Разработка и создания системы электропривода линии сборки задней подвески автомобилей

Содержание Введение

1. Анализ исходных данных и перспектив развития приводов

2. Выбор мощности двигателя

3. Разработка функциональной схемы и алгоритма программирования контроллеров системы управления линии сборки задней подвески

3.1 Компоновка и назначение линии

3.2 Система управления автоматизированной линией

3.3 Разработка алгоритма управления автоматизированной линией сборки

3.4 Компоновка и назначение сборочного модуля

3.5 Система управления сборочного модуля

3.6 Разработка алгоритма управления сборочным модулем

4. Силовой канал электропривода

4.1 Составные элементы силового канала электропривода

4.2 Определение расчетных параметров асинхронного двигателя

5. Оптимизация контуров регулирования системы векторного управления

5.1 Выбор и описание функциональной схемы электропривода

5.2 Структурная схема асинхронного электропривода с управлением по вектору потокосцепления ротора

5.3 Расчет динамических параметров двигателя

5.4 Расчет динамических параметров преобразователя

5.5 Введение подчиненного регулирования и расчет контурных регуляторов

6. Моделирование системы электропривода и снятие переходных характеристик

7. Расчет и построение механических характеристик частотно регулируемого асинхронного двигателя

8. Технологический процесс изготовления силового шкафа

9. Безопасность и экологичность технологического процесса сборки задней подвески автомобилей «Калина»

9.1 Характеристика участка

9.2 Анализ опасных и вредных факторов

9.3 Воздействие ОВПФ на организм человека

9.4 Меры безопасности и организация мероприятий по устранению опасных и вредных факторов

9.5 Пожаробезопасность участка

9.6 Расчет общего искусственного освещения

9.7 Расчет заземления участка

10 Экономическое обоснование проекта

10.1 Исходные данные для расчета по НИР

10.2 Расчет затрат на НИР Заключение Список используемых источников

Введение

Современный электрический привод представляет собой техническую систему, предназначенную для приведения в движение рабочего органа машины и управления ее технологическим процессом.

В настоящее время в промышленности находят применение два типа электроприводов это регулируемые и нерегулируемые привода.

Нерегулируемым называется электропривод, работающий с постоянной или изменяющейся в незначительных пределах скоростью вращения. Наиболее распространенными типами нерегулируемых электроприводов являются электроприводы с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, с асинхронными двигателями с фазным ротором, а так же электроприводы на базе синхронных двигателей.

Для нерегулируемых электроприводов характерно непосредственное включение электродвигателя в питающую сеть без промежуточных преобразователей электрической энергии. Управление нерегулируемым приводом осуществляется чаще всего с помощью контактной аппаратуры управления и защиты. Основной характеристикой нерегулируемого электропривода являются номинальные данные приводного электродвигателя, которые относятся к основному расчетному режиму работы двигателя.

При своей простоте нерегулируемый привод обладает множеством недостатков, которые делают невозможным применение данного привода во многих областях техники. Поэтому на смену нерегулируемому приводу приходит регулируемый электропривод, который является основным видом автоматизированного электропривода.

Автоматизированный электропривод выполняет две технологические функции:

— преобразование электрической энергии в механическую, необходимую для осуществления данного технологического процесса;

— управление технологическим процессом, причем с определенной степенью оптимизации этого процесса по ряду критериев, таких как: обеспечение максимальной производительности, точности и качества обработки, минимального расхода энергии и т. п.

Вторая функция автоматизированного электропривода всецело связана с необходимостью регулирования величин, характеризующих движение электропривода (скорости, момента, положения рабочего органа). Выполнение этой функции возможно только посредством использования регулируемого электропривода.

Под регулируемым электроприводом понимается электропривод, обеспечивающий плавное с необходимой точностью регулирование скорости (или момента) в заданном диапазоне. Однако требования к регулируемому электроприводу этим не ограничиваются. Система управления регулируемого электропривода должна обеспечивать также заданный характер переходных процессов при изменении скорости, момента или других параметров электропривода.

Поскольку по своим электромеханическим свойствам электродвигатели в естественной схеме включения в питающую сеть не могут обеспечить регулирование параметров движения электропривода с нужным качеством, для создания регулируемого электропривода приходится преобразовывать электрическую энергию, подводимую к двигателю или отводимую от него. Преобразование электрической энергии осуществляется посредством полупроводниковых преобразователей.

Регулируя параметры преобразованной электрической энергии (частоту, напряжение, форму и длительность импульсов и др.) удается получить требуемые для регулируемого привода механические и динамические характеристики.

Двигатели, полупроводниковые преобразователи электрической энергии, датчики и устройства автоматического регулирования в своей совокупности образуют систему регулируемого электропривода. Эти системы различаются, прежде всего, по виду приводного электродвигателя, а также по виду используемых полупроводниковых преобразователей электрической энергии, питающих двигатель.

По виду приводного электродвигателя электропривод делится на электропривод постоянного тока и электропривод переменного тока.

В электроприводе постоянного тока используются двигатели постоянного тока независимого, последовательного и смешанного возбуждения, а также двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Двигатели постоянного тока традиционно являлись основой регулируемого электропривода и широко применяются во всех областях техники.

Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения может производиться тремя способами: введением добавочного сопротивления в цепь якоря, изменением величины напряжения, питающего якорную цепь двигателя, при постоянном потоке возбуждения и изменением тока возбуждения, т. е. изменением магнитного потока двигателя.

При вводе добавочного сопротивления в цепь якоря скорость холостого хода остается неизменной, а изменяется наклон механических характеристик, т. е. уменьшается их жесткость. Данный способ регулирования скорости в настоящее время не используется, поскольку введение добавочного сопротивления сопряжено с потерями энергии в этом сопротивлении.

Основным способом регулирования скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения, является регулирование напряжения, подводимого к якорю двигателя.

Изменение скорости при этом производится вниз от основной (номинальной) скорости, определяемой естественной характеристикой. При уменьшении напряжения якоря уменьшается скорость холостого хода, а жесткость механических характеристик остается постоянной. Повышение напряжения питания выше номинального не рекомендуется, т.к. это может ухудшить коммутацию на коллекторе.

Плавность регулирования, отсутствие дополнительных потерь энергии при регулировании и высокая жесткость механических характеристик составляют основные достоинства этого способа регулирования скорости.

Регулирование скорости выше основной производится уменьшением тока (потока) возбуждения. При уменьшении магнитного потока происходит увеличение скорости холостого хода и одновременно снижается жесткость механических характеристик двигателя.

Для изменения напряжения на якоре двигателей постоянного тока используются регулируемые источники питания:

— электромашинные агрегаты — генератор — двигатель;

— тиристорные преобразователи (выпрямители) с фазовым управлением;

— полупроводниковые выпрямители с регулированием величины выпрямленного напряжения методом широтно-импульсного регулирования.

Электроприводы созданные на базе двигателей постоянного тока обеспечивают регулирование координат движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов во всех режимах работы с высокими показателями качества.

Несмотря на все достоинства электропривода постоянного тока, его главная часть двигатель обладает существенным недостатком. Он содержит щеточно-коллекторный узел, который увеличивает стоимость двигателя, усложняет обслуживание и уменьшает надежность машины.

В последние годы с появлением новых силовых полупроводниковых компонентов началось интенсивное использование регулируемых электроприводов на базе двигателей переменного тока.

Асинхронный двигатель является наиболее массовым электрическим двигателем, в сравнении с двигателем постоянного тока, при одной и той же мощности и номинальной угловой скорости в 1,5−2 раза легче, момент инерции его ротора более чем в 2 раза меньше и стоимость его существенно ниже — примерно в 3 раза. Асинхронные двигатели технически более прост и надежен в эксплуатации, может длительно работать при повышенных скоростях и температурах, в агрессивных и взрывоопасных средах, будучи бесконтактной машиной, является более надежным в сравнении с машиной постоянного тока, имеющей коллектор, который осложняет эксплуатацию и ограничивает по условиям коммутации динамические нагрузки.

Эти двигатели выпускаются мощностью от 0,1 кВт до нескольких тысяч киловатт и находят применение во всех отраслях хозяйства. Основным достоинством асинхронного двигателя является простота его конструкции и невысокая стоимость. Однако по принципу своего действия асинхронный двигатель в обычной схеме включения не допускает регулирования скорости его вращения. Особое внимание следует обратить на то, что во избежание значительных потерь энергии, а, следовательно, для короткозамкнутых асинхронных двигателей во избежание перегрева его ротора, двигатель должен работать в длительном режиме с минимальными значениями скольжения.

1. Анализ исходных данных и перспектив развития приводов Целью дипломного проектирования является модернизация системы движения транспортера сборочной линии, путем замены электропривода движения транспорта с двигателем постоянного тока, на частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем.

Необходимость замены электроприводов постоянного тока связана с износом двигателей и тахогенераторов, частыми поломками системы управления и простоями оборудования, невозможностью обеспечения запасными частями для системы управления.

Современные преобразователи частоты позволяют обеспечивать широкий диапазон регулирования скорости вращения и компенсировать снижение мощности двигателя на малых оборотах. Постоянное удешевление преобразователей частоты и реализация все более изощренных режимов управления способствует широкому их применению в тех областях, где раньше доминировали приводы постоянного тока.

Следует отметить экономичность предложенного варианта модернизации. К примеру, при тех же параметрах, стоимость использованной связки «асинхронный двигатель — преобразователь частоты» примерно в два раза ниже стоимости отечественного комплекта «двигатель постоянного тока — преобразователь частоты»

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей. Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения электромагнитного поля статора и скольжением. Исходя из этого, принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине щ₀.

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами: частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора и числом пар полюсов двигателя. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

1.1 Системы скалярного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода Принцип скалярного управления частотно-регулируемого синхронного электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений модулей переменных АД (напряжений, магнитных потоков, потокосцеплений и токов цепей двигателя). Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f₁ и напряжения U₁, либо частоты f₁ и тока I₁ статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй — как частотно-токовое управление.

Выбор способа и принципа управления определяется совокупностью статических, динамических и энергетических требований к асинхронному электроприводу.

Скалярный принцип частотного управления является наиболее распространенным в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования переменных АД, а также возможность построения разомкнутых систем управления скоростью.

Основной недостаток подобного принципа управления заключается в трудности реализации желаемых законов регулирования скорости и момента АД в динамических режимах. Связано это с весьма сложными электромагнитными процессами, протекающими в АД.

Скалярное частотно-токовое управление АД характеризуется малым критическим скольжением и постоянством критического момента при постоянстве питающего АД тока и изменении его частоты. Однако в разомкнутых системах подобное управление практически исключено, поскольку с увеличением нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток АД и для обеспечения желаемых перегрузочных способностей АД по моменту требуется заметное превышение номинальных значений напряжения питания и тока статора.

1.2 Разомкнутые системы При невысокой точности и ограниченном диапазоне регулирования скорости АД наиболее целесообразным является его частотное управление в разомкнутой системе электропривода (Рисунок 1.1). В подобных системах частота f₁ и напряжение питания U₁ АД формируется пропорционально напряжению управления u_y в преобразователе частоты (ПЧ) на базе автономного инвертора напряжения. Для компенсации падения напряжения во внутренних сопротивлениях ПЧ и возможных колебаний напряжения его питающей сети в преобразователях частоты как источниках напряжения принято использовать внутренние контуры стабилизации выходного напряжения.

