Математична модель мехатронного гідроприводу маніпулятора з частотним керуванням асинхронного електродвигуна

Abstract

Розглядається мехатронний гідропривід маніпулятора, в якому об’ємний насос приводиться в дію від асинхронного електродвигуна з перетворювачем частоти. Привод маніпулятора з частотним керуванням асинхронного електродвигуна дає можливість пропорційно регулювати подачу робочої рідини від об’ємного гідронасоса до гідродвигуна, оптимально виконувати робочі операції маніпулятора та економити значну кількість енергії в робочому циклі машини порівняно з традиційним дросельним керуванням. Наявність пропорційного регулювання подачі рідини та стабілізації швидкості руху маніпулятора підвищує також точність наведення його на об’єкт, покращує умови роботи оператора. Метою роботи є створення й апробація математичної моделі мехатронного гідроприводу маніпулятора з частотним керуванням асинхронного електродвигуна, яка була б придатна для імітаційного дослідження статики та динаміки приводу в програмному середовищі MATLAB Simulink. Розроблено розрахункову схема мехатронного гідроприводу маніпулятора з частотним керуванням асинхронного електродвигуна. Згідно з розрахунковою схемою та прийнятими припущеннями математична модель включає рівняння сил, що прикладені до поршня гідроциліндра; рівняння нерозривності потоків для відповідних ділянок гідроприводу; рівняння крутного моменту на привідному валу насоса; рівняння датчика головного зворотного зв’язку за частотою обертання вала насоса; рівняння суматора та рівняння, що описують роботу асинхронного електродвигуна з перетворювачем частоти. Математичну модель представлено у вигляді структурної схеми, яка наочно відображає всі зв’язки між рівняннями (розрахунковими блоками). Для імітаційного моделювання приводу в програмному середовищі MATLAB Simulink розроблена відповідна обчислювальна структура (блок-схема). Тестування цієї структури показало, що процес обчислення є стійким, а також підтверджує її працездатність.

The mechatronic hydraulic actuator of the manipulator is considered, in which the volumetric pump is driven by an asynchronous electric motor with a frequency converter. The drive of the manipulator with frequency control of the asynchronous electric motor makes it possible to proportionally regulate the flowof working fluid from the hydraulic pump to the hydraulic motor, optimally perform the working operations of the manipulator and save a significant amount of energy in the operating cycle of the machine compared to traditional throttle control. The presence of proportional regulation of fluid supply and stabilization of the speed of movement of the manipulator also increases the accuracy of pointing it at the object, improves the working conditions of the operator.The aim of the work is to create and testa mathematical model of a mechatronic hydraulic actuator of a manipulator with frequency control of an asynchronous electric motor, which would be suitable for a simulation study of statics and motive dynamics in the MATLAB Simulink software environment.The design scheme of the mechatronic hydraulic actuator of the manipulator with frequency control of an asynchronous electric motor has been developed. According to the design scheme and accepted assumptions, the mathematical model includes the equation offorces applied to the piston of the hydraulic cylinder; flow continuity equations for the corresponding sections of the hydraulic drive; equation of torque on the drive shaft of the pump; the equation of the main feedback sensor for the frequency of rotation of the pump shaft; adder equation and equations describing the operation of an asynchronous motor with a frequency converter. The mathematical model is presented in the form of a structural diagram, which clearly reflects all the relationships between the equations (calculated blocks). To simulate a drive in the MATLAB Simulink software environment, a corresponding computational structure (block diagram) has been developed. Testing of this structure has shown that the calculation process is stable, and also confirms its performance.

Рассматривается мехатронный гидропривод манипулятора, в котором объемный насос приводится в действие от асинхронного электродвигателя с преобразователем частоты. Привод манипулятора с частотным управлением асинхронного электродвигателя дает возможность пропорционально регулировать подачу рабочей жидкости от объемного гидронасоса к гидродвигателю, оптимально выполнять рабочие операции манипулятора и экономить значительное количество энергии в рабочем цикле машины по сравнению с традиционным дроссельным управлением. Наличие пропорционального регулирования подачи жидкости и стабилизации скорости движения манипулятора повышает также точность наведения его на объект, улучшает условия работы оператора.Целью работы является создание и апробация математической модели мехатронного гидропривода манипулятора с частотным управлением асинхронного электродвигателя, которая была бы пригодна для имитационного исследования статики и динамики привода в программной среде MATLAB Simulink.Разработана расчетная схема мехатронного гидропривода манипулятора с частотным управлением асинхронного электродвигателя. Согласно с расчетной схемойи принятымидопущениями математическая модель включает уравнение сил, приложенных к поршню гидроцилиндра; уравнения неразрывности потоков для соответствующих участков гидропривода; уравнение крутящего момента на приводном валу насоса; уравнение датчика главной обратной связи по частоте вращения вала насоса; уравнение сумматора и уравнения, описывающие работу асинхронного электродвигателя с преобразователем частоты. Математическую модель представлено в виде структурной схемы, которая наглядно отражает все связи между уравнениями (расчетными блоками). Для имитационного моделирования привода в программной среде MATLAB Simulink разработана соответствующая вычислительная структура (блок-схема). Тестирование этой структуры показало, что процесс вычисления является устойчивым, а также подтверждает ее работоспособность.