Отчёт (Много полезностей по лабораторным работам)

Московский Государственный Технический Университет

имени Н.Э.Баумана

ОТЧЁТ

к лабораторной работе №2

по курсу: «Электроприводы роботов» на тему:

«ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА БАЗЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ

ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ»

Выполнили:

Орешкин А.И.

Струнин В.С.

Иконников Е.

Группа:

РК10-71

Проверили:

Ванин А.В.

Польский В.А.

Москва, 2010 г.

Теоретическая часть

1. Объяснить принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на законах электромагнитной индукции. При подаче в обмотки статора, соединенные по схемам «звезда» или «треугольник», переменного трехфазного напряжения возникает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого пропорциональна частоте напряжения. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в короткозамкнутой обмотке ротора токи. При взаимодействии токов ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает электромагнитный момент, который действует на ротор. Направление действия электромагнитного момента зависит от знака выражения , где и - угловая скорость вращения ротора и магнитного поля статора ( f - частота питающего напряжения, Гц, р -число пар полюсов). Если ротор вращается со скоростью, меньшей скорости поля ,то на него действует момент, направленный в сторону вращения, благодаря чему ротор раз­гоняется. Если ротор вращается со скоростью, превышающей скорость магнитного поля ста­тора , на него действует момент, направленный в противоположную сторону и ротор замедляется. При магнитные силовые линии поля статора неподвижны относитель­но проводников обмоток ротора, ЭДС индукции в них равна нулю и электромагнитный мо­мент, действующий на ротор, также равен нулю. Это состояние называется идеальным холо­стым ходом, при котором угловая скорость вращения ротора (скорость холостого хода) определятся выражением . Ротор электродвигателя развивает скорость идеального холостого хода в случае, если внешний момент , действующий на него, равен нулю. Если и направлен против вращения ротора, его скорость вращения уменьшается до тех пор, пока электромагнитный момент не уравновесит внешний момент МВ . При ротор вращается со ско­ростью .

2 . Изобразить механическую характеристику асинхронного электродвигателя.
Зависимость в установившемся режиме работы называется механиче­ской характеристикой двигателя. Номинальную угловую скорость вращения ро­тора двигателя можно найти по формуле ( - номинальная скорость вращения ротора, об/мин).Номинальный момент, развиваемый электродвигателем, определяется по формуле: где - номинальная мощность двигателя, [Вт].

На рис. 1 точка К - точка срыва механической характеристики двигателя, которой со­ответствует критическая угловая скорость . При достижении критического значения внешнего момента нагрузки происходит срыв механической характеристики, при этом ско­рость вращения ротора падает до нуля и двигатель развивает момент короткого замыкания ^.

3. Перечислить способы регулирования скорости вращения ротора асинхронного электро­двигателя.

1. Амплитудно - частотное управление скоростью (U/Fуправление);

2. Векторное управление скоростью без датчика;

3. Векторное управление скоростью с датчиком;

4. Управление скоростью в режиме компенсации скольжения;

5. Управление моментом, развиваемым двигателем.

4. На чем основан принцип действия преобразователя частоты?

Структурная схема преобразователя частоты.

где:

1 -звено постоянного тока;

2- инвертер;

3- электродвигатель БТС 90-4Б;

4- управляющие сигналы от сигнального процессора;

5- обратные связи по токам и напряжениям статорных обмоток электродвига­теля

На силовые входы преобразователя частоты LG IS-5 (клеммы R, S, T) подается трех­фазное переменное напряжение 380 В 50 Гц. С помощью звена постоянного тока, которое состоит из неуправляемого выпрямителя и сглаживающих емкостей, переменное напряжение выпрямляется и сглаживается. Значение постоянного напряжения, снимаемого с выхода зве­на постоянного тока, составляет 540 В. Данное напряжение поступает на вход инвертора, ко­торый осуществляет его преобразование в систему трехфазных переменных напряжений с регулируемой частотой и амплитудой. Диапазон регулирования частоты - 0 ... 400 Гц, а диа­пазон регулирования амплитуды - 0 ... 380 В. Эти напряжения поступают на обмотки элек­тродвигателя STC 90-4D (клеммы U, V, W), соединенные по схеме «звезда». Инвертор состо­ит из шести силовых транзисторов типа IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые работают в ключевом режиме «открыт - закрыт». Процессом открытия и закрытия каждого транзистора управляет специальная микросхема, которая называется драйвером. В свою очередь драйверы силовых транзисторов получают управляющие сигна­лы от центрального процессорного узла преобразователя частоты (ЦПУ), реализованного на базе сигнального процессора Analog Device. ЦПУ осуществляет переключение силовых тран­зисторов в определенной последовательности, благодаря чему реализуется режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяющий осуществлять совместное регулирование ам­плитуды и частоты напряжений, подаваемых в обмотки двигателя, в заданном диапазоне. Частота ШИМ выбирается пользователем в диапазоне 1 ... 15 кГц.

5. Рассказать про устройство программируемого логического контроллера.

