Угол поворота вала двигателя

Фх — ф2; Jnp JiJJiJi Л) — приведенный момент инерции; ф — угол поворота вала двигателя ; ф2 — угол поворота входного вала машины; J-i и У2 — моменты инерции двигателя и машины, приведенные к валу муфты; М ( f) — нагрузка со стороны машины. [16]

Предположим, что Двигатель приводит в движение инерционную нагрузку L / s26, где 0 — угол поворота вала двигателя . [18]

J — момент инерции якоря и нагрузки, приведенный к валу двигателя; Мс — момент сопротивления; а — угол поворота вала двигателя — управляемая координата; t — реальное время. [19]

При осуществлении остановки подвижного узла в заданном положении большое влияние на точность остановки ( повторяемость) имеет не столько сам угол Yr поворота вала двигателя за период торможения, сколько колебания величины этого угла вследствие изменения значения скорости, с которого начинается процесс торможения, и динамического момента. [20]

Примером интегрирующего эвена является электродвигатель с ничтожно малыми постоянными времени, если входной величиной считать управляемое напряжение, а выходной — угол поворота вала двигателя . [21]

Как мы видели на примере следящей системы ( рис. 15), входной величиной является угол рассогласования между сельсином-датчиком и сельсином-приемником; выходной величиной является угол поворота вала двигателя . Очевидно, что чем больше будет коэффициент усиления, тем меньший угол рассогласования будет нужен для обеспечения заданной постоянной скорости слежения. Угол рассогласования между сельсином-датчиком и сельсином-приемником при постоянной скорости слежения называют установившейся динамической ошибкой. Если коэффициент усиления есть отношение скорости выходной величины к единице возмущения на входе, то динамической ошибкой называют величину, обратную коэффициенту усиления. [23]

Интегрирующему звену, как уже отмечалось, соответствуют некоторые типы исполнительных механизмов, если за входную координату принять напряжение на обмотке управления и за выходную — угол поворота вала двигателя при пренебрежении электрической постоянной времени двигателя. [24]

Под воздействием усиленного сигнала управления двигатель приходит в движение. Угол поворота вала двигателя 6Т передается объекту регулирования ( нагрузке) Н и одновременно через обратную связь элементу сравнения С. [25]

В устройствах первого вида зажатие осуществляется главным образом за счет кинетической энергии быстровращающихся частей привода. Привод этих устройств имеет кинематическую цепь с малым передаточным числом и, следовательно, высокую скорость перемещения зажимных элементов; угол поворота вала двигателя в процессе зажима ад составляет обычно не более двух оборотов. [26]

На вход астатической части регулятора подается полное напряжение сигнала, снимаемое непосредственно с реостатного датчика Ra. В анодную цепь этой лампы в качестве нагрузки включена управляющая обмотка конденсаторного двигателя ДИз — Выходной величиной астатической части регулятора является угол поворота вала двигателя Диз или, в конечном счете, перемещение движка переменного сопротивления R2, который связан с валом двигателя через редуктор. Средняя скорость вращения вала двигателя пропорциональна времени изо-дрома. [27]

ПШД требуют различных систем управления, но практически все типы двигателей и систем управления можно рассматривать как устройство с двумя двоичными входами и одним выходом. Входными величинами являются сигналы приведения двигателя в движение и смены направления вращения. Выходным сигналом служит угол поворота вала двигателя . [28]

В качестве объекта автоматического регулирования электрический двигатель работает в самых разнообразных режимах. К наиболее частым относятся случаи, когда: а) скорость вращения двигателя поддерживается постоянной независимо от изменения нагрузки; б) скорость вращения двигателя меняется по заранее заданному закону и в) скорость вращения двигателя меняется по случайным законам, зависящим от изменения некоторых других величин. Существуют также системы, где регулируется не скорость вращения, а угол поворота вала двигателя ; при этом изменение угла может осуществляться по одному из указанных для изменения скорости вращения законов. [29]

