Рисунок 4.2 – Шаговый двигатель с постоянными магнитами
4.2.4 Гибридный шаговый двигатель
Гибридный шаговый двигатель дороже, чем шаговый двигатель с постоянными магнитами, но обеспечивает более высокую производительность в отношении разрешения, крутящего момента и скорости шага. Типичные углы шага для шагового гибридного двигателя варьируются от 3,6 до 0,9 (100 - 400 шагов на оборот). Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе лучшие характеристики как шаговых двигателей типа с постоянными магнитами, так и реактивных.
Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки (рисунок 4.3). Это еще больше увеличивает характеристики фиксации, удерживания и динамического крутящего момента двигателя при сравнении с другими типами. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 1,8 - 0,9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.
Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на
191
вихревые токи. Величина шага зависит от конструкции двигателя и схемы коммутации (соединения) его обмоток. На практике применяются двигатели с шагом 1 - 1800.
Рисунок 4.3 – Сечение гибридного шагового двигателя
Для уменьшения шага увеличивают число пар полюсов. Частота вращения ротора и суммарный угол поворота определяются частотой следования импульсов управления и их количества.
Двумя наиболее часто используемыми типами шаговых двигателей являются двигателя с постоянными магнитами и гибридные. Если разработчик не уверен, какой тип лучше всего соответствует его требованиям к приложениям, он должен сначала оценить двигатель с постоянными магнитами, поскольку он обычно в несколько раз меньше.
Существуют также специальные конструкции шаговых двигателей. Один из них – дисковый магнитный ротор, представленный на рисунке 4.4. Здесь двигатель спроектирован как диск с редкоземельными магнитами. Этот тип двигателя имеет некоторые преимущества, такие как низкая инерция и оптимизированный путь магнитного потока без соединения между двумя обмотками статора.
Рисунок 4.4 – Принцип работы дискового магнитного ротора
192
4.2.5 Конструктивные особенности шаговых двигателей
Питание обмоток статора может быть либо однополярным, либо двухполярным. При однополярном питании напряжение на обмотках изменяется от нуля до +U, а при двухполярном – от –U до +U. Управление двигателем может осуществляться короткими импульсами с отключением питания между командами на перемещение. Такое управление называется импульсным. Оно требует фиксации положения ротора в интервале между импульсами. Возможно также потенциальное управление, при котором питание статора сохраняется между командами и ротор находится в определённом фиксированном положении.
Необходимым элементом шагового двигателя является электронный коммутатор, осуществляющий переключение обмоток по определённому алгоритму. Если в любых двух соседних интервалах между коммутациями к источнику питания подключается одинаковое количество обмоток статора, то такой алгоритм называется симметричным управлением. В противном случае управление называется несимметричным.
Существуют два основных механизма обмотки электромагнитных катушек в двухфазном шаговом двигателе: биполярные и однополярные (рисунок 4.5).
1. Однополярные (униполярные) двигатели Однополярный шаговый двигатель имеет одну обмотку с центральным
выводом на фазу. Каждая секция обмоток включается для каждого направления магнитного поля. Поскольку в этой компоновке магнитный полюс можно перевернуть без переключения направления тока, схема коммутации может быть сделана очень простой (например, один транзистор) для каждой обмотки. Контроллер микроконтроллера или шагового двигателя может использоваться для открытия силовых транзисторов в правильном порядке.
2. Биполярные двигатели Биполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Ток в обмотке должен
быть реверсивным, чтобы повернуть магнитный полюс, поэтому схема управления должна быть более сложной, как правило, с устройством H-моста. Есть два вывода на фазу, но ни один из них не является общим.
Биполярные двигатели более мощные, чем однополярный двигатель такого же веса. Это связано с физическим пространством, занятым обмотками. Однополярный двигатель имеет в два раза больше провода в одном и том же пространстве, но только наполовину используется в любой момент времени, следовательно, на 50 % эффективен (или примерно 70 % от имеющегося крутящего момента). К недостатку биполярного двигателя можно отнести сложность управления по сравнению с униполярным. Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода.
193
а |
б |
Рисунок 4.5 – Обмотки шагового двигателя:
а – биполярного; б – униполярного
Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые двигатели обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ–модуляции.
Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться, пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.
Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.
Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.
Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.
Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. При этом, несмотря на удобство пользования, хорошую точность и повторяемость, необходимо учитывать, что:
–без вращения вала нет ЭДС;
–невозможно определить положение стоящего вала;
–возможна остановка вала в зоне неустойчивого равновесия (промежуточно между полюсами) шагового двигателя. Последующий пуск вала приведёт к тому, что, в зависимости от чувствительности компаратора, будет пропуск этого полюса, или два импульса вместо одного. В обоих случаях все дальнейшие отсчёты будут с ошибкой на один шаг. Для практически полного, но
194
не 100 %, устранения такого поведения необходимо применить муфту с соответствующим гистерезисом (угловым люфтом).
Шаговые двигатели характеризуются двумя критериями:
1.Ошибка углового положения. Определяется как положительный или отрицательный уход от нормативного углового состояния, что очень часто наблюдается в случаях перехода ротора из одного положения в другое. Как правило, виновата инерция, а также плохая подгонка деталей. Значение ошибки находится в пределах от +0,08 до –0,03°
2.Точность позиционирования. Это максимальное значение ошибок углового положения ротора, которые возникают за весь период шагового движения. Точность позиционирования высчитывается в виде суммы двух ошибок: 0,08° + 0,03° = 0,11°.
Таким образом, шаговый двигатель относится к высокоточному оборудованию.
4.3 Сервопривод
4.3.1 Общие положения
Сервопривод или следящий привод – механический привод с автоматической коррекцией состояния через внутреннюю отрицательную обратную связь, в соответствии с параметрами, заданными извне.
Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства, рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг), автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).
К сервоприводам, как к категории приводов, относится множество различных регуляторов и усилителей с отрицательной обратной связью, например, гидро- , электро- , пневмоусилители ручного привода управляющих элементов.
Состав сервопривода:
–привод – например, электромотор с редуктором, или пневмоцилиндр;
–датчик обратной связи – например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер);
–блок питания и управления (он же преобразователь частоты/сервоусилитель/инвертор);
–вход/конвертер/датчик управляющего сигнала/воздействия (может быть
всоставе блока управления).
По принципу действия сервоприводы делятся на:
–гидравлический;
–электрический.
У гидравлического сервопривода движение формируется системой поршень-цилиндр. У данных сервоприводов быстродействие на порядок выше в сравнении с электрическими. У электрического сервопривода движение формируется электродвигателем и редуктором.
195
4.3.2 Гидравлический сервопривод прямого действия
Сервопривод (рисунок 4.6) состоит из силового цилиндра 1 и золотника 2. При смещении штока золотника вниз на величину x нижняя полость силового цилиндра соединяется с нагнетательной магистралью, находящейся под давлением рнагн, а верхняя полостью соединяется со сливной магистралью с давлением рсл. Силовой поршень под действием перепада давления на нем ∆p= рнагн – рсл движется вверх по направлению y. Поршень развивает усилие F=SП∆p, преодолевая на штоке внешнюю силу N.
SП |
1 |
2 |
|
|
рнагн |
рсл |
|
F |
|
|
|
y |
|
|
x |
N |
|
|
|
x
a |
SЗ |
|
Рисунок 4.6 – Гидравлический сервопривод прямого действия
Если а – ширина отверстия, закрываемого поршнем золотника, а х – смещение поршня золотника, то площадь отверстия, через которое в силовой цилиндр поступает масло, равна SЗ=a x. Скорость протекания масла плотностью ρМ в сервоприводе без учёта силы N может быть определена по формуле
v |
|
2 p |
|
. |
|
||||
|
|
М |
||
Расход масла в сервоприводе |
|
|
|
|
g= v k SЗ= v k a x,
где k – коэффициент расхода золотникового отверстия, определяемый сужением струи масла после прохождения отверстия.
За малый промежуток времени dt силовой поршень сместится на dy. Уравнение материального баланса будет следующим
S |
|
dy g dt , откуда |
SП |
|
dy |
x, Т |
|
|
dy |
x, |
Т |
|
|
Sп |
, |
П |
v a |
|
СП |
|
„п |
||||||||||
|
|
v a |
|||||||||||||
|
|
|
dt |
|
dt |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где ТСП – постоянная времени сервопривода.
