Егоров О.С., Подураев Ю.В. - Мехатронные модули. Расчет и конструирование (1053456), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Структурная модель мехатронного модуля должна отражать состав его элементов и связи между ними. В теории автоматического управления и электромеханике принято структурные модели графически представлять в виде блок-схем. Звенья обычно обозначают в виде прямоугольника с указанием входной и выходной переменных, а уравнения или характеристики записывают внутри него. В качестве исходной структуры ММ рассмотрим традиционный электропривод с компьютерным управлением (Я-модель - рис. 1.7). Для дальнейшего анализа в представленной структурной схеме выделим управляющую и электромеханическую подсистемы. При конструировании мехатронных модулей особый интерес представляет исполнительная часть, входящая в состав электромеханиче- ,''е ской подсистемы. Структурная модель электропривода (рис. 1.7) включает в себя слелуюшие основные элементы: ° устройство компьютерного управления движением, функшюнальной задачей которого является ииформаиионное преобразование (обработка иифровых сигналов, нифровос регулирование, расче~ управляюших воздействий, обмен данными с периферийными устройствами); ~ шнрро-аналоговый преобразователь (ИАП), реализуюший функнию иги)зормаш1оиио-электрического преобразования; ° силовой преобразователь, обычно состояишй из усилителя мошпостн, широтно-импульсного модулятора (ШИМ) н трехфазного инвертора (лля асинхронных двигателей); ° управляемый электродвигатель (переменного или постоянного тока), который является электротехническим элементом приВода; Ф механический преобразователь, который реализует заданное управляемое движение н взаимодействует с внсгиними объектами.
В приволных модулях в качестве таких устройств применяют редукторы, вариаторы, либо непосредственно используют рабочий орган (например, в мехатронных модулях типа "лютор-шпиндель"); ° устройство обратной связи, которое используют лля контроля 'гекушнх напряжений и токов в силовом преобразователе, а также управляющих функиий (например, для организашш контура регулирования момента, развиваемого приволом); 19 ° датчики обратной связи по положению н скорости движе-'.'" шгя выходного звена механического устройства, выполняющие:,: функции механико-информационного преобразования; ° интерфейсные устройства, обозначенные на блок-схеме как''„- 11-!8.
В зависимости от физической природы входных и выходных ';-':; переменных интерфейсные блоки могут быть как механическими,',",'. преобразователями движения, так и содержать электронные аппа-','!. ратно-программные компоненты. Примерами механических интер-,-" фейсов являются передачи и трансмиссии, связывающие выходное '::;;:„' механическое устройство с двигателем (интерфейс !4) и латчиками,::.:,''„, обратной связи (интерфейсы 17, 18). Интерфейсные электронные устройства расположены на входах.::,'- и выходах устройства компьютерного управления (УКУ) и предна-!: значены лля его сопряжения со следуюшими структурными эле- ':,:", ментами: ° с цифро-аналоговым преобразователем (встроенный интер-, '::;. фейс П) и далее с силовым преобразователем модуля (интерфейс 8 12); ° с датчиками обратной связи (интерфейс 17), который в слу- '','.'-.
чае применения сенсоров с аналоговым выходным сигналом строится на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП); ° с устройствами обратной связи для контроля уровня электрических токов и напряжений в силовом преобразователе (лля традиционного привода интерфейс !6 также использует стандартный АЦП). В традиционной приводной технике интерфейсы являются сепаратными устройствами. Поэтому их проектирование, изготовление и наладка становятся серьезной проблемой для разработчика привода, особенно когла требуется надежно соединять нестандарт-;:."! ные и специализированные элементы различных производителей. Мехатронные структуры отличаются высокой степенью интегрированности элементов, причем эти решения закладываются уже на стадии проектирования модулей и машин. 1.4.
Синергетическая интеграция в мехатронных модупях Сравнивая функциональную модель мехатронного модуля (рис. 1.6) и структурную модель традиционного электропривода (рис. 1.7), можно сделать вывод о том, что суммарное количество основных и интерфейсных блоков в структуре электропривода значительно превышает число необходимых функциональных преобразователей. Другими словами, можно говорить о структурной избы- 20 точи очности традиционного,электропривода.
Наличие избыточных блоков приводит к снижению надежности и точности технической истемы, ухудшению ее массогабаритных и стоимостных показателей Поэтому целесообразно стремиться к сокращению количества „.епаратных структурных элементов (как основных, так и интер;;,;ейсиых блоков) в системе. В идеальном для пользователя вариан;: мехатронный модуль (рис. П4), приняв на информационный вход программу лвижения, должен выполнить целенаправленное Управляемое движение с заданными показателями качества.
При этом все проблемы интеграции в модуле механических, электронных и управляющих устройств должны быть решены разработчиком для всех стадий жизненного цикла,.начиная со стадии проектирования системы и заканчивая ее эксплуатацией у конечного потребителя. Суть синергетической интеграции состоит в объединении в единый модуль элементов различной физической природы при сохранении функционального преобразования, выполняемого данным модулем.
Синергетическая интеграция элементов при проектировании мехатронных модулей основана на трех базовых принципах: ° реализации заданных функциональных преобразований минимально возможным числом структурных и конструктивных блоков путем объединения двух и более элементов в единые многофункциональные модули; ° выборе интерфейсов в качестве локальных точек интеграции и исключение избыточных структурных блоков и интерфейсов как сепаратных элементов; в перераспределении функциональной нагрузки в мехатронной системе от аппаратных блоков к интеллектуальным (электронным и компьютерным) компонентам. Практическая реализация принципов синергетической инте~рации при проектировании позволяет обеспечить основные преимущества мехатронных систем по сравнению с традиционными машинами и добиться качественно новых показателей, в первую очередь по компактности конструкции, скорости и точности движений. Снятие с аппаратной (" железной" ) части системы функциональной нагрузки (прежде всего, через упрощение механического Узла) и ее перенос на управляющую и электронную подсистемы придает системе свойство гибкости, делает ее способной к легкой реконфигурации под новые технологические задачи.
Следует заметить, что интеграция предполагает не только аппаратное объедине- 21 ние элементов, но и организацию интегрированных информацион'-.-'!з ных процессов в интеллектуальных модулях. Синергетическую интеграцию в мехатронике осуществляют при:::;',;-,~.' проектировании двумя основными способами - это функциональ-':;::.';-". но-структурная интеграция (ФС - интеграция) и структурно« конструктивная интеграция (СК - интеграция), которые объединя- ';.'.,' ют в общий алгоритм проектирования мехатронных систем (см. „;.::,' Рис. 1.4).
Фуикциоиальио-структурная интеграция. Задачей этапа функционально-структурной интеграции является поиск мехатронных структур, Реализующих заданные функциональные преобразования с помощью минимального количества структурных блоков. ФС— интеграция направлена на выбор проектных решений, которые обеспечивают исключение некоторых основных блоков, а значит и смежных с ними интерфейсов из структуры системы.
Примеры мехатронных проектных решений, основанные на '".."' способе ФС-интеграции элементов, приведены в табл. 1.1. Пред-, '::.' ставленные решения основаны на совместном анализе функциональной модели мехатронного модуля (рис. 1.6) и структуры традиционного электропривода (рис. !.7). Первые два мехатронных решения относятся к электромеханической подсистеме модуля, следующие варианты интеграции можно реализовать в его управляющей подсистеме (рис. 1.7). При конструировании мехатронных модулей наибольшее внимание уделяют решениям, направленным на упрощение механической части модулей и связанных с ней блоков и интерфейсов, которые реализуют электромеханическое и механико-информационное функциональные преобразования.
Рассмотрим подробнее мехатронные решения по ФС- интеграции элементов из табл. ! .1. Первый вариант предусматривает использование в обратной связи вместо двух отдельных датчиков положения и скорости только одного элемента — фотоимпульсного датчика (ФИД) (см, гл.10), который позволяет получать информацию и о угле поворота вала, и о его скорости вращения.' При этом также важно, что ФИД выдает выходной сигнал в кодовой форме, что позволяет вводить информацию в УКУ без дополнительного аналого-цифрового преобразования (АЦП), которое было необходимо для традиционных датчиков с аналоговым выходным сигналом (тахогенераторов, потенциометров и т.п.). Различают два основных вида фотоимпульсных датчиков - абсолютные и инкрементальные. Абсолютные ФИД (епсодег) дают 22 информацию о величине перемещения (лннейного или углового) подвижного элемента относительно фиксированного нулевого положения.
Преимушествами абсолютного ФИД являются надежность измерения (даже при временном отключении питания информация датчиком не будет потеряна), высокая точность при больших скоростях движения, запоминание нулевого положения (зто важно при необходимости управления реверсивными и аварийными движениями машин). Инкрементальный датчик дает информацию о направлении и величине перемещения в приращениях относительно исходного положения, которое он занимал до начала движения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
