Підвищення динамічної точності електропривода головного руху токарного верстата

Abstract

У дисертаційній роботі вирішено наукову задачу визначення оптимальних параметрів пристрою керування для мінімізації динамічної похибки за швидкіс- тю при зміні навантаження та отриманні закономірностей впливу коефіцієнтів регулятора швидкості електропривода головного руху металорізального верста- та на значення динамічної похибки за швидкістю. Обґрунтовано вибір структури пристрою керування швидкістю привода го- ловного руху, яка забезпечує мінімізацію динамічної похибки за швидкістю та задовольняє вимогам на складність та практичну реалізацію запропонованого регулятора. Встановлено функціональні залежності впливу значень коефіцієнтів регуля- тора швидкості, що залежать від параметрів електромеханічної системи, на по- казники якості перехідних процесів, як амплітуда динамічної похибки за швид- кістю та час відновлення значення швидкості до заданого під час ударного при- кладення навантаження. Розроблено методику розрахунку значень коефіцієнтів регулятора швидкості привода головного руху, що забезпечують зменшення динамічної похибки за швидкістю на 66% та часу відновлення до заданої швидкості на 60 % у порів- нянні з існуючими та широко розповсюдженим ПІ-регулятором швидкості. Експериментально доведено працездатність запропонованого закону керу- вання та отримано підтвердження економічної доцільності від його впрова- дження в при виготовленні заготівель елементів двигунів внутрішнього згорян- ня дрібносерійними партіями у кількості 150 шт забезпечило економічний ефект у розмірі 20 тис. грн.

В диссертационной работе решена научная задача определения оптимальных параметров устройства управления для минимизации динамической ошибки по скорости при изменении нагрузки и получении закономерностей влияния ко- эффициентов регулятора скорости электропривода главного движения металл- орежущего станка на значение динамической ошибки по скорости. В отличие от существующих систем в работе предложен синтез оптимально- го регулятора скорости асинхронного двигателя с помощью методов многокри- териальной оптимизации для повышения качества работы привода главного движения токарного металлорежущего станка. Критериями качества при этом выступают минимизация динамической ошибки по скорости, время восстанов- ления заданного значения скорости вращения при набросе момента нагрузки с целью сохранения соответствующего режима резания. Синтез регулятора пред- ложено выполнять с помощью методов аналитического конструирования путем минимизации функционалов, которые отображают критерии качества выдвину- тые к системе управления. С помощью модифицированного критерия Гурвица, квадратичных инте- гральных критериев оптимальности и уравнения Винера-Хопфа были получены передаточные функции совокупности регуляторов скорости от первого до пято- го порядков. На основании сравнительного анализа переходных процессов обеспечиваемых полученными регуляторами обоснован выбор структуры управляющего устройства скоростью привода главного движения, которая обеспечивает минимизацию динамической ошибки по скорости и удовлетворя- ет требованиям сложности и практической реализуемости предложенного регу- лятора. Установлены функциональные зависимости влияния коэффициентов регуля- тора скорости, которые зависят от параметров электромеханической системы, на такие показатели качества переходных процессов, как амплитуда динамиче- ской ошибки по скорости и время восстановления значения скорости до задан- ного при ударном приложении нагрузки. Получена поверхность отзыва функции времени возврата скорости до задан- ного значении при набросе нагрузки в зависимости от коэффициентов регуля- тора скорости второго порядка, которая имеет экстремум обеспечивающий максимальное повышение динамической точности системы. Разработана методика расчета значений коэффициентов регулятора скорости привода главного движения, которые обеспечивают уменьшение динамической ошибки по скорости на на 66% и времени восстановления скорости на 60 % по сравнению с существующим и широко используемым ПИ-регулятором скоро- сти. Разработан алгоритм работы микропроцессорного модуля системы автомати- ческого управления скоростью привода главного движения на основе входной информации о задании на отработку тахограммы скорости вращения шпинделя, значений фазных токов статорной обмотки асинхронного двигателя и измерен- ной скорости вращения. Получены разностные уравнения для программной ре- ализации пропорционально-интегрального и разработанного в работе законов управления. Обоснованы требования к элементной базе для построения цифро- вой системы управления на базе автономного инвертора напряжения и микро- процессорного модуля. В лабораторных и экспериментально-промышленных условиях доказана работоспособность предложенного закона управления и по- лучено подтверждение экономической целесообразности от его внедрения в условиях мелкосерийного производства в размере 20 тыс. грн. при изготовле- нии заготовок элементов двигателей внутреннего сгорания в количестве 150 шт. Достоверность полученных результатов подтверждена отклонением резуль- татов экспериментов от математического моделирования в пределах 10%.

The scientific problem of the dynamic speed error minimization by the multicriteria optimization of the speed controller transfer function coefficients for the turning machine tool main motion drive is solved. Main motion speed control device structure is developed, which provides the minimization of the speed dynamic error and satisfies the requirements of the complexity and practical implementation of the proposed controller. Functional dependences of the speed controller coefficients on such transients quality factors as the magnitude of the dynamic error and speed recovery to a predetermined value time by the step loading condition are determined.Coefficient calculating method of the main motion drive speed controller is developed, which provides the minimization of the dynamic speed error of 2.5 times compared to existing and widely used PI speed controller. The efficiency of the proposed control law is experimentally proven and the confirmation of the implementation economic feasibility in terms of the small-scale production is received.