|
Основные технические характеристики
бесконтактных тахогенераторов
Выходное напряжение, В 15—20
Коэффициент пульсаций, %, не более 1,5
Температурный коэффициент стабильности, %
К 0,02
Выше был рассмотрен принцип работы вентильного электродвигателя при неизменной частоте вращения его вала. Ее регулирование осуществляется изменением напряжения, подводимого к обмоткам статора (аналогично двигателю постоянного тока).
Силовой преобразователь, питающий вентильный двигатель в электроприводе, должен выполнять две функции: коммутатора, переключающего обмотки и поддерживающего требуемое направление вращающего момента, и регулятора напряжения, изменяющего частоту вращения двигателя.
Регулируемый электропривод подачи содержит вентильный электродвигатель и широтно-импульсный транзисторный преобразователь, включающий два блока — выпрямитель и инвертор.
Силовая часть выпрямителя (рис. 40, а) состоит из согласующего трансформатора ТС. диодов VD7 — VD12, блока конденсаторов К, разрядного транзистора VT7 и балластного сопротивления /?6, транзисторного инвертора, построенного на сило-
вых транзисторных ключах, VT1 — VT6 и обратных диодах VD1 — VD6. К выходу инвертора подключен вентильный двигатель ВД, на валу которого установлены датчик положения ротора ДПР и тахогенератор ТГ. В фазах вентильного двигателя установлены измеритель тока ИТ. Трансформатор ТС предназначен для согласования напряжения сети с номинальным напряжением вентильного двигателя.
Диоды VD7 — VD12 образуют выпрямительный мост. Конденсаторный блок К представляет собой сглаживающий фильтр и накопитель энергии (о чем будет сказано ниже).
Разрядный транзистор VT7 и балластное сопротивление ff5 служат для преобразования энергии, запасенной в конденсаторном блоке К, в тепловую. В режиме, когда электромагнитная энергия, запасенная в двигателе, передается в конденсаторный блок К, на последнем возрастает напряжение. При достижении некоторого предела включается разрядный транзистор VT7. разряжая конденсаторный блок К на балластное сопротивление R6, препятствуя тем самым дальнейшему росту напряжения.
Транзисторный инвертор играет двойную роль. Во-первых, по команде, поступающей от датчика положения ротора, подключает ту или иную фазу двигателя к источнику питания (при включении транзисторов VT1 и VT2 подключены фазы А и С, направление тока в двигателе показано сплошной линией). Во-вторых, с помощью широтно импульсного модулятора на двигателе изменяется напряжение, и таким образом поддерживается заданная его частота вращения.
Режим работы управления транзисторов при широтно-им-пульсном модуляторе может быть симметричным и несимметричным. При симметричном управлении через обмотки двигателя (фазы А и С в данном случае) протекает знакопеременный ток, так как попарно включаются транзисторы VT1 — — VT2 и VT4 — VT5. Одним из вариантов несимметричного режима переключения является случай, при котором транзистор VT2 постоянно включен, а изменение подводимого к двигателю напряжения производится переключением транзистора 1/7"/. При этом через двигатель протекает знакопостоянный ток. Однако в обоих случаях существует режим, при котором выключаются все транзисторы. При этом за счет электромагнитной энергии, запасенной в двигателе, ток протекает через фазь! А и С в том же направлении, что и до отключения транзистора, замыкаясь по цепи VD5 — К — VD4 и заряжая конденсаторный блок К (направление протекания тока показано пунктиром). Энергия передается в конденсаторный блок, и двигатель тормозится. 84
При длительном процессе торможения (большие маховые массы нагрузки) напряжение на конденсаторе может превзойти допустимый предел и вывести из строя транзисторы VT1 — VT6. Для предотвращения этого предусмотрены транзистор VT7 и балластное сопротивление Яб, назначение которых рассматривалось ранее.
Управляющая часть привода (рис. 40, б) состоит из регулятора скорости PC, датчика тока ДТ, регулятора тока РТ, широт -но-импульсного модулятора ШИМ, логического устройства ЛУ, преобразователя сигнала ПС, дискриминатора знака ДЗ.
Регулирование скорости происходит следующим образом.
