Техническое задание и основные этапы проектирования следящего ЭП

Рассмотрим основные этапы проектирования на примере проектирования электромеханической следящей системы робота. Как правило, при проектировании ЭП приходится учитывать целый ряд требований, среди которых выделяют: энергетические, динамические, конструктивные, эксплуатационные требования и т.д. Так, следящие системы должны обладать требуемой мощностью, обеспечивать требуемую точность отработки задающих воздействий, иметь заданные динамические характеристики. В ряде случаев требуется использовать определенный тип двигателей, усилителей, источников питания, получить минимальные габариты и вес, обеспечить определенный температурный режим, бесконтактность и т. д. Алгоритм проектирования не может быть универсальным, поскольку требования часто носят противоречивый характер и допускают многозначность решения. Общим для всех проектируемых систем являются требования к энергетике и к динамическим характеристикам, определяющим запасы устойчивости и качество переходных процессов. Эти требования и лежат в основе динамического расчета, методику которого рассмотрим в этом разделе.

Электромеханическая система робота, как правило, содержит несколько ЭП, предназначенных для отработки заданного перемещения (координаты) с заданной скоростью. Динамический расчет следящей системы робота производится независимо для каждой координаты, в предположении, что силы и моменты от взаимного влияния движения по различным координатам компенсируются соответствующими двигателями. Для каждой степени подвижности робота используется один и тот же вариант системы регулирования. Считается, что она представляет собой электромеханическую следящую систему, отрабатывающую в каждый момент времени заданные значения координаты и скорости.

Элементы, которые выбираются или считаются заданными, являются: двигатель, усилитель мощности (полупроводниковый преобразователь), редуктор, преобразующие и согласующие устройства, датчики скорости, положения, тока и т.д. Задача динамического расчета системы заключается в том, чтобы на основе динамических характеристик выбранных (заданных) элементов, а также требований, предъявляемых ко всей системе в целом, определить необходимые динамические характеристики регуляторов или корректирующих звеньев.

Приведем основные этапы динамического расчета.

1.Определение исходных данных для расчета. Для выполнения этого этапа задаются параметры манипуляционного механизма и параметры режимов движения. Составляются необходимые кинематические соотношения и уравнения движения механизма. В результате для заданной (например, вращательной) степени подвижности должны быть определены и выписаны следующие исходные данные: - минимальное и максимальное значения момента нагрузки Ј_н; - максимальное значение момента нагрузки М_н; - максимальная угловая скорость нагрузки Ω_max; - максимальное угловое ускорение ε_max; - предельно допустимая ошибка позиционирования δ_max.

Некоторые из исходных данных могут быть заданы заранее, остальные определяются расчетным путем. В такой же последовательности выписываются исходные данные, если заданная степень подвижности поступательная.

2.Выбор основных элементов следящей системы, на этом этапе выбирается исполнительный двигатель и редуктор, определяются требования к усилителю мощности, выбираются датчики положения и скорости. Выписываются типы выбранных элементов и их технические данные.

Методики выбора двигателя и определение оптимального значения передаточного отношения редуктора и расчет тиристорного преобразователя (усилителя мощности) приведены в [13]. Методики расчета другого типа усилителя мощности – широтно-импульсного преобразователя (ШИП) и выбора чувствительных элементов приведены в [14]. Отметим, что электрический двигатель вместе с датчиками тока, скорсти, положения и выбранным усилителем мощности составляют так называемую неизменяемую часть ЭП, так как они не могут быть изменены в процессе настройки следящей системы. К изменяемой части системы ЭПотносятся регуляторы тока, скорости и положения. Их параметры подвергаются изменению для достижения требуемых показателей качества регулирования заданных координат.

2. Построение структурной схемы системы и определение динамических характеристик выбранных неизменяемой части ЭП. Здесь на основе динамических характеристик выбранных элементов составляется передаточная функция неизменяемой части следящей системы и проводится расчет ее параметров (постоянных времени и коэффициентов передачи). При переменном моменте инерции нагрузки неизменяемая часть рассматривается как квазистационарная. В этом случае определяется диапазон изменения соответствующего параметра передаточной функции.

3. Синтез динамических характеристик следящей системы. Возможно два варианта решение этой задачи.

Первый вариант – выбор параметров регуляторов рассмотрен в разделе 12.1(Системы подчиненного регулирования).

Второй вариант – выбор параметров корректирующих звеньев регуляторов с использованием логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ). Методика выбора передаточных функций корректирующих звеньев приведена в [14]. Решение задачи осуществляется в два этапа. На первом этапе выбирается желаемая передаточная функция. На втором этапе – определяются передаточные функции корректирующих звеньев. При этом следует учитывать переменность некоторых параметров неизменяемой части системы.

4. Проверочный расчет. На этом этапе производится построение переходного процесса и определение показателей качества переходного процесса (перерегулирование, время переходного процесса и показателя колебательности). Исследуется влияние изменения параметров неизменяемой части ЭП на показатели качества. Выполнение этой части проекта целесообразно вести с применением прикладных программ, например, «Simulink».

5. Реализация регуляторов и построение полной схемы следящей системы. На этом этапе по найденным передаточным функциям корректирующих звеньев, рассчитывают параметры элементов этих звеньев. Если средства коррекции оказываются сложными, то путем структурных преобразований добиваются упрощения схемы, например, упрощают последовательное корректирующее устройство за счет введения гибкой обратной связи в контуре скорости. Определяют требования к предварительному усилителю и при необходимости вводят преобразующие элементы – фазочувствительные выпрямители, модуляторы и т.д. Окончательно определяют структурную схему системы.

6. На этом этапе основная часть расчета заканчивается. Однако задание может включать в себя дополнительные требования, связанные с исследованием таких факторов, как

- упругая податливость элементов редуктора и вала электродвигателя;

- нелинейность характеристик отдельных элементов системы (например, из-за насыщения магнитопровода электродвигателя, люфта в редукторе, сухого трения в шарнирах, ограничения в усилителях и т.п.);

- неточная компенсация сил и моментов, обусловленных взаимным влиянием движений по различным степеням подвижности механизма.