Рисунок 1.1 — Функциональная схема разомкнутой системы ПЧ-АД Для сохранения постоянства перегрузочной способности АД по моменту в функциональном преобразователе (ФП) предусматривается такое соотношение между напряжениями задания частоты u_f и напряжения u_u на выходе ПЧ, при котором обеспечивается компенсация падения напряжения на активном сопротивлении обмоток статора. Теоретически это соотношение характеризуется нелинейной функцией, когда u_u снижается в меньшей степени, чем u_f.

При регулировании токов и моментов АД выше номинальной для привода механизмов, имеющих в данном диапазоне скоростей постоянную мощность нагрузки, напряжение питания АД сохраняется равным номинальному значению. При этом допустимый момент АД убывает в первом приближении обратно пропорционально увеличению частоты, а перегрузочная способность АД по моменту уменьшается обратно пропорционально частоте.

Недостатком разомкнутой системы частотного управления является отсутствие ограничений переменных электропривода (моментов, токов, напряжений) при возможных перегрузках со стороны рабочего механизма или отклонениях напряжения питающей сети.

1.3 Замкнутые системы частотного управления Формирование требуемых статических и динамических свойств асинхронного частотно-регулируемого электропривода возможно лишь в замкнутой системе регулирования его координат. Обобщенная функциональная схема подобной системы (Рисунок 1.2) кроме АД и управляемого преобразователя частоты (ПЧ) содержит регуляторы Р и датчики Д переменных электропривода. Управляющими воздействиями u_y на входе регуляторов могут быть сигналы задания любых координат электропривода — скорости, угла поворота ротора АД, тока статора, магнитного потока и т. п.

Возмущающими воздействиями на электропривод могут быть моменты сил сопротивления M_С на валу АД или колебания напряжения питающей электропривод сети U_С. Входными сигналами датчиков являются переменные АД, доступные для непосредственного их измерения (частота, напряжения и ток статора, скорость ротора, магнитный поток в воздушном зазоре АД) или определяемые расчетным путем с помощью математической модели АД (ЭДС, потокосцепление статора, ротора и т. п.). Выходные сигналы регуляторов, зависящие от управляющих воздействий, сигналов обратных связей u_о.с и принятых алгоритмов регулирования, являются сигналами управления частотой u_f, выходным напряжением u_u и током u_i преобразователя частоты.

Рисунок 1.2 — Функциональная схема замкнутой системы ПЧ-АД со скалярным управлением

1.4 Системы частотно-токового управления При частотно-токовом управлении АД питается от преобразователя частоты (ПЧТ), работающего в режиме источника тока. Подобный преобразователь может быть реализован на основе автономного инвертора тока (Рисунок 1.3а), в состав которого входят управляемый выпрямитель УВ, обеспечивающий за счет отрицательной обратной связи по току нагрузки (датчик тока ДТ и регулятор тока РТ) совместно с фильтрующим дросселем Д_Р режим управляемого источника постоянного тока, и инвертор тока ИТ, выполняющий функцию формирования требуемой частоты выходного тока. Реализация ПЧТ возможна и на основе преобразователей частоты с непосредственной связью НПЧ (Рисунок 1.3б), в которых для каждой из вентильных групп имеется внутренний контур регулирования тока, частота выходного тока НПЧ задается генератором частоты ГЧ. Контур регулирования тока ПЧТ, как правило, астатический, и параметры его ПИ-регулятора определяют так же, как и для ПИ-регулятора тока в электроприводах постоянного тока.

Управление двигателем производится с помощью сигналов задания выходного тока u_з.т и частоты u_зf преобразователя ПЧТ. Оба сигнала, в свою очередь, зависят от общего сигнала управления u_y.

Рисунок 1.3 — Функциональные схемы систем ПЧ-АД при питании от источников тока на основе автономного инвертора (а) и преобразователя частоты с непосредственной связью (б).

При питании АД от источника тока вследствие размагничивающего действия тока ротора магнитный поток АД заметно изменяется при изменении абсолютного скольжения. Поэтому для стабилизации магнитного потока АД при изменении его нагрузки в канал задания тока ПЧТ вводится функциональный преобразователь ФП, определяющий задание тока статора I₁ в функции абсолютного скольжения s_а.

Рисунок 1.4 — Функциональная схема замкнутой системы ПЧ-АД с частотно-токовым управлением Положительные свойства АД при его питании от ПЧТ, такие как независимость электромагнитного момента АД от частоты и возможность при заданном токе статора и абсолютном скольжении, равном критическому, обеспечить больший момент, чем при питании от источника напряжения, могут быть реализованы лишь в замкнутой системе, контролирующей абсолютное скольжение и ток двигателя в функции нагрузки. На рисунке 1.4 представлена функциональная схема подобной системы частотно-токового управления АД. Источник тока реализован на основе управляемого выпрямителя УВ, ток нагрузки I_н которого задается выходным напряжением u_рт регулятора тока РТ, пропорциональным разности напряжений u_з.т на выходе ФП и u_о.т датчика тока ДТ. Стабилизация скорости АД обеспечивается за счет регулятора скорости РС, на выходе которого сравниваются напряжения задания скорости u_з.с и обратной связи u_о.с выхода тахогенератора ТГ. Особенность схемы в том, что здесь автоматически формируются сигналы, пропорциональные абсолютному скольжению и заданию синхронной скорости АД.

1.5 Системы векторного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода Векторное управление частотно-регулируемого асинхронного электропривода связано как с изменением частоты и текущих значений переменных АД, так и с взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системах координат. За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе систем с векторным управлением.

При векторном управлении АД может питаться как от источника напряжения, так и от источника тока. Вариант частотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, поскольку при регулировании тока независимо от частоты питания АД обеспечивается регулирование и его момента. Это не только упрощает схему управления, но и одновременно ограничивает перегрев двигателя. При этом напряжения на обмотках статора АД устанавливаются автоматически в зависимости от его режима работы.

Рисунок 1.5 — Векторные диаграммы переменных АД при ориентации системы координат x, y по основному потокосцеплению (а) и по потокосцеплению ротора (б) Система векторного управления с опорным вектором потокосцепления

(рисунок 1.5а) ш_м должна иметь два канала управления — модулем ш_м и угловой скоростью ротора АД. По аналогии с ДПТ канал управления скоростью должен содержать внутренний контур управления составляющей тока статора I1y, эквивалентной току якоря ДПТ, и внешний контур управления угловой скоростью ротора. Канал управления модулем потокосцепления ш_м должен содержать контур управления составляющей тока статора I_1x, эквивалентной току возбуждения ДПТ. Хотя по своей функции этот канал и подобен каналу управления магнитным потоком ДПТ, он более сложен, поскольку взаимосвязь модуля ш_м, составляющих тока и напряжения статора по оси х характеризуется дифференциальным уравнением второго порядка. На этот канал оказывает влияние и составляющая тока статора I_1y в виде трансформаторных ЭДС, пропорциональных рассеяниям статора и ротора.

Система управления с опорным вектором потокосцепления ш₂ имеет более простую структуру управления, чем при опорном векторе ш_м.В соответствии с рисунком 1.5б она должна иметь два канала управления — потокосцеплением ш₂ и скоростью двигателя. Канал управления ш₂ двухконтурный: внутренний контур управляет составляющей I_1x тока статора, внешний — модулем потокосцепления ротора. Двухконтурным может быть и канал управления скоростью АД: внутренний контур управляет составляющей I_1у тока статора, внешний — угловой скоростью ротора.

При стабилизации потокосцепления ротора ш₂=const механические характеристики АД подобны характеристикам ДПТ с независимым возбуждением. Поскольку теория и технические решения замкнутых систем управления, достаточно апробированы, то понятна привлекательность применения систем векторного управления с управлением по потоку ротора.

В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:

— плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;

— экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных. В качестве преобразователей частоты широкое применение получили преобразователи MICROMASTER 440 являющиеся серийными преобразователями для регулирования трехфазных электродвигателей. Отдельные поставляемые модели имеют диапазон мощностей от 120 Вт при однофазном входе до 75 кВт при трехфазном входе.

Преобразователи оснащены микропроцессорной системой управления и используют самые современные технологии с IGBT — транзисторами (биполярный транзистор с изолированным затвором). Вследствие этого они надежны и разнообразны. Оригинальный способ широтноимпульсной модуляции с выбором частоты коммутации дает возможность бесшумной работы электродвигателя. Обширные функции защиты обеспечивают эффективную защиту преобразователя и электродвигателя. MICROMASTER 440 с заводскими предустановками является идеальным для широкой области простых применений регулирования скорости, также может использоваться для более требовательных к регулированию скорости электродвигателя областях применений при помощи обширного списка параметров. MICROMASTER 440 может применяться как индивидуально, так и интегрироваться в системы автоматизации процессов.

Основные характеристики:

— Легко устанавливать, настраивать и пускать в эксплуатацию

— Малое время отклика на сигналы управления

— Соответствует международным нормам электромагнитной совместимости

— Может работать с источниками энергии сравнимой мощности

— Обширный набор параметров, которые дают возможность

конфигурирования для широких областей применения

— Простое присоединение проводов

— Релейные выходы

— Аналоговые выходы 0−20мА

— 6 изолированных переключаемых p-n-p/n-p-n дискретных входов

— 2 аналоговых входа:

AIN 1 — 0−10 В, 0−20мА или -10 до +10В

AIN 2 — 0−10 В, 0−20мА

— Два аналоговых входа могут использоваться как 7-й и 8-й дискретные входы.

— Модульная конструкция для очень гибкой конфигурации

— Высокая частота коммутации для бесшумной работы электродвигателя

— Внешние опции для обмена данными с компьютером, базовая панель обслуживания (ВОР), комфортная панель оператора (АОР) и модули

передачи данных по шине Profibas.

Функциональные особенности:

— Векторное регулирование без датчика скорости

— Регулирование потока (FCC) для улучшения динамических характеристик и повышения качества регулирования электродвигателя

— Мгновенное ограничение тока (FCL) для работы без отключения двигателя

— Встроенное динамическое торможение постоянным током

— Комбинированное торможение для улучшения возможностей торможения

— Времена ускорения и торможения с программируемым сглаживанием

— Использование замкнутого PID регулятора с автоподстройкой

— Встроенный прерыватель тормоза

— Выбираемая интенсивность разгона и остановки

— 4-х точечная интенсивность сглаживания

— Многоточечная V/f характеристика, задаваемая пользователем

— Установленные параметры могут быть перенесены на другие устройства аналогичных процессов

Особенности защиты:

— Защита от повышенного и пониженных напряжений

— Защита преобразователя от перегрева

— Защита от замыкания на землю

— Защита от короткого замыкания

— Защита от перегрева двигателя по потерям I²t

Рисунок 1.6 — Подключение электродвигателя к сети

2. Выбор мощности двигателя Исходными данными для выбора двигателя являются следующие технические характеристики транспортера автоматической линии:

— частота вращения максимальная…1400 об/мин;

— частота вращения минимальная…14 об/мин;

— скорость перемещения…1,7 м/с;

— передаваемый момент на вал транспорта… 18 Нм;

— диаметр приводного вала … 0,06 м;

— масса детали… 16 кг;

— кпд механизма… 85%.

