«Приборная электромеханическая следящая система»

скачать doc

МПС РФ

МГУПС

Кафедра «Управление и информатика в технических системах»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По дисциплине: “Электромеханические системы”

На тему: «Приборная электромеханическая

следящая система»

Выполнил студент гр. АУИ-412: Лемешев А.В.

Принял: Давыдюк В.Б.

МОСКВА 2001

Введение
В системах автоматического управления технологическими процессами широко применяются электромеханические системы.

Почти две трети всей энергии, вырабатываемой электрическими станциями , преобразуется в механическую электромеханическими системами . В связи с этим специалисты в области управления техническими системами должны владеть принципами построения электромеханических систем , методами расчета и анализа их статических и динамических характеристик , при которых достигается экономия электроэнергии .

Для обеспечения высоких технико-экономических показателей проектируемой системы необходимо выбрать структуру системы, элементы, входящие в неё, таким образом , чтобы они функционировали в оптимальном режиме. Поэтому в процессе работы над курсовым проектом формируются основы системного подхода, в котором с учетом характеристик отдельных элементов синтезируется структура системы, наилучшим образом отвечающая техническим требованиям.

Разработка приборной электромеханической следящей системы потребует изучения известных реализаций электромеханических систем.

Отсюда задачей курсового проектирования является использование сведений и данных, содержащихся в научно-технической и справочной литературе. Итогом работы над курсовым проектом должно быть решение, основанное на использовании современной элементарной базы.

СОДЕРЖАНИЕ
Задание...........................................................................................…….4

Исходные данные..........................................................................……..5

Выбор ДАД................................................................... ...........………6

1.1Проверка правильности выбора двигателя......... ..……...6

1.2Механическая характеристика............................. ..……..7

1.3Регулировочная характеристика........................... ...……8

Проектирование редуктора............................................. ........……9

2.1 Выбор количества ступеней..... ..... ..... ..... ..... ..... ..…...9

2.2 Разработка кинематической схемы редуктора..... .….11

2.3 Расчет приведенного момента инерции редуктора ....11

2.4 Оптимальные передаточные числа РС………………….12

Выбор типовых элементов............................................. ........……12

3.1 Выбор тахогенератора ............................................. ….12

Выбор СКТ............................................. ...................……12

Проверка правильности выбора двигателя ...........................……13

Проверка по моменту........................................... ...……13
Проверка по скорости........................................... ..……13
Проверка по нагреву........................................... ......…...13

Определение коэффициентов усиления УМ,ТГ,ПУ.................…...15

5.1 Коэффициент усиления ТГ...........................................….15

Коэффициент усиления ПУ.........................................….15
Коэффициент усиления УМ.......................................…...15

6. Передаточные функции элементов...........................................….16

6.1 Передаточная функция ТГ.............................................16

6.2 Передаточная функция двигателя.............................….16

6.3 Передаточная функция РС..........................................….16

6.4 Передаточная функция УМ.........................................….16

7. Передаточная функция разомкнутой системы и разгонные характеристики....................................................... ..................……..17

8. Принципиальная электрическая схема....................................……20

Список используемой литературы...........................................….21

Задание

- Выбрать типовые элементы системы (ДАД, тахогенератор, СКТ), рассчитать и построить механическую и регулировочную характеристику привода;

- Определить передаточное отношение силового редуктора РС;

- Рассчитать оптимальные передаточные числа РС по скорости и моменту;

- Определить коэффициенты усиления УМ, ТГ, ПУ;

- Вывести передаточные функции элементов и разработать структурную схему всей системы;

- Рассчитать и построить для разомкнутой системы графики изменения во времени скорости и угла поворота объекта с граничными условиями:,;

- Разработать кинематическую схему РС;

- Разработать принципиальную электрическую схему системы и описать её принцип действия.

Исходные данные

Тема №4 ,вариант №6

статический момент нагрузки М =0,12 [н*м ]
момент инерции нагрузки I =0,0006 [кг*м ]
максимальная скорость =2,4 [рад/с]
максимальное ускорение =0,889 [рад/с²]
погрешность воспроизведения угла - =20[угл.мин]
тип усилителя – тирристорный усилитель (ТУ)
блок-схема системы приведена на рисунке 1:

Рис.1 Блок-схема системы.

На рис.2.1 приняты следующие обозначения:

СКТ-Д – синусно-косинусный трансформатор-датчик;

СКТ-П – синусно-косинусный трансформатор-приемник;

ПУ—предварительный усилитель;

УМ – усилитель мощности;

ДАД – двухфазный асинхронный двигатель;

РС – редуктор силовой;

О – объект;

ТГ – тахогенератор.

1. Выбор ДАД (двухфазного асинхронного двигателя).

(1.1)

где Тд=(0,02 0,2)с- электромеханическая постоянная двигателя

Выбираем Тд=0,1 с

Из каталога выбираем двигатель , номинальная мощность которого близка к мощности , рассчитанной по формуле (3.1)

Технические характеристики двигателя ДГМ-0,4

напряжение питания ОВ двигателя и генератора - 36 В
напряжение питания ОУ двигателя -30 В
частота питающего напряжения - 400 Гц
скорость холостого хода -6000 об/мин=628 рад/с
пусковой момент Мпуск=0,20 Нм
крутизна ТГ -0,5 [мВ/об/мин]
номинальная мощность
электромеханическая постоянная времени - 2,8 мс
пусковой ток ОВ = 90 мА
пусковой ток ОУ = 70 мА
момент инерции

1.1.Проверка правильности выбора двигателя

(1.1.1)

где : -электромагнитный вращающий момент, -момент инерции двигателя

(1.1.2)

(1.1.3)

- условие выполнено

1.2.Механическая характеристика

Основное уравнение баланса моментов действующих на валу

двигателя:

(1.2.1)

где i – передаточное число редуктора;

- момент инерции двигателя;

I_р -момент инерции редуктора;

I_о- момент инерции объекта;

- коэффициент по перегрузке;

Механическая характеристика - зависимость скорости от момента нагрузки при

Для двухфазных асинхронных двигателей Rа выполнено большим, по этому с небольшой погрешностью можно аппроксимировать механическую характеристику в первом квадранте (двигательный режим) по двум точкам М_пуски .

Аппроксимированная характеристика приведена на рис 1.2.1.

Расчет коэффициентов аппроксимации:

М_Д=а+в*+с*

Пусть тогда М_Д=М_П=а=0,2 Нм,

Пусть М_Д=0 тогда 0=М_П+в*_хх+с*

Пусть М_Д=М_ном=0,1=М_п+в*_ном+с*_ном=0,2+и*400+с*400²

Найдем коэффициенты аппроксимации: (1.2.2)

(1.2.3)

= -1,29*10^-4

= -3*10^-7

График механической характеристики строится по полученной зависимости: М_Д=М_п-1,29*10^-4*-3*10^-7*

Рис 1.2.1. Аппроксимированная механическая характеристика
Таблица 1.2.1.

Таблица данных графика механической характеристики

	0	0,05	0,1	0,15	0,2
	628	545	320	221	0

1.3 Регулировочная характеристика
Зависимость скорости от напряжения на ОУ при постоянном моменте нагрузки, т.е. при =0.12Нм, выглядит для = и (1.3)

Регулировочная характеристика после пересчета на управляющее напряжение и угловую скорость будет выглядеть так:

Рис.1.3 Регулировочная характеристика
Таблица 1.3.1.

Таблица данных графика механической характеристики

U_упр, В	18	20	25	30
	0	90	270	400

2. Проектирование редуктора
2.1 Выбор количества ступеней
Общее передаточное отношение редуктора рассчитывается , исходя из заданной максимальной скорости нагрузки и номинальной скорости исполнительного двигателя , соответствующей заданному моменту нагрузки, приведенному к валу двигателя.

(2.1)

Примем 261. При этом должно выполнятся условие выбора исполнительного двигателя по отношению к объекту:

(2.2)

- условие выполнено

Определим число n кинематических пар из условия

Известно:

Следовательно ;

Для исключения подрезания зубьев колеса, число шестерни должно удовлетворяться условию

Возьмем .

i_p₄=261

(2.3)

z_к1=17*1,353=23 зуба

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Проверка: (2.7)

Это означает ,что редуктор выбран правильно.

Диаметр ведомого колеса определяется минимально допустимым модулем и числом зубьев. Модуль выходной пары можно принять:

(2.8)

где М_о- момент нагрузки равный 120 Н/мм;

К_В=(8..10)- коэффициент ширины зуба;

- допустимое напряжение при расчете зубьев на выносливость от 40 до 60КГ/мм²

Рассчитанное значение модуля выходной пары округляется до ближайшего стандартного 0,3

По таблице 4.2 [2] определим момент инерции ведущей шестерни для модуля 0,3 и z_ш=0,3 как I_ш=1,11*10^-8 нГм²

.

2.2 Разработка кинематической схемы редуктора
Момент инерции зубчатого колеса i-й пары с учетом инерции вала и ведущего зубчатого колеса

. (2.2.1)

Редуктор с четырьмя парами шестерен представлен на рис.2.2

рис.2.2 Кинематическая схема редуктора с 4-мя парами шестерен
2.3 Расчет приведенного момента инерции редуктора.
Определим приведенный к валу двигателя момент инерции системы нагруженного привода с 4-х парной передачей:

(2.3)

2.4 Оптимальные передаточные числа РС

Оптимальные передаточные числа РС по моменту:

(2.4)

Оптимальные передаточные числа РС по скорости:

Оптимальные передаточные числа РС по ускорению: (2.5)

3. Выбор типовых передаточных звеньев
3.1 Выбор тахогенератора
Так как исполнительный двигатель переменного тока, то целесообразно выбрать тахогенератор переменного тока, у которого номинальная скорость вращения не меньше номинальной скорости вращения исполнительного двигателя. В выбранном ДАДе встроенный ТГ, с параметрами:

Крутизна = 0,5
3.2 Выбор СКТ

Выбираем СКТ-1 Д и СКТ-220-1П исходя из максимальной погрешности управления.

