Электропривод механизма выдвижения руки манипулятора (стр. 2 из 4)
Время движения при максимальном перемещении:
Тогда время разгона и время торможения:
Таким образом максимальное угловое ускорение равно:
Линейное ускорение механизма соответственно:
Определим нагрузки, действующие на вал двигателя:
- статическая нагрузка:
;- динамическая нагрузка:
;- центробежная нагрузка:
.Суммарный момент сопротивления на валу двигателя, соответствующий наиболее нагруженному режиму работы:
;Выбираем интегрированный шаговый сервопривод фирмы ЗАО «Сервотехника» СПШ20-23017 со следующими параметрами(табл.1):
Таблица 1
| Параметр | Значение |
| Выходная мощность, Вт | 70 |
| Момент удержания, Нм | 1,8 |
| Номинальный ток, А | 3 |
| Напряжение питания блока управления, В | 15 |
| Напряжение питания силовой части, В | 24-85 |
| Момент инерции вала ротора, кг•см2 | 0,4 |
| Разрешение энкодера, имп./об. | 2500 |
| Наличие нулевой метки | Да |
| Допустимая эксплуатационная температураокружающей среды, °С | -20…+50 |
| Температура хранения, °С | -40…+50 |
| Исполнение | IP54 |
| Типоразмер | NEMA23 |
| Масса, кг | 2 |
Рис.2 Механическая характеристика СПШ20-23017 при различный значениях питающего напряжения.
Интегрированный сервопривод СПШ объединяет в одном компактном корпусе все необходимое для обеспечения управления движением ротора шагового двигателя в различных режимах работы.
Гибкая система настройки и встроенный контроллер позволяют использовать разработанные «Сервотехникой» сервоприводы в различных областях, а благодаря стандартным фланцам NEMA и компактным размерам СПШ может быть использован и при модернизации оборудования.
Конструктивно сервопривод СПШ можно разделить на следующие основные блоки:
- гибридный шаговый двигатель с габаритами NEMA 23 и 34;
- преобразователь частоты на основе высокопроизводительного DSP процессора;
- блок управления (сервоконтроллер и программируемый логический контроллер в одном корпусе);
- датчик позиции вала мотора.
Преимущества сервопривода СПШ:
- бесшаговое (векторное) управление на основе адаптированного для шаговых двигателей алгоритма;
- высокие динамические показатели за счет использования замкнутых контуров регулирования токов в обмотках двигателя;
- использование замкнутых контуров скорости;
- низкая вибрация за счет динамически регулируемого усилия;
- продуманная конструкция и простой монтаж;
- компактные размеры и небольшая масса.
Особенности сервопривода:
- реализованы режимы управления угловой позицией, скоростью, моментом;
- в базовой прошивке доступен режим плавного разгона/торможения с исключением двух диапазонов резонансных частот;
- точность позиционирования от 6 угловых минут до 8 угловых секунд;
- встроенный программируемый логический контроллер, дающий пользователю возможность создавать программы движения привода без применения внешних контроллеров;
- возможен режим синхронизации работы группы приводов (до 128 приводов на базе промышленной шины CAN);
- реализован режим работы «master-slave»
- наличие интерфейса Step/Dir для задания позиции вала двигателя;
- аналоговый интерфейс ±10 В для задания скорости двигателя;
- блок управления имеет 2 цифровых выхода, 4 электрически развязанных цифровых входа;
- привод имеет встроенную защиту от короткого замыкания, перегрева, повышенного и пониженного напряжения;
- настройка системы управления СПШ может осуществляться по более чем 50 параметрам, что позволяет оптимизировать рабочие характеристики привода для решения каждой конкретной задачи;
- в сервоприводе реализован режим осциллографа, позволяющий с высоким разрешением анализировать качество переходных процессов в приводе.
Данный электропривод может работать в динамическом режиме, при этом управляющий сигнал от контроллера верхнего уровня передается через цифровой интерфейс в режиме реального времени. Динамический режим используется в системах, требующих контурного управления (например, в манипуляторах со сложной кинематикой и координатных столах для точного позиционирования).
Проверка выбранного двигателя по нагреву.
Пусть нагрузочная диаграмма двигателя имеет циклический характер, а момент в каждом цикле не остается неизменным, т.е. двигатель работает с переменной нагрузкой (режимы S6, S7 или S8).
Рассмотрим «далекий» цикл, в котором тепловые процессы в двигателе установились, т.е. температуры перегрева в начале и в конце цикла равны, а в течение цикла t изменяется около среднего уровня tср. Равенство температур перегрева в начале и конце цикла свидетельствует о том, что количество тепла, запасенное в двигателе к началу цикла, не отличается от количества тепла, запасенного в двигателе в конце цикла, т.е. тепло в двигателе не запасается.
В соответствии с документацией, представленной заводом-изготовителем КПД электропривода при моменте нагрузки Мн=0,2 Нм, равен:
;Номинальные потери двигателя:
;Тепловые потери:
;Потери в меди для номинального режима:
;Механические потери принимаем равными 10% от номинальных:
;Для электропривода СПШ-10 потери в стали отсутствуют, так как вращающиеся части не содержат ферромагнитных материалов
; 
Двигатель выбран правильно, если в процессе его эксплуатации соблюдается условие:
,где
- допустимое превышение температуры для изоляции двигателя, которое определяется классом нагревостойкости изоляции. 
;Коэффициент теплоотдачи:
Вт/°С;Тогда:
°С;Для выбранного двигателя предельная температура:
°С, допустимое превышение температуры для изоляции двигателя: 
°С≥ 
.Как видно из расчётов, предельное превышение температуры двигателя за время работы ниже допустимого, значит двигатель не будет перегреваться.
4. Моделирование режимов работы электропривода и процессов управления
В качестве системы управления используется трёхконтурная система подчинённого регулирования с контурами тока, скорости, положения. Структурная схема представлена на рис.
Расчёт параметров структурной схемы
Вследствие малого значения постоянной времени контура тока, будем считать его безъинерционным звеном с коэффициентом передачи, равным:
; 
Рис.3. Блок-схема рассматриваемой системы.
Контур скорости:
- коэффициент обратной связи по скорости;Настроим контур скорости на технический оптимум:
Регулятор скорости представляет собой П-регулятор.
Контур положения:
Настроим контур положения на технический оптимум:
Регулятор положения представляет собой П-регулятор.
В соответствии с техническим заданием моделируемая система должна отрабатывать гармоническое задание с частотой 0…2 Гц с ошибкой позиционирования не более 1 мм
При f=1 Гц Ω = 2·π·f = 2·3,14·1=6,28 рад/с
Амплитуду задания выбираем опытным путём, для получения линейной скорости движения руки манипулятора не более 0,5 м/с. Была выбрана амплитуда, равная 24,5 рад.
Рис.4 Модель исследуемой системы в среде MatLab.
Результаты моделирования:
Рис.5. Зависимость
и 
от времени t.