В данной лабораторной установке используется ПЛК Mitsubishi FX2N-16MT-ESS, а также модуль цифроаналогового преобразования FX2N-2DA. ПЛК представляет собой микропроцессорное устройство со встроенными элементами памяти, генератором тактовой частоты, счетчиками и таймерами, а также интерфейсами последовательного и параллельного ввода/вывода. Дискретные сигналы управления формируются устройством последовательного вво­да/вывода (УПосВВ), сигналы с которого подаются на клеммы Fx/Rx преобразователя часто­ты. Данные сигналы определяют направление вращения ротора в соответствии с результатом регулирования. Задание частоты вращения ротора электродвигателя осуществляется при по­мощи цифро-аналогового преобразователя.

Модуль цифроаналогового преобразования позволяет производить преобразование 12- разрядных чисел в напряжение в диапазоне 0 ... 10В. Выходной сигнал ЦАП q(t) подает­ся в качестве сигнала задания на клемму V преобразователя частоты, клемма G соединена с землей. Таким образом, амплитуда и частота напряжения, подаваемого на обмотки статора, задаются пропорционально значению сигнала q(t).

Сигналом обратной связи (ОС) в данной системе является сигнал фотоимпульсного датчика ЛИР-120А с разрешающей способностью 2500 имп./об. Вид сигнала представлен на рис. 5. Сигнал с датчика представляет собой последовательность импульсов, передаваемых по двум каналам (A и B) контроллеру. В зависимости от задачи по данным измерениям опре­деляется скорость или изменение положения ротора электродвигателя.

Обработка сигнала с датчика осуществляется как преобразователем частоты, так и ПЛК. В случае замыкания ОС по скорости средствами преобразователя частоты датчик мо­жет использоваться в качестве датчика относительного перемещения ротора, или служить для измерения скорости путем подсчета импульсов за определенный промежуток времени. Сигнал с датчика поступает на УПосВВ ПЛК, где с использованием высокоскорост­ных счетчиков подсчитывается число импульсов, пришедших за такт регулирования. Помимо задач регулирования ПЛК осуществляет связь с ЭВМ оператора. Для этого используется встроенный интерфейсный модуль связи RS-485.

6. Рассказать про способы программирования логических контроллеров.

Программа записывается в память программ контроллера в виде элементарных кодов операций. На сегодняшний день существует множество вариантов написания программы для ПЛК. Для разработки программ контроллера используются языки программирования стан­дарта IEC 61131: Function Block Diagram, Structured Text, Ladder Diagram, Sequential Function Chart. Данные языки позволяют представить программу в наиболее удобном для пользовате­ля виде.

Исторически первым способом представления программы было представление в виде ассемблерных кодов и в виде релейно-контакторных схем (рис. 6). Несмотря на наглядность и простоту использование этих методов программирования не позволяет разрабатывать сложные программы и алгоритмы. Разработка программы для лабораторного стенда проводилась с использованием язы­ков Function Block Diagram и Structured Text. На рис. 7 представлен пример программы на языке Function Block Diagram. Как видно по рисунку, наглядность представления позволяет легко отследить порядок выполнения программы. Каждый функциональный блок програм­мировался на языке Structured Text.

Алгоритм работы программы контроллера можно условно разделить на три этапа: 1)Инициализация параметров системы пользователем; 2) Выполнение программы регулирования; 3) Обработка результатов и выдача их ЭВМ верхнего уровня. Инициализация параметров работы системы осуществляется в блоке Preset. В начальный момент времени, т.е. при поступлении команды Start_process, происходит инициализация режима управления (по скорости, по положению, по скорости и положению), задаются настройки регуляторов и фильтра сигнала ОС, а также вводятся параметры движения: время движения, требуемая скорость или требуемый угол поворота. По завершении процесса предустановки происходит запуск собственно процесса ре­гулирования (блок Regulation). В блоке Regulation осуществляется решение разностного уравнения фильтра сигнала ОС, а также решение разностного уравнения непосредственно для вычисления результата регулирования на текущем шаге.

7. Как представить передаточную функцию регулятора в виде разностного уравнения?

В качестве регулятора положения и скорости выбран пропорционально-интегральный регулятор. Передаточная функция регулятора имеет вид , где К_П - коэффициент усиления пропорциональной составляющей, К_И - коэффициент уси­ления интегральной составляющей. Разностное уравнение регулятора имеет вид где х_и [nT - T] - результат вычисления интегральной составляющей регулятора на преды­дущем шаге. Таким образом, процесс регулирования сводится к решению двух уравнений, одним из параметров которого является сигнал обратной связи, выбираемый в зависимости от ре­жима работы контроллера.После расчета сигнала управления осуществляется его преобразование в напряжение. Операции, необходимые для такого преобразования выполняются в блоке Output. В блоке Save_results реализуется сохранение массива результатов регулирования и передача их ЭВМ оператора.

8. Как осуществляется связь преобразователя частоты и контроллера?

Преобразователь частоты имеет восемь дискретных (из них три перепрограммируемых) и два аналоговых входа, а также два дискретных и один аналоговый выход, интерфейс связи с компьютером (RS - 485) и плату для подключения фотоимпульсного датчика (Субмодуль В). Для выбора режимов управления и настройки параметров имеется съемный пульт управле­ния с сенсорными кнопками.