| |||||
МЕНЮ
| Разработка системы управления асинхронным двигателем с детальной разработкой программ при различных законах управленияp> Базовое и тестовое программное обеспечение должны поставляться в составе комплекса технических средств. Прикладное программное обеспечение подсистем нижнего уровня может быть создано путем конфигурирования стандартных программных модулей с использованием инструментального комплекса техническим средств. При необходимости должны быть разработаны дополнительные программные модули и средства. Требования к необходимости согласования вновь разрабатываемых программных средств с фондом алгоритмов и программ не предъявляются. 2.5.5 Требования к техническому обеспечению В качестве средств вычислительной техники должны быть применены персональные ЭВМ (ПЭВМ) на верхнем уровне АСУ и микропроцессорный комплекс технических средств на нижнем уровне системы. Техническое обеспечение АСУТП должно быть построено по иерархическому принципу и обеспечивать выполнение функций, описанных в техническом задании данного дипломного проекта. Комплекс технических средств АСУТП должен обеспечивать бесперебойное функционирование системы. Для получения первичной входной информации должны быть использованы
датчики, измерительные и нормирующие преобразователи с унифицированными
характеристиками. 3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3.1 Выбор технических средств Исходя из формулировки задачи определим технические средства необходимые для реализации устройства с заданными характеристиками и свойствами. Для контроля скорости вала двигателя будем использовать тахогенератор сопряженный с валом рабочего двигателя, сигнал от которого заведем на аналогово-цифровой преобразователь находящийся непосредственно в разрабатываемой системе. Для преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму представления выберем микросхему 1113ПВ1. Сигналы от АЦП будем передавать на однокристальный микроконтроллер Для получения информации о процессах, происходящих в системе,
потребуются датчики. Для коммутации датчиков с модулем микроконтроллера
используем принцип опроса и передачи информации о состоянии дискретных
датчиков. Сопряжение будет осуществляться по линии связи посредством кабеля Для гальванической развязки цепей линии связи и цепей микроконтроллера будем использовать оптроны, которые необходимы для преобразования сигналов представленных в линии связи импульсами тока в импульсы напряжения ТТЛ-уровня. 3.2 Разработка структурной схемы Разработку структурной схемы автоматического управления асинхронным двигателем начнем с необходимости контроля температуры корпуса двигателя, частоты вращения вала двигателя. Кроме того для получения информации о скорости вращения вала двигателя расположим тахогенератор, вал которого жестко сопряжен с валом рабочего двигателя. Двухпроводная линия связи соединяет тахогенератор с блоком управления. Для контроля работы двигателя и ведения статистики этой работы контроллер соединяется с ЭВМ верхнего уровня. Таким образом структурная схема будет содержать систему датчиков, устройства сбора и промежуточной передачи информации, устройство управления работой установки и машины верхнего уровня. 3.3 Разработка функциональной схемы Функциональную схему можно условно разбить на блоки: блок центрального процессора; блок ввода и преобразования аналоговых сигналов; блок ввода-вывода дискретных сигналов; линейные модули; блок гальванических развязок. 3.3.1 Блок центрального процессора Блок центрального процессора содержит однокристальный микроконтроллер Также один из портов контроллера используется как вход от блока ввода и преобразования аналоговых сигналов, как строб завершения преобразования. Четыре бита этого же порта используются для управления и опроса блока ввода дискретных сигналов, причем два бита - как управляющие и два как информационные. 3.3.2 Блок ввода и преобразования аналоговых сигналов Базовым элементом блока ввода и преобразования аналоговых сигналов является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует сигнал постоянного двуполярного тока в цифровой десятиразрядный двоичный код. При поступлении сигнала на разрешение преобразования от контроллера 3.3.3 Блок ввода-вывода дискретных сигналов Блок ввода дискретных сигналов предназначен для ввода, нормализации и гальванической развязки сигналов от дискретных датчиков. Блок ввода дискретных сигналов работает совместно с выносными линейными модулями, объединение которых производится двухпроводной линией связи. Опрос датчиков осуществляется последовательно время-импульсным квитированием сигналов. Цикл опроса разбит на 2 временных интервала - подготовительный и контрольный. Подготовительный сигнал необходим для заряда линейных модулей. Контрольный интервал разбит на 64 временных позиции, 62 из которых несут информацию о состоянии датчиков, 2 позиции выделены для контроля обрыва проводов линии связи. Блок ввода дискретных сигналов формирует в линию связи специальные положительные и отрицательные импульсы. Импульсами положительной полярности пpоизводится питание и синхронизация pаботы модулей линейных. Ответные импульсы от модулей линейных фоpмиpуются во время пpохождения импульсов отрицательной полярности. 