Технические данные:

напряжение питания-36 В
частота питания –400 Гц
максимальное выходное напряжение –1,53 В
крутизна – 0,85 мВ/град
фазовый сдвиг -73 град.
погрешность ТДП - (1020) угл/мин.
остаточное напряжение 17 мВ
число пар полюсов : Д-1 , П-1

4. Проверка правильности выбора двигателя
4.1 Проверка правильности выбора двигателя по моменту

Проверка правильности выбора двигателя по отношению к объекту по моменту:

, (4.1)

где М_о –момент нагрузки;

М_НД–номинальный момент двигателя

- условие выполнено
4.2 Проверка правильности выбора двигателя по скорости
Проверка по скорости:

(4.2)
261,67*2,4<1.1*628

628<690.8

Условие выполнено.
4.3 Проверка правильности выбора двигателя по нагреву
Проверка по нагреву для следящей системы:
(4.3)

Условие выполнено.

5.Определение коэффициентов усиления УМ,ТГ,ПУ

Общий коэффициент усиления

(5.1)

где: - номинальное напряжение на ОУ двигателя;

- максимальное выходное напряжение СКТ

- остаточное напряжение тахогенератора

погрешность ТДП

5.1 Коэффициент усиления ТГ
Определяется крутизной его выходной характеристики

5.2 Коэффициент усиления ПУ
Так как , то коэффициент усиления ПУ выбираем исходя из , произвольно распределив коэффициенты усиления между предварительным усилителем и усилителем мощности.

В качестве ПУ выбираем операционный усилитель общего назначения К-140УД5А с
5.3 Коэффициент усиления УМ
(5.3)

В качестве УМ используется не тиристорный усилитель, а ввиду малой мощности усиления: U_овI_{ном ов}=300,06=1,8 Вт

применим электронный усилитель.

6.Передаточные функции элементов

6.1 Передаточная функция ТГ
Тахогенератор считается безынерционным звеном, его передаточная функция имеет вид идеального дифференциатора, тогда за входную величину берется угол поворота ротора.

(6.1.1)

где: - крутизна ТГ

W(p)=0,09552p
6.2 Передаточная функция двигателя
(6.2.1)

где (6.2.2); (6.2.3)

- коэффициент управления по напряжению

c- коэффициент аппроксимации из механической характеристики

- электромеханическая постоянная времени

(6.2.4)

b=1,29*10^-⁴

6.3 Передаточная функция PC
Передаточная функция силового редуктора имеет вид:

(6.3.1)

6.4 Передаточная функция УМ
Тиристорный усилитель считается безынерционным звеном , передаточная функция которого имеет вид передаточной функции

идеального статистического звена:

Отсюда:

7.Передаточная функция разомкнутой системы

и разгонные характеристики
Структурная схема приборной электромеханической следящей системы представлена на рис.7.1

Схема разомкнутой приборной электромеханической следящей системы представлена на рис.7.2

Рис.7.1 Структурная схема ЭМС

рис.7.2 Схема разомкнутой системы ЭМС
Найдем передаточную функцию разомкнутой системы:

; (7.2)

=0

Производная знаменателя: 2946.4*Р+261.67

Согласно операторного метода

Таблица 7.1

Таблица расчетных значений для графика изменения во времени скорости для разомкнутой системы.

t,[c]	0	0.01	0.03	0.05	0.10	0.15	0.20
	0	0.1	0.8	1.25	2.1	2.2	2.4

Т_сист=J_сумм/с=(J_двиг+J_ред+J_о)/с=(210^-8+1,18710^-7+610^-4)/(1,2910^-4)

Т_сист=0.05c

График изменения во времени скорости

График изменения во времени угла для разомкнутой системы определяется по формуле:

Таблица 10.1

Таблица расчетных значений для графика изменения во времени

угла для разомкнутой системы

t,c	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
	0	38,7	77,51	116,3	155,107	193,937

График изменения во времени угла для разомкнутой системы

8. Принципиальная электрическая схема системы.

Литература

Волков Н.И.,Миловзоров В.П.”Электромашинные устройства”
Солодовников В.В.”Основы теории и элементы систем автоматического регулирования”
Арменский Е.В., Фальк Г.Б.”Электрические микромашины”
Давыдюк В.Б. “Методические указания к курсовому проектированию по диссциплине”Электромеханические системы””.

Учащимся

Учителям

Кафедра «Управление и информатика в технических системах»