Если золотники сместить в противоположную сторону в сравнении с тем, что указано на рисунке 4.5, а направление внешней силы останется прежним, то скорость протекания масла возрастёт
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
S |
|
|
|
|
|
v |
2 |
|
П |
|
, |
||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
М |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а постоянная времени ТСП сервопривода уменьшится. Если сервопривод подключён к регулирующему органу типа клапана, то большая постоянная времени будет при движении поршня в сторону закрытия клапана. Различие во
196
времени закрытия и открытия клапана будет тем больше, чем больше усилие N. Это обстоятельство нужно учитывать при проектировании и эксплуатации данного сервопривода.
4.3.3 Гидравлический сервопривод с жесткой обратной связью
Для придания гидравлическому сервоприводу свойства самовыравнивания в него вводят обратные связи по положению выходного штока (рисунок 4.7).
|
|
|
|
|
z |
|
|
SП |
1 |
2 |
|
a |
SЗ |
|
|
|
||||
|
|
рнагн |
|
рсл |
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
N |
A1 |
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
B0 |
C0 |
|
|
A0 |
|
z |
|
C1 |
|
|
|
B1 |
x |
|
||
|
|
|
|
|
||
Рисунок 4.7 – Гидравлический сервопривод с жесткой обратной связью
Штоки золотника и силового поршня соединены рычагом, который в исходном состоянии занимает положение А0В0С0. Отверстия золотника закрыты, силовой поршень неподвижен.
При смещении правого конца рычага вниз на величину х рычаг повернется по часовой стрелке и займёт положение А0В1С1. Золотник сдвинется вниз, а силовой поршень начнёт движение вверх. Рычаг будет поворачиваться вокруг неподвижной точки С1 по часовой стрелке. Шток золотника будет перемещаться вверх, закрывая отверстия подачи и слива масла силового поршня. Движение прекратится в момент закрытия указанных отверстий. Из приведенного описания видно, что сервопривод будет обладать самовыравниванием, т.е. будет всегда устойчив.
4.3.4 Электрический сервопривод
От обычного электродвигателя сервопривод отличается тем, что можно задать точное положение вала в градусах. Электромеханический узел сервопривода размещается в одном корпусе (рисунок 4.8). Его характеристиками являются конструкция, рабочее напряжение, частота и крутящий момент.
197
|
Редуктор |
|
Переменный резистор |
Двигатель |
|
Плата управления |
||
ОС по положению |
||
|
Рисунок 4.8 – Электрический сервопривод
Приводом является редуктор с электродвигателем. Редуктор требуется для снижения скорости двигателя, так как скорость слишком большая для применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором расположены валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.
Путем запуска и останова электродвигателя можно приводить в движение выходной вал редуктора, который связан с шестерней сервопривода. К валу можно присоединять устройство или механизм, которым требуется управлять. Кроме этого для контроля положения вала требуется наличие датчика обратной связи. Этот датчик может преобразовать угол поворота снова в сигнал электрического тока. В качестве энкодера может применяться потенциометр. Если бегунок потенциометра поворачивать, то будет изменяться его сопротивление. Значение этого сопротивления прямо пропорционально зависит от угла поворота потенциометра. Таким образом, есть возможность добиться установки определенного положения механизма.
Кроме потенциометра, редуктора и электродвигателя, сервоприводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает поступающий сигнал внешнего значения параметра от потенциометра, сравнивает, и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает электродвигатель.
При необходимости создания управления несколькими группами сервоприводов используют контроллеры с ЧПУ, которые собраны на схемах программируемых логических контроллеров. Такие сервоприводы способны обеспечить крутящий момент 50 Н∙м, мощностью до 15 кВт.
В качестве двигателей сервоприводом могут использоваться ДПТ, асинхронные или синхронные двигатели.
Сервопривод постоянного тока на судах применяется для перемещения топливной рейки системы подачи топлива вспомогательных дизелей; в
198
автоматических выключателях генераторов и др. Основной недостаток такого сервопривода – наличие ненадёжного и требующего особого обслуживания щеточно-коллекторного узла.
Асинхронные способны точно выдерживать скорость даже на очень низких оборотах и применяется для управления регулирующими органами расхода, причём работает двигатель как в режиме постоянного включения в сеть, так и в режиме импульсного включения.
Синхронные способны задать скорость вращения электродвигателя с большой точностью, так же как ускорение и угол поворота. Синхронные виды приводов могут быстро достигать номинальной скорости вращения и на современных судах они практически вытеснили прочие типы.
Вначале появления серводвигателей использовались коллекторные трехполюсные моторы с обмотками на роторе, и с постоянными магнитами на статоре. Кроме этого, в конструкции двигателя был узел с коллектором и щетками. Далее, по мере технического прогресса число обмоток двигателя увеличилось до пяти, а момент вращения возрос, так же, как и скорость разгона.
Следующим этапом развития серводвигателей было расположение обмоток снаружи магнитов. Этим снизили массу ротора, уменьшили время разгона. При этом стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшего проектирования серводвигателей было решено отказаться от наличия коллектора
вустройстве двигателя. Стали применяться двигатели с постоянными магнитами ротора. Мотор стал без щеток, эффективность его возросла вследствие увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.
Впоследнее время наиболее популярными стали сервомоторы, работающие от программируемого контроллера (Ардуино).
Сервоприводы и шаговые двигатели являются исполнительными механизмами и области их применения пересекаются. Однако, каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками, поэтому к выбору типа исполнительного механизма нужно подходить со всей ответственностью.
Преимущества перед шаговым двигателем:
не предъявляет особых требований к электродвигателю и редуктору – они могут быть практически любого нужного типа и мощности (а шаговые двигатели, как правило, маломощны и тихоходны);
гарантирует максимальную точность, автоматически компенсируя:
–механические (люфты в приводе) или электронные сбои привода;
–постепенный износ привода, шаговому же двигателю для этого требуется периодическая юстировка;
–тепловое расширение привода (при работе или сезонное), это было одной из причин перехода на сервопривод для позиционирования головок в жестких дисках;
–обеспечивая немедленное выявление отказа (выхода из строя) привода (по механической части или электронике);
большая возможная скорость перемещения элемента (у шагового двигателя наименьшая максимальная скорость по сравнению с другими типами электродвигателей);
199
затраты энергии пропорциональны сопротивлению элемента (на шаговый двигатель постоянно подаётся номинальное напряжение с запасом по возможной перегрузке);
меньший шум при работе;
более высокая мощность, чем у шаговых двигателей.
Недостатки в сравнении с шаговым двигателем:
сложнее блок управления и логика его работы (требуется обработка результатов датчика и выбор управляющего воздействия, а в основе контроллера шагового двигателя – просто счётчик);
требуют более квалифицированного обслуживания, чем шаговые двигателя;
необходимость в дополнительном элементе – датчике;
проблема фиксирования: обычно решается постоянным притормаживанием перемещаемого элемента либо вала электродвигателя (что ведёт к потерям энергии), либо применение червячных/винтовых передач (усложнение конструкции), в то время как в шаговом двигателе каждый шаг фиксируется самим двигателем;
если имеется вероятность заклинивания механической системы сервопривод повредить передачу или обмотки собственного двигателя, а шаговый двигатель просто пропустит шаг без каких-либо последствий;
сервоприводы дороже шаговых.
Сервопривод возможно использовать и на базе шагового двигателя или в дополнение к нему до некоторой степени совместив их достоинства и устранив конкуренцию между ними (сервопривод осуществляет грубое позиционирование в зону действия соответствующей параметрической системы шагового двигателя, а последняя осуществляет окончательное позиционирование при относительно большом моменте и фиксации положения).
4.4Электромагнитное реле
4.4.1Назначение и классификация
Реле – электрическое или электронное устройство, предназначенное для коммутации электрической цепи.
Обычно под этим термином подразумевается электромагнитное реле – электромеханическое устройство, замыкающее и/или размыкающее механические электрические контакты при подаче в обмотку реле электрического тока, порождающего магнитное поле, которое вызывает перемещения ферромагнитного якоря реле, связанного механически с контактами, и последующее перемещение контактов коммутирует внешнюю электрическую цепь.
Часто реле также называют самые различные устройства, замыкающие или размыкающие контакты при изменении некоторой, не обязательно электрической величины. Это, например, устройства, чувствительные к температуре (тепловые реле), освещённости (фотореле), уровню звукового давления (акустические реле) и др. Также часто реле называют различные
200