого решения

Для нормального протекания технологического процесса термической резки, необходимо регулирование основных параметров. Данным проектом предусматривается регулирование основного параметра, это скорость резки.

Проведем некоторый анализ существующих электроприводов и выясним их преимущества и недостатки:

Тип двигателя

Преимущества

Недостатки

Двигатели постоянного тока

- простота устройства и управления

практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;

легко регулировать частоту вращения;

хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент);

так как ДПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах.

дешевизна

- необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов;

ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Двигатели переменного тока

- более надежны и долговечны - широкий диапаон регулирования частоты вращения и крутящего момента - малые потери за счет трения - не создают помехи для работы электронной аппаратуры

- большие масса и габариты - Низкий пусковой момент, не высокое быстродействие

маленькая мощность

Шаговые двигатели

- по сравнению с двигателями постоянного тока и переменного тока, ШД более точнее, проще, наджнее, компактнее, более устойчивы к внешним воздействиям.

- Не допускают длительных перегрузок - маленькая мощность (до 200Вт)

Так как одной из целью нашего задания является снижение стоимости производства машины, мы выбираем двигатель постоянного тока. Двигатели постоянного тока обладают большим вращающим моментом на высоких скоростях, также они обладают возможностью плавно в широких пределах регулировать частоту вращения. Они обладают значительным пусковым моментом, одновременно незначительным пусковым током и способностью к перегрузкам. При значительных изменениях нагрузки, особенно, если эти изменения не известны контроллеру, двигатель постоянного тока с датчиком обратной связи будет лучшим выбором, чем шаговый двигатель. В качестве датчика обратной связи мы реализуем тахометрический мост, выходное напряжение которого при соответствующем выборе параметров пропорционально частоте вращения двигателя. Управление частотой вращения двигателя будет реализовано с помощью микроконтроллера. Использование современных систем управления со сложными алгоритмами позволяет во много раз снизить энергопотребление силовых установок электропривода и, соответственно, стоимость системы в целом. От двигателей переменного тока мы отказываемся из-за маленькой мощности, больших масс, габаритов и сложностью управления частотой вращения в широком диапазоне.

Разработка структурной схемы

На структурной схеме отражаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления.

Элементы структурной схемы изображаются, как правило, в виде прямоугольников в которых раскрывается их производственная структура.

Рисунок 3. Структурная схема АСР

Основные узлы схемы:

З - задатчик скорости;

БС - блок сравнения;

РЕГ - регулятор;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

МСУ - мостовая схема управления двигателем;

ДПТ - двигатель постоянного тока;

К - каретка;

ТМ - тахометрический мост;

Структурная схема представленная выше включает в себя каретку К, тахометрический мост ТМ, задатчик скорости З, микроконтроллер МК, в котором включены блоки ЦАП, АЦП, регулятор РЕГ и блок сравнения БС; мостовую схему управления двигателем МСУ и двигатель постоянного тока ДПТ.

Тахометрический мост ТМ измеряет по противо-э. д. с частоту вращения двигателя щ и преобразует его электрический сигнал Uv, т.к. выходной сигнал тахометрического моста при соответствующей балансировке пропорционален скорости вращения вала двигателя. Этот аналоговый сигнал посылается на вход микроконтроллера и переводится в дискретный с помощью модуля АЦП и вычитается в блоке сравнения БС из дискретного сигнала заданной скорости Uзад. На выходе БС формируется сигнал управления равный:

В рассматриваемой системе регулирования возмущающим фактором является противо-э. д. с. двигателя и величина его постоянно меняется. Этот сигнал изменяется на выходе БС, и возникающий сигнал управления Uу переводится из дискретного вида в аналоговый с помощью ЦАП, воздействует через мостовую схему управления двигателем МСУ на электродвигатель ДПТ, меняя частоту его вращения, чтобы линейная скорость каретки V стремилась к заданному значению. В данной системе управления скорость движения каретки является регулируемой величиной, а изменение частоты вращения электродвигателя с помощью широтно-импульсной модуляции ДПТ является управляющим воздействием.

Разработка функциональной схемы

Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором схематически условными обозначениями изображены: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации с указанием связей между технологическим оборудованием и элементами автоматики, а также связей между отдельными элементами автоматики.

Технологическое оборудование и коммуникации изображают упрощенно и в сокращенном виде. Для лучшего отображения функции, используются условные буквенно-цифровые обозначения. Линии связи показывают стрелками указывающие направление подачи информации.

