Дипломная (вкр): Микропроцессорное устройство управления скоростью и нагружением обкаточного испытательного стенда

Микропроцессорное устройство управления скоростью и нагружением обкаточного испытательного стенда

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

.1 Проблема ускоренных испытаний пневматических шин

.2 Обзор современных стендов для динамических испытаний пневматических шин

.3 Микропроцессорное управление устройствами силовой электроники

.3.1 Современное состояние и перспективы развития

.3.2 Основные алгоритмы цифрового автоматического управления

.3.3 Применение микроконтроллеров и DSP-процессоров ведущих производителей для управления устройствами силовой электроники

.4 Методы управления электроприводом

.4.1 Структурная схема скалярного управления

.4.2 Структурная схема векторного управления

.5 Выводы и постановка задачи

. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

.1 Математическое описание обобщенной асинхронной машины

.2 Асинхронная машина с короткозамкнутым ротором

.3 Анализ асинхронной машины с короткозамкнутым ротором

.3.1 Анализ АКЗ в неподвижной системе координат

.3.2 Анализ АКЗ во вращающейся системе координат

.4 Частотная асинхронная система с векторным управлением

.5 Выводы по главе

. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ И НАГРУЖЕНИЕМ

.1 Структурная схема системы управления стендом

.2 Функциональная схема управления скоростью

.3 Принципиальная схема устройства управления скоростью

.3.1 Выбор измерительных датчиков для управления скоростью

.3.2 Выбор микроконтроллера для реализации векторного управления АД

.3.3 Разработка блока последовательного канала связи

.3.4 Схема управления трехфазным асинхронным двигателем

.5 Принципиальная схема устройства управления нагружением

.5.1 Схема управления драйвером шагового двигателя

.5.2 Выбор измерительных датчиков для управления нагружением

.6 Выводы по главе

. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТЕНДОМ

.1 Программное обеспечение пульта управления стендом

.2 Программное обеспечение микроконтроллера, управляющего скоростью

.3 Программное обеспечение микроконтроллера, управляющего нагружением

.4 Выводы по главе

. ОЦЕНКА СТОИМОСТИ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫМ СТЕНДОМ

. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ТРУДА ПРИ РАБОТЕ НА ИСПЫТАТЕЛЬНОМ СТЕНДЕ

.1 Классификация опасных и вредных производственных факторов

.2 Опасные и вредные производственные факторы возникающие при работе на испытательном стенде

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данном дипломном проекте разработана микропроцессорная система управления стендом для динамических испытаний пневматических шин. Данная система получает входные данные от пульта управления (персональный компьютер), которые обрабатываются управляющими микроконтроллерами и воздействуют на асинхронный электропривод и шаговый электропривод.

Разработанное устройство обрабатывает поступающую входную информацию в импульсном (дискретном) виде, характеризуется достаточно большой стандартностью составляющих компонентов, гибкостью реализации программных алгоритмов, надежностью, реализуемую как программными методами, так и аппаратными, малыми габаритами и невысокими расходами на обслуживание.

Внедрение данной системы позволит повысить производительность ускоренных испытаний, снизить трудоёмкость и улучшить условия труда оператора за счёт автоматизации процесса испытаний, повысить точность воспроизведения задаваемых режимов испытаний.

В экономической части дипломного проекта произведен расчет затрат на проектирование и разработку как аппаратной, так и программной части устройства.

В разделе охраны труда произведен анализ опасных и вредных производственных факторов при работе на испытательном стенде, разработаны меры по снижению их воздействия на оператора.

ВВЕДЕНИЕ

Безопасность движения многих видов наземного транспорта (автомобилей, тракторов, комбайнов, дорожностроительных машин и др.) и самолётов в значительной степени определяется совершенством и прочностью применяемых в них пневматических шин, являющихся одним из основных элементов ходовой части. В процессе эксплуатации шины обеспечивают сцепление колёс с дорогой, передачу тяговых и тормозных сил, смягчение возникающих при движении толчков, ударов и вибраций, плавность хода, управляемость и безопасность движения.

Большое внимание, уделяемое повышению надежности и качества пневматических шин, продиктовано постоянно возрастающими требованиями к безопасности движения транспортных средств, важным элементом ходовой части которых они являются. Поэтому шины постоянно совершенствуются в направлении применения современных материалов, увеличения прочности корда и улучшения его связи с резиной, что, в свою очередь, способствует повышению стойкости шин к повреждениям, улучшению их тягово-сцепных свойств, снижению теплообразования и сопротивления шины качению и, как следствие, повышению безопасности эксплуатации транспортных средств.

Актуальная задача обеспечения требуемой надежности пневматических шин может быть решена при использовании эффективных средств для проведения стендовых натурных испытаний шин, в том числе статических и динамических испытаний, обеспечивающих определение таких характеристик шины, как динамический радиус, срок службы при работе в различных скоростных режимах с максимально допустимой нагрузкой на шину, сопротивление шины качению, влияние нагрева на эксплуатационные характеристики шины и др. При проведении статических испытаний определяются геометрические параметры и весовые характеристики, деформация шины при её обжатии нормальной силой, реакция шины на воздействие крутящего и поворотного моментов и др.

Динамические испытания шин в режиме ведомого колеса проводятся на специальных обкаточных стендах, основной составной частью которых является беговой барабан, приводимый в движение электроприводом.

В стендах устаревшей конструкции, эксплуатируемых и сегодня на предприятиях шинной промышленности, вращение бегового барабана осуществляется электроприводом постоянного тока.

Однако в настоящее время существует тенденция массового перехода от использования приводов постоянного тока к частотно-управляемому приводу переменного тока. Это связано с бурным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники и резким снижением стоимости электронных компонент. Данное направление весьма перспективно, благодаря отработанной технологии изготовления машин переменного тока, их невысокой стоимости, меньшим массогабаритным показателям, по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), отсутствию щеточного узла, экономичности, возможности эксплуатации во взрывоопасных средах и пр.[11]

За последние двадцать лет произошли качественные изменения в структуре электропривода, связанные в первую очередь с переходом на новую элементную базу построения силового канала (IGBT- транзисторы, интеллектуальные силовые модули IPM) и новую элементную базу канала управления - высокопроизводительные микроконтроллерные системы прямого цифрового управления оборудованием. Речь идет не только о прямом управлении ключами силовых преобразователей, но и о прямом сопряжении с широкой номенклатурой датчиков обратных связей (положения, скорости, ускорения), а также с элементами дискретной автоматики (релейно-контакторной аппаратурой, дискретными датчиками и дискретными исполнительными устройствами). Область управления двигателями и силовыми преобразователями стала ярким примером быстрой адаптации процессорной техники к задачам предметной области. Функции прямого цифрового управления в современных приводах реализуются за счет использования специализированных периферийных устройств, интегрированных непосредственно на кристалл микроконтроллера и не требующих дополнительных развитых средств сопряжения, а также за счет высокопроизводительной архитектуры и системы команд центрального процессора, позволяющей решать большинство типовых задач управления двигателями программным способом (регуляторы, наблюдатели, преобразователи координат и т.п.). [13]

Целью дипломного проекта является разработка микропроцессорного устройства осуществляющего управление обкаточным стендом для динамических испытаний пневматических шин. В данном стенде для управления скоростью вращения бегового барабана использован асинхронный частотно-управляемый электропривод, а для управления нагружением испытываемой шины применен шаговый электродвигатель, что в совокупности обеспечивает высокую точность регулирования заданной скорости вращения бегового барабана и нагрузки на испытываемую шину.

Исходным стендом для автоматизации является реально существующий стенд для исследования динамических параметров пневматических шин, принадлежащий институту механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1 Проблема ускоренных испытаний пневматических шин

процессор асинхронный микроконтроллер силовой

Пневматическая шина является одним из важнейших элементов динамической системы, которую представляет собой автомобиль, и во многом определяет ее качество. Шина является тем передаточным звеном, которое связывает несущую раму автомобиля с дорогой и передает на нее кинематическое воздействие неровностей дорожного полотна.

В тормозном режиме пневматическая шина нагружается не только радиальной силой, но одновременно с радиальной на нее воздействуют продольные силы, что существенно сказывается на проявлении преобразующих свойств шины и их влиянии на колебания автомобиля.

