Методическое пособие 703

дорожки а к дорожке b совершается не более чем за 50 мс.

Рис. 1.36. Замкнутая система управления дисководом

Ременный привод печатающего устройства принтера. В обыкновенном недорогом принтере для компьютера горизонтальное перемещение печатающего устройства вдоль страницы осуществляется с помощью ременного привода. Печатающее устройство может быть струйным, матричным или термическим. Пример ременного привода принтера с исполнительным устройством в виде двигателя постоянного тока изображен на рис. 1.37.

Рис. 1.37. Ременный привод принтера

61

В данной конструкции положение печатающего устройства измеряется с помощью фотодатчика, а натяжение ремня изменяет его коэффициент упругости.

Автоматическая сборка и роботы. Для выполнения опасных, однообразных, простых или шаблонных операций при сборке бытового или промышленного оборудования особую важность приобретают автоматические устройства. Машины для автоматической погрузки и разгрузки, резки, сварки или отбраковки позволяют повысить точность обработки, безопасность, экономичность и производительность труда. Некоторые писатели предвидели создание машин, оснащенных компьютерами и способных действовать наподобие человекаоператора. В своей известной пьесе Р. У.Р., написанной в 1923 г., Карел Чапек назвал таких искусственных рабочих роботами (от чешского слова robota, т. е. работа).

Как уже говорилось, робот представляет собой комплекс из механизма и программируемого компьютера, и он часто заменяет труд человека при выполнении простых повторяющихся операций. Некоторые роботы даже имеют антропоморфные механизмы, которые можно рассматривать как механические руки, запястья и кисти. Пример антропоморфного робота приведен на рис. 1.38.

62

Рис. 1.38. Антропоморфный робот Хонда РЗ. Робот способен ходить, подниматься по ступенькам и изменять направление движения

1.9. Перспективы развития систем управления

Развитие систем управления идет по пути совершенствования их гибкости и обеспечения высокой степени автономности.

63

Рис. 1.39. Перспективы совершенствования роботов и систем управления

Как показано на рис. 1.39, в достижении этих целей можно наметить два разных пути. Считается, что современный промышленный робот является абсолютно автономным, т. к. будучи изначально запрограммированным, он не требует дальнейшего вмешательства в его работу. Из-за ограниченных возможностей чувствительных органов робототехнические системы обладают недостаточной гибкостью в приспособлении к изменению условий эксплуатации. Это, в свою очередь, стимулирует разработку технического зрения. Системы управления обладают достаточной приспосабливаемостью, но лишь при участии человека-оператора. Совершенствование робототехнических систем идет за счет оснащения их чувствительными элементами обратной связи с улучшенными характеристиками. Исследовательские работы в области искусственного интеллекта, датчиков, компьютерного зрения, программирования комплексов компьютеризированного проектирования и производства должны сделать

64

2. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА КАК ОБЪЕКТ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1. Коллекторный двигатель постоянного тока

Среди большого разнообразия электродвигателей малой мощности, выпускаемых как отечественной так и зарубежной промышленностью коллекторные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов до сих пор находят наибольшее распространение. Они обладают весьма высокими энергетическими и эксплуатационными показателями.

Основным достоинством таких двигателей является возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне, линейность механической и, в большинстве случаев, регулировочной характеристики, большой пусковой момент, высокое быстродействие, малая масса и объем на единицу полезной мощности и более высокий КПД по сравнению с двигателями переменного тока той же мощности.

Недостатком коллекторных двигателей постоянного тока является наличие щеточно-коллекторного узла, что ограничивает их долговечность и является источником радиопомех. Вследствие искрения на скользящем контакте эти двигатели не пригодны для эксплуатации во взрывоопасных средах.

Основной недостаток таких двигателей – наличие коллектора – в настоящее время успешно преодолевается расширением разработок в области так называемых вентильных двигателей с бесконтактной системой (такие двигатели, например, уже давно используются для приводов вентиляторов ПК .

Коэффициент полезного действия двигателей постоянного тока различной мощности лежит в пределах 1085% и зависит от функционального назначения двигателя, режима работы, конструктивного исполнения.

65

Для регулирования частоты вращения двигателей с возбуждением от постоянных магнитов применяется в основном якорное управление, т.е. изменение напряжения питания якорной цепи. Практические пределы регулирования составляют 1:5 до 1:20.

Вспомним принцип действия двигателя постоянного тока . Принцип работы любой электрической машины основан на законах электромагнитной индукции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает электродвижущая сила и , наоборот, помещённый в магнитное поле проводник с током испытывает механическое воздействие. Эти явления используются в электрогенераторах и электродвигателях в самых различных практических реализациях: с неподвижным

В машинах постоянного тока обычно имеется неподвижная часть (статор), создающий магнитное поле, и вращающийся якорь с системой проводников.

Магнитное поле, как правило, создаётся электромагнитным путём - посредством обмотки возбуждения, находящейся на полюсах магнитной системы, а в машинах малой мощности – и с применением постоянных магнитов.

Рассмотрим физические процессы именно в таком электродвигателе постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 2.1).

Рассмотрим проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки, помещенный в поле постоянного магнита. Пусть по проводнику течет постоянный ток от источника Э.Д.С. с напряжением U, подключенного к нему через скользящие контакты, образованными кольцами с поджатыми к ним щетками.

В положении, изображенном на рис. 2,1, а ток I создает магнитное поле, взаимодействующее с полем возбуждения постоянного магнита. При этом возникает сила F, вращающая

66

рамку в направлении против часовой стрелки (направление силы F определяется правилом левой руки).

Рис. 2.1.

Если рамка может беспрепятственно вращаться вокруг своей оси, то после поворота на угол она придет в положение, при котором электромагнитный вращающий момент приобретет противоположное направление. После включения источника ЭДС рамка совершит несколько качаний и займет устойчивое положение равновесия. В данном случае ее плоскость будет перпендикулярна линиям вектора магнитной индукции поля магнита, и поле, порожденное током в рамке, окажется согласованным с полем магнита. Рассмотренное устройство подобно конструкции электроизмерительного прибора, в котором рамка совершает ограниченное угловое перемещение при неизменном знаке

67

электромагнитного вращающего момента (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

Пусть теперь источник напряжения подключается к концам проводника, соединенным с двумя изолированными друг от друга половинами кольца, через скользящие по нему щетки, как это показано на рис. 2.1, б.

В таком случае при вертикальном положении рамки происходит переключение концов проводника, и меняется направление тока в нем. Положение теряет устойчивость. Вращаясь в направлении против часовой стрелки, рамка находится под действием вращающего момента, знак которого не изменяется.

Два изолированных друг от друга металлических полукольца с поджатыми к ним щетками представляют собой простейшее коллекторное устройство, играющего роль

механического коммутатора. Коммутацией в данном случае является переключение концов проводника через каждые полоборота, которое влечет преобразование тока от источника постоянной ЭДС в переменный ток.

Сила действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле определяется законом Ампера:

где F – сила, H;

68

B – магнитная индукция, Тесла; L – длина проводника, м;

I – сила тока, А.

Электромагнитные силы всех проводников обмотки создают электромагнитный момент двигателя М, вращающий якорь:

где: M – H м; N – число витков обмотки якоря;

I – ток якоря, А;

B – магнитная индукция, Тл;

A– площадь витка, м2;

= 2 f – угловая скорость вращения якоря, 1/с.

(Для мощности P = M имеем P = N I B A sin t , Вт). Если этот момент окажется достаточным для преодоления тормозящего момента на валу якоря, обусловленного рабочим механизмом, то якорь придет во вращение, а в проводниках его обмотки, в соответствии с законом электромагнитной индукции, будет индуцироваться ЭДС E. Направление ЭДС оказывается противоположным направлению тока (по правилу правой руки). Эта ЭДС называется противодействующей

силой, или обратной ЭДС:

где: n – скорость вращения (число оборотов якоря в мин.), 1/мин.;

- магнитный поток, Вб; Се – постоянная двигателя:

69

где: N – число витков,

P – число пар полюсов, a – число ветвей.

При полной нагрузке двигателя ЭДС якоря составляет 9095% приложенного напряжения. Связь между приложенным к якорю напряжением U, обратной ЭДС E и падением напряжения на якоре (Iя Rя) устанавливается применением 2 закона Кирхгофа к цепи якоря: U + (-E) = Iя Rя + 2 Uщ, откуда

где: Rя – суммарное сопротивление цепи якоря,Uщ – падение напряжения на щетке.

Перепишем последнее выражение (2.6) в виде Iя Rя E – U, откуда

70