Рисунок 4. Функциональная схема автоматической системы регулирования

M - двигатель постоянного тока;

SE - преобразователь частоты вращения в электрический сигнал

H - включение двигателя;

Y - преобразователь (мостовая схема управления);

HS - переключатель направления двигателя;

HC - задатчик скорости;

2. Математическая модель

Математическая модель объекта двигателя постоянного тока как объект регулирования частоты вращения

Выведем формулы для аналитического описание динамических свойств ДПТ:

(1)

где Uя - напряжение якоря; IЯ - ток в цепи якоря;

- приведенный к валу двигателя момент инерции;

Rя, Lя - сопротивление и индуктивность якорной цепи двигателя;

,

где РДВ - число пар полюсов двигателя;

зН, UH, IН - номинальные КПД, напряжение и ток двигателя;

Е - ЭДС якоря;

Ф - полезный магнитный поток, связанный с обмоткой якоря;

щ - частота вращения двигателя;

МДВ - движущий момент двигателя;

МС - момент сопротивления на валу двигателя вращающихся масс;

JРМ - момент инерции рабочего механизма;

i - передаточное отношение редуктора;

С - конструктивный коэффициент;

N - число активных проводников обмотки якоря;

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

В результате линеаризации разложением в ряд Тейлора переменных и функций, входящих в (1), относительно их установившихся значений, обозначенных индексом 0, получим следующие линеаризованные уравнения:

Для установившегося режима двигателя, когда все отклонения переменных равны нулю, уравнения статистики:

Определяем режимные величины двигателя;

- коэффициент момента

- коэффициент ЭДС

Определяем уравнение механической характеристики двигателя в виде:

Уравнения динамики двигателя в отклонениях переменных при нулевых начальных условиях имеют вид:

Совместное по парное решение уравнений (6) дает:

Составляем алгоритмическую схему двигателя:

Совместное решение уравнений (7) определяет уравнение двигателя постоянного тока независимого возбуждения как объекта управления:

Если на валу двигателя действует неизменная нагрузка и во всех режимах MС=const, то ДМС (р) = 0. При этом уравнение (8) упрощается:

Передаточная функция двигателя в соответствии с (9) будет:

Математическая модель тахометрического моста

В данной работе вместо тахогенератора для двигателя постоянного тока в качестве датчика скорости используем тахометрическую мостовую схему (тахомост). На рисунке ниже изображена простая и распространенная схема тахомоста. В одно из плеч тахомоста включен якорь двигателя, имеющий сопротивление Rя. Другие плечи моста образованы сопротивлением обмотки дополнительных полюсов и потенциометров R1 + R2. Конденсатор С вместе с сопротивлениями схемы образуют фильтр. При вращении двигателя возникает противо-э. д. с. сопротивление двигателя увеличивается, мост разбалансируется. Установившейся режим работы схемы описывается следующими уравнениями:

, где

откуда

если , то есть при мост уравновешен и

При постоянном магнитном потоке двигателя

,

где Тф - постоянная времени фильтра.

Согласно схеме дифференциальное уравнение тахомоста имеет вид

С учетом соотношения получим

Передаточная функция тахометрического моста:

К недостатком тахометрического моста относят малый коэффициент передачи и невысокая точность измерения скорости (из-за непостоянства сопротивления щеточного контакта и изменения сопротивляемости обмотки двигателя при нагреве). С физической точки зрения это объясняется тем, что выходное напряжение тахометрического моста, которое вычитается из сигнала управления, не равно нулю не только в режиме переходного процесса, но и в установившемся режиме с постоянной частотой (обратная связь действует как в переходном так и в установившемся режиме).

В нашей схеме этот недостаток частично решен, так как выходное напряжение поступает не непосредственно на вход модуля ЦАП микроконтроллера, а через дифференцирующий RC-фильтр. Благодаря этому обратная связь оказывает влияние на работу системы только во время переходного процесса. В режиме же установившегося равномерного движения выходное напряжение обратной связи равно нулю. Поэтому обратная связь, улучшая кривую переходного процесса, не увеличивает установившуюся скоростную ошибку системы.

