Курсовая работа: Разработка цифрового электропривода продольной подачи токарно-винторезного станка
Так, при шаге винта = 5 мм и цене дискреты 0,01
мм должен быть установлен датчик (имп/об).
Для станков нормальной
(Н) и повышенной (П) точности применяют круговые фотоэлектрические датчики или
вращающиеся трансформаторы, для станков высокой точности класса В – линейные
оптические системы, например, типа RОD-260.
Необходимая емкость
счетчика пути по координате зависит от длины винта и
рассчитывается по соотношению:
( дискрет). (5.5)
Для представления кода
положения его разрядность определяется с помощью
выражения:
(разряда). (5.6)
Код управления и код фактической скорости
, вводимые по каналу обратной
связи, имеют обычно одинаковую разрядность, которая зависит от диапазона
регулирования скорости :
. (5.7)
Регулирование скорости
осуществляется в диапазоне Dс = 1000. Тогда для управления скоростью
потребуется 10 двоичных разрядов (210=1024).
Для измерения фактической
угловой скорости применяют цифровое дифференцирование перемещения или угла
поворота. Если датчик угла поворота установлен на двигателе, то код фактической
скорости двигателя определяется выражением:
, (5.8)
где – коэффициент передачи
канала измерения скорости; –
разность показаний датчика угла поворота за период дискретности; – скорость двигателя в
текущем периоде дискретности.
Зная диапазон
регулирования скорости , можно
определить число импульсов/оборот, которое должен иметь датчик, чтобы на
минимальной скорости за период дискретности на
его выходе был минимум 1 импульс:
(5.9)
При , необходимо применить
датчик с разрешающей способностью:
имп/об. (5.10)
Значит, из справочника для
датчика скорости выбираем фотоэлектрические датчики угла поворота фирмы
НЕIDЕNНАІ
RОD-260 – для повышенных
частот вращения с частотой считывания 1МГц,
Uпит = 5В,
габаритные размеры DхL – 92х50 мм;
присоединительный вал
Ø10 h6.
Стандартные числа штрихов
(импульсный выход): 12500.
Для датчика положения мы
выбираем тот же датчик, но для получения 500 имп/об применяем программный
делитель с коэффициентом деления 25.
Основой ШИП есть
транзисторные преобразователи. Упрощенная схема ШИП представлена на рисунке
5.2. Схема содержит четыре транзисторных ключа ТК 1-ТК4. Питание ШИП
осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором.
Существует три способа управления ШИП: симметричный, не симметричный и
поочередной. Наиболее простым способом управления ШИП есть симметричный.
Рисунок 5.2 - Схема транзисторного
ШИП
При симметричном способе
управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа
моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы,
продолжительность которых регулируется входным сигналом.
В ШИП с симметричным
управлением среднее напряжение на выходе ШИП равняется нулю, когда
относительное дополнение включения равняется 0,5. Относительное дополнение
включения (скважность) - это отношение длины управляющих импульсов к периоду
коммутации ШИП. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных
приводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации и
отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике.
Недостатком ШИП с
симметричным управлением - знакопеременное напряжение на нагрузке и повышения
пульсации тока в якоре исполнительного двигателя. Стремление исключить этот
недостаток и привело к разработке средств, которые обеспечивают однополярное
напряжение на выходе ШИП. Этим способом является несимметричное управление ШИП.
В этом случае
переключаются транзисторные ключи фазной группы ТК3 и ТК4 (ключе ТК1 и ТК2 при
противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ ТК1 постоянно
открыт и насыщен, а ключ ТК2 постоянно закрыт.
Транзисторные ключи ТК3 и
ТК4 переключаются в противофазе, обеспечивая протекание тока якоря от
противо-ЭДС двигателя. При этом на выходе ШИП формируются знакопостоянные
импульсы, и среднее напряжение на выходе равняется нулю, когда относительное
дополнение включения одного из нижних транзисторов равняется 0,5.
Недостатком этого способа
является то, что верхние транзисторные ключи (ТК1 и ТК2) за током загруженные
больше чем нижние. Это можно устранить при поочередном управлении, но
поочередный способ управления в реализации значительно более сложный предыдущих
двух. Поэтому рациональнее всего остановиться на несимметричном способе
управления транзисторными ключами.
При разработке мощных
источников электропитания и приводов электродвигателей всегда приходится решать
вопросы выбора схемотехники управления затворами силовых транзисторов мостовых
и полумостовых инверторов. В этой связи можно выделить три основных положения:
Необходимость обеспечения
требуемого пикового тока драйвера для перезаряда входной емкости силового
транзистора.
Необходимость обеспечения
надежной развязки между верхним и нижним плечами полумоста.
