Система управления электроприводом шпинделя токарного станка
ВВЕДЕНИЕ
Токарные станки предназначены для обработки резанием (точением) заготовок из металлов, древесины и других материалов в виде тел вращения. На токарных станках выполняют черновое и чистовое точение цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, нарезание резьбы, подрезку и обработку торцов, сверление, зенкерование и развёртывание отверстий и т. д. Заготовка получает вращение от шпинделя, резец — режущий инструмент — перемещается вместе с салазками суппорта от ходового вала или ходового винта, получающих вращение от механизма подачи. Шпиндель является основным узлом любого токарного станка. Он зажимает заготовку и вращается вместе с ней, при этом режущий инструмент перемещается в двух независимых координатах – параллельно и поперёк оси вращения заготовки. Чем мощнее конструкция шпинделя и его приводной двигатель, тем выше производительность токарного станка по скорости снятия металло-стружки с заготовки и тем более массивные детали он способен обрабатывать.
Шпиндель представляет собой стальной вал, впереди которого установлено крепление для рабочего инструмента. В классическом образе шпиндель установлен на высокоточных подшипниках качения. Для обеспечения необходимой точности работы в процессе эксплуатации на опоре шпинделя установлено специальное кольцо. Регулировка кольца происходит с помощью регулировочной
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 10
1.1 Классификация токарных станков 10
1.2 Токарные станки с ЧПУ (числовым программным управлением) 12
1.3 Принцип работы токарных станков 13
1.4 Основные виды токарных работ 14
2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 15
2.1. Требования к силовому преобразователю 15
2.2. Требования к САУ 15
2.3. Требования к микропроцессорной системе управления 16
3. РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ 17
3.1 Подготовка и анализ исходной информации 17
3.1.1 Условия охлаждения преобразователя 17
3.1.2 Расчетный ток нагрузки 18
3.1.3 Параметры цепи нагрузки 18
3.2 Выбор согласующего трансформатора или токоограничивающего реактора 19
3.2.1. Выбор вида связи преобразователя с сетью 19
3.2.2. Выбор и проверка согласующего трансформатора 21
3.4. Выбор и расчёт сглаживающего реактора. Внешние характеристики управляемого выпрямителя 25
3.4.1. Необходимая индуктивность цепи нагрузки 25
3.4.2. Построение внешних характеристик управляемого выпрямителя 26
3.5. Расчет рабочих и аварийных режимов работы 28
3.5.1. Рабочий режим работы преобразователя 29
3.5.2 Аварийный режим работы преобразователя 30
3.6. Выбор и проверка вентилей силового преобразователя 32
3.6.1. Предварительный выбор и расчёт диодов и тиристоров 32
3.6.2 Проверка фазных полупроводниковых приборов 34
3.6.3 Расчет допустимых рабочих перегрузок преобразователя по току 36
3.7. Выбор аппаратов элементов защиты выпрямителя 39
3.7.1 Защита от аварийных перегрузок автоматическими воздушными выключателями 39
3.7.2 Защита вентилей от перенапряжений 40
3.7.3 Защита вентилей при большой скорости нарастания тока 41
3.8. Энергетические характеристики преобразователя 42
3.8.1 Коэффициент полезного действия 42
3.8.2 Коэффициент мощности 44
3.9. Разработка системы управления преобразователем 48
3.9.1 Определение параметров управляющих импульсов и схемы управления 48
3.9.2 Описание элементов системы управления преобразователем 49
3.9.3. Расчет и выбор гальванической развязки микроконтроллера 50
4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 57
4.1 Математическое описание объекта управления в соотношениях «входа-выхода» (передаточных функциях) и в переменных состояния 57
4.1.1 Исходные дифференциальные уравнения ОУ 57
4.1.2 Структурная схема ОУ 59
4.1.3 Передаточные функции по управляющему и возмущающему воздействию. Определение передаточной функции классическим методом. 59
4.1.4 Описание систем в пространстве состояний 60
4.1.5 Составление векторных переменных и матриц системы 61
4.2 Оценка динамических и статических характеристик объекта управления корневыми, частотными и временными методами анализа 62
4.2.1 Определение корней передаточных функций по управляющему и возмущающему воздействиям 62
4.2.2 Оценка управляемости по управляющему воздействию Uy 63
4.2.3 Оценка динамических и статических характеристик объекта управления 64
4.2.4 Частотные показатели качества САУ по управляющему воздействию 64
4.2.5 Оценка переходных процессов 65
4.3 Синтез каскадного регулятора и исследование качества переходных процессов системы подчинённого регулирования положения, скорости и тока 68
4.3.1 Структурная схема схемы подчинённого регулирования угла, тока и скорости 68
4.3.2 Особенности синтеза каскадных регуляторов 68
4.3.3 Расчёт параметров регулятора тока 69
4.3.3.1 Структурная схема замкнутого контура тока 69
4.3.3.2 Расчёт коэффициента датчика тока 69
