Разработка системы управления асинхронным двигателем с детальной разработкой программ при различных законах управления

в экранирующую оплетку, заземленную в одной точке ;

. при выборе уровня напряжения дискретных сигналов следует

руководствоваться РТМ 25.212-85 ;

. укладка в один жгут цепей электропитания, слаботочных цепей и цепей

передачи информации не допускается ;

. в необходимых случаях следует предусмотреть экранирование помещений, в

которых будут расположены технические средства АСУ ;

. напряженность внешнего магнитного поля в местах размещения СВТ не должна

превышать 400 А/м ;

. СВТ должны иметь отдельные контуры защитного заземления, организованные в

соответствии с "Правилами устройства электроустановок" и техническими

условиями эксплуатации технических средств. Заземление должно быть

автономным. Подключение к нему силового оборудования и электроприемников

другого назначения не допускается ;

. в помещении микропроцессорной техники должна быть предусмотрена отдельная

(автономная) магистраль схемного зануления. Магистраль выполнить в

соответствии с "Правилами устройства электроустановок" и техническими

условиями на эти средства.

При проектировании помещений, в которых размещаются технические

средства АСУ, необходимо принять меры, уменьшающие механические воздействия

от работы оборудования прокатного цеха. Вибрация в этих помещениях не

должна превышать по частоте 25 Гц, а по амплитуде - 0,1 мм.

2.5 Требования к видам обеспечения

2.5.1 Требования к математическому обеспечению

Состав математического обеспечения системы должен обеспечивать

выполнение функций всех ее компонентов (систем), реализуемых с помощью

программируемых технических средств.

Математическое обеспечение системы содержит следующие компоненты :

. общесистемные алгоритмы, обеспечивающие функционирование системы в целом

;

. алгоритмы сбора и обработки информации ;

. алгоритмы реализации отдельных задач ;

Для реализации однотипных задач необходимо использовать однотипные

алгоритмы.

Алгоритмы должны быть работоспособны при любых значениях входной и

обрабатываемой информации.

2.5.2 Требования к информационному обеспечению

База данных АСУ должна быть распределена в соответствии с принципами

декомпозиции комплекса технических средств и адекватна иерархической

структуре АСУ с распределенными функциями обработки информации.

Информационный обмен между компонентами АСУ должен обеспечивать

целостность распределенной базы данных системы.

Информационный обмен между системами АСУТП в зависимости от уровня

иерархии и распределения их по техническим средствам должен осуществляться

путем:

. передачи унифицированных сигналов ;

. передачи межсистемных сообщений и запросов ;

. использования общих информационных баз.

Для обеспечения сохранности информации при сбоях или авариях в

системе электропитания технических средств АСУТП должны быть предусмотрены

следующие меры :

. дублирование входного потока сигналов и сообщений;

. формирование дублирующих баз данных на магнитных носителях;

. применение энергонезависимых оперативных запоминающих устройств;

. квитирование межсистемных сообщений.

Должен быть предусмотрен контроль входной информации каждой системы

на достоверность, в т. ч. контроль достоверности информации, вводимой

оператором вручную.

Должна быть предусмотрена возможность восстановления базы данных АСУ

с использованием дублирующей базы данных и архивной информации.

2.5.3 Требования к лингвистическому обеспечению

Требования к применению языков программирования, языков

взаимодействия пользователей и технических средств системы, а также

требования к кодированию и декодированию данных, средствам манипулирования

данными и способам организации диалога определяются применяемым для

реализации АСУТП комплексом технических средств.

Человеко-машинное взаимодействие при вводе-выводе информации должно

осуществляться в интерактивном режиме с помощью клавиатуры и дисплея для

подсистем верхнего и среднего уровней АСУ. Для подсистем нижнего уровня АСУ

ввод исходных данных может осуществляться с помощью задатчиков и сервисных

устройств комплекса технических средств.

Должны быть обеспечены единство и однозначность кодирования

информации различных уровней системы.

В целях защиты информации от несанкционированного доступа должна быть

предусмотрена система паролей с различными уровнями доступа для различных

категорий пользователей с разной мерой ответственности.

2.5.4 Требования к программному обеспечению

Программное обеспечение АСУТП должно быть достаточным для реализации

всех функций системы.

Требования к независимости программных средств от используемых

средств вычислительной техники и операционной системы не предъявляются.

Базовое и тестовое программное обеспечение должны поставляться в

составе комплекса технических средств.

Прикладное программное обеспечение подсистем нижнего уровня может

быть создано путем конфигурирования стандартных программных модулей с

использованием инструментального комплекса техническим средств. При

необходимости должны быть разработаны дополнительные программные модули и

средства.

Требования к необходимости согласования вновь разрабатываемых

программных средств с фондом алгоритмов и программ не предъявляются.