Рисунок 5. Схема тахометрического моста

3. Расчет настроечных параметров АСР

Выбор и расчет основных параметров электродвигателя

Движение каретки происходит следующим образом. На выходном валу червячного редуктора в подшипниковых опорах установлена ведущая звездочка. Звездочка своими зубьями входит в зацепление со звеньями приводной цепи, которая охватывает разрезаемую трубу по диаметру. Каретка обкатывается по трубе, опираясь на четыре свободновращающихся колеса. Линейная скорость ведущей звездочки по цепи равняется заданной скорости каретки, а следовательно и скорости резки. Червячный редуктор также присоединен к планетарному редуктору, который непосредственно соединен с двигателем. Передаточные число червячного редуктора равно 20.

Диаметр ведущей звездочки = 70 мм. Соответственно можем узнать какое расстояние проходит каретка за один оборот ведущей звездочки - . Зная требуемую максимальную скорость, узнаем сколько оборотов нужно сделать ведущей звездочки, чтобы достичь заданную скорость:

Отсюда, найдем максимальную частоту вращения двигателя, зная передаточные число червячного редуктора -

.

На основании полученных данных выбираем двигатель IG42-GM 02 TYPE фирмы "НПФ Электропривод" с передаточным числом планетарного редуктора равным 49. Мотор-редуктор серии IG-42 является реверсивным электромеханическим устройством приборного применения. Мотор-редуктор применяется как отдельно, так и в качестве комплектующих изделий в составе различных машин. Мотор-редуктор серии IG-42GM состоит из реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока и планетарного редуктора. Вращение двигателя к редуктору передается ведущей центральной шестерней, насаженной на вал двигателя. Каждая ступень редуктора состоит из водила и трех сателлитов, которые установлены на запрессованных в водило осях.

с Электродвигатель не обслуживаемый.

с Передаточные числа редукторов 4~3600.

с Подшипники качения.

с Модуль зубчатых колес 0,6мм.

с Радиальное биение выходного вала редуктора не более 0,05 мм, осевое биение не более 0,3мм.

с Режим работы - продолжительный.

Технические характеристики двигателя приведены в таблице:

Характеристики электродвигателя

Напряжение питания, В

Момент инерции, [кг*м2]

Номинальная скорость, об/мин

Номинальный ток, мА

Скорость холстого хода, об/мин

Ток холостого хода, мА, не более

Выходная мощность, Вт

24

5,24 * 10-4

5900

2100

7000

<500

50

Передаточные числа редукторов

Передаточное число

4

14

17

24

49

61

84

104

144

212

294

504

624

720

864

1062

1470

2500

3000

3600

Характеристики мотор-редуктора с двигателем 24В (02 TYPE)

Крутящий момент, кгсм

1,8

5,4

6,6

9,5

16

18

18

20

20

25

25

30

30

30

30

30

30

30

30

30

Скорость, об/мин

1445

420

340

240

122

102

77,5

63

47

31

23,8

13,5

10,8

9,4

7,9

6,4

4,6

2,7

2,3

1,9

Длина редуктора L, мм

32,5

39,2

45,9

52,6

59,3

Мотор-редуктор предназначен для эксплуатации в режиме S1 (по ГОСТ 183-74) с продолжительностью работы до 8-24 ч/сут в следующих условиях:

с внешняя среда - неагрессивная, невзрывоопасная с содержанием непроводящей пыли до 10 мг/м3;

с климатическое исполнение У, категория размещения - 3.1 по ГОСТ 15150-69 при работе на высоте над уровнем моря до 1000м; Температуру окружающего воздуха от минус 20оС до плюс 40оС; верхнее значение относительной влажности 98% при температуре 25оС.

с Допускается работа мотор-редукторов на высоте более 1000м над уровнем моря при соблюдении требований ГОСТ 183-74;

Средний ресурс мотор-редуктора 4000 часов.

Расчет параметров электропривода постоянного тока

Исходными данными для расчета параметров электропривода являются номинальные: мощность РН, частота вращения nДВ. НОМ, напряжение питания UH, момент инерции JДВ, КПД зН. Электрическая мощность двигателя:

Номинальный ток якоря двигателя:

ЭДС двигателя в номинальном режиме определяется из уравнения:

Сопротивление якорной обмотки двигателя:

Коэффициент КЕ для двигателя с независимым возбуждением:

Момент двигателя в номинальном режиме работы определяется по формуле:

Момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя:

,

где

m - максимальная масса рабочей машины, кг;

p - радиус ведущей звездочки

i - передаточное число редуктора от двигателя к рабочей машине;

Максимальная масса рабочей машины, m = 22 кг.

