книги / Эффективные методы решения задач кинематики и динамики робота-станка параллельной структуры

Частота(рад/сек)

Рис. 3.5. Амплитудно-частотные характеристики для системы с электромеха­ ническим исполнительным механизмом с червячной передачей и параллелограммным механизмом с разными типами электродвигателей

Из данных табл. 3.7 следует, что, как и можно было ожидать, и для данного исполнительного механизма величины длительности переходного процесса и частоты среза в некоторой степени связаны обратной зависимостью.

является базовым показателем при выборе двигателя и рассчитывается исходя из значения требуемой расчетной мощности, приведенной ранее,

атакже из экономических соображений.

3.2.4.Перспективы применения шаговых двигателей в систе­ мах электропривода. В робототехнике могут быть использованы любые типы двигателей, но наиболее подходящими являются два ти­

па — двигатели постоянного тока и шаговые двигатели.

Асинхронные двигатели плохо функционируют в условиях работы с переменными скоростями или реверсирования вращения вала, так как движущий момент зависит не только от тока в статоре, но и от скорости вращения вала, а ток, индуцированный в роторе, регулиро­ вать трудно.

Д о последнего времени синхронные двигатели применялись редко. В режиме автоматической коммутации обмоток они могли бы заменить двигатели постоянного тока. Питание фаз в них зависит от положения ротора, а рабочие характеристики очень близки к характеристикам двигателей постоянного тока. Эти двигатели обладают рядом досто­ инств:

—магниты располагаются в роторе, а обмотки в статоре;

—вместо системы коллектор-щетка используется надежное элек­ тронное устройство коммутации, в котором облегчен отвод тепла.

Недостаток этих двигателей состоит в том, что их крутящий момент сильно меняется, так как число фаз невелико.

Шаговые двигатели по конструкции являются синхронными и имеют все их достоинства и недостатки, но эти двигатели открывают широкие возможности для их использования, если речь идет о малых перемеще­ ниях. Шаговые двигатели позволяют с высокой точностью преобразовы­ вать цифровой электрический сигнал непосредственно в дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. По сравнению с другими устрой­ ствами, которые могут выполнять эти же или подобные функции, система управления, используемая в шаговых двигателях, обладает следующими существенными преимуществами:

—отсутствие обратной связи, обычно необходимой для управления положением или частотой вращения;

84Гл. 3. Динамический анализ приводных механизмов для МПС

—не накапливается ошибка положения;

—шаговые двигатели совместимы с современными цифровыми устройствами.

Рассмотрим принцип работы шагового двигателя. На рис. 3.7 пред­ ставлено поперечное сечение однопакетного реактивного шагового дви­ гателя. Сердечник статора имеет шесть выступающих зубцов, в то время как ротор всего четыре. Сердечники как ротора, так и статора выполнены из магнитомягкой стали. Три набора обмоток расположены, как показано на рис. 3.7. Каждый набор состоит из двух катушек, соединенных последовательно. Набор обмоток называется фазой, и, со­ ответственно, машин а —трехфазным двигателем.

Ток на обмотки подается от источника постоянного тока через переключатели I, II, и III. В положении (1) обмотка фазы I подклю­ чена к источнику через переключатель I или согласно технической

терминологии возбуждена фаза I . Магнитный поток, возникающий в результате возбуждения, показан на рисунке стрелками. В положе­ нии (1 ) два выступающих зубца статора фазы I , будучи возбужден­ ными, останавливаются на одной прямой с двумя из четырех зубцов ротора. В терминах динамики это положение является положением равновесия. Когда замыканием переключателя II в дополнение к фа­ зе I возбуждается фаза II, в зубцах статора, соответствующих этой фазе, возникает магнитный поток, как показано на рисунке для по­ ложения (2 ), и вследствие «натяжения» в наклонных силовых линиях магнитного поля возникает вращающий момент. Ротор, в конце концов, принимает положение (3).

Таким образом, за время выполнения одной операции переключения ротор поворачивается на фиксированный угол, который называется уг­ лом шага или шагом, в данном случае на 15°. Если теперь разомкнуть переключатель I и отсоединить от источника питания фазу 1, ротор повернется на следующие 15° и займет положение (4). Таким образом, угловым положением ротора в единицах угла шага можно управлять с помощью процесса переключения.

Для управления шаговым двигателем в качестве электронных пе­ реключателей можно применять транзисторы, а сигналы генерировать микропроцессором.

Вистории развития шаговых двигателей нужно выделить два важ­ ных момента: изобретения 1919 и 1920 гг.

В1919 году инженером Уолкером из Абердина (Шотландия) был получен патент Великобритании на изобретение конструкции шагового двигателя, вращающегося с малым шагом. На рис. 3.8 представлено продольное и поперечное сечение такого трехфазного двигателя. Зубцы ротора (их 32) имеют тот же шаг, что и зубцы на полюсах статора. Когда возбуждается фаза 1 и магнитный поток проходит по пути,

Рис. 3.7. Принцип работы шагового двигателя: 1 — сердечник статора, 2 — сер­ дечник ротора

отмеченному пунктиром, группы зубцов этой фазы устанавливаются напротив зубцов статора, а зубцы статора и ротора, относящиеся к фа­ зам 2 и 3, расходятся друг относительно друга на 1/3 шага зубцов в противоположном направлении. Когда ток управления переключают

же угол. Таким образом Уолкер изобрел шаговый двигатель с зубчатой структурой, минимизирующей шаг. Тем не менее двигателей, основан­ ных на этих принципах не выпускали до 50-х годов.

В 1920 году Чикин и Тейн получили патент на изобретение шагового двигателя, создающего большой вращающий момент на

С развитием микропроцессорной техники, применение шаговых дви­ гателей с каждым годом становиться все более разнообразным. Дело в том, что шаговые двигатели обладают рядом особенностей, отличаю­ щих их от других типов двигателей:

—двигатель поворачивается за каждый импульс управления на определенный фиксированный угол. Чем меньше шаг, тем большая частота вращения может быть достигнута. Шаговые двигатели могут обеспечить маленький шаг (до 1000 шагов за один оборот);

—шаговые двигатели могут обеспечить высокую точность частоты вращения. Двигатели конструируют так, чтобы в ответ на входной импульс они поворачивались на определенный угол и останавливались

вопределенном положении. В силу того, что точность позиционирова­ ния без нагрузки, зависит от параметров (физических и конструктив­ ных) ротора и статора, из-за момента нагрузки имеются отклонения от конечного положения. С целью увеличения момента фиксации воздуш­ ный зазор между зубцами ротора и статора выполняется минимальным.

Внекоторых двигателях для экономии энергии положения фиксации используются для позиционирования при невозбужденных обмотках.

Отношение электромагнитного момента к моменту инерции для ша­ говых двигателей выше, чем для обычного электрического двигателя.

с максимальным ускорением и быстро останавливаться при прерывании последовательности импульсов.

Частота вращения задается числом шагов в секунду, и вместо показателя «частота вращения» часто используется термин «шаговая частота вращения». Однако шаговая частота вращения не определяет точно абсолютную частоту вращения. Соотношение между частотой вращения и шаговой частотой вращения задается формулой n = 6 0 f / S где n — частота вращения, об/мин; f — шаговая частота враще­ ния; S — число шагов.

Шаговые двигатели можно разделить на три основных типа:

—синхронные реактивные двигатели с переменным магнитным сопротивлением (индукторные);

—двигатели с ротором, представляющим собой постоянный магнит (магнитоэлектрические);

—гибридные двигатели (синхронные реактивные), которые облада­ ют свойствами двигателей первых двух типов.

Реактивные двигатели. Поперечное сечение и принцип работы реактивных двигателей представлен на рис. 3.7. Добавим только, что

статор и ротор обычно изготавливают из шихтованного магнитомягкого материала, но часто используют и массивные роторы. Материал, как

Возможность создавать многопакетные или каскадные шаговые двигатели. Пример таких двигателей приведен на рис. 3.11, а, б. В мо­ дели на рис. 3.11, а каждый пакет соответствует одной фазе, а ротор и статор имеют одинаковое количество зубцов. Многопакетные двига­ тели делятся на двигатели с разноименнополюсным и с одноименнопо­ люсным распределением магнитного поля.

Шаговые двигатели с постоянными магнитами,Пример четырех­ фазного шагового двигателя с постоянными магнитами приведен на рис. 3.12. Цилиндрический постоянный магнит используется в качестве ротора, а статор имеет четыре зубца, вокруг каждого из которых

Рис. 3.12. Поперечное сечение четырехфазного шагового двигателя с постоян­ ными магнитами

имеется обмотка. Выход каждой из фаз соединен с положительным зажимом источника питания. При возбуждении фаз в последователь­ ности 1 ^ 2 ^ 3 ^ 4, ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. Изменяя число зубцов статора и магнитных полюсов ротора, можно менять угол шага двигателя. Однако существует предел как числа зубцов статора, так и числа полюсов ротора.

Особенностью шаговых двигателей с постоянными магнитами яв­ ляется то, что ротор в конце движения приходит в фиксированное положение даже при снятии питания с оБмотки статора. Здесь срабаты­ вает механизм фиксации, и данное положение называется положением фиксации. Как правило, положения фиксации совпадают с конечными положениями при возбужденных фазах (положениями равновесия).

При использовании постоянных магнитов возникают две проблемы:

— постоянные магниты дороги;

90Гл. 3. Динамический анализ приводных механизмов для МПС

—максимальная плотность магнитного потока ограничена значени­ ем намагниченности постоянного магнита.

Гибридные шаговые двигатели (рис. 3.13) так же используют для ротора постоянный магнит. Термин «гибридный» происходит от того, что двигатель работает, используя принципы как реактивного двигателя, так и двигателя с постоянными магнитами. Структура

Рис. 3.13. Конструкция гибридного шагового двигателя: 1 — магнитопровод статора, 2 — оБмотки, 3 — магнитопровод ротора, 4 — обмотка, 5 — постоян­ ный магнит

статора гибридных двигателей очень близка к реактивным шаговым двигателям, но в гибридном двигателе на одном полюсе намотаны катушки двух различных фаз. В результате полюс принадлежит не только одной фазе и при возбуждении катушки создают магнитные потоки различной полярности.

Другой важной особенностью гибридных шаговых двигателей яв­ ляется структура ротора (рис. 3.14). В теле ротора располагается ци­ линдрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси двигателя для создания аксиального магнитного потока. На каждый из полюсов постоянного магнита надет сердечник ротора из магнитомягкого мате­ риала с зубцами. Зубцы пакетов сдвинуты друг относительно друга на половину зубцового деления. В некоторых шаговых двигателях зубцы разных пакетов ротора совпадают друг с другом, но зубцы статора имеют сдвиг по углу. Магнитное поле, которое создается катушками статора, является разноименнополюсным. Момент создает­ ся за счет взаимодействия магнитных полей катушек и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. Малый угол шага достигается изменением структуры зубцов статора и ротора.

Существуют и другие разновидности шаговых двигателей, такие как: гибридные двигатели с постоянным магнитом в статоре, двигатели