Přednášky: Elektromechanické akční členy (2-0-2) 1. Řízený pohyb v mechanických soustavách Všeobecně, motiv, princip. Zdroje zobecněných sil v mechanických soustavách. Přehled, typové a výkonové rozdělení 2. Měniče výkonu Základy přenosu výkonu, ideální nesetrvačný převodník, jednoduché příklady převodníků bez akumulace energie a s akumulací energie, popis, modely. 3. Elektro-mechanické měniče výkonu- I Otočné systémy s více vinutími. Princip stroje s mechanickým komutátorem 4. Elektro-mechanické měniče výkonu- II Stejnosměrný stroj. Představení základního uspořádání, základní vlastnosti. Rovnice. Dynamický model. Dynamometrické měření. Řízení momentu a rychlosti 5. Elektro-mechanické měniče výkonu- III Synchronní stroj. Představení základního uspořádání, základní vlastnosti. Rovnice. Dynamický model. 6. Elektro-mechanické měniče výkonu- IV PMSM. Řízení momentu a rychlosti. Krokový motor. 7. Elektro-mechanické měniče výkonu- V Asynchronní stroj. Představení základního uspořádání, základní vlastnosti. Rovnice. 8. Elektro-mechanické měniče výkonu- V pokračování. Dynamický model asynchronního stroje. Princip skalárního a vektorového řízení momentu 9. Elektro-mechanické měniče výkonu- V pokračování. Dvoufázový asynchronní stroj. Princip. Rozběh. Ustálený stav. 10. Principy řízení elektrické energie na vstupu elektromechanických měničů. Impulsní řízení energie. Princip. Prvky (spínače). PWM. Příklady. 11. Snímače a převodníky při řízení pohybu. Vzorkování v čase a amplitudě. Vliv na řízení pohybu. Příklad ss. motoru, PSMS. 12. Elektro-mechanické měniče výkonu -Aplikační příklady Řízení pohybových stavů mechanické soustavy s jedním stupněm volnosti pomocí ss stroje. Kaskádní struktura polohového servopohonu 13. Elektro-mechanické měniče výkonu -Aplikační příklady Řízení pohybových stavů mechanické soustavy s jedním stupněm volnosti pomocí PMSM. Časově optimální řízení pohybu. Aktivní tlumení. 14. Elektro-mechanické měniče výkonu -Aplikační příklady Model pohybových stavů mechanické soustavy s dvěma stupni volnosti s vzájemně závislými pohyby. Řízení pohybu. Úředníček: Akční členy 1
Cvičení (Variantně s výukovým systémem Lucas Nülle nebo bez něj): 1. Principy řízení elektrické energie na vstupu elektromechanických měničů. Impulsní řízení energie. Simulační cvičení pomocí simulačních modelů. Spínání, Různé typy PWM. Spektrální obsah. Příklady. 2. Elektro-mechanické měniče výkonu- I Komutátorový stroj. Představení základního uspořádání,princip, základní vlastnosti. Generování statorového pole. Experiment: Permanentní magnet v statorovém poli 3. Elektro-mechanické měniče výkonu- I pokračování. Komutátorový stroj. Konstrukce: Stator. Měření odporu budícího vinutí. Rotor (kotva). Měření odporu kotvy. Komutátor a kartáče. Měření odporu uhlíků 4. Elektro-mechanické měniče výkonu- I pokračování. Komutátorový stroj. Obvodová schémata. Derivační, cize buzený, sériový a kompaundní stroj. Charakteristiky a provozní stavy. Měření rychlosti otáčení 5. Elektro-mechanické měniče výkonu- I pokračování. Komutátorový stroj. Řízení komutátorových strojů. Rozběh, doběh, brzdění 6. Elektro-mechanické měniče výkonu- II. Trojfázové stroje. Úvod. Komponenty (stator, rotor), magnetické pole, Experiment: Magnetické siločáry, síly, vznik momentu. Rotace perm. magnetu v magn. poli. Experimenty. Rotující magnetické pole. Experimenty. Počet pólových párů. 7. Elektro-mechanické měniče výkonu- II. Trojfázové stroje. Zapojení do hvězdy a trojúhelníka. Měření trojfázového motoru zapojeného do trojúhelníka a hvězdy. Generátory. Měření generátoru. 