Содержание

Введение

     Современный электропривод представляет собой  конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники.

     Последнее десятилетие XX века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники. Было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления.

     Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключем силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный или аналоговый) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое мехатронный модуль движения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Анализ  объекта управления

     1.1     Основные требования к объекту управления

     В автоматических системах управления и  регулирования, промышленных роботах, вычислительной технике и гироскопических  устройствах, бытовых приборах значительное место занимают различные электрические машины малой мощности – электрические микромашины постоянного и переменного тока.

     Одним из типов микромашин являются микродвигатели, которые могут использоваться в  качестве исполнительных или вспомогательных  устройств. Исполнительными называют электрические микродвигатели, преобразующие подводимый  к ним электрический сигнал (напряжение управления) в угловую скорость (или перемещение) вала. Эти двигатели предназначены для различных функциональных преобразований.

     Основными требованиями, предъявляемыми к исполнительным двигателям являются:

• линейность механических характеристик и обеспечение устойчивости работы во всем диапазоне угловых скоростей;
• линейная зависимость угловой скорости вращения ротора от электрического сигнала управления и широкий диапазон регулирования скорости;
• отсутствие самохода;
• высокое быстродействие;
• малая мощность управления при значительной механической мощности на валу (требование вызвано ограниченной мощностью источников сигнала управления, в основном электронных).

     Обычно  для приведения в движение рабочих  механизмов применяются высокоскоростные электродвигатели с редуктором, вследствие того, что большинство механизмов чаще требуют низких скоростей вращения или перемещения.

     Так как при больших скоростях  вращения ротора двигателя требуется применение сложных и дорогостоящих редукторов, то большой практический интерес представляет безредукторный привод, то есть низкоскоростной электродвигатель непосредственно связанный с рабочим механизмом.

     Одним из эффективных низкоскоростных двигателей является бесконтактный двигатель постоянного тока с разделенными магнитопроводами фаз (БДПТ). Бесконтактные электродвигатели постоянного тока представляют собой электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие датчик углового положения ротора и полупроводниковый коммутатор [2].

     Двигатель подобного типа позволяет создать  регулируемый безредукторный электропривод, обладающий значительными преимуществами по сравнению с существующими [2]:

          -  бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина;

     - возможность реализации фиксированной  частоты вращения в широком диапазоне;

     - возможность плавного регулирования  частоты вращения при сохранении момента;

     - большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток БДПТ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);

     - снижение на 50-60% электрических потерь  в двигателе из-за отсутствия  лобовых частей фазных обмоток и тока ротора;

     -   высокие энергетические показатели (КПД);

     -   длительная наработка (до 30000 часов и выше);

     - высокая надежность запуска после длительного пребывания в нерабочем состоянии;

     -   пригодность для работы во взрыво- и пожароопасных средах;

     -   работоспособность при низких давлениях окружающей среды.

     Благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, бесконтактные двигатели  постоянного тока являются наиболее перспективными электрическими машинами в диапазоне малых и средних  мощностей, особенно – для моментных  систем электропривода. БДПТ конструктивно просты, надежны, имеют абсолютно жесткие механические характеристики и не требуют затрат энергии на возбуждение. Эти качества электрической машины обуславливают применение этих двигателей в промышленных системах автоматики, роботах и манипуляторах, приводах подач и главного движения металлорежущих станков, координатных устройствах, автоматических линиях по обработке различных материалов или сборке изделий, упаковочных или печатных машинах, принтерах и плоттерах, намоточных и лентопротяжных механизмах, прецизионных системах слежения и наведения, в авиационной и медицинской технике. БДПТ имеют свою “нишу” в тяговом электроприводе (электровоз ВЛ80ВР), приводах рулевого управления летательных и подводных аппаратов, электромеханических устройствах автомобилей (электромеханические усилители руля, стартер - генераторные устройства гибридных автомобилей, стеклоподъемники и др.), мотор – колесах аккумуляторных индивидуальных транспортных средствах (электровелосипеды, инвалидные коляски различных разработок), в бытовых устройствах (стиральные машины, проигрыватели компакт – дисков).

