1.2. Измерители скорости вращения

В современных позиционных и следящих системах в целях упрощения часто отказываются от использования специальных датчиков скорости. При этом информацию о скорости получают отдатчиков положения, фиксируя пройденный путь за единицу времени. Установка специального датчика скорости - тахогенератора усложняет и удорожает установку, требует дополнитель­ной конструктивной проработки установки датчика. Следует, однако, отметить, что наличие тахогенератора облегчает по­строение качественной системы, упрощает средства коррекции, необходимые для обеспечения требуемых динамических свойств системы.

Двигатели некоторых серий снабжаются встроенными тахогенераторами [35]. При этом в обозначение типа двигателя, изго­тавливаемого в РФ, входит буква Т, например ПГТ, ПБСТ и др.

В электромеханических системах используются тахогенераторы как постоянного, так и переменного тока. И те и другие обладают как некоторыми достоинствами, так и недостатками. Сводка их дана в таблице. Обычно выбор рода тока для тахогенераторов не производится. В системах постоянного тока, как правило, ис­пользуются тахогенераторы постоянного тока, в системах пере­менного тока - асинхронные. Для эффективного использования тахогенератора необходимо, чтобы он имел линейную характери­стику Е =ƒ(ω) и большую ее крутизну, не вносил дополнительной помехи, имел малые габариты, массу и момент инерции.

Наибольшую крутизну характеристики обеспечивают тахо­генераторы постоянного тока - ТТП-60, 100 иТД-102, 103 - до 100 мВ/(об/мин). Для сравнения - у асинхронных тахогенера­торов крутизна не превышает 10 мВ/(об/мин) (ТГ-4).

Возможно также построение тахогенератора на базе син­хронного генератора. Недостатком его является зависимость частоты индуцируемой ЭДС от скорости, поэтому он либо ис­пользуется совместно с выпрямителем, либо применяется в час­тотно-импульсных системах, в которых путь задается числом импульсов, а скорость соответственно определяется числом импульсов в единицу времени. Применение синхронных ТГ ограничено. При однофазном исполнении затруднено получение информации о направлении его вращения, а соответственно и двигателя. Синхронные ТГ, как встроенные, часто используются в вентильных двигателях, которые по своей конструкции тоже являются синхронными машинами.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ВЫБОР ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

2.1. Выбор рода тока и типа двигателя

Исполнительные двигатели в позиционных и следящих си­стемах могут быть пневматическими, гидравлическими и элек­трическими, однако преимущественное использование имеют последние, которым и будет уделено основное внимание. Пневматические двигатели иногда являются исполнительными органами в простейших сервосистемах, работающих, как правило, с разомкнутой цепью. Например, они применяются в роботах малой грузоподъемности с управлением от концевых. выключателей (работа на упор).

Гидравлические приводы могут обеспечить широкий диа­пазон регулирования скорости и иметь высокие динамические показатели. Однако использование их связано с большими экс­плуатационными трудностями. Обслуживание гидравлической системы с неизбежными течами в трубопроводах весьма сложно и требует специального персонала. Хотя сам гидравлический двигатель может иметь габариты меньшие, чем электродви­гатель, установка в целом занимает больший объем и требует своего расположения вблизи объекта управления, причем наличие гидронасоса и трубопроводов затрудняет размещение оборудования. Также следует отметить потери в гидроустановке. Коэффициент полезного действия гидропривода существенно ниже, чем электромеханической системы.

В дальнейшем будут рассматриваться лишь электрические двигатели, которые имеют преимущественное распространение и являются основным типом двигателей в следящих системах. К тому же студенты, специализирующиеся в области электропри­вода, автоматики и управления, согласно учебным планам, не имеют объема знаний по механике и гидравлике, достаточного для глубокого изучения гидравлических двигателей и систем. Одно из основных требований к позиционным и следящим системам - быстрая отработка заданной дистанции или движе­ние за перемещающимся объектом с минимальной погрешностью. Для реализации этого требования система должна обла­дать соответствующими свойствами, обеспечение которых воз­можно лишь при выборе надлежащего двигателя. При этом проектировщика должен интересовать не двигатель как таковой, а все электромашинное устройство, состоящее из преобразова­теля и двигателя. Только при наличии индивидуального преоб­разователя и соответствующей системы управления можно обес­печить необходимые для следящей системы регулировочные свойства.