Сигнал задания скорости п3 алгебраически суммируется с сигналом истинной скорости "-]-("■ Последний формируется в преобразователе сигнала ПС из напряжений бесконтактного тахогенератора ТГ с помощью датчика положения ротора ДПР (подообно разбиралось ранее). Сигналы п3 и "то суммируясь, поступают на вход регулятора скорости PC, обычно выполняемый в виде ПИ-регулятора. Так же, как и в приводах подач постоянного тока с подчиненным регулированием, выходное напряжение Upc регулятора скорости PC представляет собой входной сигнал для регулятора тока РТ, определяющий заданное значение тока (момента) по величине и по знаку. В зависимости от знака Upc дискриминатор знака ДЗ дает команду логическому устройству ЛУ на включение той или иной пары транзисторов при неизменном положении ротора (например, вместо VT1 — VT2 включаются VT4 — VT5). В результате ток, протекая по тем же фазам двигателя А и С, меняет свое направление на противоположное. Таким образом, знак сигнала Upc определяет направление вращения. На вход датчика тока ДТ поступают двуполярные сигналы, пропорциональные величине токов в фазах А и С. Зная токи в фазах А и С, путем суммирования получают ток в фазе В. Так как угол проводимости тока в каждой фазе составляет 240° эл. (имеются две паузы по 60° эл.), то для получения гладкой кривой на выходе ДТ, соответствующей постоянному вращающему моменту двигателя, по командам с ДПР суммируются соответствующие однополярные сигналы токов всех трех фаз: А, В и С (либо только положительные полуволны, либо отрицательные). Сумма заданного тока UPC и истинного тока двигателя / поступает на вход регулятора тока РТ, в данном случае выполненный в виде ПИ-регулятора. Сигнал на выходе регулятора тока [U т), суммируясь в широтно-импульсном модуляторе ШИМ с пилообразным сигналом (постоянной) частоты 1—15 кГц, образует на его выходе прямоугольные широтно-модулиро-ванные импульсы, скважность которых определяется величи-
ной сигнала £/рт. Таким образом, ирт определяет уровень напряжения, подаваемого на фазы вентильного двигателя. Логическое устройство ЛУ по сигналам, поступающим от дискриминатора знака ДЗ, датчика положения ДП и широтно-им-пульсного модулятора ШИМ, формирует импульсы управления, поступающие на базы 1—6 транзисторных силовых ключей VT1 - VT6.
Обычно подобные электроприводы содержат ряд устройств защиты: от повышения или понижения напряжения постоянного тока в силовой цепи; от понижения напряжения питания цепей управления; от перегрева двигателя; от перегрева транзисторных блоков; от неправильной коммутации фаз двигателя и тахогенератора; от несоответствия истинной скорости заданной.
Иногда в состав привода входит блок диагностики и индикации, в котором с помощью светодиодов определяются места основных видов отказов, а более подробная информация о работоспособности отдельных блоков выводится через интерфейсные устройства в ЭВМ.
Привод подачи с вентильным двигателем может иметь различные силовые схемы и алгоритмы управления. Так, силовая схема может быть бестрансформаторной, форма токов в фазах двигателя может быть синусоидальной, а не прямоугольной, системы управления могут быть с подчиненным регулированием и с релейным регулятором тока. Известны электроприводы с релейными регуляторами, работающими в режиме скольжения и т.д.
Серийно выпускаемый комплектный электропривод с вентильным двигателем отечественного производства типа ЭПБ-1 предназначен для применения в механизмах подачи станков с ЧПУ и роботов. Комплект включает блок питания, блоки регулирования (до трех) и двигатели с тахогенератором, тормозом, терморезистором, датчиком положения ротора и датчиком перемещения. В приводе применяется двигатель серии 4СХ2П.
Основные технические характеристики электропривода ЭПБ-1
Диапазон номинальных моментов, Н-м. 13—35
Максимальная скорость, об/мин 1500
Диапазон регулирования скорости 1:10 000
Полоса пропускания, Гц 100
Время пуска на максимальную скорость,с 0,1
В6
11. Электроприводы подачи с шаговыми двигателями
До недавнего времени шаговый привод широко применялся в механизмах подачи станков с ЧПУ и роботах. Это объяснялось минимальными массогабаритными параметрами и простотой системы управления по сравнению с другими видами приводов.
