Электроприводы с системами числового программного управления: Методические указания к лабораторным работам

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С СИСТЕМАМИ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Ульяновск 2007

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С СИСТЕМАМИ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания к лабораторным работам

Составитель В. М. Иванов

Ульяновск 2007

У Д К 681.31 (076) Б Б К 32.973.2.я7 Э46 Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, п р о ф е с с о р А. В. Кузнецов. О т в е т с т в е н н ы й за выпуск зав. кафедрой «Электропривод и А П У » д-р техн. наук, п р о ф е с с о р В. Н. Д м и т р и е в .

О д о б р е н о с е к ц и е й методических п о с о б и й научно-методического совета университета

Электроприводы

с

системами числового

программного

управления

Э 4 6 м е т о д и ч е с к и е указания к л а б о р а т о р н ы м р а б о т а м / сост. В. М. И в а н о в . Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 33 с.

Изложены общие сведения о принципах построения устройств числового программного управления (УЧПУ) и их программного обеспечения, систем и организации движения по заданной траектории. Основное внимание уделено решению задач движения по заданной траектории, принципам построения цифровых электроприводов, включая следящие приводы, и алгоритмам их реализации. Методические указания составлены в соответствии с учебной программой курса «Электроприводы с системами числового программного управления» и предшествующего курса «Микропроцессорное управление электроприводами» и могут быть использованы студентами заочного и дневного факультетов в качестве дополнительного пособия по указанным курсам, в том числе при выполнении курсовых работ. Целью лабораторных работ является более детальное ознакомление с УЧПУ, получение навыков работы на данных устройствах и разработки алгоритмов и программ управления электроприводами применительно к системам числового программного управления. Работа подготовлена на кафедре ЭП и АПУ. У Д К 681.31(076) Б Б К 32.973.2.я7

© Иванов В. М., составление, 2007 © Оформление. УлГТУ, 2007

3 СОДЕРЖАНИЕ Указания по технике безопасности

3

О б щ и е сведения

4

Лабораторная работа № 1 Алгоритмы интерполяции

7

Лабораторная работа № 2 С л е д я щ и й электропривод

12

Лабораторная работа № 3 Ш а г о в ы й электропривод .

18

Лабораторная работа № 4 Регулируемый электропривод по системе Ш И П - Д П Т

27

Библиографический список

32

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При числового

работе

на

компьютере

программного

и

микроЭВМ,

управления,

необходимо

встроенных знать

в

системы

общие

правила

техники безопасности. 1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и охране труда. 2. П е р е д началом работы необходимо убедиться,что выключатели «Сеть» на

общем

щитке

и

на

стенде

находятся

в

положение

«Отключено»,

а

штепсельные разъемы находятся в рабочем положение. 3. П р о и з в о д и т ь

замену

блоков,

делать

перекоммутацию

только

при

отключенном питании сети. 4. Запрещается включать стенд без разрешения преподавателя. 5. Во время эксплуатации двери У Ч П У д о л ж н ы быть закрыты с п о м о щ ь ю специального ключа. Ключ должен находиться у обслуживающего персонала или у преподавателя. 6. П р и проведении работ с использованием осциллографа необходимо остерегаться одновременного касания руками испытательной панели и корпуса осциллографа. 7. Запрещается

самостоятельно

устранять

неисправности,

необходимо

отключить напряжение и поставить в известность преподавателя. П р и работе и ремонте установки особое внимание следует обратить на надежное заземление. К болту заземления У Ч П У прокладывается медная ш и н а или провод сечением не менее 2,5 мм. 8. П о м е щ е н и е п о жа р но й

лаборатории

сигнализации

и

должно

первичными

быть

оборудовано

средствами

системой

пожаротушения

(огнетушителями), а также средствами оказания первой м е д и ц и н с к о й п о м о щ и .

4

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В настоящее время (ЧПУ)

является

производства.

станок с

основным

Станки

с

числовым программным управлением

производственным

ЧПУ

используются

модулем как

современного

для

автоматизации

мелкосерийного или штучного производства, так и для производства больших серий [ 1 , 2 ] . В е д у щ и е ф и р м ы постоянно совершенствуют и р а с ш и р я ю т возможность систем Ч П У , систем подготовки данных и проектирования. О д н а из концепций этой

стратегии

неразрывно

связана

с

совершенствованием

регулируемого

электропривода, придания ему новых качеств за счет цифрового управления. Учитывая

разнообразного

потребителя,

спрос

на

самые

простые,

маленькие станки, кроме многокоординатных Ч П У предлагаются семейства Ч П У для простых станков (2 оси + шпиндель для токарных и 3 оси + ш п и н д е л ь для фрезерных станков). В качестве приводов могут быть использованы как шаговые

двигатели,

так

и

сервоприводы

с

аналоговым

интерфейсом

[3].

Значительное внимание уделяется вопросам модернизации систем Ч П У старого поколения и создания систем передачи данных. С о в р е м е н н ы е У Ч П У разрабатываются с учетом автоматизированном производстве (ГПС) для создания локальных

их р а б о т ы в гибком

и имеют разнообразный интерфейс

сетей. П р о г р а м м н о е обеспечение их существенно

р а с ш и р и л о возможности технолога и оператора станка. Все ш и р е в алгоритмах интерполяции используются сплайны и полиномы. Эти ф у н к ц и и позволяют создавать плавные непрерывные кривые. Использование сплайнов в обработке позволяет сократить управляющую программу, улучшить динамику движения приводов,

повысить качество обрабатываемых поверхностей,

отказаться от

ручной доводки пресс-форм. Х о т я за последние годы язык программирования для У Ч П У претерпел серьезные

изменения,

обеспечения

в

виде

однако набора

остается

базовых

преемственность

функций.

программного

Большинство

программ,

на п и с а нн ы х для старых моделей У Ч П У , работают и с н о в ы м и моделями при м и н и м а л ь н ы х переделках. На р и с . 1 показана типичная структурная схема устройства

числового

программного управления типа 2С-42-65, используемая в качестве основного лабораторного программных свободным

оборудования решений.

для

отработки

Устройство

программированием

и

является

алгоритмов.

проверки

аппаратных

контурно-позиционным Количество

и со

управляемых

координат - до 8. Одновременное управление при линейной интерполяции обеспечивается по 4-м координатам, а при круговой интерполяции - по 2-м координатам. Одноплатная

микроЭВМ

МС

12.02

реализована

на

базе

процессора

1801ВМ2. О б м е н информацией между м и к р о Э В М и в н е ш н и м и устройствами осуществляется

по

каналу

ЭВМ

типа

«Общая

шина».

Для

нагрузочной способности используется расширитель канала (РК).

увеличения

5

Рис. 1. Структурная схема УЧПУ 2С-42-65

К о н с т р у к т и в н о Ч П У содержит 2 корзины. Одна из них предназначена для установки блоков общесистемного пользования, а вторая предназначена для установки специальных блоков для управления станком. На станочной магистрали находятся блоки входных и блоки в ы х о д н ы х сигналов, с п о м о щ ь ю которых реализуется логического

управления.

Формирование

программная реализация задач

аналоговых

сигналов

управления

приводами подач и главного д в и ж е н и я осуществляется через цифроаналоговые преобразователи ( Ц А П ) - группа «Привод». Д л я реализации о б р а т н ы х связей по п о л о ж е н и ю используются преобразователи фаза-код ( П Ф К ) , с о с т а в л я ю щ и е группу «Датчики».

Для р е ш е н и я задач адаптивного управления (например,

систем стабилизации м о щ н о с т и резания) могут быть использованы аналогоц и ф р о в ы е преобразователи ( А Ц П ) - группа «Адаптивное управление». Пульт управления (ПУ) содержит набор алфавитно-цифровых клавиш, с п о м о щ ь ю к о т о р ы х м о ж н о осуществлять ввод у п р а в л я ю щ е й п р о г р а м м ы . Кроме того, и м е ю т с я функциональные клавиши, с п о м о щ ь ю которых задается р е ж и м работы

УЧПУ

поиску,

редактированию

представляет можно

и

собой

определяются

управляющих

набор

осуществлять

специальные

функции,

программ.

Пульт

декадных переключателей,

изменение

значений

соответствующие

с

скорости

коррекции помощью

подачи

и

(ПК)

которых скорости

в р а щ е н и я главного движения в процентном соотношении. Для

отображения

текущего

значения

координат

и

технологических

параметров используется алфавитно-цифровой дисплей - блок отображения символьной

информации

(БОСИ).

Для

ввода

и

вывода

управляющей

п р о г р а м м ы могут быть использованы фотосчитывающее устройство ( Ф С У ) и л е н т о ч н ы й перфоратор (ПЛ). В качестве носителя и н ф о р м а ц и и в этом случае используется перфолента. Другой вариант ввода-вывода и н ф о р м а ц и и основан на

использовании

радиальной

канала

последовательной

последовательной

связи).

Для

связи

(ИРПС

увеличения

-

интерфейс

быстродействия

6

используют аппаратный блок у м н о ж е н и я (БУ) и блок преобразования кодов (БПК). Базовое программное обеспечение У Ч П У записывается в постоянное з а п о м и н а ю щ е е устройство (ПЗУ) и представляет собой набор подпрограмм, реализующих

так

называемые

подготовительные

G

и

вспомогательные

ф у н к ц и и М, а также сервисные функции по вводу и отработке у п р а в л я ю щ е й программы. Управляющая программа представляет собой последовательность кадров, о п р е д е л я ю щ и х траекторию движения инструмента. В кадре с п о м о щ ь ю G

и

М-функций

определяются

тип

интерполяции

(линейная,

круговая),

п е р е м е щ е н и я по координатам, скорости подач и частоты в р а щ е н и я привода главного движения, тип и коррекция на вылет режущего инструмента и другая и н ф о р м а ц ия , определяющая работу на участке траектории. Рассмотрим

отработку

управляющей

программы

с

точки

зрения

функционирования и использования блоков У Ч П У . Основное м а ш и н н о е время при

отработке

кадра

затрачивается

на

расчет

траектории

движения

инструмента. Д в и ж е н и е по траектории в о б щ е м случае включает в себя участки разгона

и

торможения.

формирование

Согласование

задающих

воздействий

движения

по

осуществляется

координатам

и

программным

интерполятором, который разворачивает требуемую траекторию во времени по прерываниям

от

таймера.

Отработка

этой

траектории

осуществляется

следящими приводами подач. Сигнал о ш и б к и по п о л о ж е н и ю формируется п р о г р а м м н ы м способом,

а затем выдается через Ц А П в качестве сигнала

управления скоростью электропривода. П р и в о д подачи (главного движения) при этом представляет собой автономное устройство, которое д о л ж н о быть замкнуто

обратной

связью

по

скорости.

Работа

интерполятора

должна

осуществляться в реальном масштабе времени. П р и использовании численных методов

интегрирования

шаг

интегрирования

определяется

периодом

прерывания от таймера. Для обеспечения частоты среза приводов порядка 50 Гц прерывания от таймера д о л ж н ы производится на частоте не менее 100 Г ц . Во

время

подготовка

отработки текущего кадра в

информации

«Интерпретация

кадра».

и н ф о р м а ц и и в числовую.

для Он

следующего включает

в

фоновом р е ж и м е кадра.

себя

Этот

происходит

этап

называется

преобразование

символьной

Числовая информация вводится в десятеричной

системе счисления. Вначале символьная информация преобразуется в двоичнодесятичную систему, а затем с п о м о щ ь ю Б П К - в двоичную. Аналогичная задача преобразования информации возникает и в каналах обратной связи по п о л о ж е н и ю . Контроль положения осуществляется в двоично-десятичном коде. Для согласования информация с преобразователя фаза-код преобразуется к м а ш и н н о м у (двоичному) представлению. П р и выводе информации возникает обратная задача - преобразование двоичной и н ф о р м а ц и и в двоично-десятичные числа, а затем в символьное представление.

7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 АЛГОРИТМЫ ИНТЕРПОЛЯЦИИ 1. Ц е л ь работы О з н а к о м л е н и е с методами реализации движения по заданной траектории. 2. М е т о д и ч е с к и е указания Одной изделий

на

заданной

из основных задач, металлорежущих

траектории.

р е ш а е м ы х системой Ч П У

станках,

Участки

является

обработки

при обработке

обеспечение

изделия

движения

описываются

в

по

виде

последовательности кадров управляющей программы У Ч П У . В кадре задаются приращения координат или их абсолютные конечные значения, и определяется тип

интерполяции,

инструмента.

При

соответствующий этом

вычисление

участку

траектории

промежуточных

точек

движения траектории

осуществляется с п о м о щ ь ю подпрограмм интерполяции, входящей в состав базового

программного

интерполяции, круговая

используемыми

интерполяция.

реальном расчетов

обеспечения

масштабе с

УЧПУ.

УЧПУ,

расчеты

Другим

точности,

с

станочных

Траекторные

времени.

высокой

в

станка

так

является

должны

требованием как

Основными

линейная

и

осуществляться

в

является

погрешности

типами

этих

обеспечение вычислений

накапливаются, что может привести к б о л ь ш и м инструментальным ошибкам. Это определяет появление все более у с л о ж н я ю щ и х с я и н т е р п о л я ц и о н н ы х

и

экстраполяционных алгоритмов, используемых в У Ч П У . К числу наиболее простых

и

распространенных

алгоритмов

относится

интерполяционный

алгоритм, реализованный по методу оценочной функции [4, 5]. Линейная

интерполяция

по

методу

оценочной

функции.

И н т е р п о л я ц и я обычно ведется в абстрактных координатах а,Р,у в отличие от р е а л ь н ы х координат x,y,z. П р и этом и н т е р п о л я ц и о н н ы е расчеты ведутся в первом квадранте соответствующей плоскости, а преобразование координат производится на этапе интерпретации кадра. Обратное преобразование выполняется управления

перед на

формированием

привод.

Рассмотрим

сигналов линейную

и н т е р п о л я ц и ю по двум координатам (рис. 1), где показано функции

ступенчатая

отработка

движения

в

F, у ч и т ы в а ю щ е й знак отклонения от

заданной прямой.

Рис. 2. Линейная интерполяция по методу оценочной функции

Расчетное уравнение прямой, проходящей через начало координат

где α k , β k - конечные значения координат на участке траектории.

8

В качестве оценочной функции в л ю б о й точке i м о ж н о п р и н я т ь разность текущего и расчетного значений координаты (2) Учитывая, что при формировании закона управления д в и ж е н и е м имеет значение только знак оценочной функции, последнее выражение м о ж е т быть представлено в виде

П у с т ь выполняется ш а г по координате

а, тогда оценочная функция

будет

Управлением

движением

по

уравнениям

(4),(5)

происходит

по

с л е д у ю щ и м правилам. Если в д а н н ы й м о м е н т времени значение оценочной ф у н к ц и и положительно отрицательно

F(α,β)

0,

то делается шаг по координате α, если

то выполняется шаг по координате β.

Алгоритм может быть усовершенствован за счет выдачи п р и р а щ е н и я на каждом

кванте

Обозначим

времени

через

α

по

координате,

наибольшую

имеющей

координату,

наибольшее

тогда

при

значение.

положительном

значении оценочной функции необходимо выдавать п р и р а щ е н и е только по координате

α,

а при отрицательном и р а в н о м нулю з н а ч е н и я м - по обеим

координатам α и β. В этом случае новое значение оценочной ф у н к ц и и м о ж н о рассчитать по формуле

Достоинство этого алгоритма заключается в том, что при д в и ж е н и и вдоль п р я м о й под углом 45° к координатным осям максимальная скорость возрастает за счет одновременного движения по координатам α и β. Отработка

участка

траектории

должна

осуществляться

с

заданной

скоростью v 3 подачи. П р и этом необходимо

решать

разгона

торможения

и

допустимым

темпом

задачи с

изменения

скорости привода подачи с тем, чтобы ошибок

избежать по

ограничений способности динамических Рис. 3. Диаграмма линейного разгона и торможения

накопления

положению по

из-за

перегрузочной и

снижения

нагрузок

на

исполнительные м е х а н и з м ы . На

9

диаграмме д в и ж е н и я (рис. 3) м о ж н о выделить три основные участка: разгона (0-

αр)

д в и ж е н и я с постоянной скоростью ( α р -

т о р м о ж е н и я (α T - α k ).

αj)

И з м е н е н и е скорости на участках разгона и торможения м о ж е т и м е т ь кусочнолинейный

характер,

передачах,

влияние

учитывающий сухого

трения

выборку и

люфтов

у ме н ьш е н и е

в

кинематических

скорости

для

точного

позиционирования. С п е ц и ф и ч е с к и е особенности метода оценочной функции, с в я з а н н ы с тем, что

скорость перемещения определяется частотой

f

выдачи элементарных

приращений

где h - цена единичного шага перемещения (дискретность); Т- период таймерного прерывания (время цикла выполнения алгоритма). Это

определяют

повышенные

требования

к

диапазону

таймерных

прерываний. П р и м е м в качестве основного закон, об е с п е чи в ающ и й р а в н о у с к о р е н н ы й пуск (рис. 4). Пусть начальная частота равна

f0,

тогда, задав допустимое

п р и р а щ е н и е частоты (приемистость) на интервале T 0 = 1/f 0 , получим

Аналогично

можно

получить

следующую

частоту,

используя

и т е р а ц и о н н у ю формулу и определить к о э ф ф и ц и е н т деления эталонной частоты таймера

где Ent - целочисленное значение. Р а с с ч и т а н н ы е значения к о э ф ф и ц и е н т о в деления целесообразно записать в виде

таблицы.

Необходимо

гиперболическую

при

зависимость

этом учитывать

выходной

частоты

таймера от к о э ф ф и ц и е н т а деления. В диапазоне м а л ы х частот эффективное изменение частоты при и з м е н е н и и к о э ф ф и ц и е н т а незначительно, поэтому в большинстве случаев их число м о ж н о ограничить в пределах 2 0 . . . 50. Алгоритм л и н е й н о й интерполяции по методу оценочной ф у н к ц и и показан на рис. 5. Отработка алгоритма прерываниям.

осуществляется В

начале путем

по

таймерным

анализа значения

Рис. 4. Диаграмма изменения частоты прерываний таймера

10

ведущей координаты α i на i — м интервале определяются участки д в и ж е н и я в зависимости от них формируются ветви р е ш е н и я .

Рис. 5. Алгоритм линейной интерполяции по оценочной функции

11

На участках разгона и торможения производится перезагрузка регистра д а н н ы х таймера путем выборки коэффициента деления в сторону у м е н ь ш е н и я или увеличения. Далее в зависимости от знака оценочной функции формируются две ветви,

по

которым

одновременно

производится

шаг или только

по двум координатам

α,

β.

по

координате

П р и достижении

а,

или

конечного

значения формируется признак конца отработки кадра, по которому в основной организующей программе осуществляется переход к следующему кадру. П о н я т и е «шаг по координате» зависит от типа используемого привода. Для шагового электропривода данное понятие соответствует очередному шагу коммутации обмоток двигателя. П р и реализации следящего электропривода это приращение координаты. П о л н о е значение координаты в этом случае определяется как сумма элементарных приращений. И в том и в другом случае знак п р и р а щ е н и й необходимо интерпретировать на этапе перехода к реальным координатам. 3. Задание д л я д о м а ш н е й подготовки 3.1. Ознакомиться с методами интерполяции [ 1 , 2 ] . 3.2. Изучить особенности реализации алгоритмов л и н е й н о й и круговой интерполяции по методу оценочной ф у н к ц и и [4, 5]. 4. Рабочее задание Для

заданного

алгоритма

интерполяции

разработать

программу,

осуществить ее ввод и проверку. В качестве индивидуального задания выдается требуемый контур отработки движения. 5. П о р я д о к работы Ввод

данных

осуществляется

в

среде

симулятора

1801

[6].

Первоначальную проверку программы целесообразно осуществить в р е ж и м е трассировки. Затем путем многократного запуска программы на выполнение и просмотра

значений

переменных

убедится

в

ее

работоспособности.

Окончательную проверку выполнить с выводом значений координат на график. 6. С о д е р ж а н и е отчета 6.1. Титульный лист. 6.2. Ц е л ь работы. 6.3. Отчет

по заданию, выводы по работе, график отработки заданного

контура в системе координат X, Y и во времени. 7. К о н т р о л ь н ы е вопросы 7.1. Поясните сущность метода интерполяции, реализованного по методу оценочной функции. 7.2. К а к и м образом м о ж н о трактовать понятие «шаг по координате»? 7.3. В ч е м состоят особенности реализации равноускоренного пуска и т о р м о ж е н и я при отработке кадра управляющей программы? 7.4.

Для

управления

какими

электроприводами

алгоритмы интерполяции по методу оценочной функции?

можно

использовать

12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 1. Ц е л ь работы Ознакомление с организацией следящего электропривода У Ч П У . 2. М е т о д и ч е с к и е указания Отработка

заданного

осуществляется

с

положения

помощью

в

следящего

контурных

ЭП

(см.

системах

рис.

6).

С

ЧПУ

помощью

интерполятора решаются задачи развертки заданных перемещений во времени, одновременно с этим решаются задачи пуска и торможения с заданным темпом п р и р а щ е н и я скоростей и ускорений.

Рис. 6. Организация следящего привода подачи в системах ЧПУ

В в о д и н ф о р м а ц и и в интерполятор осуществляется кадр за кадром. П р и этом в кадре управляющей программы содержится задание по п е р е м е щ е н и ю X

и о скорости V x подачи по соответствующей координате. Рассматриваемая следящая система построена по принципу подчиненного

регулирования параметров и содержит три контура: положения, скорости и тока

[7].

В

каждом

из

контуров

содержится

соответственно

регулятор

положения (РП), скорости (PC) и тока (РТ). Регулятор положения в У Ч П У типа 2С42-65

реализуется

программным

способом,

а

контроль

положения

осуществляется с п о м о щ ь ю датчика положения (ДП) и преобразователя фазакод

(ПФК).

Сопряжение

с

автономным

аналоговым

электроприводом

осуществляется с п о м о щ ь ю цифроаналогового преобразователя ( Ц А П ) . При

настройке

модульный регуляторов: тока

оптимум

всех

трех

будем

контуров иметь

тока,

скорости

следующие

и

положения

передаточные

на

функции

13

где k I , k ω , kψ - соответственно к о э ф ф и ц и е н т ы передачи датчика тока, скорости и положения; Т µ ,ТЭ - постоянные времени усилителя м о щ н о с т и и я к о р н о й цепи двигателя;

TΣI,

TΣω

- с у м м а р н ы е постоянные контуров тока и

скорости; R э , J, Ф - сопротивление я к о р н о й цепи, момент и н е р ц и и

и поток

двигателя; с - конструктивная постоянная двигателя. Синтез структуры регулирования для каждого конкретного механизма имеет свои особенности в силу специфических требований, п р е д ъ я в л я е м ы х к электроприводу

со

стороны

объекта

управления.

Требованиям

глубокого

регулирования скорости удовлетворяют астатические структуры. П о в ы ш е н и е астатизма

возможно

как

за

счет

соответствующих

настроек

внутренних

контуров, так и путем выбора ПИ и л и ПИД-регулятора во в н е ш н е м контуре. В практике вентильных приводов для станкостроения ш и р о к о используются структуры с настройкой на максимальное быстродействие [8]. П р и этом в контурах скорости и положения используют ПИ-регуляторы д л я обеспечения необходимых

статических

и

динамических

показателей.

Для

оптимизации

структур в р е ж и м е прерывистого тока используют адаптивные регуляторы с перестраиваемой структурой и н е л и н е й н ы е регуляторы. Реализации

следящего

электропривода.

Основной

особенность

реализации следящих систем является то, что сигналы задания Х3и обратной связи X

при равномерном движении

представляют

собой

периодическую

развертку д в о и ч н о г о кода (рис. 7). Д л я удобства

отсчета

осуществляют

в

измерение

обычно

двоично-десятичной

системе. В э т о м случае сигнал задания с интерполятора и обратной связи с ПФК

будут

представлять

неполный

д в о и ч н ы й код. Это

предъявляет

соответствующие

требования к ф о р м и р о в а н и ю сигнала задания и обработке кода П Ф К . П р и

Рис. 7. Диаграммы развертки сигналов задания и обратной связи по положению

ф о р м и р о в а н и и о ш и б к и рассогласования в о з м о ж н ы два случая: д в и ж е н и е в п р я м о м и обратном направлениях. П р и реализации алгоритма необходимо предусмотреть особенности формирования о ш и б к и V X n p n переходе фаз через их м а к с и м а л ь н ы е и м и н и м а л ь н ы е значения.

14

Алгоритм регулятора положения. И н ф о р м а ц и я с П Ф К читается в виде двух слов (рис. 8), которые загружаются в регистры R 3 , R 4 . Для организации следящей которая

системы

необходима

информация

соответствует периоду 2π.

только

о

Эта информации

младших

будет

разрядах,

соответствовать

младшему слову П Ф К . С учетом того, что код, характеризующий положение, представлен

двоично-десятичными

числами,

а

для

организации

операций

вычисления используются двоичные числа, информация с П Ф К преобразуется с п о м о щ ь ю преобразователей кодов ( П К ) . Признак

преобразования

двоично-десятичных

чисел

в

двоичные

загружается в регистр состояния PC преобразователя кодов П К , после чего производится

загрузка

преобразования.

R3

в

его

Преобразование

регистр чисел

данных

и

программным

осуществить по формуле счисления.

Затем

чтение

результата

способом

можно

- основание системы

вычисляется

ошибка

между

ΔX

сигналом

заданного

положения Х 3 и сигналом обратной связи X. С учетом циклической развертки задающего моменты

сигнала

и

перехода

обратной

задающего

связи

производится

сигнала

с

обработка

максимального

ошибки

значения

в на

м и н и м а л ь н о е или наоборот. Если о ш и б к а по п о л о ж е н и ю максимально возможное значение

ΔX превышает тах Х /2, то для восстановления сигнала

о ш и б к и до нормального уровня формируется дополнительный код ошибки. Алгоритм

предусматривает

реализацию

П-регулятора,

в

соответствии

с

которым реализуется операция перемножения N φ = β p n • ΔX. П р и реализации алгоритма входные

регулятора величины

требуемой

используется

и

точности

целочисленная

коэффициенты их

можно

представления.

арифметика.

масштабировать,

Если

При

исходя

представить

βpn

этом

в

из

виде

восьмиразрядного числа, то м о ж н о получить 256 его значений. Выходной

сигнал

при

перемножении

восьмиразрядного

и

шестнадцатиразрядного числа будет представлен двадцатичетырехразрядным результатом.

Выход

16-разрядные числа. путем

НАЛ

позволяет

преобразовывать

в

лучшем

случае

Поэтому приходится производить загрубение системы

использования

только

старших

разрядов

д о п у с т и м ы х значений сигнала управления. В

или

снижать

диапазон

последнем случае необходим

анализ н а с ы щ е н и я регулятора при выходе сигнала о ш и б к и из допустимого диапазона. И н ф о р м а ц и я на Ц А П поступает в виде знакового модуля, поэтому в случае

отрицательного

числа

формируется

его

дополнительный

код

и

в

старший разряд загружается признак отрицательного числа. С т а р ш и й разряд при этом в Ц А П используется для переключения выходного сигнала через дополнительный инвертирующий усилитель.

15

Рис. 8. Алгоритм регулятора положения

16

3. Задание д л я д о м а ш н е й подготовки 3.1. Ознакомиться с п ри н ц и п о м построения следящей системы У Ч П У 2С42-65 и о с н о в н ы м и блоками, используемыми для ее организации. 4. Рабочее задание Для заданного алгоритма регулятора положения разработать программу, осуществить ее ввод и проверку. В качестве индивидуального задания могут быть использованы следующие варианты: 4 . 1 . Разработка алгоритма и программы работы следящего привода в режиме

непрерывной развертки

фазы

в

функции скорости.

В в о д задания

скорости и формирования заданного приращения угла целесообразно в этом случае

осуществлять

с

клавиатуры

с

отображением

заданных

и

текущих

значений на экране дисплея. 4.2. совместно

Разработка с

алгоритма

линейным

управления

(круговым)

следящего

интерполятором

по

электропривода

методу

цифровых

д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы х анализаторов (ЦДА). 4.3. совместно

Разработка с

алгоритма

линейным

управления

(круговым)

следящего

интерполятором

по

электропривода

методу

оценочной

функции. 5. П о р я д о к работы Первоначальную среде

проверку

симулятора У Ч П У .

программы

целесообразно

Затем загрузить программу

осуществить

в

в память У Ч П У и

проверить формирование задающих величин и их вывод на экран дисплея. После этого ознакомится со схемой стенда (рис.

9) и под наблюдением

преподавателя при отключенном приводе проверить работоспособность канала обратной связи, путем прокрутки вала двигателя постоянного тока ( Д П Т ) и отслеживания необходимости

Usinωt, Ucosωt

текущей

информации

проверить и

сигнал

напряжения обратной

с

преобразователя питания связи

датчика

Usin(ωt+θ)

осциллографа.

Рис. 9. Общий вид стенда следящего электропривода

фаза-код. положения с

При ДП

помощью

21

Режим

отработки

единичных

шагов

соответствует

частоте

импульсов

управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при к о т о р о м ш а г о в ы й двигатель

отрабатывает

с л е д у ю щ е го

до

импульса

прихода

заданный

угол

в р а щ е н и я (см. р и с . 12). П р и этом в о з м о ж н ы колебания

углового

относительно Эти

двигателя θ

установившегося

колебания

кинетической накоплена

вала

значения γ.

обусловлены

энергии,

валом

запасом

которая

двигателя

при

была

отработке

угла. К и н е т и ч е с к а я энергия преобразуется в потери:

механические,

электрические.

Чем

перечисленных

потерь,

отработки отставать

больше

единичного от

потока

магнитные тем

шага статора

Рис. 12. Процесс отработки шагов шаговым двигателем

и

величина

быстрее

заканчивается

двигателем. на

шаг

и

В

процессе

более;

в

п е ре ходн ы й пуска

результате

процесс

ротор может

может быть

расхождение между числом шагов ротора и потока статора. Н а п р а в л е н и е вектора поля определяется суммой м а г н и т о д в и ж у щ и х сил фаз

статора.

При

последовательной

коммутации

фаз

статора

этот

вектор

совпадает с осью обмотки. На р и с . 13 изображены направления вектора поля при последовательном подключении одной из шести обмоток фаз статора F 1 - F 6 для ТТТД с однополярной коммутацией. П р и таком способе к о м м у т а ц и и число у с т о й ч и в ы х состояний ротора в пределах зубцового деления равно числу фаз.

Число

устойчивых

состояний

можно

увеличить, если прежде чем перейти на другую фазу включить в работу одновременно две фазы. В э т о м случае вектор поля имеет направления F1,F12,F2,F23 распределения

и т. д . Для сохранения кругового вектора

поля

и

устранения

неравномерности напряженности поля в этом случае н е о б х о д и м о модулировать составляющие потока

в ф у н к ц и и угла поворота. П р е д е л ь н ы й

случай такой коммутации основан на переводе коммутатора из р е ж и м а дробления шага в р е ж и м р а б о т ы инвертора с Ш И М . Для

н е б о л ь ш и х униполярных двигателей

Рис.13. Векторная диаграмма поля статора ШЛ

в

качестве

драйвера м о ж н о

п р и м е н и т ь микросхему U L N 2 0 0 3 A (рис. 14). Это набор транзисторов по схеме Д а р л и н г т о н а с открытым коллектором и з а щ и т н ы м д и о д о м в ц е п и нагрузки. М и к р о с х е м а содержит в себе 7 каналов коммутации с током нагрузки до 0,5 А. В

качестве

микроконтроллера

16-разрядный процессор.

может

использоваться

любой

8-

или

22

Рис. 14. Схемы: а — драйвера ULN2003A , б — схема одного канала Разработка

алгоритма

простейшем

случае

коммутации.

сводится

к

выдаче

Реализация

управления

последовательности

ШД

в

управляющих

импульсов на силовые ключи коммутатора (инвертора). С о с т а в и м таблицу 1 поочередной

коммутации для трехфазного Ш Д 5 ,

и м е ю щ е г о двухпакетную

к о н с т р у к ц и ю статорных обмоток. № шага

Таблица 1 Подключаемая фаза (разряд регистра данных блока выходных сигналов) Е(4) D(3) С (2) В(1) F(5) Режим поочередной коммутации обмоток двигателя

А(0)

1

0

0

0

0

0

1

2

0

0

0

0

1

0

3

0

0

0

1

0

0

4

0

0

1

0

0

0

5

0

1

0

0

0

0

6

1

0

0 0 Режим дробления шага

0

0

1

0

0

0

0

0

1

2

0

0

0

0

1

1

3

0

0

0

0

1

0

4

0

0

0

1

1

0

5

0

0

0

1

0

0

6

0

0

1

1

0

0

7

0

0

1

0

0

0

8

0

1

1

0

0

0

9

0

1

0

0

0

0

10

1

1

0

0

0

0

11

1

0

0

0

0

0

12

1

0

0

0

0

1

17

Следующий

этап

работоспособности

проверки

тиристорного

заключается

в

преобразователя

автономной (ТП)

и

его

проверке настройке.

Настройку целесообразно производить внизу диапазона регулирования путем перевода потенциометра R3CC В крайнее нижнее положение. О с н о в н ы е моменты настройки преобразователя изложены в инструкции по эксплуатации и сводятся к следующему: устранить ползучую скорость путем установки нулевых точек о п е р а ц и о н н ы х усилителей регуляторов; управления

СИФУ;

настроить

выставить min и m a x значения по углу

параметры

регуляторов

тока

и

скорости;

выставить значение токоограничения на выходе регулятора скорости. Далее м о ж н о оценить о п ы т н ы м путем приращения угла п р и заданном значении

скорости.

Ввод

задания

скорости

в

этом

случае

целесообразно

осуществить непосредственно в регистр д а н н ы х Ц А П . Окончательная

проверка

выполняется

путем

замыкания

привода

по

п о л о ж е н и ю и запуска программы. Для этого предусмотрен переключатель S3 р е ж и м а р а б о т ы привода. 6. С о д е р ж а н и е отчета 6.1. Титульный лист. 6.2. Ц е л ь работы. 6.3. Отчет по заданию, выводы по работе. 7. К о н т р о л ь н ы е вопросы 7.1.

Поясните

принцип

построения

систем

с

подчиненным

регулированием параметров. 7.2. Поясните принцип работы преобразователя фаза-код. 7.3. Ч е м у будет равна ошибка по скорости при настройках регуляторов, р а с с м о т р е н н ы х ранее? 7.4. В ч е м состоят преимущества комбинированных систем? 7.5. К а к и е численные методы р е ш е н и я дифференциальных уравнений используются при реализации алгоритмов интерполяции? 7.6. В каком режиме должен работать блок отображения символьной и н ф о р м а ц и и при выводе технологической информации? 7.7. К а к и м образом влияет ц и фр о в о й регулятор на устойчивость системы регулирования? 7.8. Оцените вносимые экстраполятором нулевого порядка искажения по модулю и фазе. 7.9. К а к и м образом отразится введение экстраполятором первого порядка в алгоритм цифрового интегратора на шаг квантования и н ф о р м а ц и и по времени в системах реального времени? 7.10.

На частоте среза ω с = 1 0 с

-1

запас по фазе непрерывной системы

составляет около 90°. Считая д о п у с т и м ы м уменьшение запаса по фазе при включении цифрового регулятора на

10%, найти период квантования при

использовании экстраполятора нулевого порядка.

18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ШАГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 1. Ц е л ь работы Ознакомление с шаговым электроприводом У Ч П У . 2. М е т о д и ч е с к и е указания В

дискретных приводах оборудования

с Ч П У используются шаговые

двигатели ( Ш Д ) , являющиеся разновидностью синхронного двигателя [4]. Синхронизирующий результатом

(электромагнитный)

взаимодействия

потока

ротора

момент

с

ШД

дискретно

является

вращающимся

м а г н и т н ы м полем статора. П о д действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве м а ш и н ы , при котором оси потоков ротора и статора совпадают [10, 11]. Основными предельная

характеристиками

механическая

механическая

характеристика

характеристика

синхронизирующего

шагового

момента

от

двигателя

и

это

являются:

приемистость.

зависимость

частоты

шаг,

Предельная

максимального

управляющих

импульсов.

П р и е м и с т о с т ь - это наибольшая частота у п р а в л я ю щ и х импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. О н а является о с н о в н ы м показателем переходного р е ж и м а шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с у м е н ь ш е н и е м шага, м о м е н т а инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления. Активные

шаговые

двигатели.

Для

примера

двухполюсный двигатель

трехфазный

(рис.

постоянными

рассмотрим

10).

шаговый

Двигатели

магнитами

состоят

с из

статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего

постоянные

магниты.

Для

простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а

статор

имеет

6

полюсов.

Двигатель

имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых

намотана

противоположных

на

полюсах

двух статора.

Такой двигатель имеет шаг 30 град. Для Рис. 10. Конструкция двухполюсного трехфазного шагового двигателя

где

N ph ,

многополюсной

машины

величина углового шага ротора равна:

- число эквивалентных полюсов на фазу р а в н о числу п о л ю с о в

ротора; Р h - число фаз.

19

Ч е м м е н ь ш е ш а г м а ш и н ы , тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться

угол.

Увеличение

числа

пар

полюсов

2р

связано

с

технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому обычно

р=

4...6.

Величина

шага

ротора

активных

шаговых

двигателей

составляет десятки градусов. Т а к и м образом, у активных ш а г о в ы х двигателей есть один с у щ е с т в е н н ы й недостаток:

к ру п н ы й шаг, который м о ж е т достигать десятков градусов.

Реактивные позволяют

шаговые

редуцировать

двигатели.

частоту

Реактивные

вращения

ротора.

шаговые В

двигатели

результате

можно

получить ш а г о в ы е двигатели с угловым шагом, составляющим д о л и градуса. Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя (рис.

11)

является р а с п о л о ж е н и е зубцов на п о л ю с а х статора.

Рис. 11. Принципдей€1виярешсшвнсш} -исходное положение устойчивого равновесия., б - положение равновесия., сдвинутое на шж

Если

зубцы

ротора

соосны

с

одной

диаметрально

расположенной

парой

п о л ю с о в статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар

полюсов

статора

на

соответствующую Zp

б о л ь ш о м числе зубцов ротора

часть

зубцового

деления.

При

его угол поворота значительно м е н ь ш е угла

поворота поля статора. П о в ы ш е н и е степени редукции ш а г о в ы х двигателей, как активного

типа,

многопакетных относительно

так

и

реактивного,

конструкций.

Зубцы

друг друга на часть

можно

статора

достичь

каждого

зубцового деления,

применением

пакета

сдвинуты

а роторы-звездочки

каждого из пакетов не и м е ю т пространственного сдвига. Е с л и ч и с л о пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то - 1/3, и т. д. Отметим,

что

роторы-звездочки

каждого

из

пакетов

не

имеют

пространственного сдвига, т. е. оси их п о л ю с о в полностью совпадают. П р и и з м е н е н и и вектора потока ротор и статор ориентируются относительно друг друга по л и н и я м наименьшего магнитного сопротивления.

Электромагнитный

с и н х р о н и з и р у ю щ и й момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае

20

обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя. В реактивных ТТТД электромагнитное поле создается только токами фаз статора. М о м е н т , развиваемый двигателем, имеет квадратичную зависимость от тока статора.

При

индуктивности

вращении двигателя

между

статором

и

в результате

ротором

изменения

возникает

взаимной

генераторная

ЭДС,

приводящая к с н и ж е н и ю к с н и ж е н и ю тока и момента двигателя. Д л я снижения влияния

противо-ЭДС

среднее

значение

тока

статора

необходимо

поддерживать постоянным. Стабилизация тока статора на заданном уровне может

быть

достигнута

путем

широтно-импульсного

регулирования

напряжения в функции частоты или введением релейного регулятора тока. О с н о в н ы м недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора. И н д у к т о р н ы е (гибридные) ш а г о в ы е двигатели. Д а н н ы й т и п с о в м е щ а е т преимущества

активного

синхронизирующий

шагового

момент

на

двигателя

единицу

(большой

объема,

наличие

удельный

фиксирующего

момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага). Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей в р а щ а ю щ и й м о м е н т создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного

магнита

синхронизирующий

в

зубчатой

момент

структуре

шагового

воздушного

индукторного

зазора.

двигателя

При по

этом

природе

является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный л и б о на статоре, либо на роторе, создает ф и к с и р у ю щ и й момент, у д е р ж и в а ю щ и й ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора. По сравнению с ш а г о в ы м двигателем реактивного

типа

у

индукторного

шагового

двигателя

при

одинаковой

величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики. Момент

ШД

зависит

от

рассогласования

его

угла

поворота

в

относительно поворота вектора поля у

M=M

m a x

s i n ( γ-θ ) ,

где Мтах - максимальный с и н х р о н и з и р у ю щ и й момент, з а в и с я щ и й от конструктивных параметров Ш Д Откуда следует, что для обеспечения устойчивой работы дискретного привода необходимо выполнять условие (γ - θ) < π/2. Ш а г о в ы й двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из ш а г о в ротор двигателя

занимает

устойчивое

положение

по

отношению

к

вектору

результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора. В приводах оборудования с Ч П У это достигается ограничением ускорения п р и изменении частоты.

23

В программе данные таблицы 1 массивов с п о м о щ ь ю

представляются в виде у п о р я д о ч е н н ы х

директивы B Y T E или W O R D . Н а п р и м е р , в р е ж и м е

дробления шага таблица может быть представлена с л е д у ю щ и м образом: T A B L K : .WORD 1, 3, 2, 6, 4, 14, 10, 30, 20, 60, 40, 41 Подпрограмма очередного

отработки

элемента

в

шага

регистр

в

этом

данных

случае

сводится

блока

выходных

к

загрузке сигналов.

В зависимости от направления д в и ж е н и я последовательность в ы д а ч и д о л ж н а производится в сторону увеличения адреса или в сторону у м е н ь ш е н и я .

Рис. 15. Алгоритм инициализации работы и подготовки данных для отработки кадра

24

Д л я этого на этапе подготовки и интерпретации кадра (см. р и с . 15, 16) предусмотрен анализ квадранта. П р и этом в зависимости от знака отрабатываемых координат осуществляется

загрузка

указателей

RO,

R2

подпрограмм

α,

β

коммутации

и

загрузка указателей таблиц коммутации R l , R 3 соответственно для каждой и з координат.

Если

периприсвоение

значение ее

координаты

значения

и

отрицательно,

привязка

к

то

первому

осуществляется

квадранту

путем

ф о р м и р о в а н и я дополнительного кода. В качестве

программы, отрабатываемой по т а й м е р н ы м прерываниям,

использована подпрограмма интерполяции (INTERP), алгоритм р а б о т ы которой показан на р и с .

5.

Отработка шага по координате

а

в п е р в о м квадранте

показана на р и с . 17. П р и каждом вызове подпрограммы к о м м у т а ц и и (Switch+) производится выборка очередного элемента из таблицы к о м м у т а ц и и по ее указателю R1 и перегрузка слова в регистр данных блока в ы х о д н ы х сигналов. Е с л и значение указателя показывает на конец таблицы, то производится его перезагрузка путем установки начального адреса TABLK. Д л я оптимизации данных

таблицы

предварительно байтовых

может нужно

операций.

быть

использована директива

убедится,

Коммутация

что

доступ

обмоток

к

РД

(.BYTE).

возможен

двигателя

в

Для с

этого

помощью

противоположном

направлении производится аналогично. Указатель в этом случае работает с в р е ж и м е автоуменьшения, а установка на конечный адрес производится при переходе его значения через начальный адрес таблицы к о м м у т а ц и и .

На

ф и з и ч е с ко м уровне каждый из шести разрядов РД блока в ы х о д н ы х сигналов через о п т р о н н у ю развязку подключен к входу управления силового ключа соответствующей фазы Ш Д .

Рис.16. Алгоритм подготовки и интерпретации координаты а

25

Рис. 17. Алгоритм коммутации « α + »

3. Задание д л я д о м а ш н е й подготовки 3.1. Ознакомиться с принципами работы шагового электропривода и основными

блоками

системы

УЧПУ

2С42-65,

используемыми

для

его

организации [4, 11, 12]. 4. Рабочее задание Доработать исходные алгоритмы путем их более детальной разработки. Разработать программу работы интерполяции совместно с ш а г о в ы м приводом, осуществить ее ввод и проверку. В качестве индивидуального задания могут быть использованы следующие варианты: 4 . 1 . Разработка

алгоритма и

программы

работы

шагового

привода

совместно с круговым интерполятором по методу оценочной функции. 4.2.

Разработка

добавлением

алгоритма

системы

обработки

поворотных

сферических

координат

и

поверхностей

перемещения

стола

с

или

ш п и н д е л ь н о й бабки многокоординатного станка. 4.3.

Разработка

алгоритма

трансляции

управляющей

программы

и

осуществить

в

подготовки д а н н ы х очередного кадра. 5. П о р я д о к работы Первоначальную среде

симулятора

проверку

УЧПУ,

программы

используя

для

целесообразно

этих

целей

индикатор

текущего

состояния разрядов РД блока выходных сигналов. П о с л е этого ознакомится со схемой стенда (рис. 18) и под наблюдением преподавателя произвести межблочные подключения У Ч П У , коммутатора (К) и ШД

через

внешние

разъемы.

работоспособность установки

Включить

путем ручной

питание

загрузки

с

и

проверить

клавиатуры

последовательности управляющих кодов в РД блока выходных сигналов.

УЧПУ

26

Рис. 18. Общий вид стенда шаговый электропривод

Затем загрузить программу путем

контроля

Изменением

стрелочного

значения

αр

в память У Ч П У и проверить ее отработку индикатора

проверить

положения

отработку

по

координате α.

координаты

на

разных

скоростях. 6. С о д е р ж а н и е отчета 6.1. Титульный лист. 6.2. Ц е л ь работы. 6.3. Отчет по заданию, выводы по работе. 7. К о н т р о л ь н ы е вопросы 7.1. П о я с н и т е принцип работы шагового двигателя. 7.2. Ч е м отличается конструкция реактивного Ш Д о т гибридного Ш Д ? 7.3. За счет чего достигается у м е н ь ш е н и е шага? 7.4. К а к и е м е р ы предпринимаются для увеличения м о м е н т а ШД при работе на п о в ы ш е н н ы х частотах? 7.5. К какому типу электрических м а ш и н м о ж н о отнести Ш Д ? 7.6. В чем заключаются преимущества ШД с однополярной коммутацией? 7.7.

Нужен

ли

2-й

пакет

трехфазного

ШД,

если

произвести

его

подключение к трехфазному мостовому инвертору? 7.8. Во сколько раз уменьшится результирующий поток трехфазного ШД в р е ж и м е дробления шага при одновременной коммутации двух обмоток, если в о б щ у ю точку обмоток ввести релейный регулятор тока? 7.9. К а к о й метод адресации необходимо использовать

п р и вызове п.п.

коммутации с тем, чтобы независимо от направления д в и ж е н и я вызов п.п. осуществлялся однотипно? 7.10. Н у ж н о ли контролировать скорость (частоту) для выхода на ее заданное значение?

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД ПО СИСТЕМЕ ШИП-ДПТ 1. Ц е л ь работы Ознакомление с нелинейными системами регулирования и методами их исследования и реализации. 2. М е т о д и ч е с к и е указания П о я в л е н и е м о щ н ы х полностью управляемых полевых транзисторов и б и п о л я р н ы х транзисторов с изолированным затвором существенно р а с ш и р и л о область

применения

регулируемом мостовых

ключевых приборов в

электроприводе.

инверторов

[13,

В

14]],

то

же

преобразовательной время

используемых в

неполная

технике

и

управляемость

регулируемых

приводах

постоянного и переменного тока, требует более детального исследования и описания поведения м а ш и н ы в тормозных режимах работы. Р а с с м о т р и м электрическую цепь м а ш и н ы постоянного тока (рис. 19) при широтно-импульсном регулировании ( Ш И Р ) напряжения на якоре двигателя. Детальное работы

рассмотрение

широтно-импульсных

преобразователей требует

(ШИП)

привлечение

аппарата

теории нелинейных импульсных систем,

что

исследование,

затрудняет

а в ряде случае

приводит к потере физической сущности изучаемых процессов. Если п р и н я т ь во внимание, что коммутационные процессы протекают на частотах порядка 1-100 кГц, а также учесть инерционность процессов якорной цепи,

то

координат.

в

рассмотрение

можно

ввести

средние

значения

наблюдаемых

С учетом этого среднее значение напряжения на периоде Г работы

ключа К 1 р а в н о

Пренебрегая двигателя

для

пульсациями

двигательного

напряжения,

режима

работы

уравнение можно

якорной

записать

цепи

следующим

образом:

где U - питающее напряжение; R c и сопротивление

источника

напряжения

и

Rя

- соответственно внутреннее

сопротивление

якорной

двигателя; L я - индуктивность обмотки якоря; Е - Э Д С двигателя.

цепи

28

Р а с с м о т р и м р е ж и м регулируемого динамического т о р м о ж е н и я , который м о ж е т быть реализован

за счет переключения управления на ключ К 2 . На

интервале р а б о т ы ключа К2 могут быть два в о з м о ж н ы х предельных состояний цепи: R д = R mex - цепь разомкнута; Rд = Rя Здесь

- цепь замкнута. Rmax

--

эквивалентное

сопротивление

разомкнутой

цепи,

у ч и т ы в а ю щ е е неидеальные свойства ключа, влияние д е м п ф и р у ю щ и х цепей и неучтенных дополнительных сопротивлений. На периоде работы ключа К2 ток двигателя не успевает достаточно возрасти или уменьшится, т. е. рассматривая усредненные значения, м о ж н о записать

Д о п о л н и м уравнения (1) и (2) до п о л н о й модели двигателя

где

М, М с -

соответственно

момент,

развиваемый

статический м о м е н т нагрузки на валу двигателя;

с

и

двигателем,

и

Ф- конструктивная

постоянная и поток двигателя; I = i 1 , i 2 результирующий ток я к о р н о й цепи в м о м е н т стыковки р е ш е н и й . Тогда

модель двигателя м о ж н о представить в виде, п о к а з а н н о м на

рисунке 20.

Рис. 20. Структурная схема электропривода по системе ШИП-ДП с учетом переключения в режим регулируемого динамического торможения

29

Структурная схема системы регулирования скорости двигателя содержит ряд н е л и н е й н ы х звеньев, с п о м о щ ь ю которых р е ш а ю т с я задачи регулируемого т о р м о ж е н и я . М о д е л ь мостового инвертора содержит нелинейное звено (Н31) и блок

умножения

(БУ1),

переключение

работающей

группы

транзисторов

которого осуществляется в функции сигнала задания U* ω частоты вращения. Свойства широтно-импульсного модулятора отображены в виде нелинейного звена (Н32), осуществляющего операцию взятия модуля от в ы х о д н о г о сигнала регулятора скорости. С п о м о щ ь ю этого звена учтено также ограничение по скважности. Переключение из двигательного р е ж и м а в р е ж и м динамического т о р м о ж е н и я осуществляется с п о м о щ ь ю блока логики (БЛ), структуру регулирования. Логика

изменяющего

переключения сведена в таблицу 2. Откуда

видно, что сигналы переключения взаимно инверсны по о т н о ш е н и ю

друг к

другу. Знак ε, логический уровень

Знак U*ω,

логический уровень

+ +

1

—

—

Сигнал управления К1

Состояние К1

Сигнал управления К2

Таблица 2 Состояние К2

+1

1

Замкнут

0

Разомкнут

0

0

Разомкнут

1

Замкнут

0

+ — +

1

0

Разомкнут

1

Замкнут

0

—

0

1

Замкнут

0

Разомкнут

1

Э ф ф е к т и в н о с т ь динамического торможе н и я в первую очередь зависит от частоты

вращения.

Если

учесть

допустимые

динамические

нагрузки

на

механизм, то торможение д о л ж н о осуществляться с п о с т о я н н ы м м о м е н т о м или иначе с п о с т о я н н ы м током. Д л я этого нужно выполнять условие

которое

будет

выполняться

пропорционально

частоте

при

вращения

изменении Rvar =

kω.

сопротивления Принимая

во

Ryar

внимание

н е л и н е й н у ю зависимость R д от у звена Н З З , близкую к гиперболе, в качестве регулирующего устройства целесообразно использовать блок д е л е н и я (БД). Второй

регулирующий

зависимость

при

параметр

насыщении

у

не

оказывает

регулятора

скорости.

влияния

на

Однако

его

основную действие

э ф ф е к т и в н о в диапазоне малых отклонений скорости от заданного значения. Д л я реализации такой зависимости в структуру управления вводится блок деления (БД). Рассмотренная параметрами. происходит торможения.

структура относится к классу систем

Изменение

как

в

эквивалентного

двигательном

режиме,

сопротивления так

и

в

режиме

с

переменными

якорной

цепи

динамического

30

Для двигательного режима эквивалентное сопротивление р а в н о

Rэ=Rя Влияние

Rc,

прежде

всего,

+ γR c .

связано

с

падением

напряжения

на

полупроводниковых приборах и им, в ряде случаев, м о ж н о пренебречь или считать его постоянным. Для р е ж и м а динамического торможения

Из данной зависимости следует, что в диапазоне м а л ы х отклонений скорости от заданного значения

γ 0 и изменение сопротивления в основном

осуществляется за счет составляющей

(1 - γ)R m a x .

Динамическое торможение эффективно в ограниченном диапазоне значений скорости. П р и использовании высоковольтных транзисторов более э ф ф е к т и в н ы м является режим регулируемого противовключения двигателя. 3. Задание д л я д о м а ш н е й подготовки 3.1. Ознакомиться с постановкой задачи и предлагаемыми методами ее решения. 3.2. Изучить особенности реализации алгоритмов обработки сигналов с импульсных датчиков скорости и формирования широтно-импульсных сигналов [15]. 4. Рабочее задание Работа имеет исследовательский характер и может быть совмещена с выполнением задания по соответствующей курсовой работе. Используя исходную структуру электропривода по системе Ш И П - Д П Т , необходимо: 4.1. Осуществить моделирование исходной структуры системы регулирования в среде MatLab и пакета Simulink и определить оптимальные настройки с учетом реальных ограничений [16, 17]. 4.2. Разработать алгоритмы работы микропроцессорной системы регулирования, написать программу и осуществить ее отладку [19, 20, 2 1 , 22 ]. 4.3. Осуществить разработку сопряжение отладочной платы типа STK500 с Ш И П и импульсным датчиком скорости [15]. Дополнительные варианты задания основаны на р е ш е н и и проблем, в о з н и к а ю щ и х в ходе выполнения работы, и могут быть распределены между студентами. В частности, например, один из вариантов работы связан с разработкой физической модели Д П Т и Ш И П для предварительной проверки работоспособности микропроцессорной системы регулирования.

5. П о р я д о к работы Осуществить ввод модели с заданными параметрами двигателя и осуществить отладку исходной структуры системы регулирования. На этапе

31

ввода параметров регуляторов и обратных связей целесообразно основаться на значениях величин эквивалентной цифровой системы регулирования. После отладки непрерывной системы осуществить переход к дискретному регулятору, взяв в качестве исходного регулятора непрерывный ПИД-регулятор. Далее целесообразно

осуществить

моделирование

полного

эквивалента

разрабатываемой системы. Для этого необходимо ввести модель

мостового

широтно-импульсного

с

дополнительного

преобразователя

ключа

и

динамического

блока

управления

торможения.

