Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы
1.1. Анализ области и особенностей применения ИИУС ЭП АП .19
1.2. Разработка технических требований, предъявляемых к ИИУС ЭП АП .39
1.3. Анализ недостатков существующих ИИУС ЭП АП 46
1.4. Постановка цели и задач исследования .63 Выводы .64
ГЛАВА 2. Разработка математического обеспечения ииус эп ап
2.1. Разработка математических моделей ИИУС ЭП АП постоянного и переменного тока 65
2.2. Анализ показателей качества и синтез корректирующих устройств ИИУС ЭП различных технологических машин АП .77
Выводы .87
ГЛАВА 3. Анализ конструктивного исполнения ииус эп ап
3.1. Анализ влияния силового кабеля на работу комплекса «ИИУС -электродвигатель» 88
3.2. Анализ конструктивного исполнения ИИУС ЭП АП 96
Выводы 104
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования ииус ЭП АП
4.1. Разработка методики определения технических характеристик ИИУС в составе ЭП АП .105
4.1.1. Разработка алгоритма определения коэффициентов неравномерности КН .110
4.1.2. Разработка алгоритма определения полосы пропускания .110
4.1.3. Разработка алгоритма определения моментной ошибки 111
4.1.4. Разработка алгоритмов определения ошибки при реверсе 112
4.1.5. Разработка алгоритма определения ошибки при изменении напряжения питания .113
4.1.6. Разработка алгоритма определения температурной ошибки 114
4.1.7. Разработка алгоритма определения времени регулирования 115
4.1.8. Разработка алгоритма определения моментной ошибки 117
4.1.9. Разработка алгоритма определения полосы пропускания 117
4.2. Экспериментальное исследование технических
характеристик разработанных ИИУС ЭП АП .119
Выводы .126
Основные результаты работы 127
Список литературы
- Разработка технических требований, предъявляемых к ИИУС ЭП АП
- Анализ показателей качества и синтез корректирующих устройств ИИУС ЭП различных технологических машин АП
- Анализ конструктивного исполнения ИИУС ЭП АП
- Разработка алгоритма определения полосы пропускания
Разработка технических требований, предъявляемых к ИИУС ЭП АП
Типичным представителем PCNC-3 является система фирмы DeltaTau (Великобритания). Архитектура такой системы предполагает наличие 2-х компьютеров.
В отличие от предыдущего типа систем ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA или PCI шине терминального персонального компьютера.
Терминальный компьютер с операционной системой Windows NT выполняет классические функции терминальной задачи и функции интерпретатора управляющих программ.
Одноплатный ЧПУ-компьютер РМАС построенный на процессоре Motorola 56300 решает геометрическую и логическую задачи, выполняя функции интерполятора, контроллера управления приводами, программно-реализованного контроллера электроавтоматики.
Интерполятор обеспечивает все виды интерполяции (включая сплайн-интерполяцию), алгоритмы разгона и торможения, опережающий просмотр кадров (Look Ahead), циклическое формирование управляющих воздействий с периодом 440 мкс (в этом же периоде в фоновом режиме работает и контроллер электроавтоматики).
Контроллер приводов поддерживает управление 32 координатными осями, сгруппированными в16 координатных систем.
Помимо этого он принимает и обрабатывает сигналы обратной связи от датчиков положения, замыкает позиционные контуры, выполняет функции ПИД-регулятора, имитирует в цифровом виде сигналы обратной связи по скорости, вырабатывает (в цифровом виде) широтно-импульсный сигнал для приводов подачи и аналоговый сигнал задания (в пределах ±10В) для привода главного движения.
Программно-реализованный контроллер электроавтоматики поддерживает параллельное управление 64 циклами электроавтоматики. Сигналы управления приводами и электроавтоматикой поступают в кольцевой оптоволоконный канал (со скоростью передачи данных 125 Мбит/с) для дистанционного управления своими объектами.
Принимающим устройством служит интеллектуальный периферийный терминал Macro-станция (Motion and Control Ring Optical). Допустимо включение в кольцо нескольких таких терминалов.
Терминал замыкает скоростные контуры восьми приводов и принимает сигналы от конечных выключателей и датчиков нулевых точек координатных систем, формирует сигналы управления двигателями любого типа (асинхронными, постоянного тока и др.) с помощью блока Quad Amplifier (для управления четырьмя двигателями обшей мощностью до 25 кВт). Периферийный терминал также поддерживает управление электроавтоматикой через модули оптоизолированных входов-выходов. Концепция такого типа систем ориентированна на построение собственных систем ЧПУ.
Конечному пользователю остается только разработка терминальной задачи и интерпретатора в среде промышленного персонального компьютера. Однако при этом следует отметить, что архитектура самих модулей закрыта и недоступна для внесения каких-либо изменений.
Системы типа PCNC-4 Концепция системы ЧПУ фирмы Beckhoff (Германия) является ярким примером однокомпьютерной архитектуры PCNC. Отличительная особенность заключается в том, что все задачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решены программным путем, без какой-либо дополнительной аппаратной поддержки.
Внешний интерфейс такой системы строится на базе любой стандартной периферийной шины, в частности, на базе шины LightBus фирмы Beckhoff.
Эта шина представляет собой кольцевой канал для передачи сигналов управления автономными следящими приводами, а также и для передачи сигналов электроавтоматики. Доступ к объектам осуществляется с помощью периферийных "терминалов" ввода-вывода. Операционная среда представляет собой комбинацию ОС Windows NT для поддержания процессов машинного времени и системы TwinCat (Total Windows Control and Automation Technology). Операционная система TwinCat фирмы Beckhoff интегрированная в Windows NT, добавляет ей функции реального времени, не изменяя свойства самой Windows NT. Обмен данными и доступ к прикладным функциям API программных модулей осуществляется через программную шину ADS (Automation Device Specification).
Анализ показателей качества и синтез корректирующих устройств ИИУС ЭП различных технологических машин АП
Датчики тока применяются в настоящее время практически во всех силовых преобразователях для получения информации как о токах в фазных цепях электродвигателей, так и о токах в цепях питания [41, 42].
Следует отметить, что токи в фазных цепях электродвигателей из-за управления прямоугольными широтно-модулированными сигналами носят пульсирующий характер, причем амплитуда и частота пульсаций зависит от частоты фазных сигналов и параметров движения и соединительного кабеля (активного сопротивления и индуктивности).
Проведение вычислительных операций с таким пульсирующим токов в случае применения практически безинерционных датчиков токов, затруднено, поэтому его необходимо сгладить. Следует отметить, что сглаживание возможно проводить как в аналоговом, так и в цифровом виде [43, 44].
В качестве датчиков тока долго время использовались токовые шунты с устройствами «модулятор - демодулятор» и аналоговыми фильтрами.
Шунт представляет собой четырехзажимный резистор, к токовым зажимам которого подводится ток (входные зажимы) и с потенциальных зажимов которого снимается напряжение (выходные зажимы).
Шунт выполняется из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления, например, из манганина. Стандартные шунты имеют определенные номинальные падения напряжения 45, 60, 75, 100 и 300 мВ и классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.
Обычно в автоматизированном электроприводе используются шунты с номинальным падением напряжения 75 и 100 мВ.
Следует отметить, что подключение нагрузки к выходным зажимам шунта меняет значение его выходного напряжения.
Кроме того, ввиду малости собственного сопротивления шунта, существенное влияние на его выходное напряжение может оказывать и сопротивление соединительных приводов, соединяющих нагрузку с выходными зажимами.
Эти два обстоятельства необходимо учитывать при настройке контура тока. Шунт является достаточно простым датчиком тока однако его применение связано с определенными сложностями.
Ввиду малости выходного напряжения шунта (75 или 100 мВ), его необходимо в дальнейшем усилить, что усложняет систему обратной связи по току и вносит дополнительные погрешности в формирование токового информационного сигнала.
Увеличение же сопротивления шунта для увеличения уровня выходного сигнала (индивидуальные шунты) нецелесообразно, так как ведет к увеличению сопротивления цепи якоря двигателя, а значит и снижению жесткости его механической характеристики.
Применение же шунта в цепях переменного тока существенно усложняется из-за фазового сдвига между входным сигналом (током) и выходным (напряжением). В этих цепях целесообразно применять специальные безреактивные шунты.
