(7 оценок, среднее: 4,86 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Проектирование автоматизированного электропривода двухкоординатного модуля для производства интегральных микросхем
ВВЕДЕНИЕ
Многокоординатный шаговый привод, владея конструктивной пластичностью (гибкостью), дозволяет создавать довольно сложные устройства четкого проигрывания движений (сборочные центры, измерительные машинки, установки для лазерной обработки материалов и т.д.), в каких совмещено управление технологическими и транспортными операциями и получен отменно новейший уровень конструктивной интеграции электромеханического преобразователя с рабочим органом.
Главные области внедрения привода: робототехника и гибкое автоматическое Создание, в индивидуальности, сборка компактных изделий (к примеру, электромагнитных реле, часов и т.д.); автоматический установка радиокомпонентов и микросхем на интегральных схемах; измерительные машинки, установки лазерной, электроискровой маркировки, гравировки и т.д.
Современная практика автоматизации производства внушительно указывает, что традиционный метод проектирования гибких производственных систем, когда для сотворения отдельного гибкого производственного модуля употребляются классические элементы технологического оборудования (боты, станки с числовым программным управлением, накопители, бункеры и т.д.), в ряде всевозможных случаев приводит к неоправданной избыточности и вследствие этого к высочайшей цены, материалоёмкости и, в конечном счёте, к экономической неэффективности разрабатываемого оборудования. Так, внедрение современного бота с огромным числом степеней подвижности для реализации обычный операции загрузки экономически необоснованно.
Кандидатурой классическому подходу является применение при проектировании гибких производственных модулей довольно широкой серии “умственных” модулей движения различного типа (линейных, планарных, поворотных) со встроенными датчиками и персональной системой микропроцессорного управления, снабжённых необходимыми типами интерфейсов для сопряжения с системой управления наиболее высочайшего уровня и средствами сопряжения с рабочим инвентарем либо обрабатываемой деталью. Из отдельных блоков такового типичного “конструктора”, может проектироваться система проигрывания взаимосвязанных движений деталей и инструментов определенного гибкого производственного модуля с одновременной минимизацией числа степеней подвижности в системе и, соответственно, вещественных издержек.
Серия модулей движения может включать в себя модули движения обычного типа, выполненные, к примеру, на базе крутящихся движков и кинематических преобразователей движения (типа винт-гайка, шариковая винтообразная пара и др.), также модули движения новейшего типа — на базе линейных, планарных и поворотных шаговых движков с аэростатическими опорами. Крайние имеют принципные достоинства, потому что являются по существу “бесфрикционными” модулями движения, что обеспечивает отсутствие износа и, как следствие, сохранение метрологических черт привода в течение всего времени эксплуатации. Это событие дозволяет проектировать гибкие производственные модули совершенно без кинематических преобразователей движения, что, непременно прибыльно исходя из убеждений увеличения надёжности системы и сокращения сроков регламентных работ.
2-ой подход к проектированию гибких производственных систем дозволяет хорошим образом воплотить идею конструктивной интеграции органов движения с инвентарем либо органов движения с обрабатываемой деталью (спутником). Не считая того, возникает возможность реализации технологических и транспортных операций на единой простой базе. В особенности симпатичной смотрится при всем этом возможность решения не только лишь задачки автоматического проектирования и автоматической технологической подготовки производства, да и задачки автоматического проектирования самых гибких производственных систем. Строительная упругость модульной системы движения дозволяет при всем этом не только лишь уменьшить сроки и стоимость проектирования новейших машин и устройств, да и заавтоматизировать этот процесс, заавтоматизировать саму технологическую установку к типу подлежащего реализации технологического процесса, отказавшись от обычного приспособления технологии к имеющейся номенклатуре машин и устройств. Таковая теория построения гибких производственных систем является весьма многообещающей, потому что соединяет внутри себя плюсы высокопроизводительных жёстких роторно-конвейерных линий с плюсами обычных гибких производственных систем. работы в этом направлении интенсивно ведутся рядом компаний в Беларуси, также в Рф, США
1.1 Анализ технологического процесса
Двухкоординатный транспортный модуль на базе линейных шаговых движков применяется для производства микросхем высочайшей степени интеграции. Для данной цели употребляется зондовая установка, включающая в себя двухкоординатный транспортный модуль. Пластинка, на которой будут изготавливаться микросхемы, имеет круглую форму, её поперечник, как правило, составляет 300 мм. Пластинка делится на контактные зоны размером 80х80 мкм которые маркируются специальной краской, для того чтоб отличить бракованную контактную зону от рабочей.
Рабочий цикл установки происходит последующим образом. Координатный стол с пластинкой поднимается до срабатывания датчика положения (движение по координате Z), размещенного на 300 мкм ниже поверхности зондов. Опосля срабатывания этого датчика координатный стол {перемещается} по координате Z с наименьшей скоростью для обеспечения плавного соприкосновения поверхности контактной зоны с зондами. Количество зондов быть может разным: от 8 до 16. Опосля маркировки соответственной контактной зоны координатный стол опускается вниз на высоту 15 мм. Опосля этого происходит перемещение координатного стола по координате Х либо Y для перемещения последующей контактной зоны в положение конкретно под зондами. Позже координатный стол вновь поднимается и происходит маркировка последующей контактной зоны. На рисунке 1.1 представлена диаграмма работы устройства.
Набросок 1.1 — Диаграмма работы устройства
1.2 Описание промышленной установки
Координатные системы, реализующие перемещения объекта обработки по нескольким координатам сразу без кинематических частей преобразования вращательного движения в поступательное, строятся на базе линейных шаговых движков.
Принципно линейные шаговые движки представляют собой шаговые движки с развёрнутыми подвижной и недвижной частями. Конструктивно линейный шаговый движок (набросок 1.2) содержит якорь, состоящий из жёстко соединённых модулей А и В, и безобмоточный зубчатый пассивный статор, выполненный из магнитомягкого материала. Любой из модулей А и В состоит из 2-ух П-образных магнитопроводов, объединённых неизменным магнитом. Зубцовые зоны полюсов всякого магнитопровода нацелены относительно зубцов статора со обоюдным линейным сдвигом в половину зубцового деления z. Обмотки управления обхватывают средние полюсы А2 и А3 и соответственно В2 и В3 модулей А и В. Электромагнитные модули якоря линейных шаговых движков размещены со обоюдным линейным сдвигом, равным , где k=1. Якорь линейного шагового мотора размещен над статором с зазором .
