Разработка высокоточной системы стабилизации мощности резания вальцетокарного калибровочного станка модели IK 825 Ф2

    Согласно (2.1) — (2.11), в данном конкретном случае мощность резания определяется следующим  выражением: 

          Р_рез = 7870.66975 * V  кВт (5.22)

          где V — скорость резания. 

    Требуемая в данном случае скорость резания  согласно (2.5) составляет 8.66 м/мин. Рассчитаем коэффициент передачи передаточного механизма (коробки скоростей): 

            ^{м*с/мин (5.23)} 

    Постоянная  процесса резания согласно [1] определяется следующим образом: 

           ^(5.24)

где n_ш — скорость вращения шпинделя, определяющаяся по формуле: 

           ^{об/мин (5.25)}

    где  D_дет — диаметр устанавливаемой в центрах заготовки. 

    Подставив (5.25) в (5.24), получим: 

            ^с (5.26) 

    Для стабилизации мощности без затягивания переходного процесса нарастания мощности необходимо, чтобы обратная связь по мощности включалась при превышении мощностью уровня стабилизации (то есть максимально допустимой мощности), для чего необходима зона нечувствительности по мощности. Поскольку унифицированная блочная система регуляторов (УБСР) рассчитана на максимальное напряжение 8 В, то и ограничение по мощности, выполненное на элементах УБСР, будет соответствовать U_ср = 8 В. Тогда коэффициент датчика мощности можно рассчитать из следующих соображений, что при мощности, равной мощности стабилизации, напряжение обратной связи по мощности должно достигнуть напряжения сравнения, то есть: 

           ^{В / Вт (5.27)}

    где  Р_ст — уровень стабилизации мощности. 

    Для расчета регулятора мощности необходимо рассчитать максимальное задание, которое будет подано на вход регулятора мощности для достижения уровня стабилизации. Это задание рассчитывается из условия того, что при мощности стабилизации задание соответствует максимальной мощности, а при максимальной мощности задание на мощность равно нулю. Таким образом, требуемое напряжение задания можно определить по формуле: 

      (5.28) 

    Оптимизация контура мощности ведется по симметричному  оптимуму.

    Поскольку датчик мощности выполняется на базе датчиков тока и скорости, то он будет обладать некоторой инерционностью. Постоянная времени датчика мощности стандартной реализации находится в пределах 0.003—0.006 с. Поскольку в данном случае датчик мощности реализуется с использованием микросхем, что ускоряет работу, примем постоянную времени датчика мощности Т_дм = 0.004 с.

    Тогда, согласно Рис. 5.7., для компенсации  всех постоянных необходима следующая передаточная функция регулятора мощности: 

_(5.29) 

    Подставив значения постоянных времени и коэффициентов передачи, получим:

• пропорциональная часть регулятора мощности К^п_рм = 7.3529;
• интегральная часть регулятора мощности К^и_рм = 0.0338;
• дифференциальная часть регулятора мощности К^д_рм = 0.0029.

 

    Таким образом, интегральная и дифференциальная части оказались незначимыми по сравнению с пропорциональной частью регулятора мощности, откуда следует, что для обеспечения требуемых показателей качества как в динамике, так и в статике достаточно пропорционального интегратора мощности.

    На Рис.5.8 приведена схема реализации регулятора мощности. Рис. 5.9 отображает структурную схему регулятора мощности. Согласно Рис. 5.8 и Рис. 5.9 запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации: 

      ^(5.30)

где К_дм — коэффициент датчика скорости.

    Зададимся сопротивлением R_осм = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (5.30), сопротивление R_зм составит: 

       ^{кОм  (5.31)}

    где  К_рм — пропорциональная часть регулятора мощности.

    Подставив значение R_зм = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (5.18), найдем, что сопротивление R_м составит: 

       ^{кОм (5.32)}

где  Ком — коэффициент обратной связи  по мощности, рассчитываемый из условия соответствия максимального задания на мощность максимальной мощности, то есть: 

               ^(5.33) 
 

    5.4.Расчет  статической характеристики системы 

    Структурная схема проектируемой системы  электропривода в статике для  расчета статической характеристики приведена на Рис. 5.10.

    Запишем уравнение скорости движения электропривода в статике: 

           (5.34)

    где ? —скорость вращения двигателя;

          ?₀ — скорость холостого хода двигателя: 

              ^1/с (5.35) 

          ??_с — статическое падение скорости при статическом токе: 

            ^1/с (5.36) 

    Выражение (5.34) раскрыто с применением правил Лопиталя для раскрытии неопределенностей  вида .

    По  полученным расчетным данным построим статическую характеристику системы, приведенную на Рис. 5.11. 
 

    5.5. Разработка датчика мощности 

    В проектируемой системе электропривода необходимо иметь сигнал, пропорциональный мощности резания. Прямым способом измерить мощность резания невозможно. Поэтому ее измеряют косвенно.

    Для измерения мощности резания можно использовать сигналы, пропорциональные току двигателя, скорости вращения двигателя, ЭДС двигателя.

    В данном случае предлагается использовать сигналы, пропорциональные току и скорости вращения двигателя. После перемножения этих сигналов на выходе получится сигнал, пропорциональный мощности резания. Функциональная схема реализованного датчика мощности приведена на Рис. 5.12.

    В состав спроектированного датчика  мощности входит интегральная микросхема (ИМС) [16] К525ПС2А, представляющая собой четырехквадрантный аналоговый перемножитель (АП) сигналов и имеет следующие параметры:

• потребляемый ток — не более 6 мА;
• погрешность перемножения — не более  ? 1%;
• нелинейность перемножения:

• по входу X — не более ? 0.8%;
• по входу Y — не более ? 0.5%;

• остаточное напряжение:

• по входу X — не более 80 мВ;
• по входу Y — не более 60 мВ;

• входной ток:

• по входу X — не более 4 мкА;
• по входу Y — не более 6 мкА;

• полоса преобразования по входам — не менее 0.7 МГц;

• выходное напряжение — не более  ? 10.5 В.

    Стабилитрон во входной цепи операционного усилителя рассчитаем из следующих соображений. Напряжение срабатывания стабилитрона должно соответствовать достижению мощностью резания уровня стабилизации. Этому уровню будут соответствовать статический ток двигателя I_с = 333 А и скорость вращения двигателя ?_н= 78.54 1/с. Поскольку датчик тока рассчитан на пусковой ток, то в номинальном режиме его выходное напряжение составит: 

       В (5.37) 

    Сигнал  с тахогенератора составит: 

       В (5.37) 

    Тогда сигнал на выходе ИМС составит: 

       ^В (5.38) 

    Таким образом, напряжение стабилизации входного стабилитрона должно составлять 3 В, что обеспечит правильную работу обратной связи по мощности.

    Обратная  связь включается через 1.5 с после  включения двигателя, что обеспечивают контакты реле времени. Это необходимо для того, чтобы при пуске обратная связь по мощности не срабатывала. 
 
 

 

    

6. АНАЛИЗ  РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО  РЕГУЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ПАКЕТА МАСС 

    По  структурной схеме системы, приведенной на Рис. 6.1., составим математическую модель проектируемой системы для дальнейшего моделирования, которая приведена на Рис. 6.2. Согласно Рис. 6.2. составим таблицу задания для моделирования процессов на МАССе. 

    DIPMAG.MDS 3-December-97, Wednesday 

 Номер Тип Входы Параметры 

          1 K    1.0879E+00

          10 + 1 -16  0

          11 G 10 0 0 7.3529E+00

          12 L 11   8.0000E+00 -8.0000E+00

          13 G 24 0 0 1.1026E-01

          15 AN 14   1.3333E-04 3.9999E-03

          16 D 15   8.0000E+00 -8.0000E+00

          20 + 12 -25  0

          21 G 20 0 0 2.0799E+01

          22 L 21   8.0000E+00 -8.0000E+00

          23 + 44 -103 0

          24 I 0 23 0 0.0000E+00 1.9263E-01 0.0000E+00

          25 G 24 0 0 1.0185E-01

          27 G 24 0 0 2.7050E+00

          30 + 22 -45  0

          31 R2 41 30 34

          32 G 30 0 0 2.6119E-01

          33 I 0 31 0 0.0000E+00 2.9382E+00 0.0000E+00

          34 K    0.0000E+00

          35 + 32 33  0

          36 AB 35

          37 K    8.0000E+00

          38 + 37 -36  0

          39 NL 38

          40 EL 30 33

          41 AL 39 40

          42 L 35   8.0000E+00 -8.0000E+00

          43 + 50 -27  0

          44 AN 43   3.1669E+01 8.8899E-02

          45 G 44 0 0 1.1430E-02

          50 AN 42   6.7170E+01 6.9999E-03

          100 K     1.0000E+00

          101 B 24

          103 X 100  101 104

          104 G 14 0 0 5.1152E-03

          999 DT 13   1.5000E+00

          14 AN 999   7.8700E+03 2.1766E+01 

    Структура модели:

• регулятор тока — блоки 30 — 42;
• обратная связь по току — блок 45;
• нагрузка (статический ток) — блоки 100 — 104;
• регулятор скорости — блоки 20 — 22;
• обратная связь по скорости — блок 25;
• регулятор мощности — блоки 10 — 12;
• обратная связь по мощности — блоки 15 — 16;
• тиристорный преобразователь — блок 50;
• двигатель: