Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения

Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения

36

Министерство науки и образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

Кафедра «Проектирование автоматизированных комплексов»

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

по направлению 550200 «Автоматизация и управление»

на тему: «Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения».

Пояснительная записка к ВКР: с, рисунков, источников.

Ключевые слова: тепловизионная система, автосопровождение, электропривод, горизонтальное наведение, кинематические параметры, исполнительный двигатель, математическая модель, синтез, трехпозиционное управление, автоколебания, моделирование, частотные характеристики, переходный процесс, исполнительный механизм.

В данной выпускной квалификационной работе спроектирован замкнутый по скорости исполнительный привод горизонтального наведения тепловизионной системы автоматического сопровождения целей типа вертолёт и танк, размещенный на неподвижном основании. Проведены расчёты кинематических и энергетических характеристик исполнительного механизма, выбран исполнительный двигатель постоянного тока ДП 90-60, рассчитано передаточное число редуктора, параметры математической модели. Проведён синтез трехпозиционный автоколебательной системы управления привода и определены основные динамические характеристики методом математического моделирования. Разработана кинематическая схема исполнительного механизма и рассчитаны её основные конструктивные параметры.

Содержание.

• Введение. 4
• 1. Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения 9
• 1.1. Расчет кинематических характеристик 9
• Выбор режимов работы привода 9
• 1.2 Расчет энергетических характеристик исполнительного механизма 13
• 1.3 Выбор передаточного числа редуктора. Определение располагаемых 16
• кинематических характеристик. 16
• 1.4 Расчет зон сопровождения цели. 18
• 1.5 Расчет параметров матмодели исполнительного двигателя и статических характеристик. 20
• 1.6 Синтез замкнутого по скорости привода и определение его характеристик 24
• 1.6.1 Выбор закона управления. 24
• 1.6.2 Результаты математического моделирования. 28
• 2. Разработка кинематической схемы редуктора. 32
• Заключение. 39
• Список литературы 41
• Приложение………………………………………………………………………...42

Исполнительным элементом тепловизионной системы сопровождения цели, работающей на неподвижном основании, является замкнутый по скорости привод.

Исполнительный механизм привода должен преодолевать имеющуюся на выходном валу нагрузку и развивать скорости и ускорения, обеспечивающих слежение за входным управляющим воздействием.

Анализ кинематических характеристик является важным этапом процесса проектирования, который нужно проводить непосредственно после выявления технических требований к приводу. Значения скоростей и ускорений, которые может развивать реальный привод, ограничены по величине.

Если требуемые скорость и ускорение выше тех значений, которые способен обеспечить привод, то попытки получить удовлетворительное функционирование привода введением каких - либо корректирующих устройств будут бесполезны, никакая система управления исполнительным двигателем не может обеспечить требуемые моменты и скорости, если они не заложены в самой конструкции исполнительного механизма.

Расчет позволяет определить угловые скорость и ускорение привода, а также моменты времени, когда они достигают экстремальных значений. Исходными данными для расчета являются закон движения цели и его параметры. В практике следящих систем часто реализуется закон равномерного прямолинейного движения, характеризующийся постоянным значением линейной скорости цели.

- расстояние от начала координат до объекта слежения.

- проекция на горизонтальную плоскость.

- проекция на ось X.

Нумерацию формул

(2)

(3)

(4)

- скорость цели;

- начало слежения;

- текущее время слежения;

- параметр (расстояние между двумя параллельными курсами);

- высота цели;

Определим кинематические характеристики горизонтального канала:

(5)

(6)

, (7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Угловые скорости и ускорения определены для скоростей цели V=100м/с (вертолёт) и V=20м/с (танк) для диапазонов изменения параметров p=0,1-2 км, H=5-50 м, Dн=0-8 км, Dг=0-6 км. Потребные значения скоростей и ускорений определялись до курсовой дальности 500 м.

Все расчеты выполнены с помощью Microsoft Excel и приведены в приложении.

При сопровождении цели до курсовой дальности 500м максимальные значения кинематических параметров на различных траекториях наблюдаются для вертолёта, движущегося со скоростью 100 м/с, и составляют (таблица 1):

Таблица 1

Рис. 2. - Значения скорости и ускорения вертолёта.

Максимальные значения кинематических параметров наблюдаются в двух режимах:

- при p = 0,5 км ,;

- при р = 0,3 км , .

По сравнению с системами, работающими в режиме ШИМ, автоколебательные системы имеют больший коэффициент усиления разомкнутого контура, т.к. для обеспечения захвата контура вынуждающими колебаниями при работе в режиме широтно-импульсной модуляции необходима амплитуда их примерно в 2 раза больше амплитуды автоколебаний, что приводит к уменьшению эквивалентного коэффициента усиления релейного усилителя.

