all-7 (Приводы роботов)

1Зачет получаем по четырем лабораторным работам,всего можно будет 3 попытки.Экзамен проходи по группам, на экзамене нельзяпользоваться ничем. Все, то, что на экзамене, будет влекциях.Робототехнические системы.1-ый семестр: элементы электроприводов роботов.2-ой семестр: проектирование этого всего.Введение.Предмет Кольса.Это предмет по элементам электроприводов.Цель: ознакомиться с основными конструкционнымиособенностями, особенности проектирования, особенностихарактеристик.Виды приводов: Электро95% всех приводов используемые в робототехнике этоэлектроприводы. Выбор приводов связано с ихприменением. ПневмоПневмоприводы тоже хороши, но из-за того, чтовоздух сжимаем, то не в конечных положениях добитьсяточности очень сложно. ГидроГидропривод всем хорош, есть одно но, это давлениев трубках.

Его мощность более 10 кВт.Чем лучше электроприводы: Появление новых двигателей. Управление электроприводом удобнее, по сравнениюс гидроприводом, необходимость открывание заслонок втрубках для поступления жидкости, на это уходит оченьмного времени.Конструкция роботов.Мы будем изучать для того, чтобы понимать, какдействует на электропривод внешние факторы.Электропривод – это двигатель, датчики и системауправления.Допустим, у нас есть следующая конструкция:В этой системе главное понять, где расположитьдвигатель. Все зависит от того, для чего он предназначен.Поэтому возникают вопросы: Степень свободы: всего бывает 6 шт. (у робота 3 - 6) Степень подвижности: сколько угодно (у робота неболее 6, т.к.

может возникнуть неопределенность).Что можно сделать:1. Поставить двигатель на каждой подвижной части, оси,но при этом масса конструкции увеличится, поэтомунужно будет рассчитывать мощность.2. Установить двигатели в основании.Вся эта проблема в зависимости от потребности вэнергии, поэтому нужно думать, что нужно роботу, а что нет.Если поставить по 2-ому принципу, что тогда можноиспользовать в виде элемента от двигателя до подвижнойчасти: Тросовые соединения Цепные соединения Реечные соединенияКлассификация приводов.1. Определение в установившемся режиме ошибки,отсюда возникают: Статические: качество переходов лучше, чем вастатических.

Поэтому главное чтобы переходнойпроцесс имел вид:Астатические2. По роду тока: Переменный ток: нет искрений, более компактныйпо размерам Постоянный ток:используются коллекторы,имеются искры. Постоянный ток лучше полинейности, но не всегда его можно использовать, всезависит от окружающей его среды.3. По типу регулятора: Непрерывныеa. Линейныеb. Нелинейные Дискретныеc. Линейные: амплитудно-импульсные системы.d. Нелинейные: цифровые, частотно-импульсныеи широко-импульсные системы.Особенности применения электроприводов в робототехнике.1. Электропривод робота работает в условиях постоянноменяющейся нагрузки, поэтому должен быть контур постабилизации скорости (части меняются нагрузки).2. В процессе работы робота меняется конфигурациязвеньев,отсюдаменяютсямоментыинерции,приведенные к валу исполнительного двигателя.Повышаютсятребованиякдинамическимхарактеристикам привода, особенно проблематичноизменить скорости во время движения.3.

Необходимообеспечениеотсутствияперерегулирования.4. необходимо введение контура по току или момента,т.к. имеются различные нагрузки на звеньях. Контур токапозволяет выронить неприкатанности шестеренок вдвигателе и т.д.Системы управления роботом.Бывают:1. Однопроцессорные2. МногопроцессорныеРассмотрим 2-ой пункт:В верхнем вычислительном устройстве происходит:Расчет задачиРазложение задач на частиКонтроль за наличием ошибокТакже в нем задание идет 90 миллисекунд.Обратный сигнал идет только в аварийных условиях.Многопроцессорный привод – это вся та часть рисунка заисключением «верхнего вычислительного устройства».С уменьшение размеров манипулятора происходитуменьшение такта вычислительного устройства привода,отсюда возникают проблемы, возмущения т.к. верхнеевычислительное устройство не успевает обрабатыватьзадачи, тогда возникают необходимости использованияболее простых процессоров.Рассмотрим привод более детально:При проецировании привода все определяет двигатель,т.е.

он основополагающий.У идеального двигателя две характеристики: Регулировательная: она линейнаяωUМеханическая: она горизонтальнаяωМоментОсновная идея электроприводовидеальных характеристик.–Исполнительные элементы.1. Электродвигатели постоянного тока.2. Электродвигатели переменного тока.3. Шаговые электродвигатели.этополучение4. Электромагнитные муфты.Достоинства:1. Высокие возможности по передачи сигнала.2. Быстродействие.3.

Легкая доступность питания.4. Отсутствие загрязнений.5. Простота технического обслуживания.Недостатки:1. С увеличением мощности растут габаритные размеры,отсюда уменьшается быстродействие. Лучше всегоиспользовать до 10 кВт мощности.2. Возможны искрения и не возможность использованияво взрывоопасных средах3. Радио помехи.Электродвигатели постоянного тока состоят из:1.

Статор2. Якорь (ротор)3. КоллекторОтдельно нарисуем якорь:Уравнение, по которому работает данный двигатель.(Механический регулировщик рабочих характеристикдвигателя постоянного тока с независимым возбуждением):По второму закону Кирхгофа:где а – якорь.В дальнейшем ΔUщетки мы писать не будем, т.к. онаявляется величиной постоянной, так же мы будемпренебрегать и La*(dIa/dt) .Получим уравнение:Произведяопределить ω:вэтойсистемеТеперь напишем характеристики:где хх – холостой ход.замену,мысможемМеханическая характеристика ω=f(Mн) при Uа = constωΦ1Φ3>Φ2>Φ1Φ2Φ3MнПусковой момент возникает, когда ω = 0 и он зависитот Φ.При изменении Ua, при всех остальных величинах равныхconst, получаем зависимость:ωU3>U2>U1U3U1U2МнПри изменении Ua можно увеличить подъемную сули устр.2Механическаягоризонтальная.характеристикаидеальна,когдаонаРегулировательные характеристики.Это зависимость скорости вращения ротора отнапряжения на якорной обмотке при постоянном моментенагрузки.ωПри Мн=0Mн1>0UoПри изменениинаправлениядвиженияUaЭто линейнаяхар-ка в видетормоза.1/Се – определяет угол наклона этой прямой.Вычислим величину Uо (зону нечувствительности):0U0Ce ФMн RaCe CmФ2– это уравнение можно получить и изпускового момента.Эти характеристики важны для определения двигателя.К рабочим характеристикам относятся:1.

Ток якоря Ia = f(Mн) функция от момента нагрузки.Iaпри Мн – вся нагрузка,имеющаяся на валу (безтрения)MнМн = См·Φ·Ia – это уравнение справедливо для всехмагнитоэлектрических систем.2. Потребляемая мощность.Pп = ω·Mн (Ua = const)РпитанияIaIaMн3. Полезная мощность.P2 = ω·Мн – это то, что он отдает.максимальная мощность,поэтому мы должны работать всередине пусковой величиныIaМпМп/2UaCe Ф2Mн RaCmCe Ф2Mн2Ua Ce Ф CmCe Ф 2 RaМн0Ua Ф Cm2 RaMп2– при этом нет ЭДС.При выполнении лабораторных работ нужно, чтобы Мп =const.Найдем КПД.IaСм/СеМпМнТакой график мы никогда не получим, т.к.

Мп – никогдане будет равно нулю.Способы включения двигателя постоянного тока.В двигателях невозможно определить Се и См, но вприложениях или мануалах указываются: Се·Φ = Ке – коэффициент ЭДС вращения. См·Φ = КмСе определяется из: ωхх = Ua/Ke, а См определяется из: Мп= Km·Ua/Ra.До этого мы рассматривали схемы вида:UвΦUa1.

Параллельное возбуждение.UaΦ = Ua·K1/RbΦUгде Rв – сопротивлениевозбуждения.2. Схемавключения.Φ = Ia·K2UвUaобмоткипоследовательного3. Комбинированноевключение.UΦ1Φ1 = Uа·K1/RbΦ2 = Ia·K2Φ = Uа·K1/Rb + Ia·K2Φ2Все эти схемыхарактеристики:имеютразныерегулировочные1. Механическиерегулировочныехарактеристикидвигателей постоянного тока с параллельнымвозбуждением.ωRв/(Ce·K1)При Mн=0Mн1Mн2Mн3UoMн3>Mн2>Mн1ТормозНа холостом ходе этот двигатель не регулируем, поэтомулучше его не использовать, только в определенных случаях.При параллельном возбуждении при измененииполярности направления, вращения двигателя остается такоеже, т.е.

в том же направлении. Регулировка происходитпосредствомобмоткивозбуждения.Лучшевсегоиспользоватьвовспомогательныхустройствах(пример: дрель, питающаяся от розетки с переменнымтоком).3Самый лучший способ – это двигатель с независимымвозбуждением для манипуляционных роботов.Вманипуляционныхроботахпоследовательныевозбуждения не используют, т.к.

он без нагрузки приперемещении может сломаться.Расчет мощности для последовательного возбуждения.P2   MнUaCmRa MнP2 Mн Ce K2 MнCe K2P2 UaCeCmMнK2Ra MнCe K2Для нахождения максимума найдем производную:CmRa1 Ua  02 Ce K2 Mн Ce K2CmK2 MнCmK2 MнRa 2 CeCe K2 Ua2Ra 422K2 Ua2Mн 2CmK2 Ua24 K2 Ra2Mн CmK2 Ua24 RaТак как пусковой момент равен:2Ma  CmK 1 Ua2RaНо в идеале лучше записывать сопротивление R = Ra + Rb P2 MнMнНайдем КПД.P2PполезнMнPп  Ua CmCmMн CmIa K2 Ra Mн Ia K2 CeK2Ua MнCe K2 Ua MнUaIaCe1Ce3MнMнCmCeCm K2CmK2RaCe UaRa IaCe Ua3Cm K2MнMнCmK2RaCe UaMнCmK2ηСеСмMпMнВыводы:1.

Лучше использовать двигатели с независимымвозбуждением.2. Чтобы сделать пологую характеристики к болеепрямой характеристики нужно увеличить напряжение,но при этом потеряется скорость.3. Двигатель с постоянным возбуждением можноиспользовать только в подвижных роботах.Динамические характеристики двигателей постоянного тока.Уравнение механики:dJ    Mэд  Mнdtгде J – момент инерции; Мэд – электродвижущий момент.Mэд  KmIaKm  CmdUa  Ce    Ia Ra  La  IadtДалее можно записать передаточнуюнезависимого двигателя постоянного тока:вход MнWgM(S)-ωфункциюВыходWдвU(S)гдеM 1 ( S)Wg Mн ( S)U 2 ( S)и Wдвиг Ua ( S)Из курса Лохина мы писали W(p), но p – этоалгебраическое решение уравнения, а нам надо писатьоператор Лапласа, поэтому лучше писать W(S).Оператор Лапласа равен: S = -α ± j·ω.dJ    MэдdtdJ    Cm IadtJ dIa   Cm dtJIa S  CmJIa S  CmJ S  RaJ2Ua  Ce    La S   Cm CmJJ 2Ua    Ce  S Ra  La S  Cm Cm1НWдв Ce  JJ2S Ra  La S  Cm Cm1Ce  НWдв J S Ra12C e  C m2La S J2Ce CmЭлектромагнитная постоянная времени равна:Tm J RaCmCe LaTэ Ra2Тогда получим упрошенный вид нашего уравнения:1Wдв Ce  2Tэ TmS  S Tm  1Мы хотим добиться чтобы:где ωхх – это скорость холостого хода.J  xxTm Mn xx UaCe UaMn  Cm RaTm – это есть не что иное как наклонная характеристика:ωωххМпускМнЕсли у нас характеристика имеет вид:ωωххМнто мы получаем максимальное быстродействие.Теперь найдем характеристику для WgM(S):dMн  Mэд  J  dtdMн  Cm La  La  dtdCe    Ia Ra  La  Ia  0dtIa dMн  J  dtCmCe   dMн  L dtCm2 S M  J  d н2dtRa  La Cm  02Mн RaLa S MнJ Ra S  J S  La Ce   CmCmCmCm2J Ra S J S La  Ra  La S Mн     Ce  CmCmCm  RaLa  S ( S)Mн ( S) ( S)Mн ( S)Cm  Ce  Ra S JCm2J S LaCm1 Ra  La SCe Cm12Ra S JCe Cm2J S LaCe Cm2RaLa  S ( S)Mн ( S)Ce  Cm  12Ra S JCe Cm22J S LaCe Cm2Ra ( S)Mн ( S)Ce Cm21RaMCe Cm2La S Ra2Ra S JCe CmWдв 1 2J S LaCe Cm2 1  Tэ S2Te TmS  TnS  1Более быстрый метод – это метод структурных уравнений.dJ    Mэд  MнdtMэ  Cm IadUa  Ce    Ia Ra  La  IadtJ S   Mэд ( S)  Mн ( S)Mэд ( S)  Cm Ia ( S)Ua ( S)  Ce   ( S)  Ia Ra  La S Ia ( S)Сделаем замену:U* = Ua - Ce·Φ·ωU* = Ia·Ra·(1 + S·Tэ); M* = (Mэд – Мн)IaW UaСeФωМэдUa- U*1Ra(1 + STэ)IaМ*1SJCmФМнПостроим теперь передаточную функцию.