Проектирование системы управления электроприводом станка – пошаговое руководство для курсовой работы

Введение в проблематику проектирования электроприводов

Электропривод является сердцем любого современного металлорежущего станка, определяя его производственные возможности и качество выпускаемой продукции. От его характеристик напрямую зависят ключевые параметры обработки: точность позиционирования, скорость перемещения рабочих органов и, в конечном счете, производительность оборудования. В условиях современного производства к системам управления предъявляются все более жесткие требования, касающиеся не только динамического быстродействия, но и энергоэффективности.

Проектирование такой системы — это комплексная инженерная задача, требующая глубоких знаний в области механики, электротехники и теории автоматического управления. Сложность заключается в необходимости точного согласования характеристик электродвигателя с механикой станка и разработки системы управления, способной обеспечить требуемое качество регулирования в широком диапазоне нагрузок и скоростей.

Целью данной курсовой работы является проектирование системы управления электроприводом подачи для конкретных, заданных технических условий. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ исходных данных и технического задания.
• Выполнить кинематический и силовой расчет привода для определения требуемых параметров.
• Обоснованно выбрать электродвигатель и силовой преобразователь.
• Разработать функциональную схему системы автоматического управления.
• Проверить работоспособность и качество спроектированной системы путем компьютерного моделирования.

Анализ исходных данных и технического задания

Основой любого проекта является четко сформулированное техническое задание (ТЗ). Прежде чем приступать к расчетам, необходимо детально проанализировать каждый его пункт, чтобы понять, какие требования предъявляются к будущей системе. В нашем случае исходные данные для проектирования выглядят следующим образом:

Требуется спроектировать систему управления электроприводом подачи металлорежущего станка на базе комплектного тиристорного электропривода ЭТУ с электродвигателем серии П. Система должна обеспечивать регулирование скорости рабочей подачи при постоянном моменте.

Ключевые технические параметры для расчета:

• Диапазон скоростей (V): от Vрmin = 45 мм/мин до Vрmax = 9000 мм/мин. Этот параметр определяет требуемый диапазон регулирования скорости двигателя.
• Усилие резания (Fz): 11750 Н. Это основная статическая нагрузка, которую должен преодолевать привод.
• Масса перемещаемых узлов (m): 2000 кг. Влияет на динамические нагрузки и общий момент инерции системы.
• Параметры ходового винта: шаг tв = 3 мм, средний диаметр Dв = 60 мм, длина lв = 1,2 м. Эти данные необходимы для расчета передаточного отношения и момента инерции винта.
• Приведенный момент инерции коробки (J’): 0,015 кгм². Учитывается при расчете общего момента инерции системы.
• Продолжительность включения (ПВ): 85%. Важный параметр для теплового расчета и выбора двигателя по мощности.
• Передаточное отношение коробки (ip): 1. Упрощает расчеты, так как скорость двигателя напрямую связана со скоростью подачи через винт.
• Общий КПД (η): 0,75. Учитывает потери в коробке подач и винтовой паре.

Каждый из этих параметров будет использован в соответствующих формулах на этапе силового и кинематического расчета. Их точный учет — залог корректного проектирования и работоспособности будущего привода.

Теоретические основы построения систем управления приводами

Проектирование электропривода опирается на фундаментальные принципы теории автоматического управления и электротехники. Современные приводы станков — это сложные электромеханические системы, включающие в себя несколько ключевых компонентов. В зависимости от требований к точности и динамике, в станкостроении применяются различные типы двигателей:

• Двигатели постоянного тока (ДПТ): традиционно использовались в регулируемых приводах благодаря простоте управления и отличным характеристикам, особенно высокомоментные ДПТ.
• Асинхронные двигатели: с развитием силовой электроники и векторного управления стали широко применяться в приводах подач благодаря своей надежности и отсутствию щеточного узла.
• Синхронные (вентильные) двигатели: обеспечивают наилучшие показатели точности и динамики, что делает их стандартом для высокоскоростных и прецизионных станков.