Положительные свойства автоколебательных систем проявляются, если параметры автоколебаний (амплитуда и частота) не вызывают существенного нагрева двигателя в процессе работы.

При проектирования двухпозиционной автоколебательной системы реализация этого требования приводит к постановки в цепь якоря двигателя дополнительной индуктивности - дросселя увеличивающего электромагнитную постоянную двигателя. Использования трехпозиционного колебательного режима позволяет снизить рабочие токи системы (улучшить, таким образом, тепловой режим) и получить более высокие динамические и меньшие массогабаритные характеристики по сравнению с двухпозиционным режимом. Поэтому трехпозиционный режим несмотря на большую сложность радиоэлектронную аппаратуру является предпочтительным. При выборе параметров автоколебаний будем учитывать диапазон частот управляющего воздействия, частоты упругих автоколебаний двух массовой системы “двигатель-тахогенератор”, возможное увеличение амплитуд автоколебаний по 3 и 5 гармоникам. В трехпозиционном режиме длительность управляющего импульса должна быть меньше 1800 но больше 200-300(при этом автоколебания не стабильны), ток якоря не должен превышать номинальные значения. Синтез привода осуществляется в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 9 В состав структурной схемы электронного усилителя входят:

- фильтр, стабилизирующий частоту автоколебаний

(31)

(32)

- паразитная постоянная времени, проявляющаяся при практической реализации колебательного звена.

- фильтр, формирующий закон управления

(33)

Изодромное звено реализует интегрально-пропорциональный закон управления и обеспечивает высокое быстродействие пропорционального и точность интегрального регулирования.

- фильтр логического устройства (ЛУ)

Логическое устройство реализует трехпозиционный режим регулирования и включает фильтр - фазоопережающее звено (или два фильтра с различными передаточными функциями в двух ветвях логики) и два двух позиционных релейных элемента суммирование сигнала которых позволяет получить третью позицию.

(34)

К фильтрам ЛУ предъявляются следующие требования:

- на частоте автоколебаний фазовые сдвиги фильтров должны обеспечивать заданную величину управляющего импульса;

- на рабочих частотах (0-20 Гц) фильтры не должны вносить амплитудных и фазовых искажений;

- на частоте автоколебаний необходимо обеспечить минимальный подъём высших гармоник и шумов;

- для обеспечения стабильности параметров фильтров в процессе эксплуатации в диапазоне возможных частот автоколебаний (200-1000) Гц фильтры должны иметь пологую фазовую характеристику.

Процесс проектирования фильтров является итерационным, параметры фильтров уточняются при математическом моделировании.

Кинематическая схема представляет собой схему механизма, состоящего из ряда звеньев, соединенных между собой кинематическими парами, обеспечивающими одну или две степени свободы вращения одного звена относительно другого.

В кинематической схеме звенья изображаются в виде стержней, не отображающих их конструкцию.

Редуктор представляет собой передачу, понижающую угловую скорость.

Выбор вида передачи и разработка оптимальной кинематической схемы зависит от предъявляемых требований:

надежность;

долговечность;

точность;

малое сопротивление движению;

минимальный момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя;

компактность конструкции;

технологичность;

небольшая стоимость.

Как правило, механическая передача привода разделяется на две части: редукторную, заключенную в корпус редуктора, и выходную, представляющую собой пару зубчатых колес с ведущей шестерней на выходе редуктора и ведомым зубчатым венцом на кольцевой опоре.

Число ступеней зубчатой передачи может быть определено по формуле:

(36)

Зубчатые передачи в ненагруженных цепях в первую очередь должны отвечать требованию постоянства передаточного числа в любой момент времени, или иначе - равномерности и плавности вращения при отсутствии в передаче люфта. Чтобы достичь быстрой приработки сопряженной пары колес, выбирают q=l;2;3;4 и т.д., т.е. число зубьев большего колеса должно без остатка делиться на число зубьев меньшего колеса.

В нагруженных (силовых) передачах с переменным моментом нагрузки рекомендуется брать передаточные числа в виде дроби, у которой числитель и знаменатель - числа, не имеющие общих множителей:

q=25/26, 30/47, 27/34 и т.д.

Передачи с таким значением q в наибольшей степени обеспечивают равномерный износ зубьев.

В приборостроении и машиностроении наибольшее распространение получило эвольвентное зацепление, при котором боковые профили зубьев образуются двумя эвольвентами.

Основные достоинства:

сохранение передаточного отношения и правильности зацепления при изменении расстояния между осями сопряженных колес;

независимость кинематики зацепления от чисел зубьев сопряженных колес;

простота изготовления зуборезного инструмента.

Передача цилиндрическими прямозубыми колесами внешнего зацепления передает движение между параллельными валами и является самым распространенным типом передачи, т.к. обладает целым рядом преимуществ: технологичность конструкции, наибольшая достижимая точность обработки колес и их монтажа, высокий кпд, небольшая стоимость .