Серия таких унифицированных датчиков была разработана АО «ВНИИЭлектропривод», например, ДТ - ЗАИ, РГ - ЗАИ. Частота модуляции в таких датчиках составляет примерно 30 – 50 кГц. Также датчики характеризуются хорошей линейностью статических характеристик (нелинейность не более 0,5%). В последнее время стали широко использоваться датчики тока на основе датчиков Холла [45]. Его основные преимущества: - измерение постоянного, переменного, импульсного токов (напряжений); - аналоговый токовый выходной сигнал; - высокий уровень изоляции между первичной и вторичной цепями; - широкий диапазон измерений и большие перегрузочные способности; - высокая точность, превосходные динамические характеристики; - надежность (среднее время наработки на отказ превышает 106 ч); - пригодность к работе в агрессивных средах; - простота применения, малые размеры и вес.
Работа датчиков основана чаще всего на принципе нулевого магнитного потока (система с обратной связью).
Магнитное поле постоянно сводится к нулю. Величина компенсирующего тока, необходимого чтобы поддерживать нулевой магнитный поток, меньше первичного тока в количество раз, соответствующее коэффициенту трансформации магнитной системы. Компенсирующий ток создает падение напряжения на выходном резисторе. Диапазон измерений определяется полным падением напряжений на транзисторах, внутреннем сопротивлении и, таким образом, меньше, чем напряжение питания, обеспечивающее компенсирующий ток. Широкая гамма таких датчиков тока изготавливается фирмой «ТВЕЛЕМ» (Россия) и представлена в таблице 1.3.1. Очень важную роль в количественных характеристиках ЛТУ играют датчики скорости [46, 47].
Анализ конструктивного исполнения ИИУС ЭП АП
Из этого рисунка видно, что в кабеле на выходе возникают затухающие колебания высокой частоты (примерно 40кГц) с максимальной амплитудой, равной двойной амплитуде питания.
Следует отметить, что результаты моделирования П - образной схемы замещения практически полностью совпадают с представленными на рисунке 3.1.5 и поэтому здесь на представлены. Для устранения колебаний в кабеле применим известный метод шунтирования нагрузки емкостью 1 мкФ, результаты моделирования представлены на рисунке 3.1.6.
Из рисунка 3.1.6 видно, что введение шунтирующей емкости значительно уменьшило амплитуду высокочастотных колебаний (примерно на 40%). Увеличим значение шунтирующей емкости до 10 мкФ - результаты моделирования представлены на рисунке 3.1.7.
Из анализа рисунка 3.1.7 видно, что введение емкости на входе ЭД уменьшает амплитуду высокочастотных колебаний напряжения на входе ЭД на 90%, хотя при этом крутизна фронтов импульсов несколько уменьшается. Неудобство такого способа заключается в значительной величине такой емкости (-10 мкФ) и ее высокой стойкости по напряжению.
Результаты моделирования ДЛ с Т-образной схемой замещения с коррекцией Также было проанализировано, влияют ли высокочастотные пульсации на показатели качества (диапазон регулирования, частоту пропускания) ИИУС. С этой целью в математическую модель ИИУС вводились передаточные функции силового кабеля (для 2-х схем замещения), которые определялись по формулам:
Однако, результаты, полученных переходных процессов (скорости и положения) показали отсутствие влияния высокочастотных пульсаций на технические характеристики ИИУС.
Главная неприятность, вызываемая наличием высокочастотных пульсаций (а иногда и «стоячих волн») заключается в постепенном разрушении эмали проводов статорных обмоток ЭД, при этом срок службы ЭД может быть уменьшен в 1,5 2 раза [88, 89]. Это крайне нежелательно.
Кардинальным способом уменьшения влияния длинного силового кабеля на характеристики ЭД является новое конструктивное исполнение силового преобразователя. Анализ конструктивного исполнения ИИУС ЭП АП. Рассмотрим сначала варианты конструктивного исполнения силового преобразователя. В настоящее время силовой преобразователь выполняют конструктивно в 2-х вариантах [91, 92, 93]: Рисунок 3.2.1. Исполнение силового преобразователя в виде функционально законченного блока - в виде функционально законченного блока, как например преобразователь серии 9100 фирмы “Lenze” (Германия) с габаритными размерами 280х120х250 (мм), представленного на рис. 3.2.1. В виде 2-х функциональных блоков - блока источника питания и блока регуляторов с усилителем мощности, например серии KDV фирмы“INDRAMAT” (Германия), представленного на рисунке 3.2.2. с габаритными размерами: блока питания - 350х325х105(мм) и блока регуляторов с усилителем мощности - 355х325х105(мм.) Рисунок 3.2.2. Исполнение силового преобразователя в виде 2-х функциональных блоков При этом сам силовой преобразователь располагают в специальном шкафу (иногда совместно с УУПУ). Такое расположение имеет следующие достоинства [94, 95]: - удобство регулировки и технического обслуживания (вне опасной зоны); - освобождение рабочей зоны технологического оборудования; Однако, есть и весьма существенные недостатки, связанные с удаленностью объекта регулирования (электродвигателя) [96, 97]: - потери энергии в силовых кабелях; - снижение надежности, вызванное наличием высокочастотных пульсаций в силовых кабелях, являющихся «длинными линиями» [98]. Рисунок 3.2.3. Конструктивное исполнение БРПС Рисунок 3.2.3. Конструктивное исполнение БРПС (продолжение) Рисунок 3.2.3. Конструктивное исполнение БРПС (продолжение) Рисунок 3.2.3. Конструктивное исполнение БРПС (окончание) 100 Для борьбы с пульсациями применяют специальные узкополосные силовые LC- фильтры, что увеличивает габариты и стоимость преобразователей [99 -103]. Кардинально эффективным техническим решением является разделение силового преобразователя на 3 блока (рисунок 3.2.3): - блока источника питания (БИП), располагаемого вблизи технологического оборудования (например, у основания промышленного робота); - блока усилителя мощности (БУМ) совместно с регулятором момента (тока), располагаемого на технологическом оборудовании вблизи ЭД или при возможности на нем самом (возможны схемные решения без контура момента); - блока регуляторов положения и скорости (БРПС), располагаемого в специальном шкафу в отдалении от самого технологического оборудования.
При таком построении силового преобразователя БИП и БУМ должны быть выполнены с высокой степенью защиты (IP42 и более), т.к. они подвержены воздействию ряда возмущающих факторов (пыль, грязь и т.д.).
Конструктивное исполнение такого БРПС представлено на рисунке 3.2.3. В этом случае ИИУС ЭП АП из-за короткого силового кабеля практически отсутствуют потери и высокочастотные пульсации. При этом сохраняются все основные технические характеристики электропривода.
При обзоре наиболее распространенных контроллеров для установки в системы ЧПУ выделим в качестве базовых параметров определяющих стоимостные и качественные показатели:
Анализ показывает, что наиболее перспективные контроллеры оснащены 64 - битными микроконтроллерами с поддержкой арифметики с плавающей запятой, широким спектром различных видов интерполяции, а также большим числом дискретных входов/выходов. Одним из наиболее важных преимуществ таких модулей является отсутствие необходимости в доукомплектовании системы управления дополнительными модулями ввода/вывода. Однако стоимость таких контроллеров в некоторых случаях (в зависимости от оснащения) достигает 2000 – 3000 $. Ввиду этого при построении простых систем управления системами наиболее предпочтительным является использование дешевых контроллеров с малым набором функций в сочетании с недорогими модулями ввода/вывода, например линейка UNIOxx фирмы Fastwel.
Разработка алгоритма определения полосы пропускания
Время регулирования tp определяет как время восстановления скорости РЭП после наброса внешнего момента до уровня 0,95 от бывшей до наброса момента. Рассмотрим методику определения технических характеристик СЭП [112]. Экспериментальное исследование технических характеристик разработанных ИИУС Сначала рассмотрим некоторые технические характеристики промышленного робота РПМ-25, предназначенного для решения широкого круга задач - транспортирования, дуговой сварки и т.д. [113, 114]. Фотография РПМ-25 на рабочем участке приведена на рисунке 4.2.1.
Фотография промышленного робота РПМ- 25 Основные характеристики РПМ- 25 следующие: - номинальная грузоподъемность – 25 кг; - число степеней подвижности- 6; - погрешность позиционирования- не более 1мм; - максимальная скорость перемещения схвата- до 15м/с; - режим работы: позиционный или позиционно- контурный; - тип силового преобразователя ИИУС- ПРШ- 202; - тип датчиков положения- ФЭП-15; - тип датчиков скорости- ТП-80. РПМ- 25 характеризуется сложной кинематикой - робот создан из специальных модулей, обладающих различными характеристиками 121 (упругостями механических передач, приведенными моментами инерции) [114 - 116]. Основной характеристикой такого промышленного робота является быстродействие.