Необходимость обеспечения
хорошей гальванической развязки по сигналам управления.
В настоящее время
фирмы-производители электронных компонентов предлагают ряд решений, позволяющих
в конкретных случаях повысить надежность и упростить схемотехнику управления
силовыми ключами.
На рисунке 5.3 приведена схема силового
транзисторного ключа.
Рисунок 5.3 - Функциональная схема
транзисторного ключа
6. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ
Программное управление
станком является типичной задачей управления в реальном масштабе времени. Это
требует правильного сочетания аппаратных и программных ресурсов системы с
внешними устройствами. В общем случае управление оборудованием сводится к
обмену информацией между управляющей ЭВМ и внешними устройствами, входящими в
его состав.
Блок-схема головного
модуля программы управления станком представлена на рисунке 6.1.
Он представляет собой
диспетчер, направляющий работу системы по одному из двух путей, соответствующих
двум возможным режимам работы станка: автоматическая обработка (АUТО), ручное
управление (НAND). Перед селекцией режима производится инициализация системы
управления подпрограммой SYSINIT. При инициализации выполняются следующие
действия: подготовка силовой части приводов и электроавтоматики, установка
рабочих органов в нулевое положение, сброс системы управления приводами и информационной
системы. После инициализации следует подтверждение начала работы, в противном
случае программа завершается с выдачей соответствующего сообщения.
Режим автоматической
обработки начинается с подпрограммы RDPRG, которая позволяет вводить программу
обработки с клавиатуры или считать готовую с диска. Программа вводится
покадрово, каждый кадр соответствует какой-либо технологической операции
(например, включение шпинделя или обработка круглого контура с заданными
координатами). Для проверки и преобразования входной программы во внутренний
формат данных системы используется подпрограмма-транслятор CHECK. После
преобразования данных следует запрос на начало обработки. В случае
утвердительного ответа на данный запрос, начинается циклическое выполнение
программы обработки.
Рисунок 6.1 – Блок-схема
головного модуля программы управления станком
Выполняется считывание
кадра управляющей программы подпрограммой RD_КАDR и его анализ (определение
типа интерполяции, рабочего квадранта, определение величины перемещения, в
направлении каких осей оно должно производиться и т.д.), т.е. подготавливается
информация для подпрограмм нижнего уровня (интерполятора, регулятора и т.п.).
Перед отработкой кадра выполняется анализ станка на аварийные ситуации
подпрограммой SYSSCAN. В случае возникновения аварийной ситуации (ALARM=1)
происходит анализ неисправности и анализируется возможность ее устранения, что
выполняет подпрограмма ANALYSE, в случае успешного завершения которой управление
передается подпрограмме выполнения кадра управляющей программы EXE_КАDR. Данная
подпрограмма включает в себя программы интерполяции (линейной и круговой),
программы чтения и вычисления положения и скорости исполнительных органов,
программы регуляторов и другие программы нижнего уровня.
Ручной режим работы
начинается подпрограммой INITHAND, производящей требуемую настройку параметров
системы. Далее следует собственно рабочий цикл, начинающийся чтением состояния
пульта оператора (RD_КАDR). Проверка корректности введенной команды
производится подпрограммой CHECK. В случае, если проверка пройдена успешно, в
действие вступает программа SYS_SCAN, затем действия аналогичны действиям, описанным
в автоматическом режиме работы
Процедуры основной
программы и выполняемые ими действия приведены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 – Процедуры головного
модуля
Процедура |
Выполняемые действия |
SYSINIT |
Подготовка системы к работе, установка рабочих органов в
нулевое положение, сброс блока управления приводами и информационной системы,
включение силовых цепей и цепей защиты. |
RDPRG |
Ввод управляющей программы. |
CHECK |
Проверка корректности команд. Трансляция входной программы
в формат, используемый при обмене информацией в системе. Формирование массива
кадров. |
RD_KADR |
Чтение и анализ кадра: определение вида интерполяции, рабочего
квадранта, величин перемещения и скоростей по координатам. Определение
технологических функций |
EXE_KADR |
Отработка кадра управляющей программы. Формирование кодов
управления, отработка заданных перемещений. |
HANDINIT |
Подготовка системы к работе в ручном режиме |
AUTOINIT |
Подготовка системы к работе в автоматическом режиме |
SYS_SCAN |
Чтение состояния электроавтоматики станка: состояния конечных
выключателей, контактов реле защит и силовых контакторов. |
ANALYSE |
Анализ аварийной ситуации, определение возможности продолжения
работы станка. |
Программа управления приводом подачи
консоли в автоматическом режиме должна выполнять следующие функции:
- прием информации с датчика положения;
- вычисление значения скорости методом
числового дифференцирования;
- цифровое регулирование скорости и
положения;
- интерполяционные расчеты.
