Управление углом поворота вала (7 видео)

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.

Видео:Шарнирно-рычажный механизм Чебышева | Compliant mechanismsСкачать

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.

Видео:Карданная передача, основы. Карданные шарниры не равных и равных угловых скоростей (ШРУСы)Скачать

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]

Видео:Энкодеры. Подробный обзор с экспериментами!Скачать

(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 ]

Видео:Почему нужно калибровать датчик угла поворота рулевого колеса?Скачать

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)

Видео:Курс автодиагностики, Что такое угол опережения зажигания, Как он разрушает мотор?Скачать

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

Видео:На панели значок неисправности ESP, EPC и другие: как можно самому отремонтировать (Видео 84)Скачать

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