На рисунках 4.2.2. и 4.2.3 приведены осциллограммы переходных процессов в электроприводах координат «качание кисти» и «вращение руки» РПМ-25 без корректирующего устройства и с ним. Следящий электропривод координаты «Качание кисти» РПМ-25. Коррекция отсутствует. азп = 1,9 рад; Тр = 0, 29с; Тт = 1,10 с; Тд = 0,76 с; Т пп = 2,72с. Следящий электропривод координаты «Качание кисти» РПМ- 25. Коррекция введена. азп = 1,5 рад; Т р = 0, 42с; Тт = 0, 72 с; Тд = 0,38 с; Тпп = 2,12с. Рисунок 4.2.2. Осциллограммы СЭП РПМ- 122 Следящий электропривод координаты «Вращение руки» РПМ-25. Коррекция отсутствует. азп = 1,5 рад; Тр = 0, 72с; Тт = 0,81 с; Тд = 0,92 с; Т пп = 2,45 с. Следящий электропривод координаты «Вращение руки» РПМ- 25. Коррекция введена. азп = 1,5 рад; Т р = 0, 71с; Тт = 0,30 с; Тд = 0,18 с; Т пп = 1,19 с. Рисунок 4.2.3. Осциллограммы СЭП РПМ- 123 Из приведенных осциллограмм видно, что: - для координаты «Качание кисти» после введения корректирующего устройства время переходного процесса уменьшилось с 2,72с до 2,12с, т.е. примерно на 20%; - для координаты «Вращение руки» после введения корректирующего устройства время переходного процесса уменьшилось с 2,45с до 1,69с, т.е. примерно на 28%. Фото силового преобразователя ПРШ- 102
Время переходного процесса регистрировалось с помощью специального сигнала ПД («Признак движения»), вырабатываемого УУПУ. Время переходного процесса уменьшилось за счет уменьшения времени «дотягивания» путем введения специального корректирующего сигнала, формируемого специальным корректирующим устройством, введенным в силовой преобразователь ПРШ- 102. Фото силового преобразователя ПРШ- 102 приведено на рисунке 4.2.4.
Преобразователь выполнен в виде законченного моноблока из листовой стали и включает в себя регуляторы скорости и тока, датчик тока с гальванической развязкой силовой и управляющей цепей, устройство широтно – импульсной модуляции силовых транзисторных ключей, работающих на частоте 3 кГц, силовой трехфазный выпрямитель с электролитическим конденсатором, мостовой транзисторный инвертор, устройство охлаждения на базе вентилятора, силовой трехфазный пускатель, устройство рекуперации энергии при работе электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения в режиме генератора.
Силовой преобразователь устанавливается в электротехнический шкаф вертикально с целью интенсивного охлаждения за счет работы вентилятора.
На передней панели преобразователя расположены разъем для управляющих сигналов и клеммная колодка для подключения силовых цепей – питания и электродвигателя.
Принципиальные электрические схемы платы управления преобразователя ПРШ- 102 и корректирующего устройства приведены в Приложении. Лазерная технологическая установка ЛТУ-1 предназначена для раскроя металлических листов толщиной до 3мм. Основные технические характеристики ЛТУ-1 следующие: - число степеней подвижности - 3; - погрешность позиционирования – не более 0,5мм; - скорость резания - до 150 мм/с; -максимальная скорость перемещения рабочего органа - до 1 м/с; - режим работы - контурный; - тип силового преобразователя ИИУС – ПРШ-102; - тип датчиков положения - ФЭП-15; - тип датчиков скорости - ТП-80. ЛТУ-1 характеризуется простой кинематической схемой, жесткими передачами [117, 118].
На рисунках 4.2.5. и 4.2.6. представлены траектории движения исполнительного органа установки в плоскости х, у соответственно без корректирующего устройства и с корректирующим устройством, реализованным программным путем в УУПУ типа МПСУ.
