Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы мехатроники. Учебник для СПО
.pdf
151
Рис. 5.16. Устройство вентильного двигателя
Информация о положении ротора может быть получена с
помощью датчика положения ротора (ДПР) или программным
способом после обработки сигналов ЭДС рабочей обмотки.
К основным достоинствам вентильных электродвигателей
относятся:
1) бесконтактность и отсутствие узлов, требующих
обслуживания;
2) высокий ресурс;
3) большой пусковой момент и большая перегрузочная
способность по моменту (в пять и более раз);
4) высокое быстродействие по переходным процессам;
5) огромный диапазон регулировок по частоте вращения 1 :
10000 и более, что минимум на два порядка выше, чем у асинхронных двигателей;
6) самые лучшие показатели по КПД и cosφ, их КПД на всех
нагрузках превышает 90 %. В то время как у асинхронных двигателей КПД на половинных нагрузках может падать до 40–60 %;
7) минимальные токи холостого тока и пусковые токи;
8) минимальные массогабаритные показатели.
Недостатки вентильных двигателей:
1) наличие пульсаций электромагнитного момента вслед-
ствие малого числа секций в обмотке якоря;
2) наличие позиционной обратной связи и необходимость
применения специального датчика положения ротора. В насто-
152
ящее время эта проблема решается при бездатчиковом способе
управления вентильными электроприводами, когда информацию
о положении ротора получают из сигнала по напряжению в
фазных обмотках;
3) относительно более сложная система управления двига-
телем;
4) высокая стоимость двигателя при использовании доро-
гостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.
Принцип работы вентильных двигателей.
При подключении двигателя к инвертору в обмотках статора
создается так называемое вращающееся поле статора. Оно оказывает магнитную силу на ротор. За счет сцепления магнитных
полей статора и ротора последний разгоняется и вращается с
такой же угловой скоростью, что и вращающееся поле, то есть
синхронно.
Если двигатель нагружен, происходит сдвиг вращающегося
поля ротора относительно вращающегося поля статора. Полюса
ротора отстают от полюсов вращающегося поля статора на роторный угол α. С увеличением роторного угла вращающий момент двигателя возрастает. Максимальный вращающий момент
достигается в тот момент, когда роторный угол α = 90°. В этом
случае полюса ротора находятся точно между двух полюсов
статора.
При этом полюс статора перед полюсом ротора «тянет» за
собой ротор, а полюс статора за полюсом ротора «толкает» ротор.
Если роторный угол α принимает значение больше 90°,
вращающий момент снижается. Двигатель находится в нестабильном рабочем режиме и может остановиться. Это может
привести к его перегреву и повреждению.
Вращающий момент на двигателе определяется как M = f(U,
I, sin α). Зависимость вращающего момента от роторного угла
показана на рис. 5.17.
В двигательном режиме полюс статора должен опережать
полюс ротора на 90°, а в генераторном режиме — отставать на 90°.
Система управления двигателем выполняет расчет трех фазных
токов двигателя по заданному моменту и уставке тока в соот-
153
ветствии с моделью двигателя, чтобы создавать в нем нужное
результирующее магнитное поле.
Рис. 5.17. Зависимость вращающего момента от роторного угла
К действительному положению ротора прибавляется (или
вычитается, в зависимости от направления вращающего момента)
90°, и рассчитываются соответствующие фазные токи.
Для каждого положения ротора определяется соответствующее положение вращающегося поля статора. При этом рассчитываются величина и распределение поля статора по ротору,
то есть поле статора зависит от ротора.
Роторный угол α является электрическим углом. Для
6-полюсного двигателя электрический угол 90° соответствует
пространственному углу 30°.
Большая часть предлагаемых сегодня синхронных серводвигателей работает от синусоидального тока, подаваемого на
статорную обмотку соответствующим сервоусилителем. На все
три фазы двигателя ток подается одновременно (рис. 5.18).
Сервоусилитель подает на каждую фазу прямоугольные
широтно-модулированные импульсы постоянного напряжения из
звена постоянного тока. Действующее значение этого напряжения на выходных клеммах соответствует значению реального
синусоидального напряжения. За счет тактированных импульсов
постоянного напряжения (с синусоидальной модуляцией) на
двигатель подается синусоидальный ток, который в свою очередь
возбуждает синусоидальный магнитный поток, что обеспечивает
высокую стабильность вращающего момента и частоты вращения даже при низких угловых скоростях.