2.5.5 Требования к техническому обеспечению

В качестве средств вычислительной техники должны быть применены

персональные ЭВМ (ПЭВМ) на верхнем уровне АСУ и микропроцессорный комплекс

технических средств на нижнем уровне системы. Техническое обеспечение АСУТП

должно быть построено по иерархическому принципу и обеспечивать выполнение

функций, описанных в техническом задании данного дипломного проекта.

Комплекс технических средств АСУТП должен обеспечивать бесперебойное

функционирование системы.

Для получения первичной входной информации должны быть использованы

датчики, измерительные и нормирующие преобразователи с унифицированными

характеристиками.

Комплекс технических средств АСУТП должен отвечать следующим критериям :

. обеспечение минимального времени на обслуживание ;

. наглядность и простота пользования средствами отображения, сигнализации и

дистанционного управления ;

. высокая автоматизация процессов запуска, останова и сервисного

обслуживания ;

. удобство пользования справочными, архивными и сервисными данными.

3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Выбор технических средств

Исходя из формулировки задачи определим технические средства

необходимые для реализации устройства с заданными характеристиками и

свойствами.

Для контроля скорости вала двигателя будем использовать тахогенератор

сопряженный с валом рабочего двигателя, сигнал от которого заведем на

аналогово-цифровой преобразователь находящийся непосредственно в

разрабатываемой системе. Для преобразования непрерывного сигнала в цифровую

форму представления выберем микросхему 1113ПВ1.

Сигналы от АЦП будем передавать на однокристальный микроконтроллер

КР1816ВЕ51 выбранный по причине его аналогичности контроллеру Intel87C51FX,

соответствия команд этих контроллеров и соответствия по уровням сигналов с

ЭВМ выпускаемыми Intel, а также необходимости оперирования с данными

представленными в параллельном формате, а также передачи обработанной

информации в последовательном формате. Для ведения статистики работы

системы потребуется ЭВМ типа IBM AT286 или более поздние модели.

Для получения информации о процессах, происходящих в системе,

потребуются датчики. Для коммутации датчиков с модулем микроконтроллера

используем принцип опроса и передачи информации о состоянии дискретных

датчиков. Сопряжение будет осуществляться по линии связи посредством кабеля

ТРШ.

Для гальванической развязки цепей линии связи и цепей

микроконтроллера будем использовать оптроны, которые необходимы для

преобразования сигналов представленных в линии связи импульсами тока в

импульсы напряжения ТТЛ-уровня.

3.2 Разработка структурной схемы

Разработку структурной схемы автоматического управления асинхронным

двигателем начнем с необходимости контроля температуры корпуса двигателя,

частоты вращения вала двигателя.

Кроме того для получения информации о скорости вращения вала

двигателя расположим тахогенератор, вал которого жестко сопряжен с валом

рабочего двигателя. Двухпроводная линия связи соединяет тахогенератор с

блоком управления.

Для контроля работы двигателя и ведения статистики этой работы

контроллер соединяется с ЭВМ верхнего уровня.

Таким образом структурная схема будет содержать систему датчиков,

устройства сбора и промежуточной передачи информации, устройство управления

работой установки и машины верхнего уровня.

3.3 Разработка функциональной схемы

Функциональную схему можно условно разбить на блоки:

блок центрального процессора;

блок ввода и преобразования аналоговых сигналов;

блок ввода-вывода дискретных сигналов;

линейные модули;

блок гальванических развязок.

3.3.1 Блок центрального процессора

Блок центрального процессора содержит однокристальный микроконтроллер

КР1816ВЕ51, далее - контроллер, микросхему ППЗУ и устройства сопряжения.

Для обеспечения доступа к памяти на разрешающий вход микросхемы ППЗУ -

К537РФ6 заведен стробирующий выход адреса контроллера ALE, который

свидетельствует об установке адреса ячейки памяти ППЗУ на шине адреса. При

наличии сигнала выбора микросхемы для ППЗУ, оно (ППЗУ) выставляет на шину

данных содержимое ячейки по указанному адресу. В остальных случаях выходы

микросхемы памяти находятся в высокоимпедансном состоянии.

Также один из портов контроллера используется как вход от блока ввода

и преобразования аналоговых сигналов, как строб завершения преобразования.

Четыре бита этого же порта используются для управления и опроса блока

ввода дискретных сигналов, причем два бита - как управляющие и два как

информационные.

3.3.2 Блок ввода и преобразования аналоговых сигналов

Базовым элементом блока ввода и преобразования аналоговых сигналов

является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует

сигнал постоянного двуполярного тока в цифровой десятиразрядный двоичный

код.

При поступлении сигнала на разрешение преобразования от контроллера

АЦП замеряет сигнал на входе, и после завершения преобразования вместе с

сигналом “Конец преобразования” выставляет на шину данных код.