Механическая постоянная времени:

Постоянная времени якоря:

Pдв = 3 при частоте 5900 об/мин:

Из двух постоянных времени, первая (равная ) - учитывает задержку в нарастании тока якоря из-за влияния на этот процесс индуктивности его обмотки, а вторая (электромеханическая постоянная Tм), учитывает наличие момента инерции у всех подвижных масс (в том числе и нагрузки двигателя), которая препятствует нарастанию скорости вращения якоря. Количественная оценка постоянных показывает, что если значение Tя составляет сотые доли секунды, то механическая постоянная времени, определяемая как , где J - момент инерции всех подвижных масс (якоря двигателя, нагрузки), приведенных к валу двигателя, составляет уже десятые доли секунды. Следовательно величина Tя будет на порядок ниже и ею можно пренебрегать.

В итоге, упрощенная передаточная функция двигателя примет вид:

где Tэм=Tя+Tм

Таким образом передаточная функция для ДПТ примет вид:

Передаточная функция объекта регулирования:

,

где Тм - механическая постоянная времени равная 0,5c

К = ДV/Дщ = 1500/6683,6 = 0,22

Выбор закона регулирования

При создании конкретной автоматической системы регулирования объект задан и передаточная функция W (p) имеет вполне определенную неизменную форму. Для того, чтобы придать синтезируемой САР желаемых свойств можно выбирать передаточную функцию регулирующего устройства .

Рассмотрим типовые управляющие устройства. В зависимости от вида преобразования ошибки регулирующие устройства можно подразделить на три основных типа:

пропорциональные (П-регуляторы);

интегральные (И-регуляторы);

дифференциальные (Д-регуляторы), а также их сочетания. Например, пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы), пропорционально-дифференциальные (ПД-регуляторы) и так далее.

П - регуляторы осуществляют закон регулирования, в котором регулирующий орган перемещается пропорционально отклонению регулируемого параметра. Применяются при постоянной или малоизменяющейся нагрузке;

И - регуляторы создают регулирующее воздействие пропорционально интегралу от ошибки регулирования. Применяются на объектах с малой инерционностью и при медленных изменениях нагрузки;

ПИ - регуляторы осуществляют закон регулирования, в котором регулирующий орган перемещается пропорционально отклонению и интегралу отклонения регулируемого параметра. Применяются при любой инерционности объекта, больших но медленных изменениях нагрузки;

ПИД - регуляторы измеряет отклонение стабилизируемой величины от заданного значения и генерирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально этому отклонению, второе пропорционально интегралу отклонения и третье пропорционально производной отклонения. Применяются в объектах с любой инерционностью при больших и резких изменениях нагрузки;

Предварительно в расчетах мы выбираем ПИ регулятор. При отклонении регулируемого параметра от заданного значения ПИ-регулятор в начальный момент времени действует так же, как и П - регулятор, то есть перемещает регулирующий орган на величину, пропорциональную отклонению. Если при этом регулируемый параметр не достигнет заданного значения, то ПИ-регулятор будет продолжать перемещать регулирующий орган до тех пор, пока он не достигнет заданного значения. ПИ-регуляторы обладают хорошими динамическими свойствами за счет пропорциональной составляющей и хорошими статическими свойствами за счет интегральной составляющей, благодаря чему они широко применяются.

ПИД регулятор сложен в настройке, не дает заметного выиграша по динамической ошибке, но он лучше отслеживает изменения.

Расчет устойчивости АСР

Структурная алгоритмическая схема имеет вид:

Рисунок 6. Структурная алгоритмическая схема

Wрег (p) - передаточная функция ПИ регулятора:

Wдпт (p) - передаточная функция двигателя постоянного тока:

Wop (p) - передаточная функция объекта регулирования:

Wтм - передаточная функция тахометрического моста:

Строим алгоритмическую схему:

Рисунок 7. Алгоритмическая схема

Устойчивость системы автоматического регулирования это способность САР нормально функционировать и противостоять различным неизбежным возмущениям (воздействиям). Состояние САР называется устойчивым, если отклонение от него остаётся сколь угодно малым при любых достаточно малых изменениях входных сигналов.

Расчет устойчивости будем производить по алгоритмической схеме. Для этого примем некоторые допущения. Инерционностью тахометрического моста можно пренебречь. В результате преобразования получим схему, содержащую цифровой регулятор, реализующий ПИ-закон управления, исполнительный механизм (двигатель) и объект управления, описываемый апериодическим звеном. Примем возмущения равными нулю. Схема примет следующий вид:

Рисунок 8. Преобразованная алгоритмическая схема.

Передаточная функция разомкнутой АСР:

Передаточная функция замкнутой АСР:

Чтобы получить характеристическое уравнение нашей системы, приравняем знаменатель передаточной функции к нулю.

Система третьего порядка:

Представим:

a0 = 0,38Tи; a1 = 1,26Tи; a2 = Tи (1+6,875Kp); a3 = 6,875;

Используем критерии устойчивости Гурвица.

Необходимо и достаточно, чтобы выполнялись следующие условия:

1) (все коэффициенты характеристического уравнения положительны);

2) > при равенстве а1а2 = а0а3 система находится на границе устойчивости. Система будет устойчива, если:

Ти>0;

По найденному графику функции построим область устойчивости системы в плоскости параметров регулятора.

Рисунок 9. Область устойчивости системы

Оптимизация параметров регулятора в пакете Simulink входящий в программу MatLab 6.5

Simulink - это интерактивная система для анализа линейных и нелинейных динамических систем. Это графическая система настроенная на использование "мыши”. Она позволяет вам моделировать систему простым перетаскиванием блоков в рабочую область и последующей установкой их параметров. Simulink может работать с линейными, нелинейными, непрерывными, дискретными, многомерными системами.

Смоделируем нашу систему по заданию.

Рисунок 10. Схема переходного процесса по заданию

В схему входят единичное ступенчатое воздействие, ПИ-регулятор, передаточные функции объекта управления и исполнительного механизма, а также блок оптимизации. Для оптимизации параметров регулятора, необходимо настроить блок оптимизации:

с в блок регулятора вводим переменные Kp и Ki равные нулю;

с в настройке блока оптимизации вводим границы: перерегулирование 20%, время регулирования 2,2 с., величина отклонения от номинального значения - 6%;

с шаг дискретности - 0.1

с верхняя граница 1,2, нижняя 0.

В результате оптимизации получаем оптимальные настройки регулятора - Kp = 0,84651, Ki = 0,34546.

Рисунок 11. График переходного процесса по заданию.

Для получения переходной характеристики по возмущению, немного перестроим нашу схему.

Рисунок 12. Схема переходного процесса по возмущению.

Моделируем и получаем график.

Рисунок 13. График переходного процесса по возмущению.

Выбор аппаратуры автоматики

На основании разработанной структурной схемы автоматизации производится выбор технических средств для проектируемой системы управления. Правильный выбор технических средств автоматизации является главным условием эффективного и надежного функционирования системы, залогом ее минимальной стоимости и безопасности для персонала и окружающей среды.

Микроконтроллер PIC16F887

Для разрабатываемой системы применяется микроконтроллер PIC16F887 компании Microchip. PIC16F887 8-разрядный микроконтроллер с Flash памятью, изготовленный по нановаттной интегральной технологии.

Микроконтроллеры семейств PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование микроконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер применения.

Микроконтроллеры PIC содержат RISC-процессор с симметричной системой команд, позволяющей выполнять операции с любым регистром, используя произвольный метод адресации. Пользователь может сохранять результат операции в самом регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции.

Основные характеристики

Все микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X используют гарвардскую архитектуру с RISC-процессором, обладающую следующими основными особенностями:

с используются только 35 простых команд;

с все команды выполняются за один цикл (400 нс при частоте 10 МГц), кроме команд перехода, которые требуют 2 цикла;

с рабочая частота 0 Гц.20 МГц;

с раздельные шины данных (8 бит) и команд (14 бит);

с 512 х 14 или 1024 х 14 память программ, выполненная на ПЗУ или электрически перепрограммируемой Flash - памяти;

с 15 восьмиразрядных регистров специальных функций (SFR);

с восьмиуровневый аппаратный стек;

с прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

с 36 или 68 восьмиразрядных регистров общего назначения (GPR) или ОЗУ;

с четыре источника прерывания:

внешний вход RB0/INT;

переполнение таймера TMR0;

изменение сигналов на линиях порта B;

завершение записи данных в память EEPROM;

с 64 x 8 электрически перепрограммируемая EEPROM память данных с возможностью выполнения 1000000 циклов стирания/записи;

с сохранение данных в EEPROM в течение как минимум 40 лет.

Микроконтроллеры подгруппы PIC16F8X обладают развитыми возможностями ввода/вывода:

с 13 линий ввода-вывода с индивидуальной установкой направления обмена;

с высокий втекающий/вытекающий ток, достаточный для управления светодиодами:

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены