Разработка системы управления механизма передвижения тележки
Разработка системы управления механизма передвижения тележки
Федеральное
агентство по образованию
Государственное
образовательное учреждение
Высшего
профессионального образования
Донской
Государственный технический университет
Кафедра
«Робототехника и мехатроника»
УТВЕРЖДАЮ Зав.
кафедрой ..
«______»_____________2008
г.
ЗАДАНИЕ
на
курсовой проект
Студент
. Группа УМ-41
Тема:
«Разработка системы управления
механизма передвижения тележки»
Срок
предоставления проекта к защите «_____»____________2008г.
Исходные данные
для проектирования: Вариант № 19
Содержание пояснительной записки
курсового проекта:
~
Введение.
~
Техническое
задание.
~
Расчетно-конструкторская
часть.
~
Описание
работы системы управления.
~
Заключение.
Перечень графических материалов:
1.
Система
управления ТП. Схема электрическая принципиальная.
2.
Переходные
процессы.
Содержание
Введение
1 Техническое
задание
2 Расчетно-конструкторская
часть
2.1 Расчет
статической мощности при передвижении тележки с номинальным грузом
2.2 Выбор
двигателя
2.3 Выбор
редуктора
2.4 Выбор
схемы тиристорного преобразователя
2.5 Выбор
силового трансформатора
2.6 Расчет
параметров схемы и выбор тиристоров
2.7 Расчет
параметров контура нагрузки ТП
2.8 Расчет
и построение электромеханических характеристик
2.9 Выбор
тахогенератора
2.10 Определение
параметров структурной схемы ДПТ
2.11 Динамический
расчет системы привода
3 Описание
работы системы управления приводом
Заключение
Список
использованных источников
Введение
Целью данного курсового проекта является разработка мехатронного
устройства – тележки мостового крюкового крана.
Смысловая
её реализации заключается в создании универсальных, надёжных и долговечных
устройств, которые тем или иным образом помогали бы человеку решать
поставленные перед ним задачи. Для высокоточных производств очень важно иметь
хорошую точность позиционирования рабочего органа. Как и любая другая МС
состоит из электромеханической системы, которая представляет собой совокупность
электродвигательного и преобразовательного устройств, системы управления,
механической передачи и рабочего органа, предназначенная для приведения
рабочего органа в движение и управление этим движением по заданному алгоритму
посредствам микро ЭВМ или микроконтроллера. Свойства электромеханической
системы определяются взаимосвязанными характеристиками элементов и образующих
её подсистем (механической, электрической и магнитной). Поэтому при этапном
проектировании электромеханической системы особое внимание уделяется выбору
электромеханической элементной базы, электродвигателей и информационных и
силовых полупроводниковых преобразователей, статических и динамических
характеристик, как силовых исполнительных элементов, так и системы управления
при исследовании качества регулирования электромеханической системы с
использованием микроконтроллеров или ЭВМ.
Целью управления может быть решение двух обобщенных задач – поддержание
некоторых параметров в определенных диапазонах и регулирование значений
выходных переменных по требуемому закону.
В каждой из этих задач управляющей системе требуется сформировать
выходное воздействие, реализация которого компенсирует образовавшуюся ошибку
управления.
1
Техническое задание
Разработать систему управления
механизмом передвижения тележки мостового крюкового крана (мехатронного
объекта) с техническими характеристиками:
Вариант..…………………………………………...……..………………..…………19
|
Режим работы
механизма…………………………………………………...………Е3
|
Номинальная
грузоподъемность, Gн, т……………………………………...……..4,9
|
Сила тяжести самого
механизма передвижения (тележки), G0, кН………...……1,9
|
Скорость передвижения
тележки, Vт, м/с……………………………………..…0,53
|
Диаметр ходового колеса
тележки, Dкт, м…………………………………….….0,4
|
Диаметр цапфы ходового
колеса, dцк, м………………………………………...0,058
|
Относительная
продолжительность включения механизма, ПВ, %.....................600
|
Номинальная скорость
вращения двигателя, nн, об/мин…………………………3,0
|
Число включений в час, z………………………………………………………......240
|
Скорость вращения вала
рабочего органа кранового механизма, Ωм, рад/с…….2,7
|
Значение перерегулирования,
σ,
%............................................................................18
|
Допустимая статическая
погрешность, δ……………………………………….0,03
|
Время переходного процесса,
tпп, с……………………………………………….0,15
|
Рисунок
1.1 –Тележка мостового крюкового крана
2
Расчетно-конструкторская часть
2.1 Определим статическую мощность
при передвижении тележки с номинальным грузом
кВт,
(2.1)
где G – сила тяжести перемещаемого груза, Н;
Н,
(2.2)
g – ускорение свободного падения, м/с2;
G0 – сила тяжести самого механизма передвижения, Н;
v – скорость передвижения, v=0,53 м/с;
Rk – радиус ходового колеса с цилиндрическим ободом, м;
d – диаметр шейки оси ходового колеса, d=0,058 м;
k – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления движению
из-за трения реборд ходовых колес о рельсы, k=2,0.
μ – коэффициент трения
скольжения в подшипниках опор вала ходового колеса, μ=0,02 для подшипников
качения;
η – КПД механизма
передвижения
f – коэффициент трения качения ходовых колес по рельсам, f=0.0004 м.
.
Определяем предварительную номинальную
мощность электродвигателя
,
кВт. (2.3)
где kt – коэффициент, зависящий от номинального режима
работы, kt=1,15 для тяжелого режима;
.
2.2 Выбор двигателя
Предварительный
выбор двигателя производят по результатам расчета номинальной мощности.
Окончательно
требуется выбрать только один из четырех двигателей. Для этого необходимо
построить энергетические характеристики каждого, а затем (по необходимым
условиям и параметрам) выбрать соответствующий тип.
Таблица
2.1– Номинальные параметры выбранных двигателей
Тип
двигателя
|
Uном
|
nном
|
Рн
|
Rя
|
Iном
|
η
|
Jдв
|
В
|
об/мин
|
кВт
|
Ом
|
А
|
---
|
кг·м2
|
П11
|
220
|
3000
|
0,7
|
3,56
|
4,3
|
0,735
|
0,012
|
П21
|
220
|
1500
|
0,7
|
5,33
|
4,3
|
0,735
|
0,045
|
П31
|
220
|
1000
|
0,7
|
5
|
4,25
|
0,75
|
0,085
|
П32
|
220
|
750
|
0,7
|
4,4
|
4,2
|
0,76
|
0,105
|
Для построения
энергетической характеристики каждого двигателя необходимо рассчитать следующие
параметры:
·
Номинальную
угловую скорость двигателя:
рад/с,
(2.4)
где n – номинальная частота вращения двигателя.
рад/с. рад/с.
рад/с. рад/с.
·
Номинальный
вращающий момент двигателя:
Н·м.
(2.5)
Н·м. Н·м.
Н·м. Н·м.
Так как двигатель постоянного тока
допускается перегружать по току в раза, то значение расчетного крутящего момента
можно принять равным .
Построение
характеристик выполняется в координатах Ω(М),Рэнерг(М)
Рисунок
2.1 – Энергетические характеристики выбранных двигателей
o
Требуемый
момент
Н·м,
(2.6)
Н·м.
o
Требуемая
угловая скорость
рад/с,
(2.7)
рад/с.
Расчет ориентировочного значения
передаточного числа редуктора
,
(2.8)
, ,
, .
Определение ожидаемой линейной
скорости на выходе редуктора с ориентировочным передаточным числом
м/с,
(2.9)
м/с.
м/с.
м/с.
м/с.
Полученные значения удовлетворяют
принятому условию: .
Исходя из
массогабаритных параметров, требований, ограничений, связанных с выбором
редуктора, выбираем двигатель с номинальной мощностью 700 Вт и частотой
вращения 750 об/мин, т. е. двигатель П32
Определение
реального передаточного числа и пересчет линейной скорости с учетом редуктора.
Реальное
передаточное число выбирается из ряда (для двухступенчатых соосных редукторов):
8, 10, 12.5, 16, 20, 25, 28, 31.5, 40, 50.
Соответственно
выбираем для двигателя П32 ближайшее наибольшее
передаточное
число, .
Пересчитываем линейную скорость
м/с,
(2.10)
м/с.
Полученная скорость должна
удовлетворять условию:
,
(2.11)
.
2.3 Выбор
редуктора
Выбор редуктора
осуществляется по параметрам выбранного двигателя и рассчитанным
характеристикам: ,
кВт, Н·м.
Выбираем редуктор
двухступенчатый соосный типа Ц2С-100 с основными параметрами:
1.
Крутящий
момент на тихоходном валу, Н·м………..…..…….500
2.
Межосевое
расстояние, мм………………………………...……100
3.
Передаточное
число…………………………………………..…31,5
4.
Допускаемая
радиальная нагрузка на выходных концах валов, кН:
·
быстроходного…………………………………………….1,0
·
тихоходного………………………………………….……..5,6
5.
КПД,
%………………….………………………………………..0,98
Масса,
кг………………………..…………………………………..……45
2.4 Выбор схемы тиристорного
преобразователя
Таблица
2.2 – Номинальные параметры схемы преобразователя
Схема
преобразователя
|
Ке
|
К0
|
Кic
|
Ктэ
|
Кт
|
Кi1
|
Ктр
|
Кi2
|
m
|
λ
гр.
эл.
|
Трехфазная
мостовая схема Y/λ
|
0,42
|
1,04
|
0,33
|
0,58
|
1,05
|
0,81
|
0,81
|
1,05
|
6
|
60
|
где Ке
– отношение действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора к
наибольшему значению средней выпрямленной ЭДС; К0 – отношение
максимального обратного напряжения на тиристоре к выпрямленной ЭДС; Кic – отношение среднего значения тока
тиристора к среднему значению выпрямленного тока; Ктэ – отношение
действующего значения тока тиристора к среднему значению выпрямленного тока; Кт
– отношение типовой мощности трансформатора к мощности на стороне выпрямленного
тока; Кi1 – отношение действующего значения
тока фазы первичной обмотки трансформатора, к числу витков вторичной обмотки, к
среднему значению выпрямленного тока, Ктр – коэффициент
трансформации трансформатора; Кi2 – отношение действующего значения тока фазы вторичной
обмотки трансформатора к среднему выпрямленному току; λ – предельный угол
проводимости тиристора; m – число фаз.
2.5 Выбор силового трансформатора
Определим фазную
ЭДС вторичной обмотки силового трансформатора
В.
(2.12)
где Кс
– коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение напряжения сети, ; Кr – коэффициент, учитывающий падение
напряжения на тиристорах и обмотках трансформатора, ; Кα – коэффициент,
учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале, .
В.
Определим действующее значение тока
вторичной обмотки силового трансформатора
А.
(2.13)
где Кi – коэффициент непрямоугольности,
учитывающий отклонение формы кривой тока от прямоугольной, , Id – действующий выпрямленный ток, А.
А.
Определим действующее значение тока
первичной обмотки
А. (2.14)
Расчетная типовая мощность
трансформатора
Вт.
(2.15)
Вт.
По расчетной
параметрами мощности Ртр подбираем трансформатора типа ТС-1 со
следующими основными:
~
номинальная
мощность трансформатора, S1н, кВт………...……1,0
~
номинальное
линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, U2н, В…………………………………………………...……170
~
напряжение
короткого замыкания, Uкз, %...………………...……10
~
мощность
при коротком замыкании, ΔРкз/S1н, %..…………...……5
2.6 Расчет параметров схемы и выбор тиристоров
Определим среднее
значение тока тиристора
,
А. (2.16)
А.
Определим
максимальную величину обратного напряжения
, В.
(2.17)
где Кα
– коэффициент запаса по углу управления тиристоров, ; Ed0 – выпрямленная ЭДС преобразователя, В.
В.
Кратковременный
допустимый ток, проходящий через тиристор, не должен превышать 15-кратного
значения номинального тока тиристора IТН
,
(2.18)
где Iкз – величина тока, проходящего через
тиристор при коротком замыкании на стороне постоянного тока,
. (2.19)
.
Определим максимальное напряжение для
выбора класса тиристоров
В.
(2.20)
В.
Выбираем тиристоры КУ211Ж 5-го
класса, имеющие основные параметры:
·
средний
ток в открытом состоянии, It=10А;
·
максимальное
обратное напряжение, Utmax=500 В;
·
отпирающее
постоянное напряжение управления, =7 В.
2.7 Расчет параметров контура
нагрузки ТП
Находим расчетное
сопротивление цепи якоря двигателя, питаемого от тиристорного преобразователя
через силовой трансформатор
Ом,
(2.21)
где Rур – сопротивление уравнительного реактора, Ом,
Определим линейное напряжение
вторичной обмотки U2л
В,
(2.22)
В.
Определим сопротивление обмоток
силового трансформатора Rт
Ом,
(2.23)
Ом.
Найдем фазный ток вторичной обмотки Iф2
А,
(2.24)
А.
Полное сопротивление обмоток силового
трансформатора
Ом,
(2.25)
Ом.
Реактивное сопротивление обмоток
силового трансформатора Xт
Ом,
(2.26)
Ом.
Приведенная к
цепи постоянного тока индуктивность силового трансформатора Lт будет определена, как
Гн,
(2.27)
Гн.
Определение сопротивление щеточного
контакта
Ом, (2.28)
Ом.
Определим сопротивление, вносимое за
счет коммутации тиристоров в схеме
Ом, (2.29)
Ом.
Ом.
Определим
эквивалентную индуктивность якорной цепи
Гн.
(2.30)
Определим индуктивность сглаживающих
дросселей Lур
Гн,
(2.31)
где Кур = 0,65 –
коэффициент уравнительного реактора.
В,
(2.32)
В.
А.
(2.33)
А.
Гн.
Найдем индуктивность якорной цепи Lя
Гн,
(2.34)
где С = 0,6 для компенсированной
машины; р – число пар полюсов, р = 1.
Гн.
(2.35)
Гн.
Определим электромагнитную постоянную
времени цепи якоря
с, (2.36)
с.
Найдем постоянную двигателя по ЭДС
В·с/рад,
(2.37)
В·с/рад.
Н·м/А, (2.38)
Н·м/А.
2.8 Расчет и
построение электромеханических характеристик
Электромеханическая
характеристика двигателя является зависимостью W=f (Iя) при угле регулирования α
напряжения тиристорного преобразователя. При изменении можно получить ряд характеристик
ДПТ при питании от ТП.
Определим
значение граничной ЭДС ТП
(2.39)
где - параметр нагрузки. (2.40)
Определим граничное значение скорости
(2.41)
Определим значение граничного тока
(2.42)
Изменяя угол
проводимости тиристоров λт в пределах от 0 до 2π/m, рассчитываем электромеханическую
характеристику двигателя в зоне прерывистых токов, для углов и .
Строим
естественную электромеханическую характеристику электропривода в зоне
непрерывных токов для .
Рисунок
2.2 - Естественная электромеханическая характеристика при
∆Ω=95,877-23,515
Строим
естественную электромеханическую характеристику
электропривода в
зоне непрерывных токов для .
Рисунок
2.3 – Электромеханическая характеристика при
∆Ω=119,857-63,603
2.9 Выбор
тахогенератора
Условия, необходимые
для выбора тахогенератора:
Ø
, Вт,
Вт;
Ø
, рад/с,
рад/с;
Ø
, кг·м2·10-6,
кг·м2·10-6.
Исходя из
следующих условий, выбираем тахогенератор типа ДПР-52Н1-01 со следующими
параметрами:
©
мощность
на валу, Рнтг, Вт………………………………………9,4
©
скорость
вращения, Ωнтг, рад/с………………………………….942
©
напряжение
питания, Uнтг, В……………………………………27
©
ток
якоря, Iнтг, А………………………………………………0,53
©
сопротивление
обмотки якоря, Rнтг, Ом………………………3,6
©
момент
инерции, Jнтг, кгм2·10-6…………………………………1,7
©
масса, mтг, кг…………………………………………………0,26
2.10
Определение
параметров структурной схемы ДПТ
Номинальные параметры двигателя
характеризуются коэффициентами:
,
(2.43)
.В·с.
,
(2.44)
.
Электромагнитная постоянная двигателя
определяется, как
, с . (2.45)
с.
Определим электромеханическую
постоянную времени двигателя
с.
(2.46)
,
кг·м2,
(2.47)
кг·м2,
(2.48)
кг·м2,
(2.49)
кг·м2.
кг·м2,
с.
Коэффициент усиления двигателя
, рад/В·с,
(2.50)
рад/В·с.
Выбор постоянных времени
|