автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Оптимизация некоторых скоростных режимов позиционного электропривода

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД.

1.1. Характеристики безредукторного электропривода.

1.1.1. Сравнение редукторного и безредукторного приводов в режиме холостого хода.

1.1.2. Сравнение редукторного и безредукторного приводов при наличии нагрузки.

1.2. Область рационального использования безредукторного привода.

1.3. Возможности расширения границ использования безредукторного привода.

1.4. Энергетические характеристики безредукторного позиционного электропривода.

1.4.1. Соотношение потерь энергии в режиме холостого хода.

1.4.2. Соотношение потерь энергии при наличии статической и динамической нагрузки.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В

ПОЗИЦИОННОМ ЭЛЕКТРОПРИБОР.

2.1. Треугольный график скорости.

2.2. Параболическая диаграмма скорости.

2.3. Видоизмененные параболические диаграммы.

2.4. Диаграмма, построенная на основе кубической зависимости.

2.5. Косинусоида в качестве диаграммы задающего воздействия.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОЗИЦИОННОГО ПРИВОДА, УЧД СТВУЮЩЕГО В ДВИЖЕНИИ ОБЪЕКТА.

3.1 Зависимость параметров двигателя от номинальной частоты вращения.

3.2 Потери в механическом редукторе и необходимость их учета.

Выводы по главе.

В связи с совершенствованием технологических процессов и внедрением новых технологий существенно возрастают требования к электроприводам. Наряду с обычными силовыми приводами, обеспечивающими работу станков и механизмов со стабильной скоростью или гаммой скоростей, все большее применение находят позиционные приводы, обеспечивающие отработку рабочим органом механизма заданной дистанции или траектории. В этих механизмах рабочий процесс протекает не только в установившемся режиме, но и в режимах разгона и торможения, как это имеет место, например, при треугольной диаграмме скорости. При этом предъявляются повышенные требования к быстроте отработки пути и необходима минимизация погрешности в динамических режимах. Это обстоятельство приводит к необходимости пересмотра структуры позиционных систем и созданию более совершенных приводов.

Большинство производственных механизмов рассчитаны на работу с номинальной частотой вращения вала 100-150 об/мин. Между тем, серийные электродвигатели имеют номинальные частоты вращения не менее 500 об/мин. Это обстоятельство заставляет встраивать между двигателем И механизмом редуктор - устройство, обладающее рядом недостатков. При нагрузке детали редуктора - валы и зубчатые шестерни - под действием момента подвергаются упругим деформациям, которые приводят к колебаниям, отрицательно сказывающимся на производственном процессе. Неизбежное наличие зазоров в зубцовых зацеплениях - дополнительный недостаток редуктора, из-за которого возникает запаздывание и колебания приобретают нелинейный характер. Для устранения зазоров часто прибегают к использованию разрезных шестерен, со связью двух половин одной из шестерен посредством пружины. Однако в динамике полностью влияние зазора не ликвидируется, а измененная конструкция приводит к появлению дополнительного упругого звена. Наличие зазора в механической передаче может привести не только к существенным колебаниям, но и к потере устойчивости. Радикальных средств для компенсации влияния зазора практически нет [1]. Обычно рекомендуется схема Смита, которая позволяет лишь исключить наличие экспоненциального члена в передаточной функции замкнутой системы и тем самым устранить опасность возникновения незатухающих колебаний. Характер процесса при этом может остаться неудовлетворительным. Для реализации схемы необходимо создать блок в виде линии задержки, который представляет модель зазора в механической передаче. Эта задача весьма сложна и пока в литературе практических рекомендаций нет. Таким образом, создание систем, в которых исключены недостатки, связанные с применением механического редуктора, возможно только при полком отказе от него.

Однако приводы со специальными низкоскоростными двигателями с номинальными частотами вращения 100-200 об/мин и ниже реально пока использоваться не могут. К ним относятся приводы с двигателями двойного питания и с редукторными двигателями. Пока подобные приводы изготавливаются лишь в единичных экземплярах.

Таким образом, для создания прецизионных позиционных электромеханических систем может рассматриваться только вариант безредук-торного привода с серийными двигателями, работающими на пониженной скорости. Подобные безредукторные приводы уже находят ограниченное применение в металлургии, приборостроении и других отраслях. Безредукторные системы наиболее полно теоретически обследованы в монографии И.Н.Исаева и В.Г. Созонова [2], изданной в 1994 г. Однако анализ работы приводов в этой книге проведен только применительно к использованию для вспомогательных механизмов металлургического производства. Соответственно все полученные выводы в основном относятся к приводам с двигателями постоянного тока серии Д. Безредукторные системы также упоминаются в автореферате докторской диссертации Созонова В.Г. «Взаимосвязи и оптимизация основных параметров позиционного электропривода» [3]. Однако автор не приводит величины нагрузок, в пределах которых применение безредукторного привода возможно, а только дает общий сравнительный анализ редукторного и безредукторного вариантов электропривода. Нет в этой работе и анализа возможности перехода к безредукторному варианту электропривода при применении серийных электродвигателей.

Целесообразные границы применения безредукторных электромеханических систем пока не очерчены. Как следует из практического опыта, использование их может быть эффективным при малом уровне статического момента, что обычно и имеет место в позиционных системах. Естественно, что серийный двигатель в безредукторном приводе полностью не используется.

Таким образом, безредукторный привод может применяться лишь в отдельных частных случаях. Следует четко определить границы применения безредукторных электромеханических систем, а также установить их динамические и энергетические характеристики. Этим вопросам посвящена глава 1.

К позиционным электромеханическим системам предъявляются повышенные требования по точности и быстродействию. Обычно позиционные приводы работают в циклическом режиме. Для них характерно, что переходные режимы являются рабочими. За время разгона и торможения происходит отработка дистанции и иногда, как, например, при треугольной диаграмме скорости, весь путь отрабатывается при переменной скорости, установившийся режим вообще отсутствует. Поэтому для позиционных приводов существенна погрешность не только для установившегося состояния, но и в динамических режимах.

Как правило, статическая погрешность у позиционных электромеханических систем мала и практически постоянна. Вариации ее незначительны. При необходимости ее можно дополнительно уменьшить за счет использования двукратно интегрирующих схем или комбинированного управления.

Существенен вопрос о достижимой малой динамической погрешности, обусловленной отработкой заданной скоростной диаграммы. К форме диаграммы должны предъявляться весьма высокие требования. Мгновенные изменения скорости и ускорения на всех этапах отрабатываемого пути должны быть минимальны. Возможные колебания скорости вращения двигателя за счет перегибов в диаграмме скорости не могут быть устранены средствами коррекции. Эти колебания должны сглаживаться за счет придания требуемой формы задаваемой диаграмме скорости. Обычно рекомендуется использование параболической диаграммы [4,5,6,7]. При этом также обеспечивается повышение быстродействия и экономия электроэнергии. Особенно существенна форма диаграммы скорости при комбинированном управлении. В этом случае возникающие помехи будут дополнительно дифференцироваться и усиливаться.

Параболическая диаграмма скорости в чистом виде не обеспечивает требуемых результатов по минимизации помех. При трогании и остановке получаются резкие изменения ускорения, и возникают помехи.

Во второй главе рассматриваются и сопоставляются различные диаграммы скорости позиционного привода и даются рекомендации по использованию диаграммы, наиболее полно отвечающей требованиям (быстрота отработки, расходуемая энергия).

Особые требования предъявляются к приводам механизмов, у которых двигатель совершает движение вместе с самим объектом. Примерами подобных механизмов могут служить роботы с антропоморфной структурой кинематической цепи, механизмы летательных аппаратов, некоторые оптико-механические комплексы. В этом случае основным критерием при построении электромеханической системы является минимум массы [8,9,10]. Этому вопросу посвящена глава 3. Анализ целесообразного построения позиционной системы для подобных механизмов проведен на базе формулы, связывающей мощность двигателя и его габаритные размеры, которая приведена в классических трудах по электрическим машинам.

Цели диссертационной работы. Целью и задачами диссертационной работы являются исследования основных скоростных режимов позиционных и следящих систем и выявление путей и средств их совершенствования с целью снижения погрешности отработки пути и сокращения ее длительности. К этим задачам относятся:

- исследование безредукторного позиционного привода и выявление границ его применения;

- установление требований к серийным типам двигателей, которые можно рекомендовать к использованию в безредукторных позиционных приводах;

- оценка энергетических характеристик безредукторного позиционного привода и сопоставление их с характеристиками обычных приводов с механическими редукторами;

- разработка диаграмм задающего воздействия, обеспечивающих внесение минимальных помех в отработку пути;

- установление требований к электромеханическим позиционным системам и путей их реализации применительно к механизмам, в которых элементы электропривода и в том числе двигатель участвуют в движении объекта.

Методы исследования. В связи с нелинейностью характеристик и зависимостью их от ряда не учитываемых физических свойств системы исследование приводов проведено на базе анализа характеристик, построенных графоаналитическими методами и по экспериментальным данным. Также при исследовании электромеханических систем использовано моделирование на базе применения компьютерных средств. Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.

- Методика установления зон целесообразного использования безредукторных приводов с позиций достижимого быстродействия;

- Определение допустимых значений статического момента и момента инерции механизма при переходе к использованию безредукторного привода;

- Возможность расширения зоны допустимого статического момента за счет некоторого снижения быстродействия позиционной системы ;

- Оценка энергетических характеристик безредукторного привода в сопоставлении с редукторным;

- Снижение погрешности позиционного привода за счет рационального выбора диаграммы задающего воздействия, обеспечивающей плавность изменения скорости и ускорения;

- Целесообразность использования усовершенствованной параболической диаграммы скорости с плавными переходами, обеспечивающей повышение быстродействия и снижение расхода энергии;

- Разработка средств уменьшения помехи на входе, обусловленной формой диаграммы задающего воздействия;

- Методика выбора оптимальной скорости электродвигателя позиционного привода, участвующего в движении объекта.

Практическая ценность работы. В работе на основе проведенного анализа рекомендован ряд изменений в структуре и режимах работы позиционного привода, позволяющих повысить его быстродействие и уменьшить погрешность при отработке пути.

- Установлены границы целесообразного использования безредуктормо-го привода с позиций обеспечения необходимого быстродействия;

- Определены законы управления позиционным приводом, обеспечивающие на входе минимальные помехи, обусловленные изменениями задаваемой скорости и ускорения;

- Сопоставлены различные диаграммы скорости и выявлены несколько их оптимальных форм, обеспечивающих наибольшее быстродействие при минимальных помехах, создаваемых задающим устройством;

- Даны рекомендации по выбору номинальной частоты вращения вала двигателя в позиционной электромеханической системе, элементы которой участвуют в отработке перемещения вместе с объектом или его звеньями.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры и на двух научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГИТМО (ТУ): ХХХ-ой 25-28 января 1999г. и Юбилейной 2000г.

Публикации материалов диссертации. В научно-технических журналах и трудах конференций опубликованы 5 статей, 2 статьи опубликованы в США издательством Allcrton Press, а также тезисы доклада помещены в сборнике XXX конференции профессорско-преподавательского состава СПб ГИТМО (ТУ).

Выводы по главе.

1. Для механизмов, приводы которых участвуют в движении вместе с самим механизмом, следует применять высокоскоростные двигатели.

2. Двигатели с номинальной частотой вращения свыше 10 тыс. об/мин использовать не следует, так как дальнейшее увеличение частоты может привести к снижению быстродействия привода за счет массы дополнительных конструктивных элементов.

3. Для построения характеристик двигателей, определяющих изменение массы m=f(n) и момента инерции J=f(n) от частоты вращения, могут быть использованы соотношения, вытекающие непосредственно из формулы, приводимой в классических трудах по электрическим машинам, и определяющей связь номинальной мощности двигателя с его габаритными размерами.

4. Эти характеристики для всех типов двигателей постоянного и переменного тока имеют одинаковый характер и близки к гиперболической зависимости.

5. Небольшое увеличение передаточного отношения механического редуктора при использовании высокоскоростных двигателей

1. Palmer Z. Stability properties of Smith deadtime compensator controllers // 1.t. Journal Control, 1980, vol.2, №6.

2. Исаев И.Н., Созонов В.Г. Электропривод манипуляторов циклического действия. М.: Энергоатомиздат, 1994.

3. Созонов В.Г. Взаимосвязи и оптимизация основных параметров электропривода. Автореферат диссертации. Л., 1973.

4. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. -М.: Л.: ГЭИ, 1963.

5. Рихтер Р. Электрические машины. Т.1 М.: Л.: ОНТИ, 1935.

6. Ильин О.П., Галкин А.Л. О построении оптимальных по быстродействию позиционных следящих приводов. Сб. Электроэнергетика, вып. 3. Минск, 1973.

7. Чистов В.П., Бондаренко В.И., Святоелавский В.А. Оптимальное упрпавление электрическими приводами. -М.: Энергия, 1968.

8. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. JL: Энергоатом из дат, 1992.

9. Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики. JL: Энергоатомиздат, 1988.

10. Структуры систем управления автоматизированным электроприводом. / Ильин О.П., Понасюк В.И., Петренко В.П., Беляев В.П. Мн.: Наука и техника, 1976.

11. Каасик П. Ю. Тихоходные безредукторные микроэлектродвигатели. Л.: Энергия, 1974.

12. Ильин О.П., Галкин А.Л. О выборе оптимального передаточного числа редуктора приводов позиционных механизмов М.: Электричество, 1974, №4.

13. В.Г.Созонов, Н.И. Баимов. Оптимизация параметров систем двигатель-редуктор-механизм по минимуму кинетической энергии маховых масс при заданной пароизводительности./'/Труды УПИ, 1974, №213.

14. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат, 1994.

15. Сабинин Ю.А. Работа электропривода робота при переменном моменте инерции. В сб. «Автоматизированный электропривод». М.: Энергоатомиздат, 1990.

16. Хрущев В. В. Электрические машины систем автоматики. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

17. Справочник по электрическим машинам, в 2 т./Под ред. Копылова И.П., Клокова В.К. т.1 - М.: Энергоатомиздат, 1988, т.2 - М.: Энергоатомиздат, 1989

18. Понасюк В.И. Управление электроприводом, оптимальное по потерям энергии и ее потреблению. -Известия ВУЗов, Энергетика, 1982, №2.

19. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. -М.: Высшая школа, 1976.

20. Сабинин Ю.А., Денисова А.В. Безредукторный позиционный электропривод // М.: Электротехника, 1999, №8.

21. Управление вентильными электроприводами постоянного тока / Лебедев Е.Д, Неймарк В.Е., Пистрак М.Я., Слежановский О.В. М.:, энергия, 1970.1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.