154
Рис. 5.18. Диаграмма тока, напряжения во времени
при постоянной величине напряжения
На основании данных, полученных от датчика положения
(резольвер или sin/cos-датчик абсолютного отсчета), сервоусилитель обеспечивает роторный угол в 90°. Условием этого является точная ориентация датчика положения по полюсам постоянных магнитов. Только в этом случае внешнее магнитное поле
статора может создаваться со сдвигом в 90°. Данный процесс
называется коммутацией.
Многоосевая сервосистема
Многоосевая сервосистема (рис. 5.19) состоит из центрального модуля питания (ЦМП) и осевых модулей.
155
Выпрямитель,
звено постоянного тока,
тормозной прерыватель,
устройство рекуперации
Импульсный
блок питания
Порты
Инвертор
Импульсный
блок питания
Обмен данными
Управляющая
электроника
Инвертор
Импульсный
блок питания
Обмен данными
Управляющая
электроника
Модуль питания
Осевой модуль 1
Осевой модуль n
Рис. 5.19. Структурная схема многоосевой сервосистемы
Осевые модули запитываются от звена постоянного тока
ЦМП.
Модуль питания предназначен для подачи силового питания
на подключенные осевые модули через звено постоянного тока
(стандартные входные параметры: 380...500 В~, 50...60 Гц).
Осевые модули используются для управления двигателями.
Звено постоянного тока.
Силовая часть сервоусилителя работает по принципу инвертора напряжения с промежуточным звеном. Создающее момент вращающееся поле формируется с промежуточного звена
постоянного тока через инверторный мост. Ток в звене постоянного тока генерируется, например, с помощью мостового выпрямителя, чаще всего напрямую из 3-фазной питающей сети. На
рис. 5.20 показана схема звена постоянного тока с 6-диодным
мостом.
Конденсатор звена постоянного тока накапливает выпрямленное переменное напряжение. Кинетическая энергия, возникающая при торможении привода, преобразуется в электрическую и возвращается в звено постоянного тока.
Инвертор.
Инвертор питается напряжением звена постоянного тока U
z
.
На рис. 5.21, 5.22 показаны схема инвертора, широтно-модулированное напряжение звена постоянного тока и изме-
нение тока в двигателе.
156
Рис. 5.20. Схема звена постоянного тока с 6-диодным мостом:
R — тормозной резистор; UZ — напряжение звена постоянного тока
Рис. 5.21. Схема инвертора
157
Рис. 5.22. Широтно-модулированное напряжение звена
постоянного тока и изменение тока в двигателе
Транзисторы IGBT тактируются соответствующей схемой
управления таким образом, что на выход осевого модуля, а значит, и на двигатель подается ШИМ-модулированное напряжение.
Блок управления сервоусилителя формирует вращающееся поле,
например синусоидальное. При этом ширина импульсов определяется управляющим воздействием регулятора тока. Это
ШИМ-модулированное напряжение создает в двигателе ток, который за счет индуктивностей двигателя и кабелей является почти синусоидальным.
Встречно-параллельно каждому IGBT-транзистору включен
диод. При индуктивной нагрузке на выходе эти безынерционные
диоды предотвращают повреждение инвертора напряжениями
самоиндукции, возникающими в момент переключения. Они
возвращают накопленную энергию на вход инвертора.
Датчики положения ротора
В качестве датчиков позиционной обратной связи в сервотехнике наиболее широкое распространение нашли следующие
виды датчиков:
– инкрементальные энкодеры;
158
– датчики абсолютного положения с SSI-интерфейсом и
sin/cos-сигналами;
– резольверы.
Инкрементальный энкодер.
Инкрементные датчики угловых перемещений преобразуют
частоту вращения в дискретное количество электрических импульсов. Для этого используется инкрементный диск с радиальными, светопроницаемыми метками, которые считываются
оптоэлектронным способом. Конструкция приведена на рисунке.
Разрешающая способность инкрементного диска зависит от количества меток.