3.3.4 Математическое описание асинхронного двигателя Асинхронная машина представляет собой систему, как минимум двух обмоток, одна из которых расположена на неподвижной части (статоре), другая на вращающейся части (роторе) машины. Момент машины образуется в результате взаимодействия токов в этих обмотках. Трехфазная обмотка статора подключается к питающей сети, трехфазная обмотка ротора замкнутая. Обмотки статора и ротора магнитосвязаны, поэтому потокосцепление обмотки статора определяется как токами, протекающими по трем фазам обмотки статора, так и токами фаз ротора. Это же относится и к обмотке ротора. Таким образом, имеются две трехфазные обмотки, вращающиеся одна относительно другой. Если к обмотке статора приложено трехфазное напряжение, а обмотка ротора замкнута, то мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора задаются следующими уравнениями: [pic] [pic] [pic]. [pic]. [pic] [pic] (5). [pic]
где L1 = l1l + 1,5(l10 = l1l + L0 - полная индуктивность фазы статора. [pic]
где L2 = l2l + L0 - полная индуктивность фазы ротора. [pic] или, учитывая, что I2a + I2b + I2c = 0 и [pic]: [pic] [pic] [pic]
или [pic] (9). [pic]. (10) Объединив уравнения (2), (10) и (11), получим систему уравнений обобщенного асинхронного двигателя: [pic] где L0 - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора, L1 - индуктивность статора от потоков рассеяния, L2 - индуктивность ротора от потоков рассеяния. Система уравнений асинхронной машины (11) непригодна для математического моделирования на ЭВМ, так как векторы, относящиеся к статору и ротору, записаны в различных системах координат. Приведем систему (11) к системе координат, неподвижной относительно
поля статора, вращающегося с угловой скоростью w0. Так как система
координат поля статора повернута на угол (w0(t) относительно системы
координат статора и на угол (w0(t-j), относительно системы координат
ротора, где [pic]- угол между системами координат неподвижно связанными со
статором и ротором, вращающемся с угловой скоростью w2, то для перехода в
систему координат поля статора умножаем все слагаемые первого и третьего
уравнений системы (11) на [pic], а слагаемые второго и четвертого уравнений
системы (11) на [pic], предварительно представив вектор потокосцепления
статора как [pic] и вектор потокосцепления ротора как [pic], где Y10 и Y20 [pic] или [pic] где Y10, Y20, I10, I20 - векторы потокосцеплений и токов статора и ротора в системе координат, неподвижной относительно поля статора, а [pic]- абсолютное скольжение асинхронного двигателя. Приведем систему уравнений (12) к трем переменным: напряжению статора [pic]. Приняв, что [pic] - коэффициент электромагнитной связи статора, [pic] [pic]. [pic]. (13) [pic]. Приняв, что [pic] - коэффициент электромагнитной связи ротора, [pic] [pic]. [pic]. (14) [pic] или преобразовав к нормальной форме Коши: [pic] (15) Уравнение для вращающего момента обобщенной электрической машины, согласно [1], имеет вид: [pic], или перейдя к проекциям на оси d и q: [pic] (16). Все вышеприведенные рассуждения справедливы для обобщенной двухполюсной машины. В случае реальной многополюснолй машины ее необходимо привести к эквивалентной двухполюсной. С этой целью запишем уравнение движения: [pic], где w - угловая скорость реальной машины, M' - вращающий момент реальной машины, Mс - механический вращающий момент нагрузки. Перепишем уравнение движения, учитывая, что M’ = p(M и w = W/p, где p - число пар полюсов реальной многополюсной машины: [pic]. (17) Объединив (15), (16) и (17), получим систему уравнений асинхронного двигателя во вращающейся с частотой поля системе координат: [pic] (18) Система уравнений (18) удобна тем, что может быть решена численными методами. Так, задавшись напряжением, статическим моментом и параметрами схемы замещения, можно найти потокосцепления статора и ротора Y10 и Y20, момент М и скорость вращения ротора асинхронной машины w. 3.4 Проектирование робота 3.4.1 Постановка задачи По заданной кинематической схеме манипулятора и заданному положению выходного звена рассчитать переменные параметры манипулятора, т. е. решить обратную задачу кинематики с использованием матричного метода. Проверку выполнить графическим методом. Размеры звеньев подобрать самостоятельно, шаг изменения размеров 50 мм. 3.4.2 Исходные данные Положение выходного звена: X=-250 ; Y=140 ; Z=480 Кинематическая схема манипулятора: 1 0 P 1 1 3.4.3 Основные понятия и определения Манипулятором называется техническое устройство, предназначенное для воспроизведения некоторых рабочих функций рук человека. Манипулятором называют также исполнительный механизм промышленного робота, оснащенный приводами и рабочим органом, с помощью которого осуществляется выполнение рабочих функций. Способность воспроизводить движения, подобные движениям рук человека, достигается приданием манипулятору нескольких степеней свободы, по которым осуществляется управляемое движение с целью получения заданного движения рабочего органа - схвата. Числом степеней свободы механической системы называется число возможных перемещений системы. Твердые тела, входящие в механическую систему манипулятора,