Поэтому, большое внимание уделяется повышению надежности и качества пневматических шин. Задача обеспечения требуемой надежности пневматических шин может быть решена при использовании эффективных средств для проведения стендовых натурных испытаний шин. Так статические и динамические испытания, обеспечивают определение таких характеристик шины, как динамический радиус, срок службы при работе в различных скоростных режимах с максимально допустимой нагрузкой на шину, сопротивление шины качению, влияние нагрева на эксплуатационные характеристики шины и др.

Динамические испытания шин в режиме ведомого колеса проводятся на специальных обкаточных стендах, основной составной частью которых является беговой барабан, приводимый в движение электроприводом.

Одним из таких стендов является стенд принадлежащий институту механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси представленный на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Исходный стенд динамических испытаний автомобильных пневматических шин

Стенд состоит из бегового барабана, приводимого в движение через зубчатую передачу асинхронным электроприводом. Нагружение шины осуществляется с помощью механических грузов, подвешенных на тросе через рычаг и воздействующих на ось обода, на котором смонтирована испытываемая шина.

Реализованный таким образом способ нагружения шины не позволяет изменять величину воздействующей на шину нагрузки в процессе испытания (доступ к стенду во время испытаний воспрещен) и осуществлять отвод обода, на котором смонтирована шина, от поверхности барабана после ее разрушения. К недостатком данного стенда относится недостаточная надежность устройств передачи момента от двигателя на ось бегового барабана и отсутствие системы измерения нагрузки на шину, которая определяется количеством задействованных при испытании грузов.

Все силовые механизмы и узлы крепятся на станине, при этом барабан и система нагружения изолированы от внешней среды герметичной камерой.

1.2 Обзор современных стендов для динамических испытаний пневматических шин

Динамические испытания шин в режиме ведомого колеса проводятся на специальных обкаточных стендах, основной составной частью которых является беговой барабан, приводимый в движение электроприводом.

В стендах устаревшей конструкции, эксплуатируемых и сегодня на предприятиях шинной промышленности, вращение бегового барабана осуществляется электроприводом постоянного тока.

Однако в настоящее время существует тенденция массового перехода от использования приводов постоянного тока к частотно-управляемому приводу переменного тока. Это связано с бурным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники и резким снижением стоимости электронных компонентов. Данное направление весьма перспективно, благодаря отработанной технологии изготовления машин переменного тока, их невысокой стоимости, меньшим массогабаритным показателям, по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), отсутствию щеточного узла, экономичности, возможности эксплуатации во взрывоопасных средах и пр.

Для передачи момента от двигателя на ось бегового барабана в стендах устаревшей конструкции используется ременная или зубчатая (редуктор) передача, а нагружение шины осуществляется с помощью механических грузов, подвешенных на тросе через рычаг и воздействующих на ось обода, на котором смонтирована испытываемая шина. Реализованный на таких стендах способ нагружения шины не позволяет изменять величину воздействующей на шину нагрузки в процессе испытания (доступ к стенду во время испытаний воспрещен) и осуществлять отвод обода, на котором смонтирована шина, от поверхности барабана после ее разрушения. К недостатком используемых стендов, кроме того, следует отнести недостаточную надежность устройств передачи момента, от двигателя на ось бегового барабана и отсутствие системы измерения нагрузки на шину, которая определяется количеством задействованных при испытании грузов.

Современные стенды для создания радиальной нагрузки на шину используют силовой гидроцилиндр, управляемый сервоклапаном, а измерение нагрузки на шину - датчиком силы с электрическим выходом.

Сервогидравлический следящий привод таких стендов, с одной стороны, обладает высокой точностью воспроизведения и поддержания заданного значения нагрузки на шину, но с другой стороны, его отличают определённая сложность и значительная стоимость, жёсткие требования к чистоте рабочей жидкости и необходимость её охлаждения и, как следствие, высокие требования к квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, стенды с гидравлическим или сервогидравлическим приводом имеют значительные габаритные размеры, определяемые наличием силового гидроцилиндра и насосной станции.

Одним из таких современных стендов является стенд СО2-100 разработанный в 2007 г. В ОАО «СКИБМ» (г. Армавир) представленный на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - внешний вид СО2-100

Данный стенд обеспечивает:

·      программное изменение скорости вращения бегового барабана и нагрузок, воздействующих на испытываемые шины;

·        измерение линейной скорости вращения бегового барабана;

·        измерение динамических радиусов испытываемых шин;