Разработка автономной системы управления поворотным столом

Введение………………………………………………………………………………..3
1 Назначение и технические характеристики поворотного стола СК36-1202…….5
2 Математические модели синхронного электродвигателя
с постоянными магнитами на роторе…………………………………………………7
3 Математическая модель кинематической цепи
передачи движения планшайбе поворотного стола ……………………………….14
4 Обобщенная математическая модель прецизионного поворотного
стола как объекта системы автоматического управления .……………….....….…24
5 Структурная схема следящего электропривода прецизионного поворотного
стола СК36-1202………………………………………………………………………28
6 Параметрический синтез регуляторов следящего электропривода
поворотного стола ……………………………………………………………………37
7 Компьютерное моделирование электропривода поворотного стола
СК36-1202…………………………………………………………………………...…44
8 Обеспечение автономного управления поворотным столом
с помощью электропривода Simovert Masterdrives
Motion Control …………………………………………………….………………..…48
9 Методика проведения и результаты натурных испытаний поворотного
стола СК36-1202………………………………………………………………………61
Заключение……………………………………………………………………………72
Библиографический список………………………………………………………..…73

Весь текст будет доступен после покупки

Станкостроительная промышленность относится к числу базовых отраслей промышленности. Она является одной из важнейших фондообразующих отраслей, техническое состояние которой во многом определяет уровень развития всей отечественной экономики и в том числе оборонной промышленности. Формируя парк технологического оборудования, составляющей главную долю активной части основных производственных фондов в машиностроении и металлообработке, станкостроение определяет уровень производительных сил общества, является одной из главных составляющих научно- технического прогресса, влияет на уровень материальных и трудовых затрат в экономике страны. Все индустриальные страны мира считают развитие собственного станкостроения одним из приоритетов государственной промышленной политики.
Поворотные столы, как правило, используются в металлобрабатывающих станках как дополнительные элементы, позволяющие расширить количество координат и обеспечить большие функциональные возможности станков. В этом случае поворотный стол управляется от устройства числового программного управления станка как дополнительная координата.
Однако, существуют области применения поворотных столов как самостоятельного отдельно стоящего оборудования. В этом случае становится актуальной задача обеспечения их автономного управления без устройства ЧПУ за счет соответствующего подбора следящего электропривода и его функциональных возможностей.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Назначение и технические характеристики поворотного стола СК36-1202

Поворотный стол СК36-1202 (рисунок 1.1) предназначен для выполнения следующих металлообрабатывающих операций: расточки, сверления, развертывания, нарезки резьбы, чистового фрезерования [1].



Рисунок 1.1 – Прецизионный поворотный стол модели СК 36-1202

Наличие точной измерительной системы отсчета координат стола позволяет выполнять высокоточные контрольно-измерительные операции.
Конструкция стола позволяет вести обработку корпусных деталей с заданными высокими требованиями к точности расположения обрабатываемых поверхностей. Обработку деталей можно производить при горизонтальном и вертикальном положении стола. Стол предназначен для точной обработки деталей без специальной оснастки (в том числе для обработки кондукторов и приспособлений).
Кинематическая схема поворотного стола представлена на рисунке 1.2.


Рисунок 1.2 – Кинематическая схема поворотного стола

Планшайба стола, с закреплённой на ней деталью, может совершать вращательное движение вокруг вертикальной оси I. Планшайба 1 приводится во вращение синхронным электродвигателем 1 через муфту 2, вал II, червячную передачу 3 - 4. Зажим планшайбы осуществляется от гидроцилиндра. Работой гидроцилиндра управляет трехпозиционный гидрораспределитель давления с пружинным возвратом золотника, имеющим три рабочие позиции. Органом управления золотника является герметичный электромагнит постоянного тока.
Управление синхронным электродвигателем 1 осуществляется от частотного преобразователя, управляемого микроконтроллером (в автономном режиме), либо от системы числового программного преобразователя (ЧПУ), в случае дополнительной управляемой координаты станка. Синхронный электродвигатель оснащен инкрементальным фотооптическим датчиком угла поворота, выдающим 2048 импульсов на оборот вала двигателя. С учетом коэффициента редукции червячной передачи одному импульсу датчика положения ротора двигателя соответствует 7 угловых секунд.
Для точного отсчета углов поворота планшайбы может дополнительно устанавливаться преобразователь угловых перемещений ЛИР 390А, базирующийся на оси планшайбы и способный обеспечивать точность измерения угла поаорота планшайбы до 0,7 угловых секунд.
Кинематическая цепь передачи движения от двигателя 1 к планшайбе содержит редуктор с люфтом. Последний решает задачу термокомпенсации при эксплуатации стола и является обязательным, кроме того имеется дополнительная погрешность, связанная с накопленной зубцовой погрешностью в редукторе.
Для корректного синтеза системы управления поворотным столом необходимо найти его математическую модель, которая будет включать в себя математическую модель синхронного двигателя и математическую модель механической части стола.