Набросок 1.2 — Схема конструкции линейного шагового мотора
Линейный шаговый движок обеспечивает линейные перемещения по одной координате перпендикулярно линиям вырезки зубцов статора. Для обеспечения перемещения координатного стола в плоскости соединяются воединыжды два мотора. Нужный рабочий зазор меж статором и якорем обеспечивается применением аэростатических опор.
Основное требование к координатным системам — стабильность их электромеханических черт. Предпосылкой тому является высочайшее свойство обработки прилегающих поверхностей статора и подвижной каретки. Зубчатые поверхности статора и ротора делаются фрезерованием прецизионной групповой фрезой либо способами травления по прецизионным фотошаблонам с следующей заливкой пазов эпоксидными компаундами с твёрдым немагнитным наполнителем, шлифовкой и притиркой. Это обеспечивает высшую степень параллельности и чистоту рабочих поверхностей.
Электромагнитное взаимодействие ротора со статором происходит в воздушном слое меж кареткой и статором, потому всепостоянство зазора ведёт к стабильности тяговых и точностных черт координатной системы. Сама же величина зазора выходит как итог уравновешивания аэростатической силы отталкивания и магнитной силы притяжения ротора линейного шагового электродвигателя. При всем этом удовлетворены условия “всплывания” каретки над плоскостью статора при подаче сжатого воздуха. В проектируемой установке, являющейся серийно производимой двухкоординатной системой с линейными шаговыми электродвигателями обеспечивается зазор =10 мкм при давлении воздуха в границах 4 атм и расходе 15 л/мин.
Схематически система такового координатного стола представлена на рисунках 1.3. Подвижная каретка 1, имеющая в качестве основания модуль с линейным шаговым движком 2, для движения по оси Х и модуль с линейным шаговым движком 3, для движения по оси Y, скользит по статору 4 на воздушной подушечке, образуемой сжатым воздухом, подаваемым в зазор меж статором и кареткой через жиклеры 5, расположенные по периметру якорей линейных шаговых движков. В данной установке употребляется вариант конструкции координатного стола с совмещённой по осям Х и Y вырезкой зубцов статора (набросок 1.3). Каретка содержит два линейных шаговых мотора для движений по двум осям координат.
Набросок 1.3 — Координатный стол с линейным шаговым движком: а) конструктивная схема; б) координатный стол с совмещённой вырезкой статора: 1 — подвижная каретка, 2 — линейный шаговый движок оси Х, 3 — линейный шаговый движок оси Y, 4 статор, 5 — жиклеры
При движении по координате Х коммутируются обмотки электромагнитов шагового мотора координаты Х при статическом состоянии токов в обмотках шагового мотора координаты Y. При коммутации обмоток шагового мотора оси Y обеспечивается перемещение по координате Y. При одновременном перемещении по двум координатам управляют токами обоих линейных шаговых движков.
Программное обеспечение системы управления шаговыми движками выстроено по иерархическому принципу. На верхнем уровне в распоряжении юзера имеются средства, дозволяющие установить конфигурацию системы (число дискретных входов-выходов, задействованных в любом осевом контроллере, наличие доп модулей и др.) и написать программку согласованного управления всеми осями данной установки и технологическим оборудованием в согласовании с картой технологического процесса. Для написания программки юзеру предлагается спец язык программирования многоосевого электропривода МL, позволяющий обрисовать всю нужную последовательность движений в их связи с технологическими командами. Изюминка языка заключается в том, что не одна исполняемая программка, а несколько — для всех уровней управления: для управляющей ЭВМ , осуществляющей синхронизацию работы групп электроприводов (крейтов), для модуля центрального микропроцессора, осуществляющего синхронизацию работы отдельных осей и технологического оборудования, для всякого из осевых контроллеров, осуществляющих конкретное управление движением.
Средний уровень является монитором настоящего времени и обеспечивает обмен данными и командами меж управляющей ЭВМ , модулями центрального микропроцессора и осевыми контроллерами, также вызов и выполнение нужных программ. Программные модули монитора входят в программное обеспечение управляющей ЭВМ , модуля центрального микропроцессора и осевых контроллеров совместно с драйверами ввода-вывода инфы, также интерпретаторами программ управления приводами и технологическим оборудованием.
Нижний уровень содержит в себе программки конкретного управления осью в режимах позиционного и контурного движений, программки испытательной проверки оборудования, таймеры, процедуры обслуживания прерываний и др.
Нужное определенному юзеру программное обеспечение для осевых контроллеров и модулей центрального микропроцессора поставляется в виде ПЗУ. Имеется программная поддержка более всераспространенных в истинное время систем подготовки конструкторской документации (ACAD) и графики (разные рисовальные пакеты типа Paint Brush) на индивидуальных компах IBM PC/XT/AT. К примеру, есть возможность приготовить желаемую линию движения движения в пакете ACAD либо снять её сканером с имеющегося чертежа и конвертировать приобретенные файлы в подобающую программку управления шаговым электроприводом.
Работа с шаговым приводом в разомкнутой системе. Дискретность отработки шага (число точек на период главный вырезки) задается при инициализации юзером. Для обеспечения плавности при разгоне-торможении, также при отработке малеханьких перемещений в момент разгона-торможения должен производится сдвиг фазы токов (работа с так именуемыми «резвыми импульсами»). Требуемая величина сдвига фазы рассчитывается сигнальным микропроцессором в согласовании с нужным текущим убыстрением на данной линии движения движения. Не считая того, предугадать возможность задания требуемого угла опережения юзером, его оперативное изменение в процессе наладки, также пропорциональное изменение по отношению к результатам расчета сигнального микропроцессора. По дефлоту, форма создаваемого устройством сопряжения фазного тока синусоидальная (в границах округления при данной степени дробления). Не считая того, обязана существовать возможность задания случайной, задаваемой юзером таблицы токов фаз. Это дает возможность задать нужные предискажения токов в фазах движков и тем существенно понизить циклическую погрешность индуктора. Для понижения энергопотребления в системе привода, уменьшения нагрева статора и индуктора ЛШД при останове (и, как следует, уменьшения температурных погрешностей привода), предугадать возможность понижения токов в фазах мотора. Величина тайм-аута опосля окончания движения и величина уменьшения тока в процентах программируется юзером при инициализации координаты.