2. Принцип работы БДПТ

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят  из трех элементов [3]:

     1) бесконтактного двигателя с m-фазной  обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;

     2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного  в одном корпусе с двигателем  и предназначенного для выработки  сигналов управления моментами  времени и последовательностью  коммутации токов в обмотках  статора;

     3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам  ДПР коммутацию токов в обмотках  статора.

     Принцип действия бесконтактного двигателя рассмотрим на примере функциональной схемы (рисунок 1.1). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, датчик положения ротора с одним сигнальным элементом и тремя чувствительными элементами (их число равно числу обмоток статора), и коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме "закрыт" или "открыт". 

Рисунок 1.1 Функциональная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

     В положении, показанном на рисунке 1.1, сигнальный элемент через чувствительный элемент "А" открывает транзистор ТА. По обмотке А протекает ток IА. Намагничивающая сила обмотки FА взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рисунке 1.2). Вместе с ротором поворачивается и сигнальный элемент ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° сигнальный элемент будет воздействовать сразу на два чувствительных элемента: на "А" и на "В". Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: ТА и ТВ. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая намагничивающая сила статора FАВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рисунке 1.2).

Рисунок 1.2 Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока

     Эта намагничивающая сила продолжает взаимодействовать с полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент.

     Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор ТА закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с намагничивающей силой этой обмотки, однако вращающий момент по-прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рисунке 1.2). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.

     Если  бы бесконтактный двигатель имел обмоток, чувствительных элементов  и транзисторов столько же, сколько  обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и  характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4.

     Так как используемый электродвигатель с разделенными магнитопроводами фаз ДБН-100 имеет пятнадцати зубчатый ротор и три секции статора, то один оборот состоит из 45 шагов, следовательно, угловая величина каждого шага равна:

     α=360°/45°=8°.

     В данном дипломном проекте используется управление двигателем через полшага (4°), т.е. первая секция должна быть включена, когда ротор находится в положении между нулем и четырьмя угловыми градусами. При повороте на угол, превышающий 4°, должны включиться первая и вторая секции, после чего произойдет поворот еще на 4°, таким образом, угол поворота составит 8°. Следующий шаг от 8° до 12° обеспечит вторая секция. И так далее в соответствии с диаграммой на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Диаграммы подключения фазных обмоток БДПТ

3. Управление  шаговым двигателем

     Шаговые двигатели представляют собой синхронные микродвигатели,

у которых  питание фаз обмотки статора (якоря) осуществляется путем подачи импульсов  напряжения от электронного коммутатора. Под воздействием каждого импульса ротор двигателя совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом.

     Управление  двигателем, при котором фазы обмотки  якоря включают поочередно равными группами по две или три называют симметричным, поочередное включение неравных групп фаз – несимметричным способом управления. В данном дипломном проекте коммутация обмоток является несимметричной, шеститактной, однополярной.

     Особенностью  работы шагового двигателя является широкий диапазон

регулирования скорости вращения путем изменения  частоты подачи управляющих импульсов  тока на соответствующие обмотки  управления. Таким же образом осуществляют фиксированную остановку, пуск и  изменение направления вращения. В зависимости от частоты управляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, установившийся и переходный [2].

     Статический режим – это наличие в обмотке управления постоянного

тока, создающего неподвижное поле. Ротор при этом занимает фиксированное положение.

     Квазистационарный режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю. Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.

     Он  используется в стартстопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых  требуется фиксация ротора после  каждого шага.

     Установившийся  режим – это режим, соответствующий постоянной

частоте управляющих импульсов. Ротор имеет  постоянную скорость вращения.

     Переходные  режимы – основные эксплуатационные режимы шаговых

двигателей, включающие в себя пуск, торможение, реверс, переход с одной

частоты на другую. Пуск шагового двигателя осуществляется из неподвижного положения ротора, которое он занимает при установившихся значениях токов в обмотках, путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от нуля до рабочей. Торможение шагового двигателя осуществляется скачкообразным снижением частоты управляющих импульсов от рабочего значения до нуля. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное. Основным требованием, предъявляемым к шаговым двигателям в переходных режимах, является сохранение синхронизма при изменении частоты управляющих импульсов – отсутствие потери шага.

     Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при  подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага.

     Основными характеристиками шагового двигателя  являются: шаг, предельная механическая характеристика и частота приемистости.

     Предельная  механическая характеристика – это  зависимость допустимого момента  сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рисунок 1.4). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.

Рисунок 1.4 Предельная механическая характеристика шагового двигателя

     Для каждого шагового двигателя существует некоторая предельная

частота подачи управляющих импульсов fпр , при которой ротор еще следует

за скачкообразным, изменяющимся полем статора. Эту  частоту называют

частотой приемистости. Этот параметр характеризует пусковые свойства

двигателя - максимальную частоту управляющих  импульсов, при которой

возможен  пуск без выпадения из синхронизма. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 Предельная динамическая характеристика шагового двигателя

4. Описание  объекта управления

     В качестве объекта управления задан бесконтактный двигатель постоянного тока ДБН-100.

Технические данные двигателя сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

5. Анализ  целей управления

     Разрабатываемое устройство должно обеспечивать синхронное вращение заготовки и резца.

     Для того чтобы обеспечить синхронное вращение двигателей, необходимо управлять временем подачи управляющих импульсов на транзисторные ключи для регулирования частоты вращения БДПТ. Чем больше частота управляющих импульсов, тем выше скорость вращения. Т.е. чтобы синхронизировать скорости вращения заготовки и фрезы, необходимо отслеживать угол поворота заготовки и поворачивать БДПТ на тот же угол. 
 
 

2. Обзорный  анализ существующих аналогов СУ

     На  сегодняшний день благодаря выдающимся достижениям в области техники  и технологии повышаются требования к качеству продукции. Каждое предприятие металлообрабатывающей отрасли должно иметь высокопроизводительное металлообрабатывающее оборудование, отвечающее современным требованиям.

     В металлообработке фрезерные станки предназначаются для выполнения различного вида фрезерных работ: сверления, развертывания, растачивания отверстий в деталях из черных, цветных, высокопрочных металлов и сплавов. Как правило, фрезерные станки используются для фрезерования горизонтальных, вертикальных, наклонных плоскостей, обработки пазов. Новейшие фрезерные станки отличаются высокой точностью, и с большим успехом используются для работ любой сложности.

     Фрезерные станки с ЧПУ представляют собой такое оборудование, на котором стол с заготовкой перемещается автоматически. На этих станках также автоматически изменяется и поддерживается скорость шпинделя. Станки с ЧПУ необходимы для обработки деталей, имеющих трёхмерные поверхности. К примеру, на таких станках изготавливаются лопасти воздушных винтов или турбинные лопатки. Металлообработка, осуществляемая данным металлообрабатывающим оборудованием, отличается высокой точностью. На станках с ЧПУ можно организовать серийный выпуск различных деталей.

Фрезерный станок с ЧПУ XK7130

     Вертикально-фрезерные  станки серии XK предназначены для  выполнения всех видов фрезерных работ, сверления, зенкерования и растачивания отверстий деталей из черных, цветных и высокопрочных металлов и сплавов в условиях единичного и мелкосерийного производства. Оснащен системой ЧПУ FANUC, автоматической системой смазки, имеет возможность плавного изменения частоты вращения шпинделя. По техническим характеристикам данные станки имеют лучшее соотношение цена-качество среди оборудования подобного класса.

     Применяется на машиностроительных и станкостроительных предприятиях, а также, благодаря небольшим размерам и универсальности на любых участках механообработки.

