Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование
Подождите немного. Документ загружается.
Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование
Практика приводной техники. Том 7
62
Цикл работы тормозного резистора
[]
%23.19%100
c 3.1
c25,0
%100
t
t
%ПВ
Z
a
BW
=⋅=⋅=
Обычно далее осуществляется выбор сетевого модуля, тормозного резистора, радиатора и
сетевого дросселя. Но, так как эти компоненты будут выбраны для многоосевого приложения
вместе с модульным сервопреобразователем MOVIDIN, они выбираются после завершения
расчетов по осям X, Y и Z.
8.5 Расчет для оси Z (подъем)
Задано:
m
L
= 40 кг - суммарная перемещаемая масса;
D = 0.05 м - диаметр зубчатого колеса ременной передачи;
µ
L
= 1 - коэффициент трения;
s = 1 м - длина перемещения;
v
max
= 1.9 м/c - максимальная скорость движения;
a
max
= 10 м/c
2
- максимальное ускорение;
t
Z
= 2.8 с - время цикла;
∆s
1
=
± 0.1 мм
- погрешность механизма;
∆s
<
± 0.2 мм
- требуемая суммарная погрешность;
η
L
= 0.90 - коэффициент полезного действия механизма
8.5.1 Цикл движения
До выбора привода, необходимо определить цикл перемещения.
Рис. 60. Цикл движения
Время разгона и торможения t
a
c 19.0
10
9.1
a
v
t
2
с
м
с
м
max
max
a
===
Время движения t
С
с постоянной скоростью v
max
()
()
c
м
v
tas
t
с
М
с
М
a
c
336.0
9.1
19.0101
2
2
max
2
2
1
2
=
⋅−
=
⋅⋅−
=
Общее время движения t и время паузы t
P
ttt
ttt
ac
pz
=× + =× + =
=−= − =
2 2 0 19 0 336 0 716
2 8 0 716 2 084
.. .
.. .
c c c
c c c
8.5.2 Скорость выходного вала редуктора, передаточное число редуктора и погрешность
позиционирования
Скорость выходного вала редуктора n
об/мин 7.725c10.12
м05.0
9.1
D
v
n
1с
м
max
==
π⋅
=
π⋅
=
−
Подъем
Опускание
Практика приводной техники. Том 7
Проектирование
63
8
Передаточное число редуктора
Для обеспечения требуемой погрешности позиционирования выбран планетарный редуктор с
входной скоростью 3000 об/мин.
i
мин
мин
setp
==
3000
725 7
41
об
об
/
./
.
выбрано передаточное число i = 4
nni
*
.=⋅= ⋅725 7 2903 об / мин 4 = об
/
мин
Погрешность позиционирования (статическая)
∆s = ∆s
G
+ ∆s
M
+
∆
s
1
, где:
∆s
G
- погрешность позиционирования, определяемая погрешностью редуктора;
∆s
M
- погрешность позиционирования, определяемая разрешающей способностью
импульсного датчика;
∆s
1
- погрешность позиционирования, определяемая механизмом;
мм 0.022 мм 044.01.0
360
м05.0
360
D
s
GG
±→=⋅
π⋅
=α
π⋅
=∆
ο
οο
,
где
α
G
==601'.
ο
для стандартного планетарного редуктора (одноступенчатого),
см. PSF- каталог планетарных редукторов;
мм, 010.0
44096
м05.0
ip
D
s
M
±=⋅
⋅
π⋅
±=
⋅
π⋅
±=∆
где p = 4096 импульсов на оборот (дискретность датчика);
()()()
∆s =± +± +± =± ±0 022 0 010 01 0132.... мм мм мм мм < 0.2 мм .
Погрешность позиционирования удовлетворяет требованиям задания.
8.5.3 Момент нагрузки на выходе редуктора и выбор редуктора
Установившееся движение вверх
=⋅⋅⋅=⋅
η
⋅⋅=
2
м05.0
9.0
1
81.9кг 40
2
D1
gmM
2
1
с
м
L
Lstat
10.90 Нм
Установившееся движение вниз
=⋅⋅⋅=⋅η⋅⋅=
2
м05.0
9,081.9кг 40
2
D
gmM
2
2
с
м
LLstat
8.83 Нм
Ускорение
Mma
D
dyn L
L
м
с
1
2
1
2
40 10
1
09
005
2
=⋅ ⋅⋅= ⋅ ⋅⋅ =
max
.
.
η
кг
м
11.11 Нм
Замедление
=⋅⋅−⋅=⋅η⋅−⋅=
2
м 05.0
9.0)10(кг 40
2
D
)a(mM
2
2
с
м
LmaxLdyn
-9.00Нм
Моменты нагрузки в цикле движения
Участок ускорения при движении вверх:
MM M
dyn stat1
11
=+
= 11.11 Нм + 10.90 Нм = 22.01 Нм
Установившийся режим при движении вверх:
1
stat2
MM =
=10.90 Нм
Участок замедления при движении вверх:
MM M
dyn stat3
21
=+
= -9.00 Нм + 10.90 Нм = 1.90 Нм
Участок ускорения при движении вниз:
MM M
dyn stat5
12
=−
= 11.11 Нм - 8.83 Нм = 2.28 Нм
Установившийся режим при движении вниз:
MM
stat6
2
=−
= -8.83 Нм
Участок замедления при движении вниз:
22
statdyn7
MMM −=
= -9.00 Нм - 8.83 Нм = -17.83 Нм
Максимальный момент М
1
определяет требуемый момент редуктора М
amax
и, следовательно, его
размеры.
Выбранный редуктор - PSF 301, i = 4, М
amax
= 80 Нм. с соединительной муфтой’’EB04’’.
Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование
Практика приводной техники. Том 7
64
8.5.4 Моменты нагрузки и моменты инерции, приведенные к валу двигателя
При определении моментов, приведенных к валу двигателя, необходимо учитывать КПД редуктора,
и собственный момент инерции редуктора.
Данные редуктора (см. каталог PSF- Планетарные редукторы)
Одноступенчатый редуктор
PSF 301/ EB 04:
η
G
=
097.
Jкгм
G
*
.=⋅
−
23 10
42
(приведенный к валу двигателя)
Моменты нагрузки в цикле движения (приведенные к валу двигателя)
Участок ускорения
вверх:
MM
i
G
11
1
22 01
1
097 4
*
.
.
=⋅
⋅
=⋅
⋅η
Нм = 5.67 Нм
Установившийся
режим вверх:
MM
i
G
22
1
10 90
1
097 4
*
.
.
=⋅
⋅
=⋅
⋅η
Нм = 2.81 Нм
Участок замедления
вверх:
MM
i
G
33
1
190
1
097 4
*
.
.
=⋅
⋅
=⋅
⋅η
Нм = 0.49 Нм
Неподвижное
состояние
MM
i
42
1
10 90
1
4
*
.=⋅= ⋅ Нм = 2.73 Нм
Участок ускорения
вниз:
MM
i
G
55
1
228
1
097 4
*
.
.
=⋅
⋅
=⋅
⋅η
Нм = 0.59 Нм
Установившийся
режим вниз:
MM
i
G
66
883
097
4
*
.
.
=⋅ =− ⋅
η
Нм = -2.14 Нм
Участок замедления
вниз:
MM
i
G
77
17 83
097
4
*
.
.
=⋅ =− ⋅
η
Нм = -4.32 Нм
Неподвижное
состояние
MM
i
82
1
10 90
1
4
*
.=⋅= ⋅ Нм = 2.73 Нм
Приведенные к валу двигателя дополнительные моменты, обусловленные моментом
инерции редуктора
97.0c 19.060
29032кгм103.2
t60
n2J
M
мин
c
мин
об
24
ga
мин
c
**
G1
*
G1
⋅⋅
⋅π⋅⋅
=
η⋅⋅
⋅π⋅
=
−
= 0.38 Нм (двигательный режим)
Дополнительный момент на участках установившегося движения равен нулю
с 19.060
97.029032кгм103.2
t60
n2J
M
мин
c
мин
об
24
a
мин
c
g
**
G1
*
G3
⋅
⋅⋅π⋅⋅
=
⋅
η⋅⋅π⋅
=
−
= -0.36 Нм (генераторный режим)
Момент инерции поступательно перемещающейся массы, приведенной к валу двигателя
=
⋅⋅
π
⋅=
⋅
π
⋅=
2
“мин
об
с
м
2
“мин
c
2
*
max
2
“мин
c
L
*
L
2903
9.1
2
60
кг40
n
v
2
60
mJ
0.00156 кгм
2
.
