4. Выбор исполнительного двигателя постоянного тока (ИДПТ) для системы автоматического управления электропривода кинематического звена промышленного робота

4.1 Предварительные оценки и расчеты. Предварительный выбор двигателей с использованием автоматизированной системы выбора осуществляется по аналогии с выбором исполнительного асинхронного микродвигателя (п.2.2 и 2.3). В таблицу данных ИДПТ входят:

- тип двигателя;

- номинальное напряжение управления U_ном(В);

- номинальный момент M_ном (Н*м);

- номинальная частота вращения n_ном(об/мин);

- номинальный ток якоря I_ном(А);

- ток холостого хода I_хх (А);

- частота вращения холостого хода n_хх;

- пусковой момент М_п;

- момент инерции ротора двигателя J_дв(кг*м²)

- число пар полюсов;

- диаметр вала двигателя;

- масса двигателя;

- габаритные размеры.

4.2 Окончательный выбор двигателя

Окончательный выбор двигателя осуществляется исходя из заданных показателей качества системы управления электропривода, т.е. для динамического

режима: e_нг.max, w_нг.max.

В качестве критерия выбора обычно принимают следующий: двигатель удовлетворяет требованиям Т3, если его пусковой момент М_п больше или равен максимально возможному моменту сопротивления на валу двигателя М_max в динамическом режиме:

(1.2 — 1.25)М_max М_п  .                                                  (4.1)

При этом выбор двигателя заключается в последовательном усечении множества двигателей, предварительно выбранных в п.4.1.

4.2.1 Для каждого из двигателей, выбранных в п.4.1, определить передаточное отношение редуктора i_ред , обеспечивающее заданную угловую скорость исполнительной оси:

.                                                              (4.2)

4.2.2 Для каждого двигателя с выбранным редуктором рассчитать максимально возможный момент сопротивления в динамическом режиме М_max

и проверить условие (4.1). Если условие (4.1) выполняется, двигатель оставляется для последующих этапов выбора.

Максимальный момент сопротивления М_max определяется статическими моментами сопротивления нагрузки и редуктора и моментами инерции всех подвижных частей привода:

   .                       (4.3)

где М'_нг — максимальный момент нагрузки М_нг, приведенный к валу двигателя;

J'_нг — максимальный момент инерции J_нг, приведенный к валу двигателя;

J'_ред — момент инерции редуктора, определенный по методике, изложенной в разделе 2 (п.п. 2.4.2.1 — 2.4.2.3);

h_ред — к.п.д. редуктора (ориентировочно 0,8-0,9).

4.2.3 Все двигатели с редукторами, оставшиеся после выполнения п.4.2.2, удовлетворяют требованиям Т3.

4.2.3.1 Окончательно выбрать двигатель с наибольшим ускорением e_нг. Из двигателей, создающих примерно одинаковые ускорения, предпочтение следует отдать двигателю меньшей мощности.

4.2.3.2 Для выбранного двигателя записать выбранное передаточное отношение редуктора.

4.4 Построение механических и регулировочных характеристик выбранного двигателя

4.4.1 Механические и регулировочные характеристики могут быть построены на основании уравнения механических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением:

    .                                         (4.4)

где М_эм — электромагнитный момент, развиваемый двигателем;

U_у — напряжение управления на обмотке якоря.

Значение (КФ) определяется на основе каталожных данных из формулы угловой скорости идеального холостого хода

.                                                          (4.5)

Значение w_ои можно ориентировочно определить графически, построив линейную электромеханическую характеристику w = f(I_я) , проходящую через заданные в каталоге параметры номинального режима и реального холостого хода.

Сопротивление обмотки якоря R_я , если оно не задано в каталоге непосредственно, может быть ориентировочно определено на основе каталожных данных из уравнения равновесия э.д.с. и напряжений

 .                                          (4.6)

где

  .                                              (4.7)

Механические характеристики   построить в диапазоне М_эм = 0 1,5М_ном при напряжениях управления U_у = 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 U_ном

Регулировочные характеристики w = f(U_у ) построить в диапазоне U_у = 0 U_ном   при М_эм = 0; 0,5; 1,0 М_ном и для режима реального холостого хода двигателя.

4.4.3 Механические характеристики позволяют определить диапазон изменения напряжения управления на якоре двигателя, необходимый для поддержания заданной угловой скорости при заданных пределах изменения статического момента сопротивления. Этот диапазон тем уже, чем выше жесткость механических характеристик, т.е. отношение приращения вращающего момента двигателя к приращению угловой скорости. При прочих равных условиях, чем выше жесткость механических характеристик, тем менее жесткие требования предъявляются к усилителю системы управления.

Обычно при расчетах жесткость оценивают в номинальном режиме следующим образом: при заданном относительном изменении момента

,

относительное изменение угловой скорости ротора

.

не должно превышать допустимого.

Рассчитать выбранного двигателя при = 10% и сравнить с заданным значением . Если , двигатель удовлетворяет требованиям Т3. Если > , то либо согласовать изменение данного пункта Т3, либо вернуться в п.4.2.3.1 и выбрать двигатель большей мощности.

4.5 Определение параметров передаточной функции и построение переходных характеристик для выбранного двигателя

4.5.1 Передаточные функции двигателя “угловая скорость — напряжение управления” и “угол q — напряжение управления” имеют вид

,                                       (4.8)

 ,                                   (4.9)

где р — оператор Лапласа;

К_дв — коэффициент передачи двигателя;

t_я — электромагнитная постоянная времени якоря;

t_м — электромеханическая постоянная времени.

4.5.2 Коэффициент передачи двигателя постоянного тока при якорном управлении

.                                            (4.10)

4.5.3 Электромагнитная постоянная времени

.                                                   (4.11)

Индуктивность якоря, входящая в (4.11), ориентировочно определяется по формуле:

      (Гн),                             (4.12)

где р_м — число пар полюсов машины; берется из каталожных данных двигателя;

0,4 — эмпирический коэффициент для машин без компенсационной

                        обмотки.

4.5.4 Электромеханическая постоянная времени

.                                                    (4.13)

4.5.5 Рассчитать для выбранного двигателя значения К_дв, t_м и t_я , записать передаточные функции и построить переходные характеристики w = f(t) и q = f(t) для режима пуска. Уравнения переходных характеристик можно получить, решив дифференциальные уравнения, которым соответствуют передаточные функции (4.8) и (4.9) . Если t_я < 0,1t_м , то для упрощения решения можно принять t_я = 0 .