Первый вопрос, который возникает, - выбор рода тока: что следует предпочесть - электромашинное устройство постоян­ного или переменного тока. До настоящего времени преимуще­ственное использование в следящих системах находили электромашинные устройства постоянного тока.

С середины двадцатого столетия началась эра полупровод­никовой техники. Соответственно и преобразователи для пита­ния двигателей постоянного тока стали строиться на основе полупроводниковых средств. Область применения системы генератор-двигатель с электромашинным преобразователем-генератором постепенно стала сужаться и в следящих системах сейчас практически не применяется. Первоначально использова­лись преимущественно тиристорные преобразователи - управля­емые выпрямители. Однако им свойствен целый ряд недостатков - неполная управляемость, низкий коэффициент мощности при регулировании напряжения и другие. Поэтому с появлением си­ловых транзисторов на токи сотни ампер и напряжение до 1 кВ в области маломощных установок (до 5-10 кВт), к каковым обычно относятся следящие системы, состоялся переход на транзисторные преобразователи. При этом наряду с управля­емыми выпрямителями в широких масштабах стали использоваться широтно-импульсные преобразователи (ШИП). Перво­начально ШИП нашли применение в локальных установках с бортовой сетью, питаемой от генератора с неизменным напря­жением. В этих условиях часто необходимое экономичное регулирование скорости двигателя постоянного тока может быть обеспечено только за счет широтно-импульсной модуля­ции. Вскоре ШИП стали применяться и в прецизионных регулируемых установках вследствие ряда их положительных свойств, к которым в первую очередь следует отнести лучшую форму напряжения, так как пульсации при частоте модуляции несколько килогерц практически неощутимы. Также при ис­пользовании ШИП снимается проблема низкого коэффициента мощности, характерная для тиристорных преобразователей типа управляемый выпрямитель. Возможно, в ближайшее время эта проблема будет решена и за счет использования полностью управляемых тиристоров. В настоящее время преимущественное распространение имеют установки с ШИП.

В системе полупроводниковый преобразователь - двигатель, как правило, используется двигатель независимого возбуждения (или с постоянными магнитами) [42]. Двигатель последователь­ного возбуждения с мягкими нелинейными характеристиками мало пригоден для следящих систем. Преимуществом его является отсутствие специального источника для питания цепи возбуждения и полезное использование некоторых гармониче­ских составляющих тока при питании от управляемого выпрямителя, что связано с одновременным изменением знака как у первой гармонической составляющей тока, так и магнит­ного потока.

Большим недостатком всех машин постоянного тока тради­ционного исполнения является наличие коллектора, осложня­ющего их эксплуатацию. Однако в настоящее время начинают успешно внедряться вентильные двигатели, у которых механиче­ский коллектор заменен полупроводниковым коммутатором, управляемым отдатчика положения ротора, жестко связанного с осью двигателя. По принципу действия вентильный двигатель представляет собой обращенный двигатель постоянного тока, у которого обмотка якоря размещена на статоре, а возбуждение обеспечивается со стороны ротора. При этом для создания магнитного поля используется постоянный магнит, выполнен­ный из редкоземельных материалов или из специальных сплавов, как, например ЮНДК. Число секций обмотки якоря с целью сокращения числа коммутирующих полупроводниковых аппаратов принимается малым, обычно от 2 до 4. Датчик поло­жения ротора ДПР может быть как импульсным, дискретным, так и непрерывного действия. К первым относятся датчики типа механического коммутатора, фотоэлектрические, трансформа­торные датчики и другие. Характерным примером датчиков с непрерывным сигналом является вращающийся трансформатор. Датчики непрерывного действия обеспечивают лучшую форму тока, приближающуюся к синусоидальной, что минимизирует потери в обмотках и в стали. Форма тока при использовании датчиков с дискретными свойствами практически прямоугольная.