8.5.5 Выбор двигателя и среднеквадратичный момент
При выборе двигателя должны соблюдаться следующие условия:
а)
k
J
J
j
ext
mot
=<
*
10 (соотношение моментов инерции)
Отношение момента инерции нагрузки к моменту инерции двигателя с учетом требований техники
регулирования не должно превышать 10.
Практика приводной техники. Том 7
Проектирование
65
8
б) MM
Omax
*
<⋅3
Максимальная динамическая нагрузка привода не должна превышать трехкратный номинальный
момент двигателя.
в)
MM
rms perm
<
Среднеквадратичный момент за цикл не должен превышать номинальный момент двигателя,
определяемый из его характеристик (
M
perm
определяется на основе M
O
и характеристик
двигателя).
г)
N
*
n9.0n ⋅≈
Максимальная ожидаемая скорость должна составлять 90% от номинальной для обеспечения 10%
запаса для управления.
Первоначально двигатель выбирается без учета собственного момента инерции. Выбор должен
быть подтвержден перерасчетом с учетом момента инерции двигателя.
JJJ
ext L G
***
..=+=+=0 00156 0 00023
22
кгм кгм 0.00179 кгм
2
;
=+=+= Нм 38.0Нм“67.5MMM
*
G1
*
1
*
max
6.05 Нм.
Представленный расчет является предварительной оценкой. Момент двигателя приблизительно
определяется по выражению
2
M
M
max
O
≥ . Делитель в последнем неравенстве находится на основе
опыта эксплуатации и лежит в приделах 2÷3.
Выбран двигатель:
DFY 71 MLB
Номинальные данные:
n
N
об
мин
= 3000
M
O
= 5 Нм
Jкгм
mot
=⋅
−
0 000831 10
42
.
Расчет момента нагрузки на валу двигателя за цикл с учетом момента инерции двигателя
M
Jn
t
add mot
mot
с
мин
a
об
мин
c
мин
=
⋅⋅
⋅
=
⋅⋅
⋅
=
*
.
.
.
2
60
0 000831 2903 2
60 019
133
2
π
π
кгм
с
Нм
Участок ускорения при
движении вверх:
=++=++= НмНмНмMMMM
G
mot
33.1 38.067,5
mot add
*
1
*
1
1
7.38 Нм
Установившийся режим
при движении вверх:
==
*
2
26
MM
mot
2.81 Нм
Участок замедления при
движении вверх:
=−−−=−−= Нм 33.136.049,0
mot add
*
3
*
3
3
НмНмMMMM
G
mot
-1,.2Нм
Неподвижное состояние
==
*
4
4
MM
mot
2.73 Нм
Участок ускорения при
движении вниз:
MMMM
mot
G
5
51
059 038 133=+ + = + + =
**
...
add mot
Нм Нм Нм 2.30 Нм
Установившийся режим
при движении вниз:
MM
mot6
6
==
*
-2.14 Нм
Участок замедления при
движении вниз:
MMMM
mot7
73G
432 036 133=− − =− − − =
**
...