8. Elektro-mechanické měniče výkonu- III. As. motor s kotvou nakrátko. Kotva nakrátko (klecový rotor). Skluz. Moment. Experiment frekvenční závislost proudu. Řídící charakteristiky. Měření. Reverzování směru otáčení. Měření 9. Elektro-mechanické měniče výkonu- III. As. motor s kotvou nakrátko Charakteristiky. Dynamometrické měření. Rozdíl mezi charakteristikami a dynamickým modelem. Simulační experimenty. 10. Elektro-mechanické měniče výkonu- IV. Kondenzátorový motor. Vznik rotujícího pole. Zapojení a rozběh. 11. Elektro-mechanické měniče výkonu- V. Asynchronní stroje kroužkové. Konstrukce. Stator, rotor. Kroužkové stroje.princip činnosti. Změna rychlosti. Experimenty 12. Elektro-mechanické měniče výkonu- V. Synchronní stroje kroužkové. Konstrukce a princip činnosti. Buzení. Princip změny rychlosti. Měření 13. Elektro-mechanické měniče výkonu- VI. Reluktanční stroje. Princip činnosti.činnost při rozběhu a při zátěži. Měření 14. Elektro-mechanické měniče výkonu- VII. Krokové motory. Oblasti aplikací. Typ krokových motorů. Řízení krokových motorů. Operační režimy- režim s plným krokem (měření), s polovičním krokem (měření). Regulace proudu- měření Polohování- měření Úředníček: Akční členy 2
I. Řízený pohyb v soustavách s mechanickými podsystémy I.1. Všeobecně, motiv, princip. Řízený prostor Akční členy Obr.I.1 Jednoduchá presentace systému s podsystémem s nenulovou klidovou hmotou (mechatronického systému) (Obr. I.1.) naznačuje, že cílem každého pohybového systému je vytvoření fyzikálního jevu mechanický pohyb. Vlastní jev může být kvantifikován pomocí veličin jako je rychlost, poloha, zrychlení, síla a zprostředkovaně například pomocí rozlišovací schopnosti a opakovatelnosti polohy řízené např. motorem (?) a ozubeným řemenem. Kvalita výstupu systému jako celku může být nakonec ohodnocena pomocí kriterií, která jsou zajímavá pro uživatele, jako je např. kvalita kreslení a čitelnost tisku kreslícího zařízení (plotter). Termín primární zdroj výkonu budeme rezervovat pro ta zařízení nebo systémy, která konvertují chemickou energii paliva nebo přirozeně se vyskytující zdroje výkonu jako je vítr a voda na mechanický pohyb (a ten pak pohodlně na elektrickou formu energie). Příkladem je parní turbína a vznětové motory. Většina průmyslových aplikací je však alespoň jednou etapou transformace primární energie na elektrickou formu výkonu, která je nejpohodlněji použitelná. S elektrickým motorem jako častým prostředkem sloužícím na konečnou transformaci na mechanickou formu energie. Ale velkou důležitost má dnes druhá mezilehlá forma přeměny energie a to jsou hydraulické a pneumatické systémy, které mohou mít významný vliv na výslednou efektivitu strojů nebo zařízení. Například se může při určitých aplikacích ukázat, že vzduchový válec nabízí efektivní prostředek polohování zátěže a že je dobrý důvod jej použít. Nicméně, při návrhu celého systému je třeba být opatrný a započítat do celkových výkonů i ztráty vznikající v soustavě při přeměně energie v elektrickém pohonu pohánějícím kompresor, v kompresním procesu, v rozvodu stlačeného vzduch a nakonec i při samotném řízení vzduchového válce. Efektivita a účinnost mohou být nakonec oceněny podle různých kriterií a účinnost využití dané přeměny energie může mít nakonec menší důležitost než operační efektivnost. Například rychlost nebo přesnost polohování- zvláště je-li činnost systému přerušovaná. Úředníček: Akční členy 3