вместе с главный программкой, контроллер должен делать сервис линий ввода-вывода. Цикличность опроса линий ввода и изменение линий вывода 100 мкс. При работе генератора линии движения текущая координата обязана повсевременно сравниваться с предельными, программно установленными значениями поля перемещения по координате. При срабатывании 1-го из наружных датчиков последних положений должен быть выполнен незамедлительный останов привода. Регулятор также должен выслеживать величину ошибки на любом цикле (разница меж ожидаемой и настоящей ошибкой координаты). Эта ошибка сравнивается с заблаговременно определенным юзером значением и, в случае превышения крайней, движение обязано быть прекращено. Это дозволит приостановить привод при механической блокировке привода или неисправности датчика положения.
В устройстве сопряжения предугадать систему трассировки задаваемых юзером переменных регулятора и линии движения движения (координата, ошибка по положению либо по скорости, данная либо настоящая скорость движения и др.) во внутренне буферное ОЗУ с возможностью следующей перекачки массива данных на ПЭВМ для графического отображения, просмотра и анализа приобретенной инфы с целью наиболее четкого определения характеристик объекта управления и наиболее четкой опции характеристик регулятора.
Обмен с наружными устройствами включает:
1) 40 входных сигналов от концевых датчиков (оптронная развязка);
при применении в качестве датчика оборотной связи лазерного интерферометра, 3 полосы на любой применяемый сервоканал могут употребляться для параллельного ввода наружных младших разрядов счетчика положения; может быть внедрение данных линий просто как обычные полосы цифрового ввода с их программным опросом и передачей их состояния на HOST-комп. Определенная настройка многофункционального предназначения линий программируется при инициализации;
2) 4 входных аналоговых сигнала (зависимо от конфигурации системы могут употребляться или для ввода сигналов от индуктивного датчика оборотной связи по положению или для ввода сигналов от 4-х датчиков убыстрения; для ввода аналоговых сигналов в машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) (либо вычислительной системы) которое делает арифметические и логические операции данные программкой преобразования инфы управляет вычислительным действием и коор употребляется четырехканальный 12-битовый АЦП; одновременная работа АЦП по всем каналам делает вероятным внедрение данных входов для прямого ввода квадратурных синусоидального и косинусоидального сигналов с оптического датчика положения);
3) 2 синхронных канала для управления выходными драйверами либо для подключения доп каналов АЦП. Любой синхронный канал
имеет мультиплексор на 4 полосы выбора, общее число линий с разделением по времени — 8.
4) 16 линий цифрового вывода с нагрузочной способностью до 25 мА для управления приводами с разомкнутой оборотной связью по положению (могут употребляться как обыденные полосы вывода с их установкой от HOST-компьютера).
Ограничения по динамике привода с оборотной связью, накладываемые контроллером:
Наибольшая скорость привода ограничивается 2-мя обстоятельствами:
1) наибольшая частота входных сигналов от инкрементального датчика положения ограничена значением 4 МГц (по мере необходимости, вероятен ввод доп параллельных 3 разрядов для расширения частоты сигналов инкрементального датчика при использовании лазерного интерферометра; в этом случае действенная тактовая частота датчика оборотной связи составит 32 МГц, что довольно для работы с лазерным интерферометром с дискретностью 0,01 мкм при скорости перемещения до 300 мм/с);
2) при одновременной работе всех 4-х координат шагового привода, наибольшая скорость каждой из координат не наиболее 5000 Гц основного шага вырезки. Это ограничение вытекает из наибольшей частоты программной коммутации фаз обмоток, которая производится с периодом 20 мкс, не считая того, скорость не быть может наиболее 3,2 м/с
3) наибольшее убыстрение не наиболее 50 м/c.
4) плавность в границах 30… 65000 м/с.
Главные технические свойства транспортного модуля с контроллером на базе сигнального процессора ADSP2186 Analog devices:
цифровой сигнальный машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) (либо вычислительной системы) которое делает арифметические и логические операции данные программкой преобразования инфы управляет вычислительным действием и коор ADSP2186 Analog devices;
одновременное управление 2-мя шаговыми движками с наибольшим током фазы до 5,5 А и дроблением 6400 микрошагов на оборот;
спектр перемещения 2147483648 дискрет;
наибольшее перемещение до8388608 дискрет;
высокоуровневый язык описания движения;
программно-задаваемые скорости и убыстрения перемещения;
возможность обработки задач ввода-вывода вместе с движением;
линейная и радиальная интерполяция;
драйвер электродвигателя имеет защиту от недлинного замыкания перегрузки, замыкания на питание и на общий провод;
независящая настройка наибольшего тока в фазе для всякого мотора;
4 оптоизолированных цифровых входа;
6 цифровых входов с наибольшим напряжением логической единицы до 24 В;
8 выходов типа открытый коллектор с нагрузочной способностью до 500мА;
интерфейс связи HOST ЭВМ — асинхронный поочередный канал RS232/RS485 (изменяется юзером) до 115200 бит/с с оптической изоляцией;
собственная потребляемая мощность не наиболее 2 Вт;
рабочая температура эксплуатации — от 0 до 40 С;
габариты 135 100 мм.
1.3 анализ взаимодействия оператор — промышленная установка
Зондовая установка создана для маркировки контактных зон пластинки, из которой потом будет изготавливаться микросхемы. Пластинка делится на контактные зоны размером 80х80 мкм которые маркируются специальной краской, для того чтоб отличить бракованную контактную зону от рабочей.
установка обеспечивает последующие деяния:
выгрузку пластинки на координатный стол, из подающей кассеты,
перемещение пластинки в зону маркировки,
нанесение на контактную зону соответственной маркировочной метки,
перемещение пластинки по данной программке,
перемещение пластинки в зону выгрузки и выгрузку в приёмную кассету,
перемещение приёмной и подающей кассет на шаг.
Есть последующие режимы работы устройства:
“Полуавтомат” — рабочий,
“Ручная загрузка” — рабочий,
“Контроль” — наладочный,
“Диагностика ” — наладочный.
Выбор режима работы осуществляется вводом соответственной команды с пульта управления.
Запуск установки осуществляется нажатием клавиши “ПУСК” на пульте управления.
Работа установки в автоматическом режиме:
Оператор устанавливает кассеты с пластинами и пустую на платформы загрузки и запускает установку нажатием клавиши “ПУСК” и, манипулируя элементами управления пульта, делает точную ориентацию пластинки по координатам Х и Y, и опосля этого запускает установку в режим “автоматической” обработки. Загрузочная катушка {перемещается} ввысь до срабатывания датчика положения и останавливается. Датчик положения размещен на 300 мкм ниже поверхности зондов. Опосля отчёта выдержки времени, пластинка {перемещается} ввысь до соприкосновения контактной зоны с зондами с наименьшей скоростью. Скорость перемещения снижается для того чтоб не вышло повреждения пластинки либо наконечников зондов. Опосля маркировки контактной зоны, пластинка {перемещается} вниз на 10 мм, а потом по координате х либо у (задаётся в программке) для установки последующей контактной зоны под наконечники зондов и цикл повторяется поначалу.
Режим “Ручная загрузка” предугадывает ручную загрузку пластинок на предметный стол. Выход в режим осуществляется нажатием клавиши “РУЧН”. При нажатии клавиши “ЗАГР” отключается вакуум на планшайбе стола. Оператор устанавливает пластинку на предметный стол и надавливает клавишу “СТОП”. Опосля нажатия клавиши “ПУСК”, предстоящий цикл делается автоматом.
Режим работы “Контроль” для наладки установки и её составных частей и контроля работы установки. Выход в режим осуществляется нажатием клавиши “НАЛ”. В этом режиме предусмотрены последующие подрежимы:
“Растификация”,
“Загрузка”,
“Цикл”,
“Выгрузка”,
“Аттенюатор”,
“Ориентация”,
“Сканирование”,
“Контроль”.
Режим “Диагностика ” предугадывает проверку работоспособности устройства последующими диагностическими тестами:
ПЗУ;
ОЗУ-1;
машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) (либо вычислительной системы) которое делает арифметические и логические операции данные программкой преобразования инфы управляет вычислительным действием и коор;
ОЗУ-2;
ДИСПЛЕЙ;
ВВОД;
ВЫВОД;
КОНТРОЛЬ ПРЕРЫВАНИЙ.
Ввод в режим осуществляется нажатием клавиши “ДИАГН”.
1.4 анализ кинематической схемы, определение характеристик и проектирование расчетной схемы механической части электропривода
Рабочим органом данной установки является ротор линейного шагового мотора, состоящий из 2-ух жёстко соединённых электромагнитных модулей. Рабочий зазор меж статором и ротором осуществляется применением аэростатических опор.
Линейные шаговые движки являются по существу “бесфрикционными” модулями движения, что обеспечивает отсутствие износа и, как следствие, сохранение метрологических черт привода в течение всего времени эксплуатации.
Это событие дозволяет проектировать гибкие производственные модули совершенно без кинематических преобразователей движения, что непременно прибыльно исходя из убеждений увеличения надёжности системы и сокращения сроков регламентных работ.
В данном устройстве, что рабочий орган является сразу и якорем линейного шагового мотора и, как следует, в устройстве отсутствуют какие или кинематические элементы кинематической передачи.
2. ВЫБОР системы ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта
Шаговые электроприводы обширно используются в системах позиционирования и контурного движения. Посреди этих электроприводов есть как дешёвые классические системы с поворотными движками и обычным программным управлением, так и высокоточные безредукторные многокоординатные приводы сложных технологических установок с развитыми системами управления с оборотными связями.
Исследования шагового электропривода в МЭИ 40 лет вспять были начаты группой юных инженеров (Б.А. Ивоботенко, В.К. Цаценкиным, Л.А. Садовским и др.). По их результатам были разработаны отрезки серий шаговых движков с блоками управления и налажен их выпуск российских компаний. С начала 70-х годов под управлением доктора Б.А. Ивоботенко лабораторией дискретного электропривода кафедры АЭП проведены фундаментальные исследования систем движения с шаговым электроприводом, результатом которых явилось создание класса технологических устройств и комплексов с качеством движения в пространстве деталей и инструмента, которое не достигалось ни одним другим типом электропривода. В большей степени это относится к системам движения с линейными и многокоординатными шаговыми электроприводами, позволившими на порядок сделать лучше свойство автоматических устройств при производстве частей микроэлектроники и изделий с их применением.
В крайнее время возросло внедрение компьютерных технологий, а шаговые движки, с управлением от вычислительных машин, разрешают стопроцентно исключить схемы управления движком, оставив только блоки усиления мощности. Также внедрение компьютерных технологий, вместе с шаговыми электроприводами, разрешают гибко поменять задание цикла работы привода, без схемного конфигурации системы управления движком.
Не считая шагового привода в устройствах позиционирования употребляется также вентильный привод. Одно из новейших направлений в электромеханике соединено с вентильно-индукторными движками [1]. Их также именуют индукторными реактивными, управляемыми реактивными, реактивными движками с электрической коммутацией. Простота конструкции и электронных схем таковых движков и их коммутаторов, высочайшая надёжность и относительно низкая стоимость, отличные регулировочные свойства, возможность использования в сложных критериях окружающей среды и остальные плюсы содействуют расширяющемуся применению вентильно-индукторных движков в разных областях техники — от прецизионных систем управления до массивных тс — и стимулируют их углубленные расчётно-теоретические исследования [1].