Заметим, что практическая реализация звена с бесконечно большой чувствительностью не обязательно связана с бесконечно большим усилением. Бесконечно большую чувствительность ( для установившегося режима измерения) имеют астатические ( интегрирующие) звенья, если учесть, что при сколь угодно малой величине входного сигнала их выходной сигнал непрерывно нарастает и с течением времени стремится к бесконечности. Примером астатического звена первого порядка служит идеальный электродвигатель ( с моментом трения, равным нулю), если принять за входную координату подаваемое напряжение, а за выходную — угол поворота вала двигателя . [30]

Motorhelp.ru диагностика и ремонт двигателя

Основы теории двигателя внутреннего сгорания. Часть 1

Основные понятия и сокращения
Дроссельная заслонка (ДС) – металлическая пластина, жестко соединенная с педалью «газа». При нажатии педали она открывается и в карбюратор или во входной коллектор системы впрыска засасывается больше воздуха, вызывая увеличение оборотов коленчатого вала двигателя.
Топливно-воздушная смесь (ТВС) или горючая смесь – смесь бензина с воздухом приготовляемая карбюратором или системами впрыска, и подаваемая в предклапанную зону Двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Рабочая смесь – смесь ТВС с остаточными газами, которая поджигается свечами зажигания и сгорает в камере сгорания двигателя, приводя в движение поршни и коленчатый вал.
Угол поворота коленчатого вала (УПКВ) – поскольку скорость вращения коленчатого вала изменяется в зависимости от скорости автомобиля, то и длительность процессов, происходящих в работающем двигателе тоже непостоянна и зависит от скорости вращения коленчатого вала. В связи с этим величиной однозначно характеризующей длительность отдельных этапов работы ДВС является УПКВ. Например, полный цикл работы четырехтактного ДВС составляет два оборота коленчатого вала, или 720º УПКВ.
Угол опережения зажигания (УОЗ) – один из основных параметров работы двигателя. Дело в том, что время горения рабочей смеси величина вообще говоря постоянная. Конечно она изменяется в зависимости от качества топлива, характеристик ТВС, температуры, формы и размеров КС и др., но для конкретного двигателя с исправной системой питания она является почти константой. Но так как скорость вращения коленвала постоянно меняется, то и угол опережения зажигания необходимо постоянно подстраивать так, чтобы воспламенение смеси происходило в тот момент, когда поршень находится близко к верху цилиндра (верхней мертвой точке ВМТ). Если же угол опережения зажигания выставлен неправильно, то возможны два случая:
— если УОЗ мал, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень еще не дошел до ВМТ и энергия тратится не на разгон двигателя, а на его торможение. При этом металл камеры сгорания (КС) и клапанов сильно разогреваются, и возникает явление детонации в цилиндрах;
— если УОЗ слишком велик, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень уже прошел ВМТ и под действием инерции маховика идет назад. При этом энергия горения рабочей смеси воздействует на поршень не все время рабочего хода, а только его часть, что значительно снижает мощность двигателя и приводит к перерасходу топлива.
Для обеспечения максимальной мощности ДВС необходимо, чтобы УОЗ был бы как можно меньше, но при этом его значение не переходило ту грань, за которой начинается детонация. Поэтому значение УОЗ выражается формулой , где – установочный угол опережения зажигания, – поправка УОЗ.
Установочный УОЗ определяется по характеристикам двигателя и выставляется или корректируется вручную при установке зажигания. Поправка УОЗ многофункциональна. Она зависит от частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, качества топлива и т.д.
Подробнее про УОЗ здесь.
Детонация – взрывное воспламенение рабочей смеси и ее сгорание со скоростью значительно превышающей обычную скорость сгорания. Сопровождается характерным металлическим стуком и перегревом двигателя. Может привести к повреждению поршней, зеркала цилиндра, клапанов и свечей зажигания.
Электронный блок управления двигателем ЭБУ – предназначен для управления работой ДВС путем анализа информации получаемой от различных датчиков, расположенных в разных местах двигателя, и управления его работой с помощью исполнительных устройств. Главные параметры, с помощью которых ЭБУ воздействует на ДВС, это изменение угла опережения зажигания и количество впрыснутого топлива (качество горючей смеси).
Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом двигателя называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности – «впуск», «сжатие», «рабочий ход», «выпуск».
Объем, освобождаемый поршнем при движении от верхней мертвой точки ВМТ к нижней мертвой точке НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Суммарный рабочий объем всех цилиндров называется литражом двигателя. Объем над поршнем в ВМТ называется объемом камеры сгорания КС. Отношение полного рабочего объема к объему КС называется степенью сжатия. Характеристики работы блока цилиндров представлены в таблице 1.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выражаемые в углах поворота коленчатого вала УПКВ, называется фазами газораспределения. Момент, когда открыты оба клапана, называется углом перекрытия клапанов в районе ВМТ. Сжатие необходимо для создания оптимальных условий горения, для увеличения температуры перепада цикла, для увеличения КПД ДВС.