Токарно-фрезерный  станок с программным управлением  мод.  «ТФП-1000»

      Станок предназначен для изготовления из древесины тел вращения типа балясин, содержащих винтовые и другие сложные поверхности, нанесение на них высокохудожественной резьбы.

      Станок эффективен в условиях предприятий с гибкой номенклатурой продукции для производства элементов интерьера, лестниц, индивидуального дома, коттеджа.

      Станок основан на принципе фрезерования древесины. Этот принцип широко применяется и вытесняет традиционную схему токарной обработки резцом. В отличие от данной схемы, где вращается только заготовка, обработка фрезой увеличивает производительность и дает новые технологические возможности.

      Формообразование заготовки производится по программе обработкой концевой фрезой при непрерывном вращении заготовки. Обработка винтовых и других сложных поверхностей производится концевой фрезой при программном вращении заготовки.

     ^{Фрезерные станки с ЧПУ очень удобны в эксплуатации, благодаря своей огромной многофункциональности они завоевали очень хорошие отзывы потребителей. Фрезерные станки очень сильно помогают различным производителям, во всех уголках планеты добиваться очень хороших результатов в различных областях металлообрабатывающей промышленности.}

3. Построение  структурной схемы  СУ

     Принцип действия системы автоматического  управления приводом резца лабораторного  фрезерного станка основан на обеспечении синхронности вращения заготовки и резца, который приводится в движение бесконтактным двигателем постоянного тока. Структурная схема проектируемой системы представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Структурная схема проектируемой СУ

      В структурной схеме приняты следующие обозначения:

МкК - микроконтроллер;

Э – оптический энкодер;

УС – устройство сопряжения с силовой частью;

ТК – транзисторный ключ;

УВ – устройство ввода;

ДБН – бесконтактный  двигатель постоянного тока;

ДПР – датчик положения ротора;

ЖКИ – устройство вывода (жидкокристаллический индикатор).                                                                                     

      Основным  функциональным блоком  является блок микроконтроллера, который обрабатывает поступающую информацию с блока  энкодера и датчиков положения ротора, и формирует импульсы управления в соответствии с заданным алгоритмом, которые через устройство сопряжения поступают на транзисторные ключи.

      Оптический  энкодер предназначен для определения  угла поворота и частоты вращения заготовки, он передают соответствующую информацию на блок микроконтроллера для дальнейшей её обработки.

      Датчики положения ротора предназначены  для определения положения ротора двигателя, вращающего фрезу.

      Устройство  сопряжения с силовой частью  предназначено для гальванической развязки цифровой и силовой части схемы.

      Транзисторные ключи предназначены для усиления проходящего через них сигнала  и  подачи этого сигнала на обмотки  двигателя.

      Устройство  ввода предназначено для сброса микроконтроллера.

      Устройство  вывода представляет собой жидкокристаллический модуль, предназначенный для отображения информации о частоте вращения заготовки и фрезы.

       Работа  устройства вывода, а также всей системы в целом координируется микроконтроллером. 
 
 
 
 
 
 

4. Проектирование  принципиальной схемы СУ

     Основываясь на структурной схеме микропроцессорного устройства, а также исходя из выбранных  компонентов, была разработана принципиальная схема системы управления приводом резца лабораторного фрезерного станка. Принципиальная схема представлена в приложении А.

1. Выбор управляющего микроконтроллера

1. Основные  требования к микроконтроллеру

     Как было сказано выше, микроконтроллер  является основой разрабатываемого устройства.

     Для подключения основных элементов схемы требуется 14 выводов микроконтроллера, то есть для подключения оптического энкодера требуется 2 вывода, для жидкокристаллического дисплея – 6 выводов,3 вывода – для датчиков положения ротора и по одному выводу ШИМ для каждого силового ключа. Таким образом, микроконтроллер должен обладать как минимум 14 портами ввода/вывода, иметь 3 зависимых встроенных блока ШИМ, и содержать один или несколько блоков энкодера.