Усложнение алгоритмов управления приводом и возросшие требования к его точности привели к вытеснению шагового электропривода электроприводом с двигателями постоянного и переменного тока. Тем не менее в ряде случаев, когда габаритные размеры станка малы и требования к точности обработки ограничены, применяют шаговый электропривод. В состав шагового электропривода входят коммутатор и шаговый двигатель.
Шаговый двигатель представляет собой синхронную машину; имеется три разновидности шаговых двигателей: магнитоэлектрический с ротором представляет собой постоянный магнит; индукторный син-
Рис. 41- Продольный разрез двухстаторного шагового двигателя: / — ротор, 2 — подшипники, 3 — пакеты железа статора, 4 — гильза, 5 — кожух, 6 — колпак. 7 — ниппель. 8 — обмотки статора, 9 — магниты
хронныи реактивный двигатель с переменным магнитным сопротивлением; гибридный, обладающий свойствами первых двух видов двигателей.
Продольный разрез магнитоэлектрического двигателя показан на рис. 41. Обмотки размещены в статорных пакетах, набранных из листовой электротехнической стали. Эти пакеты запрессованы в гильзу 4, которая закрепляется в кожухе 5. Ротор / вращается в подшипниках 2. На роторе закреплены постоянные магниты 9.
Принцип действия шагового двигателя основан на дискретном изменении электромагнитного поля в зазоре машины путем переключения обмоток. Для импульсного возбуждения служит коммутатор, преобразующий одноканальную последовательность управляющих импульсов малой мощности в многофазную систему напряжений, приложенных к обмоткам.
На рис. 42 представлен шаговый двигатель с тремя парами полюсов на статоре [1 — 1, 2 — 2, 3 — 3) и ротор с полюсами ABCD. В зависимости от требуемого направления вращения следует подключать к источнику питания те или иные обмотки.
Рис. 42. Шаговый двигатель: а, б, в, г — фазы его работы
При протекании тока по обмотке, расположенной на полю-
сах 1—1, ротор будет расположен так, как показано на рис. 42, а. Так, для поворота ротора двигателя на угол 30° против часовой стрелки ток должен протекать по обмотке полюсов 2 — 2, по часовой — 3 — 3. При одновременном подключении обмоток полюсов / — 1 \л2 — 2 ротор повернется на 15° против часовой стрелки (рис. 42, б, в, г соответственно).
Команда на изменение напряжения подается в виде последовательности импульсов. Каждому импульсу команды соответствует угол поворота вектора двигателя на определенный угол. Количество импульсов управления определяет угол поворота ротора шагового двигателя, а частота следования — частоту вращения.
Характерная особенность шагового двигателя состоит в том, что и при неподвижном роторе (при частоте вращения, равной нулю) двигатель способен развивать момент на валу, "запоминая" тем самым конечные координаты с точностью в пределах шага.
К основным параметрам шагового двигателя относятся число фаз Ш и число тактов коммутации m"j. Число фаз определяется конструкцией, а число тактов коммутации — схемой управления. С увеличением т и Шх уменьшается шаг двигателя, а динамические параметры улучшаются. При ступенчатом изменении тока фазы двигателя число тактов коммутации гпх теоретически неограниченно возрастает (уменьшается шаг), но при этом увеличивается относительная статическая погрешность. При заданном Тп величина шага аш = ~?£, где р — число пэр полюсов активного ротора.
Важной характеристикой шагового двигателя является зависимость синхронизирующего момента от угла поворота вала двигателя в, которая имеет вид, аналогичный синхронному двигателю.
Максимальная нагрузка шагового двигателя в неподвижном состоянии ротора определяется опрокидывающим моментом, превышение которого приводит к потере управляемости привода (аварийному режиму). Опрокидывающему моменту соответствует статическая ошибка вс — ± 90 эл. относительно начала координат, проходящих через середину зубцового деления.