Для исключения токоподводов к вращающимся элементам датчиков обычно применяют вращающиеся трансформаторы (ВТ), выполняемые по типу редуктосинов, у которых все обмотки расположены на статоре. Частота возбуждения ВТ принимается 1-2 кГц, поэтому на входе системы управления используется источник опорного напряжения (ИОН) на соответствующую частоту (рис. 2.1). Для питания двух обмоток токами, сдвинутыми на 90°, ИОН имеет два выхода с опорными напряжениями, соответственно сдвинутыми на тот же угол 90°.

Рис. 2.1. Функциональная схема включения вентильного двигателя с непрерывном управлением

М - модулятор; Ф - фильтр; УМ - усилитель мощности

После фазочувствительного выпрямителя ФЧВ вновь получаем напряжение частоты вращения двигателя, которое после филь­трации и усиления подводится к обмоткам якоря двигателя.

При построении схемы управления трехфазным двигателем используются ВТ с тремя лучами вторичной обмотки (рис. 2.2). Подобные ВТ (редуктосины) разработаны в НИИ малых элек­трических машин.

Механические характеристики вентильных двигателей ана­логичны характеристикам машин постоянного тока независи­мого возбуждения и близки к линейным. Однако за счет влияния индуктивности якорной цепи возможны несущественные отклонения от линейного закона (рис. 2.3). Основное влияние при этом оказывает индуктивность фильтра Ф, последовательно включенного в цепь.

В динамических режимах вентильный двигатель ведет себя как и обычный двигатель постоянного тока. Добавляется в структуру лишь еще одно апериодическое звено, обусловленное, как указано выше, индуктивными элементами в цепи якоря, преимущественно фильтра. Соответствующая передаточная функция имеет вид

где Т_у - постоянная времени элементов цепи управления; Т_я -электромагнитная постоянная двигателя; Т_м - электромехани­ческая постоянная.

В настоящее время в связи с появлением силовых транзисторов на большие токи создаются вентильные двигатели, номи­нальная мощность которых составляет несколько сотен киловатт. Однако преимущественно вентильные двигатели строят на мощности до 1-2 кВт и поэтому они могут успешно при­меняться в позиционных и следящих приводах [21, 35].

Рис. 2.2. ВТ (редуктосин) с тремя ветвями вторичных обмоток

Рис. 2.3. Механические характеристики вентильного двигателя

Для создания быстродействующих следящих систем целесо­образно применение малоинерционных двигателей постоянного тока, у которых электромеханическая постоянная времени составляет около 0,01 с, а электромагнитная постоянная еди­ницы миллисекунд [42, 45].

Конструктивно они выполняются в ряде вариантов:

1. Якорь сигарообразный, вытянутой формы, с размещением обмотки на цилиндрической поверхности якоря. Крепление обмотки осуществляется за счет использования клеющих материалов типа эпоксидной смолы. Расположение обмотки в зазоре вне магнитных материалов приводит к существенному уменьшению ее индуктивности. К такого рода двигателям отно­сятся двигатели серий: ПГТ, МИГ и др.

2. Якорь представляет полый цилиндр из немагнитного, изо­ляционного материала. Обмотка располагается на цилиндри­ческой поверхности якоря. Она может быть изготовлена печат­ным фотоспособом с использованием фольгированного тексто­лита, штамповкой из тонкого материала типа фольги и другими методами. Внутри цилиндра для уменьшения магнитного сопро­тивления располагается неподвижный стальной цилиндр. Как электромеханическая, так и электромагнитная постоянные яко­ря такого двигателя весьма малы. Примером подобных двигате­лей могут являться двигатели серии ДПР.

3. Двигатели с дисковым ротором. Обмотка, которая выпол­няется теми же методами, что и в предыдущем варианте, рас­полагается на обеих поверхностях диска. Коллектор вообще может отсутствовать, и щетки скользят непосредственно по проводникам обмотки. К двигателям с дисковым ротором относятся двигатели, изготавливаемые в РФ, типа ДПУ, ПЯ.

Недостатком всех малоинерционных двигателей является развитая система возбуждения, что обусловлено большими немагнитными зазорами. Внешние габариты двигателя при этом как при электромагнитном, так и при магнитоэлектрическом возбуждении получаются значительными.

Малоинерционные двигатели следует применять только для механизмов, обладающих малыми собственными моментами инерции, однако и в этом случае высокие динамические свойства малоинерционных двигателей могут использоваться далеко не всегда. Большие ускорения, обеспечиваемые ими, могут приводить к большим динамическим усилиям и поломке механизмов. Результатом весьма малой механической инерции может быть неравномерность движения, особенно при малых уровнях скорости. Естественно стремление к широкому использованию электро­машинных систем переменного тока в связи с тем, что как гене­рирование, так и распределение электрической энергии осуще­ствляется на переменном токе. Однако ожидаемый при этом эффект только кажущийся, так как для обеспечения требуемых регулировочных свойств системы обязательно наличие в ней преобразователя частоты. Это может быть преобразователь со звеном постоянного тока или непосредственной связью (НПЧ) [40]. При этом электромашинное устройство переменного тока становится даже более сложным, чем устройство постоянного тока. Как известно, в первом из них регулированию подлежат одновременно две величины, как частота, так и напряжение.

Преимуществом короткозамкнутого асинхронного двигате­ля является простота конструкции. Однако момент инерции асинхронного двигателя и соответственно Т_м несколько больше, чем у двигателя постоянного тока, особенно высокомоментного.

Основным преимуществом короткозамкнутых двигателей является технологичность их конструкции. Изготовление их может с успехом осуществляться на автоматизированных поточ­ных линиях. Напротив, наличие у машин постоянного тока кол­лектора усложняет изготовление и не позволяет обеспечить автоматизированный цикл производства. Для двигателей по­стоянного тока обычно используется ручная сборка. Более про­стая конструкция короткозамкнутого двигателя и технологич­ность его изготовления обеспечивает меньшую его стоимость и продажную цену. Однако, как правило, для асинхронного дви­гателя, используемого в системах векторного управления, тре­буется применение датчиков тока, скорости или положения, стоимость которых может быть соизмерима со стоимостью самого асинхронного двигателя малой мощности.

Далеко не безразлично, из какой серии двигателей выбрать необходимый по мощности и скорости исполнительный двигатель. Согласно ГОСТ 188-74 и нормам МЭК рассматрива­ются восемь типовых режимов, применительно к которым долж­ны выпускаться электродвигатели [35]. В настоящее время в Рос­сии изготавливаются лишь двигатели, предназначенные для работы в двух режимах: длительном S1 и повторно-кратковре­менном S2. Для позиционных и следящих систем наиболее при­годны были бы двигатели, рассчитанные на повторно-кратко­временный режим S5 с торможение в конце каждого цикла. Однако специальные двигатели для режима S5 в РФ не изго­тавливаются и приходится применять двигатели, предназначен­ные для систем автоматики в широком понимании. К ним относятся сравнительно маломощные двигатели с достаточно широким диапазоном регулирования скорости и уменьшенным моментом инерции ротора.

При рассмотрении вопроса о том, из какой серии выбрать дви­гатель, кроме учета конструктивных, экономических и других со­ображений следует ориентироваться на максимально обеспе­чиваемое соотношение М_{д. ном} /J_д, где М_{д. ном} - номинальный момент двигателя; J_д - момент инерции двигателя. Как следует из формулы

для длительности переходного процесса при разгоне или тормо­жении самого двигателя без нагрузки на его валу, в которой δ - коэффициент, учитывающий наличие дополнительных инерци­онных масс (муфта, тормозной диск и т. п.) на валу двигателя; λ_м - коэффициент, характеризующий перегрузочную способ­ность двигателя; ω_д - угловая скорость двигателя, максимум отношения М_{д. ном} /J является определяющим условием наиболее быстрого протекания процессов. Так, среди двигателей для систем автоматики при М_ном = 1000 Н • м имеем:

Из этих же соображений всегда следует ориентироваться на двигатели, в условном обозначении которых присутствует буква L. Как известно, двигатели изготавливаются на несколько зна­чений мощности на одном штампе стали ротора и статора. При этом двигатели с удлиненным ротором (L) всегда имеют лучшие динамические свойства по сравнению с двигателями с корот­ким ротором (S) той же мощности. Для примера приведем данные для группы двигателей новой серии машин постоянного тока 4ПФ-112 с высотой центров вала 112 мм.

В сериях СЛ и МИ, из этих же соображений для каждого габарита предпочтительней двигатели, имеющие большие номера, а именно для СЛ: 161, 261, 361 и т. д.; для МИ: 12, 22, 32 и т. д. (рис. 2.4).

Как видно, двигатели с удлиненным ротором наряду с увели­чением мощности имеют и существенно большее значение вели­чины М_{д. ном} /J_д, характеризующей обеспечиваемое ими ускорение.

В некоторых случаях, если позволяют габариты, для умень­шения момента инерции могут быть использованы два двига­теля, роторы которых размещены на общей оси. При мощности более 20 кВт может быть эффективен гидропривод.

Преобразователи, используемые в системах переменного то­ка, в силу их большей сложности всегда имеют большие габариты, чем преобразователи в системах постоянного тока. В пер­вую очередь это относится к преобразователям типа НПЧ, в кото­рых используется большее число аппаратов - тиристоров; в ти­повой трехфазной схеме их 18. В связи с этим в подобных установ­ках рационально применение не трехфазных, а двухфазных двигателей. В этом случае число тиристоров сокращается с 18 до 12. Двухфазные двигатели для питания от преобразователей частоты в ближайшее время будут изготавливаться в РФ серийно.

Рис. 2.4. Зависимости отношения М_{д. ном} /J_д (т. е. максимального ускоре­ния) от габарита двигателя (серии МИ, СЛ, ПГТ)

Весьма просто электромашинные устройства переменного тока выполняются при использовании двухфазных двигателей, питаемых несимметричным напряжением. В обмотке одной из фаз двигателя (в обмотке возбуждения) ток фиксированный, а в другой фазе - управляющей может изменяться по амплитуде или фазе. Однако подобные электромашинные устройства обладают существенным недостатком - большими потерями энер­гии в двигателях, обусловленными двумя причинами: тормоз­ным действием момента, создаваемого обратносинхронным магнитным полем, и использованием двигателей повышенного скольжения (S_k ≈ 1), что необходимо для обеспечения требу­емого вида механических характеристик (рис. 2.5). При ис­пользовании обычного двигателя с S_k = 0,15÷0,2 регулирова­ние скорости невозможно.

Рис. 2.5. Механические характеристики двухфазного асинхронного

двигателя при амплитудном управлении

α - относительное значение напряжения на управляющей обмотке

Для питания двигателя и соответственно для изменения тока в управляющей обмотке могут применяться либо полупровод­никовые преобразователи, либо магнитные усилители (МУ). В первом случае на выходе обычно используется дифферен­циальный усилитель, который дает возможность изменять ток по фазе на 180° и соответственно реверсировать двигатель. Для создания необходимого сдвига фаз 90° между токами в об­мотках, как правило, последовательно с обмоткой возбуждения включается конденсатор. Не заслуженно малое использование имеют магнитные усилители. Между тем сочетание двухфазного двигателя и МУ дает всегда весьма надежный и достаточно быстродействующий привод.

Использование МУ целесообразно для систем, работающих в активных средах, как-то: в морских подводных условиях и осо­бенно при повышенной радиации. Полупроводниковые устрой­ства в таких средах функционировать не могут.

Регулируемые двухфазные двигатели как за рубежом, так и в РФ строятся на мощности до 100-150 Вт. В равной мере ис­пользуются двигатели как с беличьей клеткой, так и с полым ротором. Последние, казалось бы, имеют преимущество по вели­чине момента инерции, однако в силу большого сопротивления вторичного контура электромеханическая постоянная у них име­ет примерно то же значение, как и у двигателей с беличьей клет­кой.