Основное внимание в истинное время уделяется вращающимся вентильно-индукторнвм движкам. Тривиальные плюсы вентильно-индукторных движков дают импульс к применению их нестандартных выполнений, а именно линейных вентильно-индукторных движков
основное достоинство внедрения шаговых электроприводов то, что в проектируемом устройстве нужна организация дискретного перемещения рабочего механизма, а это и является главной функцией шагового мотора [2].
Итак, применение шаговых движков разъясняется тем, что они разрешают преобразовывать управляющий импульс в фиксированное линейное перемещение без датчиков оборотной связи. Данное событие дозволяет значительно упростить систему управления механизмом и прирастить ее надежность, потому что сокращается количество электрических частей.
2.2 Формулирование требований к автоматическому электроприводу и системе автоматизации
К автоматическому приводу предъявляются требования последующего нрава:
Точность позиционирования — 10 мкм
Перерегулирование — 20%
Наибольшая скорость — 0,28 м/с
Наибольшее убыстрение — 18 м/с2
Удобство и упругость управления — стремительная переналадка
Надежность СУЭП
Удобство наладки и диагностики
Удобство монтажа и ремонта — облегченный доступ к главным схемам и узлам, блочное построение.
Исключение воздействия помех и угнетение собственных помех
Требование электробезопасности и охраны труда — соответствие правилам и нормам техники сохранности.
Пожарная сохранность
Малые массогабаритные характеристики — создание малогабаритных блоков и узлов.
Малая стоимость и малые эксплуатационные расходы — применение дешевых девайсов и технологий.
2.3 Проектирование многофункциональной схемы автоматического электропривода
На рисунке 2.1 представлена многофункциональная схема электропривода двухкоординатного транспортного модуля.
Электродвигатели М1 и М2 являются двухфазными линейными шаговыми электродвигателями, осуществляющими перемещения ротора (XY-стола) по координатам X и Y. Управление движением ротора, согласно заложенной программке осуществляется при помощи процессора.
Модуль гальванической развязки 1 и схема защиты на диодиках производят согласование напряжения сигналов, поступающих на дискретные входы с допустимым напряжением на входах микросхемы микропроцессора.
В неизменном записывающем устройстве хранятся программки перемещения XY-стола.
Модуль гальванической развязки 2 и выходные драйвера производят связь меж процессором и компом (РС).
В оперативную память через вход программирования осуществляется ввод программ.
Цифроаналоговые преобразователи ЦАП1 и ЦАП2 производят преобразование цифровой инфы с выхода микросхемы оперативки в аналоговую форму. Аналоговый сигнал поступает на драйвера 1 и 2 со схемой защиты от перегрузки по току.
Набросок 2.1 — Многофункциональная схема электропривода
2.4 Определение вероятных вариантов и выбор рациональной системы электропривода
Посреди шаговых движков наибольшее применение благодаря наилучшему использованию объёма машинки по моменту отыскали движки с неизменным магнитом на роторе и огромным количеством зубцов на роторе и статоре. В российскей литературе этот тип машинки получил заглавие “магнитоэлектрический индукторный шаговый движок” [3]. В западной литературе этот тип мотора именуют “гибридным шаговым движком”. структура разомкнутого шагового привода приведена на рисунке 2.2. Разомкнутый шаговый привод употребляет программный режим работы с расчётом синусно-косинусных токов, создающих момент мотора, нужный для выполнения движения и фиксации в данной позиции. программка движения привода r, r, r (путь, скорость, момент) рассчитывается генератором линии движения по модели привода. Положение привода задаётся положением годографа вектора тока, задание скорости — частотой r токов, а убыстрение — фазовыми сдвигами годографа вектора тока. Разомкнутый шаговый привод описывается упрощённой системой уравнений в относительных величинах:
(2.1)
где — электронная координата подвижной части привода; — электронная скорость; — время; — момент; — момент инерции мотора и перегрузки; — амплитуда момента; — задание угла вектора тока; — угол запаздывания вектора тока, вызванного индуктивностью мотора, инерционностью регулятора тока и дискретизацией управления; — коэффициент демпфирования, возникающего в главном из-за вихревых утрат; — возмущение в виде фиксирующего момента мотора; — неучтённое возмущение; индекс “r” значит заданную величину.
закондвижения разомкнутого шагового привода обеспечивается программированием момента в согласовании с (2.1), т. е. программированием амплитуды , фазы и частоты годографа вектора тока.
Амплитудное управление (программирование амплитуды ) с неизменным углом перегрузки () малоэффективно, потому что на его качестве очень сказывается отрицательное воздействие насыщения магнитной цепи мотора и фиксирующего момента, так воздействие насыщения проявляется в нелинейном изменении момента в функции тока, что эквивалентно возникновению доп возмущений, а фиксирующий момент, слабо зависящий от тока мотора, создаёт, в свою очередь, зоны параметрической неустойчивости при амплитудном управлении с малыми значениями токов.
При фазовом управлении насыщение и фиксирующий момент влияют существенно слабее. Потому для шагового привода, как правило, употребляется фазовое управление. Фазовое управление значит стабилизацию номинального значения амплитуды задания тока (im=1) и управление заданием угла и частоты годографа вектора тока.
При фазовом управлении программирование угла вектора тока происходит в согласовании с (2.2):
(2.2)
где — задание момента; — рассчитанный угол запаздывания тока.
При использовании дискретного управляющего устройства (процессора) с периодом квантования h уравнения (2.1) с учётом (2.2) преобразуются к линейному виду:
(2.3)
где n — номер периода квантования; — ошибка по убыстрению.
структура замкнутого шагового привода приведена на рисунке 2.3, термин “замыкание” в этом случае значит наличие оборотной связи по положению. Замкнутый привод, как и разомкнутый, употребляет программный расчёт задания токов мотора. Программный режим дополнен цифровой корректировкой (с), вычисляемой регулятором по сигналу ошибки Х0 вектора состояния. Расчёт ошибки вектора состояния ведёт цифровой наблюдающий по сигналу датчика положения. За счёт внедрения доборной локальной оборотной связи по положению шаговый движок приобретает характеристики бесконтактного мотора неизменного тока (БДПТ) с фактически неизменным в широком спектре скоростей моментом. Контур регулирования тока производится аналогично варианту разомкнутого привода.
Уравнение замыкание в режиме БДПТ, имеет вид:
(2.4)
С учётом (2.3) и (2.4) замкнутый привод описывается уравнениями (2.5):
(2.5)
где — ошибка по убыстрению.
Исходя из требований к точности, скорости и убыстрению, предъявленных электроприводу двухкоординатного транспортного модуля избираем разомкнутую систему шагового электропривода. В разомкнутой системе управление положением рабочего органа осуществляется заданием токов фаз сдвинутых друг относительно друга на 90 электронных градусов, создающих тяговое усилие мотора, нужное для выполнения движения и фиксации в данной позиции. Она является наиболее экономной, потому что не содержит дорогостоящих датчиков оборотных связей, и наиболее обычный, потому что не содержит цифрового наблюдающего.
Набросок 2.2 — структура разомкнутого шагового привода
Набросок 2.3 — структура замкнутого шагового привода
3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
3.1 Расчет нагрузок и построение механической свойства и нагрузочной диаграммы механизма
Строим нагрузочную диаграмму механизма P=f(t).
Шаговый движок в проектируемом устройстве работает в краткосрочном режиме работы (S2), так как период включения чередуется с периодом отключения машинки, при всем этом периоды включения не так долгосрочны, чтоб превышения температуры машинки могли добиться установившихся значений, а периоды отключения так долгосрочны, что все её части охлаждаются до температуры окружающей среды.
Усилие тяги в статическом режиме нужно лишь для преодоления сил вязкого трения, потому что ротор мотора, являющийся рабочим органом, {перемещается} на воздушной подушечке. Изменение статического момента не происходит, так как установка находится в особом помещении со стабилизированной температурой, так как огромные конфигурации температуры негативно сказываются на точности позиционирования. Как следует, усилие тяги в статическом режиме можно найти по формуле [4]
,
где =10-4 Нмс — коэффициент вязкого трения шагового мотора, v=0,28 м/с — скорость перемещения.
Тогда
время наибольшего перемещения (4мм) — tp=0,03 c, время паузы — время, затрачиваемое на перемещение стола по оси Z — tп=0,1с. Мощность в статическом режиме:
Нагрузочная диаграмма механизма представлена на рисунке 3.1.
P, мкВт
Рис. 3.1- Нагрузочная диаграмма механизма
Потому что тяговое усилие при разгоне и торможении существенно превосходит усилие в статическом режиме, выбор электродвигателя недозволено создавать, основываясь на упрощённой нагрузочной диаграмме механизма.
Оценка свойства функционирования систем автоматического управления базируется на исследовании их статических и динамических черт.
Статическими именуются свойства, отображающие связь меж входными действиями и выходными координатами в установившемся режиме.
Стабильность статических черт зависит от возмущающих действий на систему. А именно, главным возмущающим действием в системе управления электроприводом является перегрузка на валу электродвигателя, обуславливающая конфигурации данной скорости его вращения. В качестве статической свойства системы рассматривается зависимость скорости от статического момента, при всепостоянстве задающего действия.
Не считая основного возмущения, на точность поддержания данной выходной величины оказывают воздействие второстепенные возмущающие действия — качание напряжения питающей сети, неоднозначность статических черт усилительных и преобразовательных устройств, температурные конфигурации.
Статическая перегрузка ограничивается лишь силами трения и пренебрежимо мала по сопоставлению с динамическим усилием. Не считая того, статическая перегрузка неизменна во времени. Установка находится в помещении со стабилизированной температурой.
Так как статическое усилие определяется силами трения и неизменна во времени, отсутствует необходимость в построении статических черт.
3.2 Подготовительный выбор мотора по мощности
Выбор ЛШД осуществляется по усилию тяги, необходимому для позиционирования рабочего органа с определённой полезной перегрузкой.
Начальными данными для расчёта являются: перемещение — S=4 мм, время перемещения — t=0,015 с и масса подвижной части — m=3 кг. Высокоскоростная диаграмма ШД — треугольная.
Выбор ШД осуществляется в последующем порядке:
Рассчитывается убыстрение а, по формуле:
.
Рассчитывается требуемое усилие тяги F:
.
3.3 Выбор номинальной скорости мотора и типоразмера мотора
По требуемому усилию тяги избираем линейный шаговый движок НР 30848101 со последующими параметрами:
Таблица 3.1 — характеристики мотора НР 30848101
Характеристики
значения
Наибольший ток в фазе, А
1,5
Дробление, микрошагов/оборот
6400
Наибольшее перемещение, дискрет
8388608
Сопротивление обмотки фазы, Ом
5
Индуктивность обмотки фазы, мГн
0,3
Масса ротора, кг
3
Число фаз
2
Тяговое усилие, Н
55
Величина шага, мкм
10
Наибольшая скорость, м/с
0,3
Составляющая фиксирующего момента, Н/А
0,01
3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода
Динамическое усилие определяем по последующей формуле:
.
На любом интервале нагрузочной диаграммы тяговое усилие мотора будем рассчитывать по последующей формуле [5]:
Где =10-4 Нмс — коэффициент вязкого трения шагового мотора, l — перемещение, м.
сейчас находим наивысшую скорость, до которой разгонится движок исходя из тех суждений, что расстояние, на котором происходит разгон, равно 2мм:
Рассчитаем момент мотора для всякого интервала работы механизма:
Разгон:
Установившийся режим работы:
Торможение:
v, м/с
t, c
Набросок 3.2 — Высокоскоростная диаграмма электропривода
F, H
t, c
Набросок 3.3 — Нагрузочная диаграмма электропривода
3.5 Проверка избранного мотора по нагреву и перегрузочной возможности
Облегченная нагрузочная диаграмма электропривода употребляется для подготовительной проверки мотора по нагреву и перегрузочной возможности. Для проверки мотора по нагреву воспользуемся способом эквивалентного момента. Условием правильного выбора мотора по нагреву является
.
В случае линейного мотора:
.
автоматический электропривод силовой цепь
Где Fном — номинальное тяговое усилие.
Тогда эквивалентное усилие тяги мотора определим по формуле
где 0 — коэффициент, учитывающий ухудшение остывания при пуске (торможении). Принимаем 0 = 1, потому что употребляется принудительное остывание
FЭFН.
53,4 Н55 Н —движок будет удовлетворять условиям нагрева.
Из нагрузочной диаграммы (набросок 3.4) видно, что
,
как следует, избранный движок удовлетворяет условиям перегрузочной возможности.
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
4.1 Определение вероятных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя
В системе управления разомкнутым шаговым приводом важны период квантования, разрядность и структура устройств перифирии [3]. Период квантования для разомкнутого привода определяется наибольшим заданием скорости. Для разомкнутого шагового привода период квантования лучше иметь не наиболее 100 мкс. Принципиальная черта микропроцессора — его разрядность. Для обеспечения микрошагового управления в широком спектре перемещений, скоростей и убыстрений нужна разрядность микропроцессора не наименее 16. Третье принципиальное требование — наличие развитой интегрированной периферии микропроцессора: таймеров, памяти, комфортного механизма обслуживания прерываний и комфортной связи с host-ЭВМ .
Систему управления разомкнутым шаговым приводом можно выстроить на базе процессора КР1816ВЕ31 [6]. Микропроцессорная система имеет выход на шину с параллельным магистральным интерфейсом для связи с модулем центрального микропроцессора и выход на шину локального параллельного интерфейса для связи с модулем связи и через него с инвертором тока. Добавочно модуль контроллера имеет интегрированный модуль ввода-вывода дискретных сигналов на 2 либо 4 входных сигнала и 4 выходных сигнала (из их 2 с оптронной гальванической развязкой на напряжения до 24 В и токи до 0,5 А и 2 без гальванической развязки на напряжения 5 В для передачи управляющих сигналов от модуля контроллера к модулю инвертора тока). В контроллере реализовано программное управление движком по “математической модели объекта управления”.
Но, перечисленным требованиям лучше отвечают 16-разрядные сигнальные микропроцессоры с фиксированной точкой, архитектура которых оптимизирована для скоростной обработки сигналов (1-го микропроцессора можно управлять несколькими осями разомкнутого шагового привода с заданием микрошага около 1,5′, с погрешностью позиционирования до 3 — 5′, частотой вращения до 2000 о/мин и убыстрением привода до 20000 рад/с2. Одно из реализованных на кафедре АЭП МЭИ применений разомкнутого шагового привода на базе процессора ADSP2185 — 4-координатный стол лазерной машинки для обработки ювелирных алмазов. На базе всего вышесказанного избираем систему управления с контроллером на базе процессора ADSP2185KST-133 Analog devices.
4.2 Расчёт характеристик и выбор частей силовой цепи
Силовая часть электропривода построена по схеме преобразователя частоты и автономным двухфазным инвертором тока и рассчитана на управление двухфазными шаговыми движками с разнополярной коммутацией фаз [3].
Инвертор тока представляет собой двухфазный широтно-импульсный преобразователь напряжения (ШИМ-преобразователь), охваченный глубочайшей оборотной связью по току. Силовая часть преобразователя выполнена по мостовой схеме, в диагональ которого включена фаза мотора. Аналоговый сигнал задания тока фазы сравнивается с сигналом оборотной связи по току, и приобретенное рассогласование поступает на вход регулятора тока. Выходной сигнал регулятора является входным сигналом задания напряжения для ШИМ-преобразователя. Для всякого сигнала задания тока, независимо от уровня моментальной противо-ЭДС, индуктивности и сопротивления обмотки, регулятор тока автоматом устанавливает такую скважность импульсов напряжения, приложенных к фазе, чтоб обеспечить протекание в ней данного тока. Инвертор работает во 2-м импульсном режиме, обеспечивая приложение к обмоткам мотора импульсов положительного и отрицательного напряжения.
Можно считать, что силовая часть электропривода представляет собой управляемый источник тока, способный в широком спектре частот вращения воспроизводить данные токи и момент мотора. Конструктивно это выполнено в виде модуля инвертора тока, на вход которого поступают два сигнала задания моментальных значений токов фаз, а к выходу присоединены обмотки управления шаговым движком.
Набросок 4.1 — Многофункциональная схема силовой части для 1-го из движков
СУИ — система управления инвертором, ИН — инвертор, Uп — напряжение питания, VT1-VT4 — силовые ключи (транзисторы), fу — частота управляющих импульсов.
На рисунке 4.1 представлена многофункциональная схема силовой части для одной из фаз (фазы А) линейного шагового мотора. Для иной фазы (фаза В) этого мотора схема подобна. СУИ — система управления инвертором, ИН — инвертор, Uп — напряжение питания, VT1-VT4 — силовые ключи (транзисторы), управляемые подачей импульсов Nу частотой fу в СУИ от наружного задающего устройства. программка управления задаётся при помощи процессора путём конфигурации частоты управляющих импульсов fу по хоть какому закону и количества этих импульсов Nу — как одиночных, так и пачек импульсов.
Выбор силовых ключей инвертора.
В качестве силовых ключей употребляются модули Mosfet.
Рабочее напряжение на силовом ключе:
? Umax + 0,3Umax,
где Umax — амплитудное
Umax=30 B.
Тогда,
? 30 + 0,330 = 39 В.
Наибольший ток в силовой цепи:
Imax = 5,5 A.
Избираем модуль Mosfet IRF420 c рабочим напряжением UDSS = 40 В, очень допустимым током ID = 18 A и сопротивлением во включенном состоянии RDS = 0,001 Oм. Радиатор — дюралевая пластинка (при токе ниже 5,5А — без обдува).
Утраты мощности на нагрев транзисторов:
Температурный спектр работы — от 59С до 175С.
В таблице 4.1 указаны очень допустимые токи Imax при температурах корпуса = 25C и =175С.
Таблица 4.1 — Очень допустимые токи модулей Mosfet при обозначенных выше температурах корпуса
, С
Imax, A
25
18
100
12
Рассеиваемая мощность при очень допустимых параметрах и температуре корпуса =25С:
Потому что характеристики силовой схемы установки ниже максимально допустимых для избранных транзисторов, то утраты мощности ниже , как следует, транзисторы выбраны верно.
Избираем драйвер IHD215A с параметрами, обозначенными в таблице 4.2.
Таблица 4.2 — характеристики драйвера IHD215A
Наименование
IGD508E
количество каналов
1
Выходное напряжение, В
+/-15
Выходное ток, А
+/-8
Выходная мощность/канал, Вт
5
Задержка, нс
225
Напряжение пробоя, В
5000
Тип развязки
оптическая
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ системы АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
5.1 Разработка математической модели автоматического электропривода
Автоматический электропривод проектируемой установки содержит в себе два двухфазных линейных шаговых мотора. Любая фаза управляется устройством управления, включающим в себя регулятор тока и инвертор. Математическая модель шагового мотора описывается последующими уравнениями [8]:
(5.1)
где А и В — фазы линейного шагового мотора,
uA и uB — секундные значения напряжений, прикладываемых к фазам, В,
R — активное сопротивление обмотки фазы, Ом,
iA и iB — секундные значения токов фаз, А,
L — индуктивность обмотки фазы, Гн.
m — наибольшее потокосцепление, Вб,
— перемещение, м,
k — неизменная момента, Н/м,
fн — нагрузочное усилие, Н,
При моделировании шагового мотора нужно учесть фиксирующий момент (усилие) мотора и воздействие вязкости, преодолеваемой ротором. В индукторном шаговом движке с неизменными магнитами существенно воздействие четвёртой гармоники момента (усилия), которая и именуется фиксирующим моментом (усилием). Эту гармоническую составляющую следует учесть введением доборной составляющей в нагрузочный момент. Вязкость также учитывается введением доборной составляющей в нагрузочный момент.
В проектируемой установке управление линейным шаговым движком осуществляется при помощи инвертора на базе модулей Mosfet. Контур управления тока содержит в себе регулятор тока, на вход которого поступает сигнал рассогласования меж данным и фактическим значением тока фазы.
Структурная схема автоматического электропривода с линейным шаговым движком представлена на рисунке 5.1.
Набросок 5.1 — Структурная схема автоматического электропривода с линейным шаговым двигателем5.2 Расчёт характеристик объекта управления
Wрт — передаточная функция регулятора тока;
Wи — передаточная функция инвертора;
Tэ — неизменная времени обмотки фазы мотора;
UзтА, UзтВ — сигналы задания токов фаз А и В соответственно
объект управления является двухфазным линейным шаговым движком с параметрами, обозначенными в таблице 5.1.
Неизменная времени обмотки фазы мотора:
Потому что движок работает без перегрузки, то нагрузочное усилие
fн = 0.
Наибольшее потокосцепление:
,
где Im — наибольший ток в фазе мотора.
Тогда, наибольшее потокосцепление
Таблица 5.1 — характеристики объекта управления
Характеристики
значения
Сопротивление обмотки фазы, Ом
5
Индуктивность обмотки фазы, мГн
0,3
Масса ротора, кг
3
Наибольшее потокосцепление, Вб
0,00165
Составляющая фиксирующего момента, Н/А
0,01
Коэффициент вязкого трения, Нмс
10-4
Коэффициент сухого трения,
10-8
Неизменная времени обмотки фазы мотора, мс
0,06
5.3 Определение структуры и характеристик управляющего устройства
В состав управляющего устройства входят инвертор на базе модулей Mosfet и регулятор тока, охваченные оборотной связью по току. Любая фаза двухфазного шагового мотора питается таковым инвертором и имеет оборотную связь по току [3].
Сигнал задания тока фазы сравнивается с сигналом оборотной связи по току, и приобретенное рассогласование поступает на вход регулятора тока. Выходной сигнал регулятора является входным сигналом для ШИМ-преобразователя.
Рассчитаем регулятор тока:
Контур регулирования тока фазы изображён на рисунке 5.2.
Набросок 5.2 — Контур регулирования тока
Р — регулятор тока;
kрт — передаточная функция регулятора тока;
uзт — сигнал задания тока фазы;
i — ток фазы;
ko — коэффициент оборотной связи
W(p) — передаточная функция фазы мотора.
Для проектируемой установки нужна система управления, имеющая структуру, владеющую низкой чувствительностью к параметрическим возмущениям. Для проектирования таковой структуры нужно пользоваться свойством стойкости при нескончаемом усилении в контуре [9].
Для определения критерий стойкости замкнутой системы при нескончаемом коэффициенте усиления представим её характеристический полином в виде
(5.1)
В формуле (5.1) приняты последующие обозначения:
ai, bi — коэффициенты, выражающиеся через характеристики системы.
В согласовании с критериями М. В. Меерова при n — m = 1 система сохраняет устойчивость при постоянно, при n — m = 2 при соблюдении неравенства а в случае n — m 3 при система не сохраняет устойчивость.
Набросок 5.3 — Контур регулирования тока с релейным регулятором тока
Р — регулятор тока;
kрт — передаточная функция регулятора тока;
uзт — сигнал задания тока фазы;
i — ток фазы;
ko — коэффициент оборотной связи
На рисунке 5.2 представлен контур регулирования тока, в прямом канале которого имеется звено Р. Его черта вход-выход имеет вертикальный участок, эквивалентный нескончаемому усилению, а выходной сигнал u ограничен по модулю значением um. Если обозначить через коэффициент усиления звена Р, то можно передаточную функцию контура представить в виде
.
Разумеется,
,
и характеристики контура не зависят от характеристик звена W(p). Так, при получим , n = 1, m = 0, n — m = 1, и система устойчива при .
Потому что все условия для внедрения релейного регулятора соблюдаются, реализуем регулятор тока релейным элементом с очень допустимым отклонением фактического тока фазы от тока задания равным 0,05А (1% от номинального тока 5,5 А).
]]>