Obr.I.2 Úředníček: Akční členy 4
Rozsah akčních členů mechatronických systémů je na Obr.I.2.. Na první pohled je vidět, že přehled vhodných zařízení pro přeměnu energie a je doprovázejících měničů pohybu (neboli systémů pro přenos mechanické energie) je ve své komplexnosti zmatený a je složen ze systémů zásadně různých konfigurací zřejmě připravených sloužit stejnému účelu. V systémech s řízením mechanického pohybu je většina snímacích a řídicích funkcí aplikovaná na relativně málo řízených veličin. Jsou to: Mechanické systémy: Síla, kroutící moment, translační poloha nebo natočení, rychlost, Elektrické systémy: Napětí, proud, Hydraulické systémy: Průtok tekutiny, tlak. Je tedy přirozené- chceme-li pohyb jako výstup ze systému nebo představuje-li splnění našeho požadavku na systém- začít úvahy o pohonech a akčních členech klasifikaci způsobů produkce pohybu. Základní dělení je na rotační a translační zařízení s případnými přidanými měniči pohybu jako jsou převodovky nebo ozubení a pastorek. Kriteria výběru jsou nejdříve založena na: Velikosti a rozsahu parametrů, které mají být řízeny. Druhotně, ale významně, je třeba uvažovat s rozměrem, váhou, cenou, přesností, rozlišovací schopností, rychlostí odezvy. Obr.I.2. představuje přehled tohoto dělení. I.2. Zdroje zobecněných sil v mechanických soustavách. Přehled, typové a výkonové rozdělení Výše uvedený přístup může být zjednodušen pomocí obrázků, kde jsou ukázány aplikační oblasti pro jednotlivé výkony, energie nebo typy zařízení pro konverzi pohybu podle základních parametrů. Tyto obrázky vychází z údajů o výrobním sortimentu: zařízení měnící energii- translační. Založené na produkci síly a řídící translační rychlost. zařízení měnící energii- rotační. Založené na produkci momentu a řídící úhlovou rychlost. Měniče pohybu. Založené na změně vstup/výstupní rychlosti nebo směru. Tyto obrázky mohou být v dalším použity jako základní orientace. Úředníček: Akční členy 5
Obr.I.3. Měniče: Nějaká energii mechanická translační Úředníček: Akční členy 6
Obr.I.4. Měniče: Nějaká energii mechanická rotační Úředníček: Akční členy 7
Obr.I.5. Měniče mechanického pohybu Úředníček: Akční členy 8
I.3. Příklady Obr.I.6. Příklad elektrického pohonu Obr.I.7a Řízení rychlosti (případně dráhy) kolejového vozidla Obr.I.7b Mechanický přenos síly pro kolejové vozidlo Úředníček: Akční členy 9
Obr.I.8b. Princip ventilu klapka-tryska Obr.I.8a. Elektro hydraulický servo ventil řízený klapkou (Moog Controls) Obr.I.9. Elektro hydraulický akční člen pro regulaci polohy (Sacol Powerline) Úředníček: Akční členy 10
Obr.I.10. Robot typu SCARA (ZTS) Obr.I.11. Robot ASEA Úředníček: Akční členy 11
Obr.I.12. Stříkací robot s hydraulickými pohony (Armaturka Myjava) Obr.I.13. Kráčející robot Sherpa (ULB Brusel) Obr.I.14. Kráčející robot hexapod (ULB Brusel) Úředníček: Akční členy 12
Obr.I.15. Modulární robotický systém (Crocus) Úředníček: Akční členy 13
Úředníček: Akční členy 14