2 Математические модели синхронного электродвигателя
с постоянными магнитами на роторе

На практике в основном применяют два способа регулирования скорости синхронного электродвигателя: изменением частоты питающего напряжения (тока), подаваемого на статорные обмотки; изменением амплитуды напряжения при коммутации статорных обмоток по датчику положения ротора (режим вентильного электродвигателя или бесколлекторного электродвигателя постоянного тока). В существующей литературе [2 – 6] терминам вентильный двигатель и бесколлекторный двигатель постоянного тока присваивают различные значения. Очень часто вентильный двигатель и бесколлекторный двигатель постоянного тока отождествляют между собой. В данной работе мы будем говорить об управлении синхронной машины в режиме вентильного двигателя (ВД), если при этом используется датчик положения ротора с малой разрешающей способностью (6 дискрет на оборот при числе пар полюсов машины ). Под режимом бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ) будем понимать управление синхронной машиной, оснащенной датчиком положения ротора с высокой разрешающей способностью (1024 дисрет на оборот и более).
Существуют различные подходы к математическому описанию синхронных электродвигателей с постоянными магнитами на роторе.
Самый простой подход основывается на том, что в режиме ВД и БДПТ синхронная машина по своим характеристикам и принципам управления очень похожа на традиционный двигатель постоянного тока, и ее математическая модель по аналогии представляется передаточной функцией [4, 6]:
, (1.1)
где – изображение скорости ротора двигателя; с – изображение напряжения, подаваемого на статорные обмотки; – электромагнитная постоянная времени цепи статора; – электромагнитная постоянная времени двигателя; – комплексная переменная.
В другом подходе для описания динамических режимов работы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе при любом способе управления его скоростью обращаются к модели обобщенной двухфазной машины переменного тока (рис. 2.1) [3, 7, 8].

Рисунок 2.1 – Расчетная модель двухфазного синхронного электродвигателя
с постоянными магнитами на роторе

При этом известными способами [3] переходят к условному векторному описанию синхронного электродвигателя. В рассмотрение вводятся две системы координат: и . Система координат неподвижна и связана с обмотками статора. Поскольку векторы удобно записывать в комплексной форме, то введены действительная и мнимая оси, причем действительная ось направлена по оси . Система координат связана с обмоткой ротора синхронной машины.
В электроприводах с большим диапазоном регулирования скорости применяют способ управления синхронным электродвигателем по сигналам датчика положения ротора, привязанного к магнитной системе машины [4]. Как правило, в этом случае управление скоростью синхронного электродвигателя производят изменением амплитуды (действующего значения) напряжения на обмотках статора. В этом режиме в синхронном двигателе поддерживают пространственный угол между векторами потокосцепления ротора и статора близким к 90°, а скорость магнитного поля практически совпадает со скоростью вращения ротора.
Векторное уравнение для обмотки статора синхронной машины, работающей в этом режиме (режиме БДПТ), в системе координат , вращающейся вместе с ротором, запишется следующим образом:
, (2.1)
где – активное сопротивление обмотки статора; , и – векторы напряжения, тока и потокосцепления статора, соответственно; – скорость вращения ротора синхронного двигателя; – мнимая единица.
Уравнение (2.1) переписывают в проекциях на оси и :
(2.2)
При этом учитывают, что в рассматриваемом случае
(2.3)
где – собственная индуктивность эквивалентной обмотки статора; – потокосцепление возбуждения от постоянных магнитов ротора.
Выражая из (2.3) проекции вектора тока статора , и подставляя их в (2.2), получают систему уравнений цепи статора синхронного двигателя, выраженную через однородные переменные:
(2.4)
С учетом того, что реальный трехфазный синхронный электродвигатель с помощью трехфазно-двухфазного преобразования можно свести к обобщенной двухфазной модели, момент, развиваемый синхронной машиной [3]:
, (2.5)
где – сопряженный вектор потокосцепления статора; – число фаз обмотки статора.
Определяя мнимую часть произведения векторов в (2.5), получают
. (2.6)
Систему уравнений (2.4) и (2.6) необходимо дополнить главным уравнением движения электропривода
, (2.7)
где – приведенный к валу электродвигателя момент инерции; – момент сил сопротивления
Уравнения (2.4), (2.6) и (2.7) дают полное описание синхронной машины с постоянными магнитами на роторе, работающего в режиме БДПТ:
(2.8)
При переходе в (2.8) к операторной форме записи получают
(2.9)
где – электромагнитная постоянная времени цепи статора; где – оператор дифференцирования.
Система уравнений (2.9) позволяет построить структурную схему синхронной машины с постоянными магнитами на роторе, работающей в режиме БДПТ (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Структурная схема синхронной машины с постоянными магнитами на роторе, работающей в режиме БДПТ, как объекта управления

Синхронный электродвигатель представляет собой нелинейный объект управления, что вызвано наличием множительных звеньев. Упрощенная линеаризация системы уравнений (2.9) в районе некоторой рабочей точки с координатами и дает следующий результат:
(2.10)
Системе уравнений (2.10) соответствует линеаризованная структурная схема, представленная на рис. 2.3.


Рис. 2.3. Линеаризованная структурная схема синхронной машины с постоянными магнитами на роторе, работающей в режиме БДПТ

Полученная структурная схема позволяет найти передаточные функции синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе как по управляющему воздействию , так и по отношению к основному возмущению .

Весь текст будет доступен после покупки

1. Паспорт на прецизионный поворотный стол (кантуемый) модели СК 36-1202
2. Терехов В. М. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. М. Терехов, О. И. Осипов; Под ред. В. М. Терехова. – М.: Издательский центр «Академик», 2005. – 304 с.
3. Михайлов О. П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. – М.: Машиностроение, 1990. – 304 с.
4. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. – Горький: Волго-Вятское кн. издательство, 1989. – 319 с.
5. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. – М.: Академия, 2006. – 265 с.
6. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. – СПб.: Энергоатомиздат, 1994. – 496 с.
7. Лысов М. С., Стариков А. В., Стариков В. А. Линеаризованная математическая модель синхронного электродвигателя при различных способах управления его скоростью / Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки», №1 (16) – 2008. – Самара: СамГТУ, 2008. – С. 102 – 107.
8. Лисин С.Л. Структурно-параметрический синтез быстродействующего следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем: дис. … канд. техн. наук / С.Л. Лисин. – Самара: СамГТУ, 2016. – 179 с.

Весь текст будет доступен после покупки