3.3.3 Блок ввода-вывода дискретных сигналов

Блок ввода дискретных сигналов предназначен для ввода, нормализации и

гальванической развязки сигналов от дискретных датчиков. Блок ввода

дискретных сигналов работает совместно с выносными линейными модулями,

объединение которых производится двухпроводной линией связи.

Опрос датчиков осуществляется последовательно время-импульсным

квитированием сигналов. Цикл опроса разбит на 2 временных интервала -

подготовительный и контрольный. Подготовительный сигнал необходим для

заряда линейных модулей. Контрольный интервал разбит на 64 временных

позиции, 62 из которых несут информацию о состоянии датчиков, 2 позиции

выделены для контроля обрыва проводов линии связи.

Блок ввода дискретных сигналов формирует в линию связи специальные

положительные и отрицательные импульсы. Импульсами положительной полярности

пpоизводится питание и синхронизация pаботы модулей линейных. Ответные

импульсы от модулей линейных фоpмиpуются во время пpохождения импульсов

отрицательной полярности.

3.3.4 Математическое описание асинхронного двигателя

Асинхронная машина представляет собой систему, как минимум двух

обмоток, одна из которых расположена на неподвижной части (статоре), другая

на вращающейся части (роторе) машины. Момент машины образуется в результате

взаимодействия токов в этих обмотках. Трехфазная обмотка статора

подключается к питающей сети, трехфазная обмотка ротора замкнутая. Обмотки

статора и ротора магнитосвязаны, поэтому потокосцепление обмотки статора

определяется как токами, протекающими по трем фазам обмотки статора, так и

токами фаз ротора. Это же относится и к обмотке ротора. Таким образом,

имеются две трехфазные обмотки, вращающиеся одна относительно другой. Если

к обмотке статора приложено трехфазное напряжение, а обмотка ротора

замкнута, то мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора

задаются следующими уравнениями:

[pic]

Исходя из теории результирующего вектора, описанной в [ ], умножим первое и

четвертое уравнения системы (1) на [pic], второе и пятое на [pic], третье и

шестое на [pic]. Суммируя полученные произведения, получим:

[pic]

[pic], или

[pic]

[pic]

где потокосцепления Y1 и Y2 зависят от токов ротора и статора, а также от

индуктивностей обмоток машины.

Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что

статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные

обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле

в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора

не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 1).

Устанавливаем величину полного магнитного потока, сцепленного со статорной

обмоткой фазы A. Для этого учитываем магнитные поля, созданные фазными

токами I1A, I1B, I1C. Принимаем, что индуктивности фазных обмоток статора

одинаковы и равны l1, взаимные индуктивности фаз A-B, A-C и B-C также

одинаковы и равны l0 (по условиям симметрии асинхронной машины). Тогда

общий магнитный поток, сцепленный со статорной обмоткой фазы A выразится

следующим образом:

[pic].

Подставив вместо I1C величину (-I1A-I1B) (так как сумма фазных токов

асинхронного двигателя равна нулю), получим:

[pic].

Проделав аналогичные операции с фазами B и C, запишем следующую систему

уравнений:

[pic]

Заметим, что индуктивность фазной обмотки статора включает в себя

индуктивности от полей рассеяния и от главного потока, то есть

l1=l1l+l10 (4).

Так как, в общем случае, взаимная индуктивность двух обмоток со сдвинутыми

на некоторый угол осями равна произведению взаимной индуктивности, которая

имела бы место при совпадении осей обмоток, на косинус угла между осями, то

взаимную индуктивность можно выразить соотношением:

[pic] (5).

Учитывая выражения (4) и (5), преобразуем систему уравнений (3) к

следующему виду:

[pic]

где L1 = l1l + 1,5(l10 = l1l + L0 - полная индуктивность фазы статора.

Рассуждая аналогичным образом относительно обмотки ротора, получим

следующие выражения для фазных потокосцеплений роторной обмотки с

собственным потоком:

[pic]

где L2 = l2l + L0 - полная индуктивность фазы ротора.

Определяем величину общего потокосцепления фазы A статора, созданного

намагничивающими силами статора и ротора, исходя из рис. 1 и (6):

[pic]

или, учитывая, что I2a + I2b + I2c = 0 и [pic]:

[pic]

Выразив аналогичным образом потокосцепления для фаз статора B и C, запишем

следующую систему уравнений:

[pic]

Учитывая, что [pic] и [pic], умножим первое уравнение системы (8) на [pic],

второе на [pic], третье на [pic] и просуммируем полученные произведения:

[pic]

или [pic] (9).

Таким же образом получим формулу потокосцепления ротора:

[pic]. (10)

Объединив уравнения (2), (10) и (11), получим систему уравнений

обобщенного асинхронного двигателя:

[pic]

где L0 - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора, L1 -

индуктивность статора от потоков рассеяния, L2 - индуктивность ротора от

потоков рассеяния.

Система уравнений асинхронной машины (11) непригодна для

математического моделирования на ЭВМ, так как векторы, относящиеся к

статору и ротору, записаны в различных системах координат.

Приведем систему (11) к системе координат, неподвижной относительно

поля статора, вращающегося с угловой скоростью w0. Так как система

координат поля статора повернута на угол (w0(t) относительно системы

координат статора и на угол (w0(t-j), относительно системы координат

ротора, где [pic]- угол между системами координат неподвижно связанными со

статором и ротором, вращающемся с угловой скоростью w2, то для перехода в

систему координат поля статора умножаем все слагаемые первого и третьего

уравнений системы (11) на [pic], а слагаемые второго и четвертого уравнений

системы (11) на [pic], предварительно представив вектор потокосцепления

статора как [pic] и вектор потокосцепления ротора как [pic], где Y10 и Y20

- векторы потокосцеплений статора и ротора в системе координат поля

статора:

[pic]

или

[pic]

где Y10, Y20, I10, I20 - векторы потокосцеплений и токов статора и ротора в

системе координат, неподвижной относительно поля статора, а [pic]-

абсолютное скольжение асинхронного двигателя.

Приведем систему уравнений (12) к трем переменным: напряжению статора

U1 и потокосцеплениям Y1 и Y2. Для этого из третьего уравнения системы (12)

выразим ток статора, представленный во вращающейся системе координат:

[pic], где Y10 - потокосцепление статора во вращающейся системе координат.

Подставив найденное значение тока статора в четвертое уравнение системы

(12), получим:

[pic].

Приняв, что [pic] - коэффициент электромагнитной связи статора, [pic]

- переходная индуктивность ротора, определим значение тока ротора во

вращающейся системе координат: [pic]. Подставляем найденное значение тока

ротора во вращающейся системе координат во второе уравнение системы (12):

[pic].

Откуда, приняв что [pic], окончательно получим:

[pic]. (13)

Приведем первое уравнение системы (12) к вращающейся системе координат. Для

этого из четвертого уравнения системы (12) выразим ток ротора,

представленный во вращающейся системе координат: [pic], где Y20 - вектор

потокосцепления ротора во вращающейся системе координат. Подставив

найденное значение тока ротора в третье уравнение системы (12), получим:

[pic].

Приняв, что [pic] - коэффициент электромагнитной связи ротора, [pic]

- переходная индуктивность ротора, определим значение тока статора во

вращающейся системе координат: [pic]. Подставляем найденное значение тока

статора в первое уравнение системы (12):

[pic].

Откуда, приняв что [pic], окончательно получим:

[pic]. (14)

Спроецируем уравнения (13) и (14) на оси d и q вращающейся с частотой поля

системы координат, учитывая, что U10 = U10d + j(U10q, Y10 = Y10d + j(Y10q и

Y20 = Y20d + j(Y20q:

[pic]

или преобразовав к нормальной форме Коши:

[pic] (15)

Уравнение для вращающего момента обобщенной электрической машины,

согласно [1], имеет вид:

[pic],

или перейдя к проекциям на оси d и q:

[pic] (16).

Все вышеприведенные рассуждения справедливы для обобщенной

двухполюсной машины. В случае реальной многополюснолй машины ее необходимо

привести к эквивалентной двухполюсной. С этой целью запишем уравнение

движения:

[pic],

где w - угловая скорость реальной машины, M' - вращающий момент реальной

машины, Mс - механический вращающий момент нагрузки. Перепишем уравнение

движения, учитывая, что M’ = p(M и w = W/p, где p - число пар полюсов

реальной многополюсной машины:

[pic]. (17)

Объединив (15), (16) и (17), получим систему уравнений асинхронного

двигателя во вращающейся с частотой поля системе координат:

[pic] (18)

Система уравнений (18) удобна тем, что может быть решена численными

методами. Так, задавшись напряжением, статическим моментом и параметрами

схемы замещения, можно найти потокосцепления статора и ротора Y10 и Y20,

момент М и скорость вращения ротора асинхронной машины w.

3.4 Проектирование робота

3.4.1 Постановка задачи

По заданной кинематической схеме манипулятора и заданному положению

выходного звена рассчитать переменные параметры манипулятора, т. е. решить

обратную задачу кинематики с использованием матричного метода. Проверку

выполнить графическим методом. Размеры звеньев подобрать самостоятельно,

шаг изменения размеров 50 мм.

3.4.2 Исходные данные

Положение выходного звена:

X=-250 ; Y=140 ; Z=480

Кинематическая схема манипулятора:

1 0 P 1 1

3.4.3 Основные понятия и определения

Манипулятором называется техническое устройство, предназначенное для

воспроизведения некоторых рабочих функций рук человека. Манипулятором

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8