add mot
Нм Нм Нм -6.01Нм
Неподвижное
состояние:
MM
mot8
8
==
*
2.73 Нм
Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование
Практика приводной техники. Том 7
66
Среднеквадратичный момент и средняя скорость двигателя
( )
()()()
[ ]
()
()
%25%100
8.2
19.0336.019.0
%100[%]
1091
8.2
с 336.0290319.029032
22
43.3Н )684.073.273.2336.014.281.219.001.630.220.138.7
8.2
1
1
**
2222222222
2
8
2
7
2
6
2
5
2
4
2
3
2
2
2
1
=⋅
++
=⋅
++
=
=
⋅+⋅⋅
=
⋅⋅+⋅⋅
=
=⋅++⋅++⋅+++⋅=
⋅++⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅⋅=
с
ссс
t
ttt
ПВ
включенияльностьПродолжите
с
с
t
tntn
n
Нмсм
c
tMtMtMtMtMtMtMtM
t
M
Z
aca
мин
об
мин
об
мин
об‡
Z
ca
pmotamotcmotamotpmotamotcmotamot
Z
rms
8.5.6 Проверка выбранного двигателя
Мотор-редуктор:
PSF 301 EB DY 71 MLB
Номинальные данные:
i = 4
M
amax
= 80 Нм
n
N
об
мин
= 3000
M
O
= 5 Нм
I
O
= 3.8 A
J
mot
= 0 000831
2
. кгм
Требования:
а) М
amax
> M
1
80 Нм > 22 Нм выполняется
б)
k
j
< 10
k
J
J
j
ext
mot
== =
*
.
.
.
0 00179
0 000831
215
2
2
кгм
кгм
выполняется
в)
MM
mot
O
1
3<⋅
M
M
Нм
Нм
mot
O
1
738
5
==
.
1.48 выполняется
г)
MM
rms perm
<
3.43 Нм < 5 Нм выполняется
M
perm
= 5 Нм; (режим работы S1) из характеристик при n = 1091
об
мин
д)
nn
N
*
.≈⋅09
n
n
N
об
мин
об
мин
*
.==
2903
3000
097
выполняется
Таким образом, все требования выполняются.
8.5.7 Выбор и расчет компонентов сервопреобразователя
Осевой модуль
При выборе осевого модуля должны быть приняты во внимание следующие критерии:
а)
I
I
N
msx
>
15.
Практика приводной техники. Том 7
Проектирование
67
8
Из характеристик осевого модуля, который может выдерживать 1.5-кратный номинальный ток.
A 74.3IА 61.5А 8.3
н“ 5
н“ 38.7
I
M
M
I
NO
O
mot1
max
>→=⋅=⋅=
б)
I
N
> I
Среднее значение тока
I используется для определения тепловой нагрузки модуля:
()
()()()
[]
А 34.2–Нмс684.073.273.2336.014.281.219.060130.220.138.7
с 8.2
1
Нм 5
A8.3
I
tM
t
1
M
I
I
XXmot
ZO
O
=⋅++⋅++⋅+++⋅⋅=
⋅⋅⋅=
∑
в) Проверка допустимости комбинации двигатель-ось.
Выбран осевой модуль:
MAS 51A-005-503-00
Номинальные данные:
I
N
= 5 A
Размер 2TE
Требования:
а)
I
I
N
>
max
.15
5 A > 3.74 A выполняется
б) I
N
> I
5 A > 2.34 A выполняется
в) Комбинация MAS 51A-005-503-00 с двигателем DFY 71 MLB (3000
об
мин
) в соответствии с таблицей
согласования в каталоге допустима.
Сетевой модуль
При выборе сетевого модуля должны быть приняты во внимание следующие критерии:
а) PP
DClink motmax max
≥
Максимальная мощность в промежуточном контуре должна быть больше максимально
требуемой мощности привода
Вт 2244
60
2Нм 38.72903
60
2Mn
P
мин
с
мах
об
мин
с
*
мot1
*
maxmot
=
π⋅⋅
=
π⋅⋅
=
б)
maxBmaxBRC
PP ≥
Тормозная мощность модуля должна быть больше, чем тормозная мощность привода.
Вт 16449,0
мин
с
60
2
мин
об
2903мм01,6
мин
c
60
2
nMP
L
*
mot7maxBRC
=⋅
π
⋅⋅=η⋅
π
⋅⋅=
в) PP
DClinkN
>
Номинальная мощность в промежуточном контуре должна быть больше средней мощности
привода.
Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование
Практика приводной техники. Том 7
68
()()()
[]
Вт 882
Нмс 084.273.273.2336.013.281.219.001.630.220.138.7
60
22903
c 8.2
1
P
t
60
2Mn
t
1
P
мин
с
мин
об‡
2
1
X
мин’
с
Xmot
*
2
1
Z
=
=
⋅++⋅++⋅+++
π⋅
=
⋅
π⋅⋅
⋅=
∑
Цикл работы тормозного резистора
[]
%6.25%100
c 8.2
336,0c 19.02
%100
t
tt2
%ПВ
Z
ca
BW
=⋅
+⋅
=⋅
+⋅
=
Обычно далее осуществляется выбор сетевого модуля, тормозного резистора, радиатора и
сетевого дросселя. Но, так как эти компоненты будут выбраны для многоосевого приложения
вместе с модульным сервопреобразователем MOVIDIN, они выбираются после завершения
расчетов по осям X, Y и Z.
8.6 Совместное питание для осей X, Y и Z
Если рассматривать диаграммы скорость в функции времени для всех трех осей, то становится
очевидным, что может существовать режим, когда все оси ускоряются одновременно. Мощность
источника питания должна быть рассчитана на такой режим работы. В представленной диаграмме
режимы торможения в разных осях не совпадают между собой, но при возможном аварийном
отключении все они могут тормозиться одновременно.
Рис. 61. Диаграммы скороcть в функции времени для трех осей
Расчет следует производить, исходя из коэффициента одновременности, равного 1, т.е. когда все
оси одновременно разгоняются и тормозятся. Поэтому токи и мощности должны суммироваться.
8.6.1 Сетевой модуль
При выборе сетевого модуля должны быть приняты во внимание следующие критерии:
а)
maxmotmaxDClink
PP ≥
Максимальная мощность в промежуточном контуре должна быть больше максимально
требуемой мощности всех приводов
Вт28681Вт2244Вт5131Вт 21306PPPP
ZYX
maxmotmaxmotmaxmotmaxmot
=++=++=
Ось Х
Ось Z
Ось Y
t
,
c
Практика приводной техники. Том 7
Проектирование
69
8
б) PP
BRC Bmax max
>
Тормозная мощность модуля должна быть больше, чем тормозная мощность всех приводов.
Вт16696Вт1644Вт3150Вт 11902PPPP
ZYX
maxBmaxBmaxBmaxB
=++=++=
в) PP
DClinkN
>
Номинальная мощность в промежуточном контуре должна быть больше средней мощности
привода.
PP P P
XYZ
=++= + + =2643 839 882 4364 Вт Вт Вт Вт
Выбран сетевой модуль:
MPB 51A-027-503-00
Номинальные параметры:
P
DClink
= 27 кВт
P
DClink max
= 54 кВт
P
BRC max
= 38 кВт
Ширина 4TE
Требования:
а) PP
DClink motmax max
≥
54 кВт
≥ 28.7 кВт выполняется
б) PP
BRC Bmax max
>
38 кВт > 16.7 кВт выполняется
в) PP
DClinkN
>
27 кВт > 4.4 кВт выполняется
Тормозной резистор
Критерии выбора тормозного резистора:
а)
PP
Ncdf regen
>
Номинальная мощность тормозного резистора с учетом продолжительности включения должна
быть больше, чем средняя генераторная мощность тормозного режима.
PP P P
regen regen regen regen
XYZ
=++= + +=5951 1575 822 8348 Вт Вт Вт Вт
Для проверки допустимой продолжительности включения может быть использовано
приблизительное выражение:
продолжительность включения
[]
(
)
(
)
ПВ ПВ ПВ ПВ
XYZ
%...%.=++=++=
1
3
1
3
119 19 2 25 6 18 9%
б) Проверка совместимости тормозного резистора и компонентов питания.
Выбран тормозной резистор:
BW 018-035
Номинальные данные:
P
N
= 3.5 кВт
P
N
при 25% ПВ = 10.25 кВт
Требования:
а)
PP
Ncdf regen
>
10.25 кВт > 8.3 кВт выполняется
б) совместимость по каталогу выполняется
Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование
Практика приводной техники. Том 7
70
Радиаторы охлаждения
При выборе радиаторов следует иметь в виду следующие критерии:
а) Общая ширина складывается из ширины модулей, причем считается, что нет модулей
монтируемых через стык на двух радиаторах.