— передаточное число редуктора привода транспорта…6;

Поскольку максимальная нагрузка двигатель приходится при частоте вращения 1400 об/мин, то все расчеты будем проводить для этого режима работы

2.2.1 Момент статической нагрузки на валу двигателя с учетом КПД механизма и передаточного числа редуктора:

Нм, (2.1)

2.2.2 Радиус приведения на выходном конце редуктора:

м, (2.2)

2.2.3 Суммарный, приведенный к валу двигателя, момент инерции:

кг•м², (2.3)

где k_З=1,5 — коэффициент запаса, учитывающий неизвестный момент инерции.

2.2.4 Динамический момент на валу двигателя:

Нм, (2.4)

где щ — угловая скорость двигателя.

рад/с, (2.4.1)

2.2.5 Моменты на валу двигателя Находим момент при пуске:

Нм, (2.5)

Находим момент при установившейся работе:

Нм, (2.5.1)

Находим момент при торможении:

Нм, (2.5.2)

По рассчитанным данным построили нагрузочную диаграмму двигателя

2.2.6 Эквивалентный момент двигателя:

Нм, (2.6)

2.2.7 Номинальная расчетная мощность двигателя по формуле:

Вт, (2.7)

Нагрузочная диаграмма и тахограмма привода представлены на рисунке 2.1:

t₁ =1с M_пуск =4,55 w₁ =146 рад/с

t₂ =10с M_уст =3,53

t₃ =0.5с M_торм =2,51

Рисунок 2.1 — Нагрузочная диаграмма (а) и тахограмма (б) привода

По каталогу выбираем двигатель типа: 4А71А4, со следующими параметрами:

Тип двигателя 4А71А4У3

Синхронная частота вращения n_C = 1360 об/мин

Число пар полюсов р = 2

Номинальная мощность Р_н = 0,55 кВт КПД = 0,705

Коэффициент мощности двигателя cos_н = 0,7

Номинальное фазное напряжение U_фн = 220 В Число фаз обмотки статора m₁ = 3

Динамический момент инерции ротора двигателя J = 0,0013

Кратность критического момента = 3

Номинальное скольжение S_н = 0,073

Приведенное активное сопротивление статора Ом Приведенное активное сопротивление ротора Ом Приведенное индуктивное сопротивление статора Ом Приведенное индуктивное сопротивление ротора Ом Приведенное индуктивное

сопротивление цепи намагничивания Ом

3. Разработка функциональной схемы и алгоритма программирования контроллеров системы управления линии сборки задней подвески

3.1 Компоновка и назначение линии Рассматриваемая автоматизированная линия предназначена для автоматизации сборки задней подвески автомобилей «КАЛИНА».

Автоматизированная линия сборки представлена на рисунке 3.1. Она состоит из сборочного конвейера, на котором установлены заготовки будущего узла или агрегата, загрузочного манипулятора (МЗ) с устройством подачи заготовок (УПЗ), разгрузочного манипулятора (МР) с устройством приема готовых узлов (УПУ) и пяти сборочных модулей (СМ) состоящих из двух подающих транспортеров (ТР) каждый. Кроме того линия содержит систему контроля комплектации (СКК) и датчик положения заготовок (Д1).

Рисунок 3.1 — Автоматизированная линия сборки задней подвески Конвейер служит для перемещения и позиционирования в зоне сборки всего собираемого узла. Загрузочный манипулятор перемещает заготовку из устройства подачи заготовок на конвейер, а так же обратно, если обнаружен брак. Разгрузочный манипулятор снимает с конвейера готовый узел и помещает его в устройство приема. Система контроля комплектации обеспечивает определение типа заготовки, помещенной на конвейер загрузочным манипулятором. Сборочные модули предназначены для подачи в зону сборки деталей и комплектующих, соответствующих комплектации собираемого узла, а так же для установки этих деталей на собираемый узел. Датчик положения заготовок позволяет позиционировать заготовки, расположенные на конвейере, точно в зонах сборки каждого сборочного модуля. Применение одного датчика позиционирования только в зоне сборки первого сборочного модуля обусловлено размещением на конвейере удерживающих приспособлений (спутников) на одинаковом расстоянии друг от друга. Это позволяет позиционировать все заготовки по одному датчику.

3.2 Система управления автоматизированной линией Назначение системы управления состоит в координации и синхронизации работы всех составляющих частей сборочной линии. Для управления всеми устройствами сборочной линии применяется микроЭВМ, выполненная на базе однокристального промышленного микроконтроллера. Структурная схема системы управления представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Структурная схема системы управления автоматизированной сборочной линией Система управления состоит из следующих узлов. МикроЭВМ, информационная шина, контроллеры сборочных модулей (КСМ), контроллеры манипуляторов и системы контроля комплектации (КМЗ, КМР, КСКК), а так же электропривода конвейера (ЭП) и датчика позиционирования (Д1).

МикроЭВМ предназначена для управления контроллерами всех устройств, входящих в автоматизированную сборочную линию, а так же конфигурирования этих контроллеров. Управление и конфигурирование контроллеров производится при помощи обмена командами по информационной шине. Информационная шина представляет собой двунаправленный последовательный интерфейс для обмена командами и данными между ЭВМ и контроллерами. ЭВМ и каждый контроллер имеют свой уникальный сетевой адрес, кроме того, имеется один адрес, который воспринимается всеми контроллерами как свой. Это необходимо для выдачи команды всем одновременно. Команды и данные передаются в формате представленном на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 — Формат посылки Посылка содержит в себе признак начала посылки (НП), адрес приемника (АП), адрес источника (АИ), длину посылки (ДЛ), код команды (КК), данные (Д) и контрольную сумму (КС). На любую посылку адресат должен ответить посылкой подтверждением либо посылкой с кодом ошибки. В случае отсутствия ответа посылка повторяется.

Контроллеры манипуляторов и системы контроля комплектации представляют собой системы управления этими устройствами, поставляемые заводом изготовителем. Система команд и алгоритм управления так же определяет завод изготовитель.

Контроллеры сборочных модулей представляют собой унифицированные контроллеры, выполненные на базе недорогих однокристальных микроконтроллеров. Они предназначены для управления оборудованием сборочного модуля.

3.3 Разработка алгоритма управления автоматизированной линией сборки

Рисунок 3.4 — Блок-схема алгоритма управления автоматизированной линией сборки

Цикл работы линии начинается со снятия готового узла с конвейера и помещения на конвейер заготовки. После подтверждения о завершении этих операций ЭВМ дает команду системе контроля комплектации на определение кода комплектации заготовки. Если система не может определить код, то загрузочный манипулятор должен снять с конвейера неизвестную заготовку и поместить ее в брак, после чего повторить цикл загрузки и проверки комплектации. В случае успешного определения кода комплектации этот код передается контроллеру первого сборочного модуля, а контроллер в свою очередь передает уже отработанный им код комплектации следующему контроллеру и так далее. После этого ЭВМ выдает общую команду всем контроллерам сборочных модулей на подготовку деталей согласно кодам комплектации и включает привод конвейера. При достижении заготовкой датчика Д1 привод отключается и выдается всем контроллерам сборочных модулей команда разрешение сборки. По завершении сборки каждый контроллер выдает подтверждение окончания операции либо код неустранимой ошибки. В случае получения кода неустранимой ошибки ЭВМ выдает сообщение об ошибке на терминал и останавливает процесс до устранения оператором данной ошибки и подтверждения об этом через терминал. Как только ЭВМ получает подтверждение об окончании операции от всех контроллеров, цикл работы конвейера считается законченным и ЭВМ переходит на начало цикла. Блок-схема алгоритма работы ЭВМ представлена на рисунке 3.4.

3.4 Компоновка и назначение сборочного модуля Сборочный модуль линии сборки задней подвески автомобилей «КАЛИНА» предназначен для подачи деталей и комплектующих, соответствующих заданной комплектации, в зону сборки, а так же для установки этих деталей на собираемый узел. Схема компоновки сборочного модуля представлена на рисунке 3.5.

Модуль состоит из двух симметричных транспортерных линий, расположенных с обеих сторон конвейера. Транспортерные линии включают в себя сам транспортер с расположенными на нем датчиками позиционирования деталей Д1-Д3 приводимый в движение автоматизированным электроприводом ЭП1. Загрузочный манипулятор М1 с устройством подачи деталей и устройством приема брака. Сборочный манипулятор М2. Систему контроля комплектации СКК1.

Транспортер предназначен для подачи детали в зону контроля и затем в зону сборки. Позиционирование деталей происходит при помощи датчиков. Д1 — в зоне загрузки выгрузки, Д2 — в зоне контроля, Д3 — в зоне сборки. В зоне загрузки деталь помещается на транспортер при помощи манипулятора М1, который берет ее из устройства подачи в соответствии с текущей комплектацией либо снимает бракованную деталь с транспортера и укладывает ее в устройство приема брака. В зоне контроля деталь проверяется на комплектность и на соответствие текущей комплектации. В зоне сборки деталь устанавливается на заготовку, находящуюся в этот момент на конвейере.

Рисунок 3.5 — Сборочный модуль линии сборки задней подвески

3.5 Система управления сборочного модуля

Контроллер системы управления управляет сразу двумя транспортерными линиями. Архитектура системы управления модуля повторяет архитектуру главной системы управления и показана на рисунке 3.6. Система содержит контроллеры, управляющие механизмами, которые связаны между собой информационной шиной для обмена командами и данными, датчики позиционирования и электроприводы транспортеров. Протокол обмена данными повторяет протокол, используемый в главной системе управления.

Рисунок 3.6 — Структурная схема системы управления сборочным модулем

3.6 Разработка алгоритма управления сборочным модулем

Цикл работы модуля начинается с получения кода комплектации. После получения кода отработанный код передается следующему контроллеру управления сборочным модулем и ожидается разрешение на отработку задания от ЭВМ. Если разрешение получено, дается команда манипуляторам М1 и М4 на установку деталей на транспортеры согласно текущей комплектации. После завершения этой операции включаются электроприводы транспортеров. При достижении деталями датчиков Д2 и Д5 транспортеры выключаются и дается команда системам контроля комплектации проверить соответствие деталей текущей комплектации и их комплектность.

Если комплектация или комплектность не совпадает с требуемой, то следует команда включить соответствующий транспортер и при срабатывании датчика Д1 либо датчика Д6 команда остановить транспортер, а манипулятору М1 или М2 снять деталь с транспортера и положить в брак. После этого повторить операции загрузки и контроля. Если комплектация верна, то следует команда включить транспортер и переместить детали до срабатывания датчиков Д3 и Д4. Выключить привод транспортера и ожидать от ЭВМ разрешения на сборку. Если разрешение получено, манипуляторам М2 и М3 установить детали на заготовку. После завершения операции выдать на ЭВМ подтверждение об окончании операции. На этом цикл работы контроллера заканчивается и происходит переход на начало. Блок-схема алгоритма работы КСМ представлена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 — Блок-схема алгоритма управления сборочным модулем

4. Силовой канал электропривода

4.1 Составные элементы силового канала электропривода

Силовой канал электропривода включает в себя неуправляемый выпрямитель, автоинвертор и асинхронный двигатель. Схема силового канала приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Схема силового канала Напряжение питающей сети выпрямляется неуправляемым выпрямителем и через фильтр подаётся на автономный инвертор АИ, который, в свою очередь, преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой частоты. Выходная частота может регулироваться в широком диапазоне как вверх, так и вниз от номинальной частоты питания двигателя.