В процессе коммутации обмоток двигателя напряжение к ним прикладывается м.гновенно, а токи нарастают со скоростью, определяемой электромагнитной постоянной времени. Предельная величина запаздывания токов от напряжения может достигать 90 эл. Электромеханическая постоянная времени приводит к дополнительному отставанию скорости по фазе, которое может достигать 90° эл. Таким образом, суммарное
отставание по фазе может достигать 180 эл. и предельная динамическая ошибка составит 90 эл. <0Д<27О эл.
Свойства шагового двигателя как колебательной электромеханической системы характеризуются собственной частотой колебаний ротора со0:
., _ / мтахгч
где М^ах — опрокидывающий момент двигателя; Jp, JH — моменты инерции ротора и нагрузки, приведенной к валу двигателя; гч — число пар полюсов ротора.
При возмущениях, следующих с частотой импульсов управления fy, может возникнуть резонанс на частотах упоавления
f = 0,135 со0.
Кроме этой основной частоты резонанса возникают резо-нансы на частотах асо0 и Ь/со0 (а и 6 — простые целые числа, определяемые экспериментально). Наряду с вынужденными высокочастотными колебаниями возникают и низкочастотные автоколебания, как в обычной синхронной машине.
Частотой приемистости шагового двигателя fn называется максимальное значение частоты, при котором разгон из состояния покоя происходит без потери импульсов. При холостом ходе г"п = —' со0. При увеличении нагрузки частота приемистости снижается.
Предельная частота реверсов при вращении с установившейся скоростью составляет (0,4 т 0,В) г"п, а в переходных режимах — (0,2^-0,4) fn. Так как максимальная частота вращения двигателя при скачкообразном изменении частоты управляющих импульсов равна соп = аш fn, то при пуске на частоту вращения выше соп необходимо плавное (или ступенчатое) изменение частоты управляющих импульсов (так же как и торможение).
Граница режимов плавного изменения частоты управления зависит от вида предельной механической характеристики, связывающей частоту вращения с опрокидывающим моментом. Момент нагрузки должен быть меньше момента предельной характеристики на 25 — 30 %.
Обычно процесс разгона делится на две части: первоначально скачок до частоты управления f = 0,8 fn, а затем плавный разгон до fmax.
Шаговый привод представляет собой разомкнутую следящую систему: он способен отработать заданный путь без наличия датчика перемещения. Это выгодно отличает его от более сложных замкнутых систем. Вместе с тем отсутствие датчика 90
предопределяет возможность потери информации: если по какой-либо причине команда на перемещение не отработана, то привод эту команду не "запоминает".
В станках с ЧПУ применяют следующие типы шаговых двигателей: серводвигатели, силовые, линейные и плоскостные. В отечественном станкостроении получили распространение главным образом шаговые серводвигатели, которые устанавливаются в приводы подач станком с ЧПУ небольших размеров, для сверления, печатных плат, для лазерной и эрозионной обработки и т.д.
В табл. 6 приведены основные параметры шаговых двигателей.
Параметры шаговых электродвигателей определяются как их конструктивными особенностями, так и схемами управления. При заданной конструкции динамические параметры зависят от величины и скорости нарастания токов в фазных обмотках двигателя. Таким образом, коммутаторы не только усиливают и распределяют импульсы управления шагового двигателя, но и формируют требуемую форму тока его обмоток. Наряду с указанным коммутаторы могут решать и другие задачи. Так, при работе шагового двигателя на больших частотах вращения ток в фазной обмотке падает в связи с увеличением эдс вращения. Это приводит к уменьшению электромагнитного момента шагового двигателя и к ухудшению статических и динамических характеристик.
Для поддержания электромагнитного момента неизменным в коммутаторах создают либо устройства форсирования электромагнитных переходных процессов при постоянном уровне напряжения, либо строят регуляторы напряжения (тока). В целом коммутаторы для управления шаговым двигателем проще, чем электроприводы постоянного, а тем более переменного тока для механизмов подач станков с ЧПУ.