Читайте также: Прошивка под валы змз про

Таблица 1. Характеристики работы блока цилиндров

Название такта	Угол поворота коленчатого вала	Впускной клапан	Выпускной клапан	Температура КС, ºC	Давление в КС, атм.
Впуск	0…180	Открыт	Закрыт	80-120	0. 8

Сжатие180…360ЗакрытЗакрыт200-4006-12Раб. ход360. 540ЗакрытЗакрыт200040-50

Процесс сгорания топлива
І. Момент подачи искры – угол задержки зажигания. Период задержки воспламенения 4…6º УПКВ зависит от химического состава топлива и состава ТВС. При увеличении этого времени ухудшается стабильность воспламенения. На этот период влияет состав ТВС, степень сжатия, количество остаточных газов, обороты, нагрузка, энергия искры.
II. Период эффективного горения – 20…30º УПКВ – зависит от состава ТВС, угла опережения зажигания, нагрузки, степени сжатия, формы КС, скорости завихрения потока, степенью нарастания давления. Если Р25º УПКВ, то горение идет медленно.
III. Период догорания – на процесс горения влияют скорость распространения фронта пламени. Она зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, место расположения свечи, степени завихрения потока. При обогащении смеси скорость фронта пламени падает из-за неполного сгорания, при обеднении скорость падает из-за дополнительных затрат теплоты на нагревание избыточного воздуха.

Начальная температура воспламенения топливно-воздушной смеси (ТВС)
При увеличении температуры ТВС увеличивается скорость распространения фронта пламени за счет увеличения скорости химических реакций.
За счет увеличения степени сжатия увеличивается одновременно температура и давление ТВС и снижается количество остаточных газов, что увеличивает скорость распространения пламени.
Форма КС влияет на длину фронта пламени и на теплообмен. Чем меньше отношение площади КС к ее объему, тем меньше потери тепла, следовательно, скорость распространения фронта пламени выше.
Угол опережения зажигания должен обеспечить окончание сгорания вблизи ВМТ (10…15º УПКВ), поэтому момент воспламенения смеси должен меняться в зависимости от состава ТВС и нагрузки. При увеличении оборотов двигателя угол опережения зажигания увеличивается.

Основная характеристика ТВС
Расчет состава смеси базируется на соблюдении стехиометрического соотношения количества топлива и воздуха: на один килограмм бензина требуется 14,7 кг воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен:

где – количество воздуха, поступившее во впускной коллектор
λ>1 – обедненная смесь
λ Вернуться Комментариев: 0

Курсовая работа: Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя

Севастопольский Национальный Технический Университет

Кафедра Технической кибернетики

по курсу «Проектирование систем автоматического управления»

«Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя»

1 Настоящее техническое задание распространяется на разработку и испытание подсистемы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя.

2 Основанием для разработки является рабочий план курса «Проектирование систем автоматического управления».

3.1 Состав системы и требования к конструктивному устройству

3.1.1 Основные части и их назначение:

Датчики (2 шт.) – преобразование угла поворота в электрическое напряжение;

Усилитель напряжения (1 шт.) – формирование ошибки регулирования;

Усилитель мощности (1 шт.) – усиление мощности сигнала, поступающего на двигатель;

Электродвигатель (1 шт.) – исполнительное устройство.

3.1.2 Габариты не должны превосходить размеров 300х200х400 (мм).

3.1.3 Масса не должна превосходить 20 (кг).

3.2 Требуемые показатели качества и точности

Ошибка воспроизведения полиномиального сигнала |e_¥ (t)| 0.06;

Ошибка воспроизведения гармонического сигнала |e_S | 0.06;

Ошибка от помехи |e_N | 0.5;

Минимальная частота помехи = 310 (рад/c);

Время регулирования t_Р 2 (с);

Перерегулирование системы s 15%.

3.3 Номинальный режим работы

Момент инерции нагрузки = 0.5 (кг×м 2 );

Максимальная скорость вращения (рад/с);

Максимальное значения ускорения движения нагрузки (рад/с 2 );

Максимальный статический момент сопротивления нагрузки (Н×м); Требования к надежности

Средний срок безотказной работы 10000 часов.

Возможность устранения неполадок, заменой основных частей и их элементов.

3.5.1 допускаемые кратковременные воздействия климатических факторов

Рабочий диапазон температур 0 0 С 0 C;

Максимальное атмосферное давление 900 (мм рт. ст.);

Относительная влажность – 80% при температуре окружающей среды 20 0 C;

Постоянная перегрузка не более 10g;

Переменные перегрузки не более 5g;

Затраты на проектирование неограниченны. Источники финансирования не определены.

Порядок испытаний и ввода в действие

5.1 Провести проверку и контроль параметров

Осуществить контроль сопротивлений и электрической прочности изоляции токоведущих цепей и обмоток электродвигателя;

Осуществить контроль нагрева обмоток или других частей электродвигателя;

Осуществить оценку возникающих при работе машин шумов и вибраций, а также радиопомех.

Осуществить проверку точности отработки заданного угла поворота

Провести ряд испытаний с измерением угла поворота j;

Убедиться в соответствии угла поворота j и заданного угла j_ЗАД .

Севастопольский Национальный Технический Университет

Кафедра Технической кибернетики

по курсу «Проектирование систем автоматического управления»

«Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя»

1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

2 ВЫБОР И РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

2.2 Расчет параметров передаточной функции двигателя

4 РАСЧЕТ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ЗВЕНА

4.1 Получение характеристик желаемой ЛАЧХ

4.2 Построение амплитудно-частотных характеристик

4.3 Нахождение передаточной функции регулятора

4.4 Проверка устойчивости и качеств переходного процесса

5 РЕАЛИЗАЦИЯ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Список используемых источников

Системы автоматического регулирования применяются во многих областях современной техники: в авиационной и космической промышленности, для работы в подводных и морских средах, в наземной технике.

Синтез системы автоматического регулирования состоит в выборе структуры и параметров систем регулирования объектами, которые в соответствии с заданными техническими условиями обеспечивают наиболее рациональные характеристики по запасам устойчивости, показателям качества и точности. Сложности решения данной проблемы заключается в том, что при проектировании систем необходимо учитывать множество дополнительных факторов: надёжность функционирования, массу и габаритные размеры, стоимость, возможность работы при вибрации, в агрессивных средах, при значительных перепадах температуры и влажности.

Проектирование представляет собой процесс создания технической документации, опытных образцов и моделей объекта.

Существуют особенности САУ как объектов проектирования. В отличие от других объектов машиностроения и приборостроения, являющимися обычно отдельными устройствами, САУ представляет собой систему из устройств, работающих в режиме управления заданным объектом: объект управления (регулирования), регулятор, или управляющая часть, поддерживает требуемый режим работы объекта управления либо изменяет этот режим в соответствии с заданным законом или программой управления.