4.3.3.3 Выбор типа регулятора тока 69
4.3.3.4 Асимптотическая ЛАЧХ разомкнутого контура тока 70
4.3.3.5 Расчёт параметров регулятора тока 71
4.3.3.6 Модель регулятора тока в контуре скорости 72
4.3.4 Расчёт параметров регулятора скорости. 72
4.3.4.1 Структурная схема замкнутого контура скорости 72
4.3.4.2 Выбор типа регулятора 73
4.3.4.3 Асимптотическая ЛАЧХ разомкнутого контура скорости 73
4.3.4.4 Расчёт параметров регулятора скорости 74
4.3.5 Оценка качества переходных процессов САУ с каскадным регулятором 77
4.3.6 Определение линейной зоны работы САУ 78
4.4 Скорректированное математическое описание САУ с учётом влияния нелинейностей регулятора (типа «ограничение») и исследование качества процессов «в большом» в нелинейной САУ 79
4.4.1 Регулятор тока с ограничением 79
4.4.2 Регулятор скорости с ограничением. 80
4.4.3 Модель и переходные характеристики ОУ и каскадного регулятора с ограничением 80
4.5 Цифровая реализация каскадного регулятора и исследование качества процессов цифровой САУ 81
5. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО БЛОКА 86
5.1. Описание и состав функциональной схемы 86
5.2. Разработка принципиальной схемы микроконтроллера 87
5.2.1. Сравнение семейств микроконтроллеров MCS-51 и LPC2000 87
5.2.2 Подключение клавиатуры 91
5.2.3 Разработка схемы семисегментного индикатора 93
5.2.4 Организация внешних прерываний 93
5.2.5 Подключение АЦП 94
5.2.6 Подключение выхода схемы синхронизации с сетью 96
5.2.7 Подключение тиристоров силового преобразователя 97
5.2.8 Интерфейс CAN 99
5.2.9 SD-карта 100
5.3. Разработка блока питания 101
5.3.1 Расчет потребляемых токов 101
5.3.2 Разработка схемы блока питания 102
6. Разработка программы 104
6.1 Описание функциональной схемы 104
6.2 Разработка блок-схемы алгоритма 105
6.3 Разработка программы управления 109
Заключение. 110
Список используемых источников 111
Приложения 112
Список используемых источников
1. Токарный станок [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Токарный_станок
2. Виды токарных станков и классификация [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://promzn.ru/stanki-i-oborudovanie/vidy-tokarnyh-stankov.html
3. Система ЧПУ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://megaobuchalka.ru/10/27622.html
4. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко - Киев: Техника, 1978. - 447с.
5. Характеристики полупроводниковых преобразователей: Учебн. пособие / Н. Л. Архангельский, Б. С. Курнышев; Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1993. - 72 с.
6. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / И. X. Евзеров, А. С. Горобец, Б. И. Мошкович и др.; Под ред. В. М. Перельмутера - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319с.
7. Руденко В. С., Сенько В. И., Чиженко И. М. Основы преобразовательной техники: Учеб для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1980. - 424 с.
8. Методы исследования устойчивости нелинейных систем: Учеб. пособие с лабор. Практикумом / С.В. Тарарыкин, В.В. Тютиков, И.Б. Ульянов; Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2003. 104 с.
9. Тютиков В.В., Тарарыкин С.В., Шлыков В.В. Применение программного комплекса MATLAB в курсе ТАУ: Учеб. пособие. Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2001. 72 с.
10. LPC2129 datasheet, URL: http://www.gaw.ru/pdf/Philips/micros/arm/LPC2119_2129-02.pdf
11. SIT1040t datasheet, URL: https://semic-boutique.com/wp-content/uploads/2016/05/SIT1040-V1.7_en.pdf.
12. MAX1401 datasheet, URL: http://www.gaw.ru/pdf/Maxim/adc/MAX1401.pdf.
13. LDM206G datasheet, URL: https://www.datasheetarchive.com/LDM206-datasheet.html.
14. CD4071B datasheet, URL: https://radio-hobby.org/uploads/datasheet/35/7706/7706002ca.pdf.
15. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.: Энергоатомиздат,1990.
16. Подключение SD карты через интерфейс SDIO, статья [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.avrki.ru/articles/content/stm32_sdio/
17. B2403LS-5W, URL: https://www.rct.ru/catalog/dc-dc-converter/delus-b2403ls-w5.html.
18. B2403LS-25W, URL: https://www.rct.ru/catalog/dc-dc-converter/delus-b2403ls-w25.html.
19. B2405LS-5W, URL: https://www.rct.ru/catalog/dc-dc-converter/delus-b2405ls-w5.html.
20. ГОСТ 7.32-2001. Система
Для регулирования скорости двигателей используются различные схемы выпрямителей, они позволяют автоматически поддерживать заданный выпрямленный ток или изменять его по заданной программе, обеспечивающей наиболее рациональное использование технологического оборудования.
В настоящее время мостовые схемы выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах, они по сравнению с однополупериодной схемой имеют более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его габаритной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций.
Однофазную мостовую схему широко используют в выпрямителях малой мощности (до 1 кВт). Для более мощных