Датчики имеют два сигнальных канала и один индексный
канал. С учетом инвертирования сигналов получается всего
шесть каналов. Две фотоячейки энкодера, расположенные с интервалом 90°, выдают на каналы A(K1) и B(K2) две последовательности импульсов. Канал A(K1) при вращении направо (если
смотреть на вал двигателя спереди) опережает канал B(K2) на 90°.
Через этот сдвиг фаз определяется направление вращения двигателя. Нулевой импульс (один импульс на оборот) контролируется третьей фотоячейкой и используется через индексный канал
C(K0) как опорный сигнал для систем позиционирования.
Для каналов A(K1), B(K2) и C(K0) в TTL-датчике формируются инвертированные сигналы, которые выдаются через каналы A(K1), B(K2) и C(K0). На рис. 5.23 показаны сигналы энкодера (каналы А, B, индексный).
Рис. 5.23. Сигналы энкодера (каналы А, B, индексный)
159
Резольвер.
Резольвер (рис. 5.24, 5.25) работает по принципу вращающегося трансформатора и состоит из двух функциональных узлов — ротора с обмоткой возбуждения и полюсами и статора с
тремя обмотками: одной первичной (для подачи напряжения на
ротор) и двух измерительных (для определения угла поворота).
Позволяет определить частоту вращения и абсолютное положение при каждом обороте.
Сервоусилитель подает высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой и постоянной частотой на первичную обмотку
статора. Через воздушный зазор этот сигнал передается на обмотку возбуждения ротора.
В измерительных обмотках статора индуцируется напряжение, амплитуда которого зависит от угла поворота полюсов
ротора относительно полюсов статора.
Интерфейс SSI.
В оборудовании, где необходимо обеспечить надежную передачу данных о текущем положении от датчиков углового положения, широкое применение нашел индустриальный синхронно-последовательный интерфейс (SSI). В этом методе для
подключения каждого датчика используются две витых пары
(одна для тактового сигнала и вторая для сигнала данных).
Дифференциальные драйверы для RS 422/485, генерирующие
симметричный выходной сигнал, позволяют передавать сигнал
на расстояние до 1 200 метров при скорости передачи до 10
Рис. 5.24. Устройство резольвера:
1 — статор, 2 — ротор
Рис. 5.25. Структурная схема
резольвера
160
Mбит/с. Максимальная скорость передачи зависит от длины
кабеля.
Принцип работы SSI-интерфейса.
В SSI-интерфейсе данные о позиционном положении оси
датчика передаются синхронно с принятым сигналом такта
(CLOCK) от системы управления. В состоянии покоя уровень
сигнала как на тактовом проводе, так и на проводе данных равен
1 — High (высокий уровень). Как только тактовый сигнал в
первый раз в начале каждой тактовой посылки поменяет свой
уровень с высокого на низкий, находящиеся внутри датчика
бит-параллельные данные в параллельно-последовательном
преобразователе Input-Latch сдвигового регистра по внутрисхемно выработанному сигналу (Sload = Shift Load) «замораживаются». Этим достигается, что данные во время последовательной передачи позиционного значения больше не изменяются.
Со следующим перепадом с низкого уровня на высокий начинается передача позиционного значения, причем начиная со старшего (MSB) бита. С каждым последующим перепадом с низкого
на высокий уровень передается следующий более младший бит
информации. После передачи последнего, то есть самого младшего (LSB) бита, с последним перепадом тактового сигнала с
низкого уровня на высокий выход данных устанавливается в Low
(низкий уровень) — конец передачи.
Встроенный одновибратор, настроенный на частоту FM,
определяет время после последнего нарастающего фронта тактового сигнала, по истечении которого датчик снова готов для
следующей передачи. Время (tm) равно минимальному времени
между двумя друг за другом следующими тактовыми посылками:
tp < 20 µs; tm > 20µs; t < tm.
Существуют два способа передачи позиционного значения:
однократный (Single-turn) и многократный (Multi-turn). Для передачи позиционного значения на тактовый вход датчика
(CLOCK) должно быть подано определенное число (n) тактовых
импульсов (равное разрядности сдвигового регистра сенсора).
Многократная передача позиционного значения достигается путем удвоения (или умножения) количества тактовых импульсов,
то есть числа n. Нужно также учитывать необходимость прибавления n + 1 тактов для Single-turn- и Multi-turn-исполнения.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]