При этом большой вес приобретают такие проектные процедуры, как анализ устойчивости, качества и точности САУ, синтез регулятора, построение математических моделей объектов регулирования. При проектировании САУ существенное значение приобретает физическая разнородность и возмущающих воздействий.

Цели и критерии проектирования имеют исключительно важное значение, так как они определяют и направляют весь процесс проектирования. Срок проектирования устанавливается с учетом наискорейшего достижения цели создания САУ на мировом уровне.

В ходе выполнения курсовой работы нужно спроектировать систему автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя (ЭД). Объектом управления такой системы является вращающийся вал, нагруженный моментом . Цель управления состоит в обеспечении угла поворота вала ЭД, близкого к заданной величине , которая может изменяться во времени. Для достижения этой цели необходимо спроектировать систему с обратной связью.

Оценки качества и точности проектируемой системы должны удовлетворять техническому заданию.

Первый этап проектирования состоит в выборе элементов этой системы и формировании функциональной схемы.

В курсовом проекте угол поворота вала ЭД должен измеряться с помощью датчика (Д) одного из следующих типов:

индукционные (сельсины, вращающиеся трансформаторы, следящие трансформаторы магнесины);

Назначение этих датчиков состоит в преобразовании угла поворота вала в электрическое напряжение U. Усилитель напряжения (УН) суммирует этот сигнал с заданным и формирует ошибку регулирования . Она усиливается по мощности с помощью усилителя УМ и подается на исполнительный двигатель. Соответствующая функциональная схема приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема электродвигателя

Электродвигатель как четырехполюсник характеризуется двумя входными параметрами: — напряжение в цепи якоря и — ток якоря и двумя выходными: М — момент вращения, W- угловая скорость вала. Эти характеристики связывают два уравнения четырехполюсника

(1.1)

где частные передаточные функции имеют вид

(1.2)

Уравнения (1.1), (1.2) следуют из дифференциальных уравнений двигателя

(1.3)

где — индуктивность и сопротивление якорной цепи,

— ток якоря,

J — момент инерции якоря и всех жестко соединенных с ним частей,

— электромагнитный вращающий момент двигателя,

M — момент сопротивления нагрузки, приведенной к валу двигателя.

Из приведенных уравнений следует структурная схема системы стабилизации, изображенная на рисунке 1.2, где обозначено

Wp(s) – передаточная функция регулятора;

N e — высокочастотные шумы,

(s) — передаточная функция двигателя по управлению от напряжения U до угловой скорости вращения якоря ,

(s)- передаточная функция двигателя по возмущению от момента сопротивления на валу двигателя до угловой скорости вращения якоря .

Рисунок 1.2 – Структурная схема системы стабилизации

(1.4)

Параметры этих передаточных функций могут быть определены по характеристикам пускового момента скорости холостого хода — :

(1.5)

Характеристики и приводятся в справочной литературе [1] или в технической документации.

Для обеспечения заданных максимальных значений скорости и ускорения движения нагрузки двигатель на валу должен развивать скорость и момент , определяемые выражениями [2], [3], [4]

(1.6)

, (1.7)

где и — моменты инерции двигателя и редуктора;

— момент инерции нагрузки;

-максимальный момент сопротивления нагрузки;

— передаточное число редуктора;

— коэффициент полезного действия редуктора.

Выбор исполнительного устройства будем осуществлять на основе минимизации требуемого момента инерции на валу двигателя и оптимизации ускорения движения нагрузки по передаточному числу редуктора.

Исходными данными для выбора двигателя являются:

момент инерции в нагрузке Jн= 0.5 (кг∙м 2 )

2) момент в нагрузке = 18 (Н×м);

скорость вращения (максимальная) в нагрузке (рад/с);

4) ускорение в нагрузке (рад/с 2 );

Определяем максимальный момент Мн и мощность Рн в нагрузке.