б) Максимальная температура радиатора
ϑ
KK max
(80°С) не должна превышаться (с учетом
температуры окружающей среды).
Требуемая ширина:
MBP 51A-027-503-00: 4 TE
MAS 51A-060-503-00: 4 TE
MAS 51A-010-503-00: 2 TE
MAS 51A-005-503-00: 2 TE
Общая ширина: 12 ТЕ
Выбраны радиаторы:
1×DKS 09 и 1×DKS 05
Монтаж выполнен так, что с каждой стороны
модулей одно TE остается свободным.
Номинальные DKS 09 R
th
=0,17 K/Вт
данные: ширина 9 ТЕ
DKS 09 R
th
=0,17 K/Вт
ширина 5 ТЕ
Составляющие потерь мощности на радиаторе:
P
KK
- мощность радиатора;
P
VSNT
- мощность потерь в схеме переключений сетевого модуля;
P
VLO
- мощность потерь сетевого модуля;
P
VLX
У
Z
-
мощность потерь осевого модуля;
k - число осевых модулей;
I -
среднеквадратичный ток.
Расчет нагрева при температуре окружающей среды
ϑ
amb
=30°С
09KK
P =
1
2
P
VSNT
+ P
VLO
+ P
VLX
P
VSNT
= 12 Вт+ 3⋅13 Вт=51 Вт
P
VLO
=
(
)
321
А
Вт
III2 ++⋅ =2
А
Вт
⋅ (11.5 А +3.92 А+2.34 А)=35.5 Вт
ВтВтВт
Вт
P
KK
222 161 5.35
2
51
09
=++=
()
CC
КPR
ambKK
Вт
К
KKth
ο
ο
4.634.3330
4.33Вт 5.19617.0
0909
090909
=+=ϑ∆+ϑ=ϑ
=⋅=⋅=ϑ∆
(
)
ВтAAIIPPP
А
Вт
А
Вт
Z
А
Вт
YVLZVLYKK
64.8714 34.2 92.31414
05
=⋅+=⋅+⋅=+=
правильно
Рис. 62. Монтаж радиаторов
Практика приводной техники. Том 7
Проектирование
71
8
()
CC
PR
ambKK
Вт
K
KKthKK
ο
ο
7.537.2330
К 7.23Вт 64.8727.0
0505
050505
=+=ϑ∆+ϑ=ϑ
=⋅=⋅=ϑ∆
Пояснение: Объяснение используемых постоянных см. в приложении.
Требования:
а) 14 TE > 12 TE выполняется
б)
ϑϑ
KK KK
09
<
max
; 63.4°С < 80°С выполняется
ϑϑ
KK KK
09
<
max
; 53.7°С < 80°С выполняется
Кабель шины данных и сетевой дроссель
Число подключенных к сетевому модулю осевых модулей определяет длину кабеля шины данных:
1 MPB + 3 MAS → DBK03
Сетевой дроссель определяется из инструкции по монтажу и вводу в эксплуатацию.
Сетевой модуль:
MPB 51A-027-503-00
Сетевой дроссель:
ND 045-013
Номинальные данные:
I
ND
= 45 A
L
H
= 0.1 м Г
Состав
Мотор-редуктор:
Ось X: PSF 701 EB DY 112 LB
Ось Y: PSF 401 EB DY 90 MB
Ось Z: PSF 301 EB DY 71 MLB
Осевой модуль:
Ось X: MAS 51A-060-503-00
Ось Y: MAS 51A-010-503-00
Ось Z: MAS 51A-005-503-00
Сетевой модуль:
MPB 51A-027-503-00
Тормозной резистор:
BW 018-035
Радиатор:
DKS 09 и DKS 05
Сетевой дроссель:
ND 045-013
Кабель шины данных:
DBK03
Программное
обеспечение
MD_SHELL