При питании двигателей симметричным трехфазным напря­жением от преобразователя частоты как со звеном постоянного тока, так и типа НПЧ, могут применяться как асинхронные, так и синхронные двигатели. Асинхронные двигатели более устой­чивы в работе. Приводы с синхронными двигателями склонны к качаниям. Часто приходится вводить дополнительное демп­фирование. Демпфирующего действия, создаваемого пусковой обмоткой типа беличья клетка, может быть недостаточно. Син­хронные двигатели, как правило, используются с возбуждением от постоянных магнитов или с неподвижной обмоткой возбуж­дения (с когтеобразным ротором).

Однозначно высказаться в пользу электромашинного уст­ройства постоянного или переменного тока нельзя. По-види­мому, в ближайшее время параллельно будут развиваться оба варианта устройств. Сейчас среди регулируемых приводов, вы­пускаемых электротехнической промышленностью, приводы по­стоянного тока составляют несколько больше половины. В даль­нейшем по мере совершенствования полупроводниковой тех­ники можно ожидать увеличение доли приводов переменного тока. За рубежом системы переменного тока у многих фирм уже преодолели 50%-ный рубеж.

В некоторых случаях может быть целесообразно применение шаговых двигателей. Основным преимуществом их следует считать удобное совмещение с устройствами цифровой техники. Управление двигателями может непосредственно осуществлять­ся сигналами в унитарном коде. Однако по своим динамическим свойствам шаговые двигатели существенно уступают двигате­лям непрерывного действия. При импульсном характере тока его среднеквадратическое значение, определяющее нагрев об­моток, значительно превышает среднее значение, от которого зависит электромагнитный момент.

Приемистость шагового двигателя - предельная частота, при которой возможен его разгон без потери шага, ощутимо снижается преувеличении момента инерции за счет присоедине­ния инерционных масс приводимого в движение механизма и при наличии большого статического момента, создаваемого этим механизмом.

Как правило, шаговые двигатели используются в системах разомкнутых, с использованием мер, исключающих возмож­ность пропуска шага. Замыкание системы обратной связью по скорости или положению часто приводит к качаниям около установившегося положения при отработке последнего шага.

В настоящее время в системах, к которым не предъявляются высокие требования по динамике и погрешностям, достаточно успешно стал использоваться двигатель, получивший наимено­вание вентильнореактивный (ВРД). Конструктивно он подобен шаговому двигателю с пассивным ротором, но имеет существен­но меньшее число полюсов ротора. Он представляет собой ре­активный двигатель с явно выраженными полюсами как на ро­торе, так и на статоре. Число полюсов р_ст и р_р различно, а именно 6/4, 8/6 и т. д.

Управление двигателем осуществляется от импульсного устройства, построенного на силовых полупроводниковых эле­ментах. Для создания необходимых условий управления исполь­зуется датчик положения ротора. Преимущественно работа двигателя протекает не в шаговом режиме, а в непрерывном, но с некоторыми колебаниями скорости. Глубокое регулирование скорости, при котором возможен переход системы в шаговый режим, не применяется.

В настоящее время двигатели ВРД в основном используются в бытовых приборах и устройствах, в электроинструменте и других подобных механизмах, однако постепенно они завоевы­вают новые сферы применения, вплоть до позиционных систем.

При выборе типа двигателя существенное значение имеет надежность работы как самого двигателя, так и электромашин­ного устройства в целом. В современных условиях надежность, как правило определяется не типом двигателя и преобразователя, а технологическими особенностями производства выпуска­ющей их фирмы. Как ни странно, надежность асинхронного двигателя обычно не выше, чем машины постоянного тока, что обусловлено малым магнитным зазором и низким качеством подшипников, изготавливаемых в РФ. Надежность преобразовате­лей в основном определяется качественными свойствами элементной базы, на которой они построены.