Для получения регулируемого напряжения синусоидальной формы применяются транзисторные преобразователи частоты с широтно-импульсной модуляцией.

В приведённой схеме силовые транзисторы VT1-VT6 осуществляют инвертирование и регулирование амплитуды выходного напряжения путём совмещения этих функций в системе управления преобразователем частоты. Обратный диодный мост VD1-VD6 обеспечивает защиту силовых транзисторов от перенапряжений, а также возврат реактивной энергии двигателя М в накопительный конденсатор С. Избыток накопленной энергии сбрасывается с помощью защитного транзистора VT7 в балластное сопротивление R.

Принцип формирования кривой фазного напряжения u₂ на выходе преобразователя частоты поясняет диаграмма, приведённая на рисунке 4.2. Для обеспечения ШИМ схема управления преобразователем вырабатывает двуполярное напряжение u_T треугольной формы, которое затем сравнивается с напряжением u_У управления синусоидальной формы заданной частоты. В моменты равенства названных напряжений схемой вырабатываются импульсы, длительность которых соответствует синусоидальному закону ШИМ. Положительные импульсы поступают на транзистор VT1 (VT3, VT5), а отрицательныена транзистор VT4 (VT6, VT2).

В качестве исполнительного двигателя выбираем асинхронный двигатель 4А71B4У3 мощностью Р_Н = 0,75 кВт, напряжением U_ФН = 220 В, скоростью вращения n = 1390 об/мин.

Асинхронный двигатель получает питание от преобразователя частоты типа MICROMASTER (ф. SIEMENS) 6SE6440−2UD15 — 5AAO, имеющего следующие характеристики:

Мощность 0,55 кВт Сетевое напряжение 380 — 480 В±10% 3 фазы Уровень защиты IP20

Диапазон температур от -40°С до 70 °C Способность выдерживать перегрузку 150% в течении 60 с Диапазон выходной частоты от 0 до 120 Гц Торможение постоянным током, динамическое

и комбинированное Номинальный ток 3 А Преобразователи частоты серии MICROMASTER 440 применяются для изменения и регулирования скорости вращения двигателей переменного тока c нагрузкой постоянного или вентиляторного типа, для процессов с высокой динамикой и повышенными требованиями к стартовому моменту и перегрузке. Инверторы управляются микропроцессором. Специальный метод широтно-импульсной модуляции обеспечивает исключительно тихую работу двигателя. Защита инвертора и двигателя обеспечена различными защитными функциями.

Отличительные особенности преобразователей частоты серии MICROMASTER:

а) Совместимость со всеми типами асинхронных и синхронных двигателей российского и зарубежного производства

б) Высокая перегрузочная способность

в) Встроенный ПИД-регулятор (ПИ-регулятор для серии MICROMASTER)

г) Простое управление для всего спектра мощностей

д) Встроенный тормоз постоянного тока

е) Функция быстрого ограничения тока для надежной и безопасной работы

ж) Тепловая и электрическая защита преобразователя частоты и двигателя

з) Возможность подключения к промышленной шине PROFIBUS DP

MICROMASTER принадлежит к семейству инверторов, разработанных для непосредственного подключения к сети. Это автономные блоки, которые включают в себя все компоненты, необходимые для их функционирования.

Инвертор содержит полностью интегрированный блок питания с высокоэффективными теплоотводами, которые охлаждаются вентиляторами с программным управлением.

Напряжение от устройства связи постоянного напряжения затем преобразуется в комплекс импульсной переменной частоты и напряжения при помощи блоков питания последнего поколения с низкими потерями, комбинированных с полностью оптимизированными сигналами ШИМ, представляя следующие преимущества:

a) более низкие потери инвертора и двигателя;

б) диапазон частот напряжения двигателя от 0 до 120 Гц;

в) диапазон напряжения двигателя от 0 до напряжения в сети;

г) почти синусоидальные токи двигателя;

д) высокий КПД двигателя;

е) инвертор защищён от коротких замыканий на массу.

MICROMASTER обеспечивает ускоренное ограничение по току. Ускоренное ограничение по току — это циклическое аппаратное ограничение по току, встроенное в инвертор. Его порог установлен немного ниже программного порога отключения от перегрузки по току и срабатывает намного быстрее, предотвращая тем самым нежелательные отключения при внезапных нагрузках или быстрых ускорениях.

Рис 4.2 — Диаграмма формирования выходного напряжения преобразователя с ШИМ Регулирование амплитуды выходного напряжения производится изменением амплитуды напряжения u_У.

Для формирования трёхфазного напряжения на выходе преобразователя система управления должна вырабатывать три напряжения u_У синусоидальной формы, сдвинутых относительно друг друга на 120. Рассматриваемый преобразователь частоты перспективен для регулируемых электроприводов малой и средней мощности.

4.2 Определение расчетных параметров асинхронного двигателя Для определения расчетных параметров асинхронного двигателя используем Г-образную и Т-образную схемы замещения (рисунок 4.3).

a b

Рисунок 4.3 — Г-образная (а) и Т-образная схема замещения АД.

Параметры Г-образной схемы замещения:

Номинальный фазный ток статора:

(4.1)

Активное сопротивление обмотки статора:

(4.2)

Коэффициент пересчёта:

(4.3)

Активное сопротивление обмотки статора в Т-образной схеме:

(4.4)

Приведённое сопротивление обмотки статора:

(4.5)

Активное сопротивление обмотки ротора в Т-образной схеме:

(4.6)

Сопротивление рассеяния обмотки статора:

(4.7)

Индуктивное сопротивление обмотки статора в Т-образной схеме:

(4.8)

Сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведённое к обмотке статора:

(4.9)

Индуктивное сопротивление обмотки ротора в Т-образной схеме:

(4.10)

Сопротивление рассеяния основного магнитного потока:

(4.11)

Круговая частота вращения поля статора:

(4.12)

Взаимная индуктивность фаз статора и ротора:

(4.13)

Индуктивность рассеяния фаз статора:

(4.14)

Индуктивность рассеяния фаз ротора:

(4.15)

Полные индуктивности фаз статора и ротора:

(4.16)

(4.17)

Коэффициенты электромагнитной связи статора и ротора:

(4.18)

(4.19)

Коэффициенты рассеяния обмоток:

(4.20)

Переходная индуктивность статора:

(4.21)

Переходное активное сопротивление:

(4.22)

Постоянная времени статора:

(4.23)

Постоянная времени ротора:

(4.24)

Максимальное значение модуля потокосцепления ротора:

(4.25)

Номинальное значение модуля изображающего вектора тока статора:

(4.26)

5. Оптимизация контуров регулирования системы векторного управления

5.1 Выбор и описание функциональной схемы электропривода Функциональная схема асинхронного электропривода с управлением по вектору потокосцепления ротора и подчинённой системой регулирования представлена на рисунке 5.1. Приведённая схема может быть представлена в виде трёх частей: силовой, информационной и управляющей.

Силовая часть схемы содержит транзисторный преобразователь частоты UF и асинхронный трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором М. Управление двигателем в данном приводе осуществляется изменением частоты, амплитуды и фазы напряжения питания статорной обмотки.

Информационная часть системы управления содержит датчик тока статора, датчик составляющих главного потокосцепления и на элементах Холла, блок вычисления составляющих потокосцепления ротора и блоки и преобразования числа фаз.

Блок выполняет вычисление составляющих и потокосцепления ротора, используя следующие выражения:

(5.1)

где и — соответственно, составляющие основного потокосцепления асинхронного двигателя по осям б и в, неподвижным относительно статора

Блок осуществляет преобразование фазных токов, и, измеренных датчиком, в токи двухфазной системы и по формулам:

(5.2)

Блок выполняет преобразование сигналов управления и из двухфазной системы координат в сигналы управления, и трёхфазной системы координат.

(5.3)

Рисунок 5.1 — Функциональная схема асинхронного электропривода с управлением по вектору потокосцепления ротора.

Подсистема векторных преобразований состоит из блока вектор фильтра VF и двух блоков поворота координат и. Вектор-фильтр вычисляет модуль вектора потокосцепления ротора и единичные тригонометрические функции и, которые позволяют определить мгновенное фазовое положение вращающихся осей координат (j 1,2), ориентированных по направлению вектора. Вычисления осуществляются по формулам (5.4) и (5.5). Функциональная схема блока VF показана на рисунке 5.2. Индекс () в схеме означает блок деления, индекс — извлечение корня

; (5.4)

;

. (5.5)

Блок поворота координат служит для преобразования токов статора системы координат в токи статора подвижной системы координат (1,2), а блок — для преобразования сигналов управления и подвижной системы координат в сигналы управления и неподвижной системы координат при этом используются следующие выражения:

(5.6)

(5.7)

Рисунок 5.2 — Функциональная схема блока вектор фильтр Рисунок 5.3 — Функциональная схема блока поворота координат

Управляющая часть системы управления выполнена по принципу подчинённого регулирования параметров и содержит два канала управления: канал управления модулем потокосцепления ротора и канала управления угловой скоростью ротора. Канал управления имеет внутренний контур регулирования тока намагничивания составляющей тока статора и внешний контур — потокосцепления. В контурах регулирования используются соответственно регуляторы тока АА1 и модуля магнитного потокосцепления А?.

Канал управления скоростью содержит внутренний контур регулирования квадратурной составляющей тока статора с помощью регулятора АА2 и внешний контур регулирования скорости вращения с помощью регулятора AR. Поскольку на выходе регулятора скорости получается сигнал пропорциональный электромагнитному моменту, то для более точного выделения задающего сигнала тока в контур включён блок деления БД.

Для компенсации внутренних обратных связей двигателя и учёта Э.Д.С. вращения в схему введён блок Е компенсации и развязки контуров. Функциональная схема блока приведена на рис. 5.4.

Рисунок 5.4 — Функциональная схема блока компенсации и развязки контуров Сигналы компенсации и устраняют взаимное влияние контуров регулирования, определяемое природой асинхронного двигателя, а сигнал обеспечивает учет Э.Д.С. вращения.

Передаточные функции связей компенсирующих сигналов:

(5.8)

где и — соответственно коэффициенты усиления и эквивалентная постоянная времени UF.

5.2 Структурная схема асинхронного электропривода с управлением по вектору потокосцепления ротора

Структурная схема асинхронного электропривода с управлением по вектору потокосцепления ротора и последовательной коррекцией представлена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 — Структурная схема асинхронного электропривода

В схеме асинхронный двигатель М представлен развернутой структурной схемой с учетом всех обратных связей, поэтому для развязки каналов управления модулем потокосцепления ротора и скоростью вращения применена прямая компенсация путем введения регулирования специальных сигналов коррекции, и. Сигнал коррекции компенсирует влияние внутренней связи, сигнал — влияние внутренней связи и сигнал — влияние ЭДС вращения асинхронного двигателя.