Мн=Jн × + , [Н×м] (2.1)

Рн=Мн × , [Вт] (2.2)

Требуемая мощность двигателя определяется по формуле:

По полученной мощности Рн определяем К.П.Д. из условия:

Так как Рн 0.8 при доверительной вероятности 0.7, наработке щеток 0.8, коэффициенте готовности 0.9.

длина – 385 мм, ширина – 125 мм, высота – 214 мм, масса – 16 кг.

Данный двигатель имеет технические данные:

номинальная мощность, при исполнении Рном = 370 [Вт]

максимальная частота вращения fmax = 4000 [об/мин]

номинальная частота вращения fном = 3000 [об/мин]

5) номинальный вращающий момент Мном = 1.2 [Н∙м]

момент инерции Jдв = 1.7×10 -2 [кг∙м 2 ]

Момент инерции вычисляется по формуле:

где Jр – момент инерции редуктора:

Jд = 0.1∙0.017+0.017=0.0187 [кг∙м 2 ]

Вычислим оптимальное число редуктора:

ip= (2.7)

ip== 23,88.

Определим максимальный момент двигателя по первой форме уравнения баланса – с использованием приведенного момента инерции:

Мдв ∙ан ∙ip + Мнс/ip ∙h , [Н∙м] (2.8)

где — момент инерции, приведенный к валу двигателя

Jд+, [кг∙м 2 ]

0.019 [кг∙м 2 ]

Мдв= 0.019∙2,1∙23,88+18/(23,88∙0.85)= 1.8 [Н∙м]

Рассчитаем перегрузочную способность по моменту:

Данное значение _м удовлетворяет условию _м 3.

Определим перегрузочную способность по скорости:

Данное значение ω удовлетворяет условию ω 1.3

Так как м (2.9)иω (2.10) удовлетворяют указанным ограничениям, то двигатель выбран правильно.

Электродвигатель как четырехполюсник характеризуется двумя входными параметрами: напряжением в цепи якоря и током якоря , и двумя выходными: моментом вращения и угловой скоростью вала . Эти характеристики связаны двумя уравнениями:

(2.11)

где — индуктивность и сопротивление якорной цепи;

— ток якоря;

— момент инерции якоря и всех, жестко соединенных с ним, частей;

— электромагнитный вращающий момент двигателя;

— момент сопротивления нагрузки, приведенной к валу двигателя.

Применив преобразование Лапласа к системе (2.11), получим:

(2.12)

(2.13)

Где

Легко показать, что .

W(s) = =1

Найдём передаточные функции — передаточную функцию двигателя по управлению от напряжения до угловой скорости и — передаточную функцию двигателя по возмущению.

(2.14)

Тогда (2.15)

При , имеем:

, (2.16)

В тоже время, , следовательно:

(2.17)

Выразим параметры передаточной функции через технические характеристики двигателя. Уравнение статической характеристики двигателя:

где u – неравномерность хода, другая важная характеристика ДПТ — жесткость механической характеристики двигателя b -1 . Жесткость определяет степень не параллельности ( угла наклона) характеристики.

где Мn – пусковой момент, когда угловая скорость равна нулю. Mn должен быть .

Передаточная функция в канале управления – это передаточная функция от напряжения до угловой скорости вращения якоря.

(2.18)

Где

Постоянная времени в цепи якоря Tя характеризует долю реактивной составляющей относительно активной.

(2.19)

Передаточная функция в канале возмущения – это передаточная функция от момента сопротивления на валу двигателя до той же самой угловой скорости. В тоже время, , следовательно:

(2.20)

где

Первая проблема – это проблема качества и точности, а, следовательно, проблема выбора коэффициента усиления k. Коэффициент усиления выбирается, исходя из требований точности, которые определяются ограничением на установившуюся ошибку. Необходимо учитывать действие момента нагрузки. Для этого рассмотрим следующую упрощенную структурную схему нашей системы стабилизации угла.

W f (s)

1/s

Мс ωf

W p (s)

W uω (s)

📽️ Видео