Исходным контуром цилиндрических колес является контур прямозубой рейки:

Рис. 12 - Контур цилиндрического зубчатого колеса

угол профиля =20°;

профиль в пределах глубины захода зуба - прямолинейный;

- глубина захода ();

- модуль, мм;

- радиальный зазор;

- радиус скругления;

- шаг.

Наименьшее, свободное от подрезания число зубьев некоррегированных прямозубых колес, нарезаемых рейкой при=20° , =17.

В точных передачах рекомендуется применять колеса с числом зубьев не менее 25, т.к. при Z<25 на точность изготовления колес заметно сказываются погрешности зуборезного инструмента. Не рекомендуется применять числа зубьев, затрудняющие настройку зуборезного станка:

101,103,107,109,127,131,137,149,151,157,163,167,173,179,181,187, 191,193,197,199,202,203,206,209,211,212,214,217,221,223,227,229, 233,236,239.

Число зубьев свыше 240 рекомендуется принимать кратным 10.

Передаточное число ступени

(37)

в счетно-решающих механизмах в большинстве случаев находится в пределах 5>q>l/3 и сравнительно редко приближается к предельным значениям интервала 10-1/5. Если усилия, действующие на зубья колес, незначительны (вращение шкал, стрелок), то передаточное число в паре колес, рассчитанных на замедление (q>l), может быть неограниченно большим.

Передаточное число первой от исполнительного двигателя пары, пары колёс, незначительны (вращение шкал, стрелок), то передаточное число в паре колес, рассчитанных на замедление (q>1) может быть неограниченно большим.

Передаточное число первой от исполнительного двигателя пары колёс (быстродействующей) должно назначаться таким образом, чтобы линейная окружная скорость не превышала 3 м/с. При окружных скоростях V>6 м/с рекомендуется переходить от цилиндрических колес с прямыми зубьями к косозубым колесам.

Линейные окружные скорости колес пары равны:

, (38)

где - угловая скорость вращения двигателя и первого колеса;

- угловая скорость вращения второго колеса;

,- радиусы вращения колес.

Радиусы , пропорциональны модулям:

(39)

(40)

Назначение модулей связано с нагружением и обеспечением прочности передачи. На первых быстроходных парах модуль выбирается меньше, чем на выходных нагруженных, но с учетом обеспечения условия V<3 м/с: m=0,3-0,5.

На нагруженных выходных парах т=0,8-1,5, что позволяет обеспечить прочность передачи за счет увеличения длины и высоты зуба.

Для редукторов радиолокационных антенн ССЦ следует проводить прочностные расчеты выходных пар.

Модули цилиндрических и конических зубчатых колес назначаются по ГОСТ 9563-60:

При назначении модуля передачи 1-й ряд следует предпочитать 2-му.

Модули зубчатых цилиндрических колес для изделий радиоэлектроники следует выбирать по 1-му ряду предпочтительности:

0,3;0,5;1;2;3;5.

Основные расчетные зависимости

1. Передаточное число

(41)

- частота вращения, об/мин zi,

- числа зубьев.

2. Шаг

(42)

-модуль, мм

3. Диаметр делительной окружности

(43)

(44)

4. Диаметр окружности выступов

(45)

(46)

5. Радиальный зазор

для колес с

для колес с

6. Диаметр окружности впадин

(47)

(48)

7. Высота зуба

(49)

8. Длина зуба

(50)

нормально:

(51)

9. Расстояние между осями

(52)

Число ступеней для редуктора с передаточным числом :

Основные значение конструктивных параметров редуктора записаны в таблице 2

Таблица 2

В выпускной квалификационной работе спроектирован замкнутый по скорости исполнительный привод горизонтального наведения тепловизионной системы автоматического сопровождения целей типа вертолёт и танк, размещенной на неподвижном основании.

В качестве исполнительного двигателя выбран реверсивный, малоинерционный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов ДП 60-90-6-Р10 номинальной мощностью 90 Вт.

Передаточное число редуктора q=2880.

Располагаемые кинематические параметры составили

, ,

При потребных скоростях и ускорениях:

, .

Суммарная зона сопровождения, определяемая, главным образом, зоной по скорости, составляет:

В замкнутом по скорости приводе реализован трехпозиционный закон управления, параметры автоколебаний (записать) обеспечивают нормальный тепловой режим работы двигателя и не вызывают “размытия” линии визирования.

Параметры переходных процессов при разных амплитудах входных сигналов составляют (таблица 3):

Таблица 3

Полоса пропускания привода при 0.1 позволяет синтезировать широкополосный высокоточный позиционный (замкнутый по углу) привод или контур автосопровождения.