называются звеньями. В механике различают входные и выходные звенья. Таким образом, в манипуляторе число входных звеньев равно числу приводов, а выходное звено, как правило, одно - схват, или рабочий орган. Подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев называется кинематической парой. 3.4.4 Метод матриц в кинематике манипуляторов Метод матриц можно применять к расчету любого манипулятора с поступательными и вращательными кинематическими парами. Универсальность метода покупается ценой некоторой избыточности вычислений. Этот метод развивался параллельно с развитием вычислительной техники, и он больше приспособлен к расчетам на ЭВМ, нежели к расчетам вручную. Его использование требует свободного обращения с матричным аппаратом. 3.4.5 Выбор систем координат Осью вращательной пары (i, i+1), составленной из звеньев i и i+1, является ось цилиндрического шарнира, жестко связанная со звеном i, вокруг которой вращается звено i+1. Для поступательной пары (i, i+1) осью является любая прямая, параллельная вектору скорости поступательного движения звена i+1 относительно звена i. Пронумеруем все звенья манипулятора от стойки (звено 0) до схвата Начало координат системы 0, т.е. системы, жестко связанной со стойкой, может лежать в любой точке оси пары (0,1); ось Xо направляется произвольным образом. Выбор системы n тоже выпадает из общего правила, так как звено n+1 отсутствует. Поэтому предлагается вообразить любого типа пару (n, n+1) и после этого выбрать систему по общему правилу. Начало выбранной таким образом системы называется центром схвата. 3.4.6 Расширенная матрица перехода для кинематической пары. Определение положения и ориентации звеньев Специальный выбор систем координат звеньев манипулятора позволяет с
помощью лишь четырех параметров описать переход из одной системы в другую. 1) поворот системы i-1 вокруг оси Zi-1 на угол (i до тех пор, пока ось Xi-1 не станет параллельной оси Xi; 2) сдвиг повернутой системы вдоль оси Zi на величину Si до тех пор, пока оси Xi-1 и Xi не окажутся на одной прямой; 3) сдвиг вдоль оси Xi на величину ai до тех пор, пока не совпадут начала координат; 4) поворот вокруг оси Xi на угол (i до совмещения оси Zi-1 c осью Zi. Расширенная матрица имеет следующий вид: [pic] В расширенную матрицу Di входят четыре параметра: (i, (i, Si, ai. Для
любой кинематической пары три из них должны быть константами и только один Для определения положения и ориентации звена i в системе 0, следует найти произведение расширенных матриц А1, А2,... , Аi: Ti = D1·D2· ... ·Di Столбцы матрицы Ti имеют следующее геометрическое толкование: первые три элемента первого, второго и третьего столбцов представляют собой направляющие косинусы соответственно осей Xi, Yi, Zi в системе 0; три элемента четвертого столбца - это координаты xi, yi, zi центра системы i в системе 0. 3.4.7 Решение прямой задачи кинематики Специальные системы координат выбираем в соответствии с указаниями Cоставим матрицы для всех звеньев. Для этого пронумеруем и определим параметры кинематических пар, а результаты занесем в таблицу, приведенную ниже. |Кинема-т| | | | | | | Для решения прямой задачи кинематики необходимо составить матрицы. В
нашем случае матрицы A1 ,A3 и A4 - матрицы сдвига, а A2 - матрица вращения. Рассчитаем результирующие матрицы перехода для заданной кинематической системы манипулятора. [pic]; [pic]; [pic]; Задача решается при помощи формулы: [pic] Решение прямой задачи кинематики сводится к тому, что имея значения обобщенных координат определяются элементы матрицы T, которая однозначно устанавливает положение и ориентацию схвата в системе координат стойки. [pic] [pic] [pic] Координаты центра схвата в системе, связанной со стойкой
манипулятора: 3.4.8 Решение обратной задачи кинематики Обратную задачу кинематики можно сформулировать так : задана кинематическая схема манипулятора и известны положение и ориентация схвата в системе координат стойки. Требуется определить значения обобщенных координат, которые обеспечат заданное положение схвата. Задать положение схвата, как и любого твердого тела, можно с помощью
шести величин. Обычно три из них - это координаты центра схвата, еще две -
это направляющие косинусы одной из координатных осей схвата и последняя -
это один из направляющих косинусов другой координатной оси схвата. |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|