Для управления этими двигателями используются различные методы. Наибольшее распространение в приводах подач получила система подчиненного регулирования координат. Ее суть заключается в построении вложенных контуров регулирования, как правило, контура тока и контура скорости. Внутренний контур тока отвечает за непосредственное управление моментом двигателя, а внешний контур скорости задает необходимое значение тока для поддержания заданной скорости вращения. Такая структура позволяет эффективно управлять динамикой привода и легко ограничивать предельные значения тока и, соответственно, момента.

Ключевыми компонентами любой современной системы управления являются:

1. Контроллер (ПЛК или микроконтроллер): «мозг» системы, реализующий алгоритмы управления.
2. Силовой преобразователь (тиристорный, частотный): устройство, которое управляет питанием двигателя, формируя нужное напряжение и ток.
3. Датчики (энкодеры, тахогенераторы, датчики тока): обеспечивают обратную связь, информируя контроллер о реальной скорости, положении и токе двигателя.
4. Электродвигатель: исполнительный механизм, преобразующий электрическую энергию в механическое движение.

Этап 1. Выполнение кинематического и силового расчета привода

Это центральный расчетный этап, на котором теоретические требования ТЗ переводятся на язык конкретных физических величин. Цель — определить требуемые механические и энергетические характеристики, которые станут основой для выбора двигателя. Расчет выполняется пошагово.

Шаг 1. Расчет потребного тягового усилия.
На этом шаге определяется полное усилие, которое должен развить привод. Оно складывается из статической составляющей (сила резания Fz, силы трения в направляющих) и динамической составляющей, необходимой для разгона и торможения массивных узлов станка. Это усилие является базовым для дальнейших вычислений.

Шаг 2. Определение требуемых скоростей вращения двигателя.
Зная диапазон линейных скоростей подачи (от Vрmin до Vрmax) и параметры передаточного механизма (шаг ходового винта tв, передаточное отношение редуктора ip), вычисляется соответствующий диапазон угловых скоростей вала двигателя (от n_min до n_max). Это позволяет понять, какими скоростными характеристиками должен обладать двигатель.

Шаг 3. Расчет статического момента на валу двигателя.
На основе ранее рассчитанного тягового усилия и с учетом КПД всей механической цепи (η) вычисляется статический момент сопротивления, приведенный к валу двигателя. Это ключевой параметр, так как он определяет, какой крутящий момент должен развивать двигатель в установившемся режиме работы.

Шаг 4. Расчет полного момента инерции.
Чтобы оценить динамические свойства системы, необходимо рассчитать суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя. Он складывается из момента инерции ротора самого двигателя, момента инерции ходового винта, коробки и движущихся поступательно масс станка. Чем выше этот показатель, тем больше энергии требуется на разгон и торможение.

Шаг 5. Проверка предварительно выбранного двигателя.
На основе полученных значений статического момента, диапазона скоростей и продолжительности включения (ПВ=85%) производится предварительный выбор двигателя. Затем выполняется проверочный расчет, в ходе которого двигатель проверяется по мощности и перегрузочной способности (способности кратковременно развивать момент, достаточный для преодоления динамических нагрузок).

Этап 2. Обоснованный выбор двигателя и силового преобразователя

Имея на руках расчетные значения требуемой мощности, номинального и пикового крутящего момента, а также диапазона скоростей вращения, можно приступать к обоснованному выбору конкретного оборудования. Согласно техническому заданию, мы должны использовать компоненты из определенных серий.

Выбор двигателя производится из каталога двигателей постоянного тока серии П. Процедура выбора заключается в сравнении расчетных данных с каталожными характеристиками. Ищется модель, у которой номинальный крутящий момент (Мном) и номинальная скорость вращения (nном) наиболее близки к расчетным, но не меньше их. Особое внимание уделяется перегрузочной способности двигателя — его максимальный момент должен быть достаточен для преодоления динамических нагрузок при разгоне.

После того как конкретная модель двигателя выбрана (например, ПБВ-112), необходимо подобрать для него силовой преобразователь. По условиям ТЗ, это должен быть комплектный тиристорный привод серии ЭТУ. Выбор конкретной модели преобразователя осуществляется на основе ключевых параметров выбранного двигателя:

• Номинальное напряжение якоря (Uном).
• Номинальный ток якоря (Iном).

Выбирается преобразователь, выходное напряжение и ток которого соответствуют или превышают номинальные параметры двигателя. Использование комплектного привода (двигатель + преобразователь) от одного производителя является предпочтительным, так как это гарантирует их полную электромагнитную и функциональную совместимость.

Этап 3. Разработка функциональной схемы системы управления

Выбрав «силу» привода (двигатель и преобразователь), необходимо спроектировать его «мозг» — систему автоматического управления (САУ). Как уже упоминалось, для приводов подач наилучшие результаты показывает двухконтурная САУ с подчиненным регулированием. Она состоит из внутреннего контура тока и внешнего контура скорости.

Функциональная схема такой системы наглядно показывает взаимодействие всех ее элементов:

1. Задатчик интенсивности (ЗИ): Формирует сигнал задания скорости, обеспечивая плавный разгон и торможение. На его вход поступает требуемое значение скорости, а на выходе формируется плавно нарастающий сигнал.
2. Регулятор скорости (РС): Является «главным» в системе. Он сравнивает заданную скорость (с выхода ЗИ) с реальной скоростью двигателя, которая измеряется датчиком скорости (тахогенератором или энкодером).
3. Выход РС: Сигнал рассогласования по скорости, обработанный регулятором, становится заданием для внутреннего контура — то есть, он определяет, какой ток (а значит, и момент) должен развить двигатель.
4. Регулятор тока (РТ): Сравнивает заданный ток (с выхода РС) с реальным током в якоре двигателя, измеренным датчиком тока (например, шунтом).
5. Выход РТ: Сигнал рассогласования по току поступает на систему импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорного преобразователя.
6. Силовой преобразователь: Изменяет угол открытия тиристоров, регулируя напряжение, подаваемое на двигатель, и тем самым поддерживая нужный ток.

Такая структура обеспечивает высокое быстродействие по управлению моментом (за счет быстрого внутреннего контура тока) и точное поддержание заданной скорости (за счет внешнего контура скорости), что критически важно для металлорежущих станков.

Этап 4. Расчет и настройка регуляторов системы

Разработка функциональной схемы — это качественный этап. Теперь необходимо рассчитать количественные параметры ее элементов, а именно — коэффициенты ПИ-регуляторов скорости и тока. Цель этого этапа, называемого синтезом регуляторов, — обеспечить не только устойчивость системы, но и требуемое качество переходных процессов (быстродействие без значительных перерегулирований).

Расчет традиционно ведется «изнутри наружу»:

1. Настройка контура тока.
Сначала рассматривается внутренний контур — токовый. Объект управления для него включает в себя тиристорный преобразователь и якорную цепь двигателя. Этот контур настраивается на технический оптимум. Данный критерий обеспечивает максимально возможное быстродействие контура тока при минимальном перерегулировании (около 4%). В результате расчета определяются параметры ПИ-регулятора тока (коэффициент усиления и постоянная времени).

2. Настройка контура скорости.
После настройки токового контура его можно рассматривать как упрощенное апериодическое звено, так как он значительно быстрее внешнего контура скорости. Теперь объектом управления для регулятора скорости является этот замкнутый токовый контур и механическая часть привода. Внешний контур скорости настраивается на симметричный оптимум. Этот критерий обеспечивает хороший апериодический (без колебаний) переходный процесс по скорости с перерегулированием около 43%, что является компромиссом между скоростью отработки и плавностью.

Для выполнения расчетов строятся математические модели элементов в виде передаточных функций, анализируются их логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) и на их основе определяются искомые параметры корректирующих устройств — регуляторов.

Этап 5. Моделирование системы управления в среде MATLAB/Simulink

Финальным и важнейшим этапом верификации проекта является компьютерное моделирование. Оно позволяет проверить корректность всех предыдущих расчетов и оценить поведение спроектированной системы в динамике еще до ее физической реализации. Для этих целей широко используется программный комплекс MATLAB с пакетом расширения Simulink.

Процесс моделирования включает следующие шаги:

• Создание модели: На основе разработанной функциональной схемы в среде Simulink создается блочная модель системы. Из стандартных библиотек берутся блоки, имитирующие двигатель, преобразователь, ПИ-регуляторы, датчики.
• Ввод параметров: В каждый блок вводятся данные, полученные на предыдущих этапах: параметры двигателя (сопротивление, индуктивность), моменты инерции, коэффициенты передачи датчиков, и, самое главное, рассчитанные коэффициенты регуляторов скорости и тока.
• Проведение симуляции: На вход модели подается ступенчатое задающее воздействие, имитирующее команду на изменение скорости. Запускается симуляция, в ходе которой решается система дифференциальных уравнений, описывающих динамику привода.
• Анализ результатов: Результаты моделирования представляются в виде графиков переходных процессов — зависимостей скорости и тока якоря от времени. Анализируя эти графики, можно оценить ключевые показатели качества системы: время регулирования (как быстро скорость достигает заданного значения), перерегулирование (насколько скорость «проскакивает» заданное значение) и наличие или отсутствие статической ошибки.

Успешные результаты моделирования, совпадающие с теоретическими ожиданиями, подтверждают, что спроектированная система устойчива и обладает требуемыми динамическими характеристиками.

Заключение и выводы по проделанной работе

В ходе выполнения данной курсовой работы был пройден полный цикл проектирования системы управления электроприводом подачи металлорежущего станка. Были последовательно решены все поставленные задачи, начиная от анализа технического задания и заканчивая проверкой работоспособности системы методом компьютерного моделирования.

Ключевыми результатами проделанной работы являются:

• Выполнен силовой и кинематический расчет, определивший требуемые момент, мощность и скорости вращения двигателя.
• На основе расчетов обоснованно выбран двигатель постоянного тока серии П и совместимый с ним тиристорный преобразователь ЭТУ.
• Разработана функциональная схема двухконтурной системы подчиненного регулирования координат.
• Проведен синтез регуляторов тока и скорости, обеспечивающий устойчивость и высокое качество динамических процессов.

Главный вывод заключается в том, что спроектированная система управления электроприводом полностью удовлетворяет требованиям технического задания. Это подтверждается результатами моделирования в среде MATLAB/Simulink, которые показали, что система обеспечивает заданный диапазон регулирования скорости с требуемым быстродействием и точностью. Проект демонстрирует комплексный подход к решению инженерной задачи и может служить основой для реализации реального электропривода станка.

Список использованной литературы

1. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова.– М.: Энергоатомиздат, 1989.– 688 с.
2. Чиликин М. Г., Сандлер А. С. Общий курс электропривода: учебник для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с.
3. Башарин А. В., Голубев Ф. Н., Кепперман В. Г. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. – Л., Энергия, 1971. – 440 с.
4. Автоматизированный электропривод промышленных установок / под ред. Г. Б. Онищенко.– М.: РАСХН-2001. – 520 с.
5. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин: учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 327 с.
6. Усынин Ю. С. Системы управления электроприводов: учебное пособие. – 2-е изд., испр. и доп. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. – 328 с.
7. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат; 1986. – 416 с.
8. Ключев В. И. Теория электропривода: учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 560 с.
9. Онищенко Г. Б. Электрический привод. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 288 с.
10. Водовозов В.М. Теория и системы электропривода. – Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. – 306 с.