ШД-Б^М дрш-1
Таблица 6. Технические характеристики шаговых электродвигателей
Наименование параметров
Число фаз 6 6
Число тактов коммутации 12 12
Шаг 1,5 1,5
Максимальный статический синхронизирующий мо
мент при двух фазах, Н • м 0,30 0,36
Номинальный момент инерции нагрузки JH, Г-см -с 0,1 0,04
Номинальный вращающий момент Мн, И ■ т 0,06 0,10
Частота приемистости при Мн и Jw Гц 2000 2000
Продолжение табл. 6
Наименование параметров
ШД-БД1М ДРШ-1
, Гц
Максимальная частота f„
Время разгона до 16 кГц приЛ/н и JH, с
16 000 0,15
20 000 0,15
Наряду с шаговыми электроприводами в станках с ЧПУ и роботах нашли применение шаговые электрогидроприводы, состоящие из аксиально-поршневого гидромотора, управляемого следящим золотником, входной вал которого связан с электрическим шаговым двигателем. Основное отличие шагового электрогидропривода от шагового электропривода -большие моменты на выходном валу. В качестве усилителя момента использован гидромотор, а шаговый электродвигатель выполняет функции управления следящим золотником. Так как удельные тангенциальные силы в электрогидродвига-теле могут быть существенно выше, чем в электродвигателе, массогабаритные показатели электрогидродвигателя существенно меньше. Это его свойство в определенных случаях оказывается решающим при конструктивной компоновке двигателя и механизма подачи.
Наиболее известны два типа электрогидравлических шаговых двигателей отечественного производства: Э32Г18-2 и Э32Г18-3. Их технические характеристики приведены в табл. 7.
Сравнивая шаговый электрогидропривод с электроприводом постоянного или переменного тока, можно указать на ряд его преимуществ: малые габариты и масса исполнительного элемента; отсутствие датчика обратной связи по перемещению и вследствие этого упрощение УЧПУ; простота схем управления; малая стоимость привода.
В последнее время электрогидропривод заменяют в механизмах подач следящим электроприводом с двигателями постоянного и переменного тока, так как он обладает высокой управляемостью, т. е. возможностью формирования переходных процессов любой формы в результате наличия информации не только о самой регулируемой величине (пути), но и о двух ее производных (скорости и тока двигателя); в нем отсутст-ствуют потери информации; отличается легкой переналаживае-мостью и удобством обслуживания, малыми массогабаритными размерами, малым уровнем шума, высокими энергетическими показателями и имеет большой срок службы.
Область применения шаговых электроприводов в станках с ЧПУ в настоящее время смещается. Их все чаще используют 92
3 2
§л
t; о
о о
«о см
| Л
X ч-.
| ^ |
| ю |
ч | о |
о | |
ГО | О |
О. | *~ |
в механизмах вспомогательных перемещений. В связи с этим изменяются и требования, предъявляемые к шаговым электро-
о приводам. Требования к точности во вспомогательных меха-
низмах существенно ниже (чем в приводах подач), но возросли требования к максимальной частоте вращения двигателя до (5 -v 8) 103 об/мин. Это, в свою очередь, повлекло за собой из-
8 менение конструкции двигателей и алгоритмов управления ими.
V. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
in
га Прежде чем подробно рассматривать электроприводы,
уточним требования к ним, а также к их составным элементам — двигателям и преобразователям. К электроприводам промыш-
m ленных роботов предъявляются специфические требования,
обусловленные, с одной стороны, технологическим циклом их работы, с другой — особенностями их конструкции. Основным рабочим циклом механизма робота является позициони-
Ч рование. Ускорение перемещения может достигать 30 м/мин,
**> а точность позиционирования — 0,01 мм. Режим работы электро-
приводов — повторно-кратковременный с частыми пусками и торможениями. Возмущений по нагрузке нет ввиду отсут-
to ствия процесса резания. Мощность приводов мала, как правило,
£5 не выше 1 кВт, но при этом требуется большой момент и малые
скорости. Таким образом, с точки зрения технологии электропривод робота должен иметь диапазон регулирования порядка 1000, обладать большой перегрузочной способностью в пуско-
cvj вых режимах (иметь малые времена пусков и торможений на
п максимальную скорость).
Для получения больших моментов необходимо устанавливать в механизмы робота редукторы или разрабатывать двига-
"! тели оригинальной конструкции. С точки зрения конструкции
•- промышленный робот представляет собой довольно сложное
устройство: сложные кинематические цепи, взаимно влияющие друг на друга, малая жесткость механических передач, переменные моменты инерции механизмов, превышающие собственный момент инерции двигателя. Перемещение рабочего органа робота вместе с исполнительным двигателем приводит к необходимости применения двигателей с малыми массогабаритными параметрами.