Для

им

учетом

моделирования

свойств преобразователя частота-код в структуру необходимо ввести цифровой д и ф ф е р е н ц и а т о р по угловому п о л о ж е н и ю . Для уточнения поведения цифровой системы вводятся квантователи и н ф о р м а ц и и по уровню. Разработку ц и ф р о в ы х регуляторов обязательно производить ограничений во избежание переполнения разрядной сетки. микроконтроллеры

типа

Atmega

8-разрядные,

с учетом

Учитывая, что

целесообразно

разработать

библиотеку арифметики двойной точности. Ввод программы осуществить в среде

AVR

Studio

Первоначальную

4,

используя

проверку

последнее

программы

расширение

необходимо

ассемблера.

осуществить

в

среде

симулятора, а затем произвести ее загрузку в микроконтроллер. На стадии отладки программного обеспечения и взаимодействия микроконтроллера с в н е ш н и м и устройствами м о ж н о последовательно решать следующие задачи: 1) проверку

инициализации

широтно-импульсного

модулятора

при

ф и к с и р о в а н н о м значении выходных импульсов; 2) проверку

работы

цифрового

регулятора

при

реакции

на

скачок

входного воздействия; 3) проверку

работы

преобразователя

частота-код

путем

вывода

его

значений на дисплей или панель двоичной индикации; 4) проверку

работы

канала

АЦП

при

изменении

сигнала

задания

скорости. Окончательная проверка и отладка должна вестись под н а б л ю д е н и е м преподавателя. 6. С о д е р ж а н и е отчета 6.1. Титульный лист. 6.2. Ц е л ь работы. 6.3. Отчет

по заданию, результаты математического моделирования,

ф у н к ц и о н а л ь н ы е и принципиальные схемы, алгоритмы работы и программы, в ы в о д ы по работе. 7. К о н т р о л ь н ы е вопросы 7.1.

Что

понимается

под

неполной

управляемостью

широтно-

импульсного преобразователя? 7.2. К а к и е м е р ы предпринимаются для реализации непрерывности токов в мостовых Ш И П ?

32

7.3. К а к и е современные транзисторы используются в Ш И П ? 7.4. Н у ж н ы ли обратные диоды в мостовых Ш И П , если в качестве силовых ключей используются I G B T ? 7.5.

Какие

дополнительные

функции

выполняет

фильтрующий

конденсатор на выходе сетевого выпрямителя при использовании последнего в качестве источника питания Ш И П ? 7.6.

Можно

ли

с

помощью

выбора

драйвера

решить

задачу

токоограничения? 7.7.

Какие

недостатки

свойственны

одноконтурным

системам

регулирования? 7.8. К а к

осуществляется

переход

от

непрерывного

регулятора

к

его

дискретному аналогу? 7.9. В чем заключаются преимущества динамического т о р м о ж е н и я по сравнению с торможением в р е ж и м е противовключения? 7.10.

Сколько

таймеров

необходимо для реализации

преобразования

частоты в код?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Соломенцов,

Ю.

М.

Управление

гибкими

производственными

системами / Ю. М. Соломенцов. - М. : Машиностроение, 1988. - 352 с. 2. М н о г о ц е л е в ы е

системы

ЧПУ

гибкой

механообработкой

/

В.

Н.

Алексеев, В. Г. Воржев, Г. П. Г ы р д ы м о в и др.; под общ. ред. В. Г. Колосова. Л. : М а ш и н о с т р о е н и е , 1984. - 224 с. 3. С и с т е м ы

ЧПУ

SINUMERIK

810D/840D:

Аппаратные

и

технологические возможности, http://ya.ru 4. С и с т е м ы программного управления п р о м ы ш л е н н ы м и установками и робототехническими

комплексами

:

учебное

пособие

для

вузов

/ Г. И. П р о к о ф ь е в , Л. Н. Рассудов. - Л. : Энергоатомиздат, 1990. - 352 с. 5.

Микропроцессорные

средства

производственных

систем

/ В. Н. Алексеев, А. В. Коновалов, В. Г. Колосов и д р . ^ п о д общ. ред. В. Г. Колосова. - Л. : Машиностроение, 1988. - 287 с. 6. М и к р о п р о ц е с с о р н ы е

системы

управления

электроприводом:

методические указания к лабораторным работам / В. М. И в а н о в . - Ульяновск, 2007. - 36 с. 7. С л е д я щ и е электроприводы станков с Ч П У / А. М. Лебедев, Р. Т. Орлова, А. В. Пальцев. - М . : Энергоатомиздат, 1988. - 233 с. 8. К о м п л е к т н ы е

системы

управления

электроприводами

тяжелых

металлорежущих станков / Н. В. Донской, А. А. Кириллов, Я. М. К у п ч а н и др.; под ред. А. Д. Поздеева - М . : Энергия, 1980. - 288 с.

33

9. Перельмутер, В. М. Системы управления тиристорного электропровода постоянного

тока

/

В.

М.

Перельмутер,

В.

А.

Сидоренко.

-

М.

шаговыми

двигателями

/

В.

:

Энергоатомиздат, 1988. - 304 с. 10.

Дискретный

электропривод

с

А.

Ивоботенко, В. П. Рубцов, Л. А. Садовский и др. - М . : Энергия, 1 9 7 1 . - 6 2 1 с. 11. Хрущёв, В. В. Электрические м а ш и н ы систем автоматики : учебник для вузов. / В. В. Х р у щ ё в - Л . : Энергоатомиздат, 1985. - 3 6 8 с . 12.

Кенио,

Такаши.

Шаговые

двигатели

и

их

микропроцессорные

системы управления : пер. с англ. / Т а к а ш и Кенио. - М. : Энергоатомиздат, 1 9 8 7 . - 1 9 9 с. 13. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтноимпульсными преобразователями / М. Е. Гольц и др. - М . : Энергоиздат, 1986. 184 с. 14. Герман-Галкин, С. Г. Широтно-импульсные преобразователи / С. Г. Герман-Галкин. - Л. : Энергия, 1979. - 96 с. 15.

Ломака,

промышленных

М.

В.

роботов

/

Микропроцессорное М.

В.

Медведев,

И.

управление В.

приводами

Ломако.

-

М.

:

М а ш и н о с т р о е н и е , 1990. - 96 с. 16. Герман-Галкин, С. Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК / С. Г. Герман-Галкин. - С П б . : К О Р О Н А принт, 2002. - 304 с. 17. Дьяконов, В. M A T L A B 6 : учебный курс / В. Д ь я к о н о в . - С П б . : Питер, 2 0 0 1 . - 5 9 2 с . 18. Микропроцессорные системы автоматического управления / В. А. Бессекерский, Н. Б. Е ф и м о в , С. И. Зиатдинов и др. - М. : М а ш и н о с т р о е н и е , 1 9 8 8 . - 3 6 5 с. 19. Перельмутер,

В.

М.

Цифровые

системы управления тиристорным

электроприводом / В. М. Перельмутер, Л. К. Соловьев. - Киев : Техника, 1983. 104 с. 20. Гребнев, В. В. М и к р о к о н т р о л л е р ы семейства A V R ф и р м ы Atmel / В. В. Гребнев. - М. : ИП РадиоСофт, 2002. - 176 с. 21.

Ефстифеев,

А.

В.

Микроконтроллеры

AVR

семейства

Classic

« А Т М Е Ь » / А. В. Ефстифеев. - М. : Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002. 288 с. 22.

Баранов,

В.

Н.

Применение

микроконтроллеров

AVR

:

схемы,

алгоритмы, программы / В. Н. Баранов. - М. : Издательский д о м «Додэка-ХХ1», 2006. - 288 с.

Учебное издание ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С СИСТЕМАМИ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ М е т о д и ч е с к и е указания к лабораторным работам

Составитель ИВАНОВ Владимир Михайлович Редактор Н. А. Евдокимова П о д п и с а н о в печать 27.06.2007. Ф о р м а т 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2, 09. Т и р а ж 100 экз. Заказ I O O S

Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.