Блок-схема процедуры управления
приводом подачи консоли представлена на рисунке 6.2. Данная процедура является
подпрограммой головного модуля программы управления станком.
Процедура начинается обнулением
счетчика периодов дискретности и записью в стек начальных значений скорости и
сигнала управления, необходимых для процедуры регулирования скорости. Далее
производится запуск таймера, необходимого для обеспечения работы системы в
реальном масштабе времени.
После включения таймера выполняется
процедура чтения датчиков SENSOR, выходными параметрами которой являются
значения перемещений рабочих органов за данный интервал дискретности N[k] и
величины перемещений относительно начала кадра N1. Далее следует процедура
определения скорости рабочего органа в данном интервале дискретности.
Рисунок 6.2 - Блок-схема программы
управления приводом подач консоли
Отслеживание положения
рабочего органа производится путем сравнения текущего значения положения N1 с
заданным в кадре управляющей программы (N3). Если N1 < N3, т.е. требуемое
положение еще не отработано, в действие вступает подпрограмма интерполяционных
расчетов INTER. Далее производится цифровое регулирование скорости в
соответствии с разностным уравнением регулятора скорости (процедура REGUL).
Если N1 > N3, т.е. по каким-либо причинам произошел перебег рабочего органа,
подается сигнал реверса на двигатель привода и выполняются вышеназванные
процедуры интерполяции и регулирования скорости, после завершения которых
определяется состояние таймера. Если время, прошедшее с начала цикла меньше,
чем период дискретности системы Т0, то реализуется цикл ожидания пока t<Т0.
При t=Т0 происходит выход из цикла ожидания, инкремент счетчика периодов и
переход на инициализацию таймера.
Данный цикл повторяется
до тех пор, пока текущее значение перемещения N1 не сравняется с заданным N3. В
этом случае происходит выход из процедуры управления приводами (конец кадра).
Блок-схема процедуры
обслуживания датчиков приведена на рисунке 6.3.
Рисунок 6.3 - Блок-схема
процедуры обслуживания датчиков
Для приема информации о
перемещении по трем координатам организован цикл, начинающийся с анализа
состояния ИС.
Как было сказано выше,
единичное значение разряда СОМ_Р1С разрешает чтение кода перемещения в ЦЭВМ.
Процедура SPEED выполняет
вычисление значения скорости вращения двигателя методом числового
дифференцирования.
Блок-схема процедуры
определения скорости вращения вала двигателя приведена на рисунке 6.4.
Рисунок 6.4 - Блок-схема
процедуры определения скорости
ВЫВОДЫ
В ходе
выполнения курсового проекта была разработана система управления приводом
продольной подачи токарно-винторезного станка. Особенностью данной СУЭП
является применение высокопроизводительного контроллера LPC2138 на базе ядра
ARM7. Этот контроллер обладает развитой периферией, поэтому его ресурсов хватит
для выполнения любых задач, связанных с управлением станками вышеупомянутого
типа.
Применение в
системах управления электроприводами микропроцессорной системы позволило
повысить гибкость станка, обеспечивает возможность стыковки с ЭВМ высокого
уровня, который работает в режиме деления времени и разрешает оптимально может
построить управление большой технологической задачей.
В курсовом
проекте выполнен расчет электромеханической системы, выбран двигатель
постоянного тока по рассчитанным данным.
Разработана
структурная и функциональная схемы системы управления приводом подачи, выбраны
средства соединения исполнительного механизма с системой управления. Также
выполнено математическое описание системы управления и синтез ПИД-регулятора.
Управления осуществляется с помощью ШИП, что является более уместным, чем
тиристорный преобразователь. Заключительным этапом курсового проекта является
разработка блок - схемы управления, которая характеризует работу системы
управления в ручном, наладочном и автоматическом режимах работы.
ПЕРЕЧЕНЬ
ССЫЛОК
1.
Методические указания к курсовому
проекту по дисциплине "Цифровые системы управление и обработка информации"
(для специальности 7.092501)Сост. А. А. Сердюк. - Краматорск: ДГМА, 2006.-108с.
2.
Системы
программного управления промышленными установками и робототехническими
комплексами: Учебное пособие для вузов / Б. Е. Коровин, Г. И. Прокофьев, Л. Н.
Рассудов. Л.: Энергоатомиздат, Ленинград. Отд., 1990 – 352с.
3.
Точность и надежность станков с
числовым программным управлением (Под ред. А. С. Проникова). М.:
Машиностроение, 1982.-356с.
4.
Станки с числовым программным
управлением (специализированные). Под ред. В. А. Лещенко - М.: Машиностроение,1988.-592с.
|