Таким образом, из-за конструктивных особенностей робота его
электропривод должен иметь высокие динамические параметры для
х воспроизведения сложных алгоритмов управления, а исполнительный
g двигатель должен быстро реагировать на сигналы управления и иметь
J; малые габариты и массу.
Наиболее подходящими для применения в электроприводах роботов являются малоинерционные двигатели с постоянными магнитами, удовлетворяющие обоим требованиям. Но они развивают малый момент при высокой скорости. Поэтому наряду с ними используют двигатели прямого действия, развивающие большой момент при малой скорости и исключающие необходимость установки редуктора.
Рис. 43. Принцип электромагнитной редукции скорости:-э — при t~tlt б — t=t2
Двигатель "прямого действия" имеет тороидальную форму, что позволяет закреплять его на подшипник с валом, образуя "сустав" промышленного робота без дополнительных кинематических цепей. В основе этих двигателей лежит принцип электромагнитной редукции частоты вращения (рис. 43). Статор и ротор двигателя имеют цилиндрическую форму с равномерно распределенными зубцами, причем гс — число зубцов статора, г — число зубцов ротора; г > гс. В момент времени tt оси зубцов гр1 и гс1 совпадают, что соответствует максимуму магнитной проводимости по образующейся оси. В момент времени г2 ротор повернут на некоторый угол j3p, при котором совпадут оси зубцов г 2 и гс2- При этом ось максимальной проводимости переместилась по неподвижному статору на угол между соседними зубцами статора |3С = 2п/гс, а ротор повернулся на угол |Зр = 2л/гс — 2-п/г. Представив, что на статоре уложена обмотка, создающая магнитное поле, которое вращается со скоростью ьэс/р (сос — частота питающей сети, р — число пар полюсов). За один оборот поля по расточке статора ротор повернется на угол, соответствующий разности гр — гс. Это означает, что частота вращения £2 ротора двигателя существенно меньше скорости вращения поля. Их соот-
ношение характеризуется коэффициентом электромагнитной
wc /со = — *-£ — • редукции крец - -р- Р гр-'с
При сравнительно небольших габаритах kpeR может достигать нескольких десятков. Эти двигатели могут быть с осевым или с радиальным возбуждением. Двигатели с радиальным возубждением имеют две обмоки. По одной из них проходит переменный ток, а вторая обмотка может питаться как переменным, так и постоянным током, может быть закорочена через выпрямитель, а может и просто отсутствовать. Вращающееся магнитное поле может создаваться двумя путями: либо как в синхронных двигателях, когда частота тока, питающего обмотки переменного тока, выбирается произвольно, либо как в вентильных двигателях, когда частота питания определяется частотой вращения ротора двигателя. Второй способ нашел более широкое распространение в двигателях "прямого действия".
Электродвигатели "прямого действии", сочетающие принципы электромагнитной редукции и бесконтактности вентильных машин, имеют малые габаритные размеры, высокие статические и динамические параметры и надежны в эксплуатации.
В настоящее время приводы промышленных роботов с такими двигателями в СССР еще не нашли широкого применения,
Рассмотрев двигатели, применяемые в промышленных роботах, перейдем к другой части электропривода — преобразователям.
В большинстве случаев применяют транзисторные широтно-импуль-сные преобразователи постоянного и переменного тока.
Они дают возможность наиболее полно реализовать сложные алгоритмы управления, обладая высокими статическими и динамическими характеристиками.
Для ряда механизмов робота допустима установка тиристор-ных преобразователей, имеющих худшие технические характеристики, но в настоящее время они более дешевы. На их базе строятся тиристорные электроприводы постоянного тока отечественного производства (ЭТЗИ) и производства НРБ ("Кем-ток"). Тем не менее наибольшее распространение получили транзисторные электроприводы (табл. 8) постоянного тока (ЭШИМ, ЭШИР) и переменного тока (ЭПБ-2).
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 29 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |