Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТО'.ТІ.
Производители машиностроительной продукции вместо с обо-рудопаїком предлагают многочисленные программные сродства для планирования и моделирования процессов, позволяющие создать интегрированное автоматизированное производство я автоматизированное научно-исследовательские комплексы.
'J учетом г. . місти программного и технического обоспе-четы мировой ршюк средств автоматизации составляот в настоящее время от 100 до 200 млрд.долл. США. Его ожегодаоо увеличение оценивается n iil %. Гибкость производства позволяет снизить ого стоимость на 15...ЗО % при одновременном уменьшении времени прокзшцственного цикла до 60 %.
Осуществление программируемого движения шагового электропривода, повигаеіше точности и быстродействия, максимальное удопевлонио всех составных частей электропривода требуют совершенствования методов расчета и проектирования шагового привода на основе накопленного опыта в это!1 области и традиції он-ішх способов описания движения и методов регулирования координат, а тпкжэ проектирования сенсорних узлов, удовлетворяющих возроопим требовашіям к прецизионности привода.
Первоначальное стремление использовать преимущества разомкнутого управления шаговым двигателем (свойство не накапливать о::шбку по положсішю в движении, относительная простота и дешевизна и т.д.) в последнее десятилетие дополнилось применением в шаговом приводе обратных связей. Это приводит к постепенному сблнжошто дискретного и непрерывного движения.
Используемая ранее .для проектно-нзладочшх работ модель шагового электропривода но учитывала некоторых физичесішх явленім ,з двигателе, что не позволяло опт::-;зсэовать статические и динамические родами привода с максимально воэможшши показателя:?;! точности и быстродействия. Весьма оцутимц при этом различия результатов расчетов л экспериментов.
Таким образом, задача ловымення статических и динпмпчос-ких чок.апаті.-л':.; маго:к.'го злектроіп нвода сводится к уточнению
структуры модели и ее параметров для практического использования ее в задачах проектирования и расчета устройств управления электропривода.
Данная диссертационная работа выполнена в рамках научно-технических исследовании и разработок, проводами на кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ по программа временного научно-производственного коллектива "1)речя-2", утверздешой ГКОТ СССР и Президиумом М СССР.
Цель работа состоит в создании уточнешюй модата шагового электропривода и применении разработанной математической модели для расчета и проектирования устройств управления шагового электропривода.
Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следулцио основные задачи:
-
Анализ наиболое часто используемых шагових двигателей, методов их управления и модолироплния приводов на их основе.
-
Выработка требований к модали распространенных типов .шагових приводов.
-
Экспериментальное исследование уточняемых факторов.
-
Разработка моделей, удойных для компьютерных и тра-диционшх методов анализа и синтеза приводов.
-
Прлменеїшс разработанных моделе,'! при простстировашш и расчете различішх структур шагового привода.
-
Проектирование сенсорных узлов, удовлетворяющих возросшим требованиям к прецизионности привода.
^етопч исолсловзни"'. Исследования проводились аналитическими методами, принятию в теории дискретного электропривода и теории обобщенное электрической машины. Использовался метод аміиитудно-частотшіх характеристик из теории автоматического управления. Применялся язык (специализированная програти) для моделирования нелинейных спетом пп персональном компыоторо. Экспернмснталышо исследования проводились на макетных и промишешшх образцах с помощью современной измерительной аппаратури, а также с монетами автоматизации обработки результатов экспериментов.
Наущая пошит работы состоит в решении главной задачи -
разработке и обосновании уточненной модели шагового электроприводы, о такте в решении ряда частных задач, связэшшх с главно А:
разработка способов намерения уточняемых факторов и оиределегаю структуры уточненном подоли;
построен:!.; угичіїиішоіі математической модели приводя с последум'іо.і реализацией ео на персональных компьютерах в широком классе задач проектирования электроприводов;
оп!т !,.олшп условия и области, позволяющие вводить упрощенно разработанной модели для задач синтеза счетом электропривода.
Практическая н/чщеоть работу состоит в том, что получен— пая модель ооношша на оолее правильном и точном отражении слоюпіх физичоскнх процессов б системо шагового электропривода; модель удобна для мамшного анализа и состоит из звеньев, могупзіх. Сіті, отнесешпл.ш к типовым в системах автоматического управления; может использоваться дош расчета разомкнутых и замкнутых систем электроприводов с шаговыми двигателями. Разработаны дпфферсшпіялмшЛ датчик тока, который пообходим в высоковольтных инверторах для электроприводов, а такие точный индук-'тигашл датчик малых перемощений, работающий в приводе как реперний или коночный датчик; датчики отвечают требованиям прециаиошюсти и термоетабнлыгостн.
Реализация паботн. Результаты диссертационной работы использовались для проектирования устройств упраадення привода стада много;;:іичід'\"-ьпого сташеа для свороння печатных плат фирмы " PLURITEC ".
Аыюбацня паботы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзной научи j-техничеекоіі конференции по следящим электроприводам промышленных установок, роботов и манипуляторов в г.Мпй.с.е в IVOy году; на заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энорх'етического институт в сентябре 1991 года.
Публикации. Основное содержание работа напло отражение в пяти ц; : si:::-j < работах :i одном изобретении.
-;т;, „„,.,,, | ., ,^,,,, ;r'fi-)T!J. Ді!СЄЄрТа:и'~ЛШЛЯ рабОТ.'і СОСТОИТ
из свет'1:;:"], че;ч;гсх глав, заключения, списка литературы из
- є -
49 найме.юваїшії. и одного приложения. Общий, объем диссер—
тацип составляет 135 страниц: 60 страниц основного
текста, 56 рисунков, 3 таблицы.
Во введении обосновывается з.г'уалтгег.ть погодований в области ыагових электроприводов, дается краткая характеристика ріінка средств автоматизации производства и устройств с шаговыми двигателями , сформулирована ноль работа, показана ее структура, приведеш положения представленные к занг.ітє.
В первой главо дана краткая характериетика тенденций развития шагового электропривода, покапывается ого конкурентноспособность среда сервосистем с двигателями постоянного тока.
Анализ зарубежной и отечественной научно-технической литературы позволяет сделать вывод, что в настоящее время среди шагових наиболее часто используются индукторные шаговые двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Шрогсое применение находят как врацащиеся, так и липеГпшо вагонне двл-гатели (11Щ).
В работе рассматриваются особенности конструкции известных и новых вращающихся ШД. Высокие точностные и дпнаетчес-кие показатели достигаются за счет пространственного раздающих потоков управления и возбуждения, что практически исключает возможность размагничивания двигателя управлявшими то-каші; используется конструктивная компенсация нестабильности при обработке иагов за счет дпухпакетного ротора, причем зубцы пакетов сдвинуты в пространстве на половину полюсного делешш; максимально облегчаются подвия'ше части ЦД за счет выборки тех металлических, частей, через которое проходит незначительная доля магнита; їх гмтокев; ^пользуются высоко-коэрцетивные постояншш МЗГ1ШГН и вставки из постоянных магнитов, улучшающие проникновение магнитного потока через воздушный зазор и уменькзющне потоки рассения. Кроме того, значительные технологические преимущества дают конструкции, позволяющие производить намапшчнвзшю двигателя после его сборки.
Чтобы упростить цепи управления и использоват;, одно-порярное питание, ПІД с постоянными магнитами часто выполняются с бифішірішми обмотками.
- У -
Значительное внимание при конструировании ШД уделяется минимизации потерь на вихревые токи и гметерезисшлэ лшіония.
Характерной особенностью линейных ШД и электроприводов на их осново является прямая непосредственная связь механизма с линейным двигателем, при которой реализуется прямолинейное движение плоской подвижной части без зубчатой или роечно'1 передач. Однако линейные двигатели конструктивно сложное двигателей с вращающимся ротором: несущая часть линейного двигателя должна обеспечивать точноо сохранение величины магнитного зазора при перемещении, а распределение магнитного потока имеот сложную форму при значительноі. его рассеянии. Конструкция линеі'люго двигателя может иметь короткую подвижную и .длинную ноподвижігую части и.наоборот.
Магнитный поток проходит между якорем и индуктором и создает очень большую нормальную силу притяжения между двумя частями двигателя. Сила притяжения может в 10 и более раз превышать пик удерживающей силы мотора. Механические ролики или воздушные опоры поддерживают требуемую величину зазора. Известны однофазные и двухфазные конструкции модулей ШД. Однофазные модули имеют тохнологическоо преимущество пород двухфазными из-за меньшего количества моточных элементов. Дія уменьшения потоков рассеяния в якоро те и другие модули имеют противоположную ориентацию постоянных магнитов ( N-S.S-N ).
На одном индукторо одновременно могут работать несколько якорей полностью независимо. Такое невозможно в любом другом типе системи позиционирования.
Якорь в линейном ШД имеет иихтовшшую структуру. По экономическим соображениям индуктор делается из куска магнитной стали пут ом травления или нарезки зубцов. При управлении якорем в ;:ндукторе будут наводиться значительные вихревые токи, "ичуктор пассивен - у него нет катушек - следовательно, может быть изготовлен любой длины (или площади). Размеры ограничиваются лиггь возможностям! технологического оборудования.
Направлениями соперпенотвопанпя линойннх двигателей являются: миниатюризация конструкции за счет применения выеоко-качеств^нних Н'іпшттх матери.члов; двойное распределение обмотки, что П'ічьолш'т рег'улиротімті. двумерное перег.ог.:оние; ynnjw-кчтії"-" M'V.':ii:'3Mon о мапштоиоэтгушой опорой и возможность
- Є -
видоизменения обмоток и вторичных магнитных цепей.
Автоматизированное и автоматическое управление каким-либо технологическим оборудованием с шагоэым или иным приводом невозможно без измерения самых разнообразна параметров и показателей движения. В последние годы наблюдался устойчивый рост во всех областях сенсорной технологии. Одна из таких областей -фотодатчикп. На основе фотодатчпков строятся кодовне датчики положения, импульсішо датчики, датчики коночшх положений. Наиболее сложными и дорогими являются многоразрядше кодовые Датчики положения как врощап:;.:эея, так и линейные.
Синусно-косинусше вращающиеся трансформаторы применяются там, где желателен малый размер, хорошая разрешающая способность, абсолютное измерение положения и высокая точность. Дополнительный преобразователь (конзертор синусно-косинусннх сигналов) преобразует выходные сигналы первичного преобразователя в код, пропорциональный углу поворота вращающегося трансформатора. Известны случаи однокристального исполнения таких преобразователей.
В настоящее время находят широкое применение в приводах индуктосі.чш, линойныо дифференциальные трансфоршторы и высокоточные потенциометры.
Одно из известных преимуществ шагового привода - возможность устойчивой работы в разомкнутом режиме, то есть при отсутствии датчиков перемещения. В этом случае для большей надежности и безопасности работы 1ІЩ необходимы конечные датчики, сигнализирующие о достижении края рабочей зоны, а также датчики начала отсчета (репернне датчики).
Очевидно преимущество бесконтактных принципов получения сигнала, ограничивающего движение.
Разработан точный стабильный индуктивный конечный датчик, работающий на вихретоковом принципе. Сигналы чувствительного элемента детоктируются, фильтруются и преобразуются к стандартному цифровому виду.
Формированием токов в фазах осуществляется управление ЕЩ. вормировашіе токов осуществляется в контуре тока, содержащем высоковольтный инвертор. Для осуществления обратной связи по току необходам качественный датчик тока. Разработан датчик тока, работающий по принципу трансформатора постоянного тока. Датчик имеет частотный диапазон 0... 5 кГц, измеряет токи от
нескольких миллиампор до 2,5 ампер с точностью 0,2 %. Датчик может использоваться и в других приводах постоянного и переменного тока.
Линейтій или вращаюциііся ИЩ с встроенным датчиком положе-ния, работающим в стандарте ЧПУ, позволлот сопряпать двигатоли с разнообразными промншлешшми системам управления приводом. При этом, иногда, можот бить достаточно но абсолютного датчика положения (датчика пути), охвативающего вось диапазон поремоідо-ний двигателя (такие датчики дороги), а лишь внутришагового датчика положения (который существенно дешевле).
Эффективность замкнутого шагового привода существенно возрастает при переводе двигателя в режим самокоммутяции по сиг-галам местной обратной связи. Самокоммутация позволяет приблизить ШД по качеству движения к сервомоторам.
Незначительная конструктивная добавка в ШД в видо четырех дополнительнігх измерительных обмоток позволяет получать сигнали о движении ротора аналогичные сигналам враіцаицсгося трансформатора.
Совремешшо системы управления шаговым) приводами строятся по модульному принципу. Как правило, осевой модуль, управляющий мотором имеет стандартный интерфейс и мог.ет сопрягаться с устрой-ствами ЧПУ или другими устройствами управления ШД.
Вторая глава посвящена анализу и построению модолой иаговых электроприводов и их элементов.
Известны разнообразные модели электроприводов о шаговыми двигателями. Однако,они но удовлетворяют по том или иным свойствам: не учитывают в структуре силовой части электропривода нелинейности и инерционности; процизионноо представление потоко-сцеплони'1 приводит к сложным аналитическим выражениям, котор»о можно анализировать только машинными методами; в уравнении движения наличяо воздуха, трения, влияние гистерезиса и вихревых токов учитывается обычно коэг^фицнэнтом вязкого трошія, который прішжаотся константой, реально ого функциональная зависимость от скорости более сложная; не учитывается влияние фикси— рущого мог.'ент.э (усі'.Тіїя) ШД на тшнамику и точность щш<одя.
Изгримор, н^учот вязкости пт действия вихревых токов и гистерезиса приводит к суд>ствснному различию расчетных и гЖ'.і!и":н.міт ілї.ішх тра^ктори;' дриулния уже при отціботке одно-
IV) И'Г',4.
Таким ібразом, требования к модели индукторных ЩД и приводов на их основе заключаются в следующем: должны Онть адекватно описаїш сложзше физические процессы в системе управления, н электромеханическом преобразователе энергии и в движущихся массах привода. Модель системы управления должна учитывать реальные свойства инвертора, контура тока в электроприводе и возможность разомкнутого и замкнутого многоконтурного управления шаговым приводом.
Для виявлення главных свойств привода используется исходная идеализированная модель шагового двигателя, который представляется двухфазной индукторной машиной с возбужденном от постоянных магнитов. Устанавливаются следующие допущения: отсутствует насыщение магн::їипровода, собственная индуктивность обмоток постоянна, пространственное распределение потоков или намагничивапістх сил синусоидально, сопротивления обмоток одинаковы, инвертор, питающий ШД, ненасыщен.
Структура этой модели в относительных единицах изображена на рас. Г. Такая структура является эквивалентным изображением соответствующей системы дифференциальных уравнений, описывающий привод.
Однако, опыт работы подтверждает недостаточную адекватность этой модели.
В шаговом двигателе с постоянными магнатами знпчителъно влияние четвертой гармоники момента (усилия), возникающей
.
-x
>-»
из-за наличия высших гармонических составляющих ь простанст-вешюй кривой проводимости магнитной цепи машиті. В роз mix двигателях эта составляющая момента (усилия) может бить 0,05-0.,30 номинального момонта (усилия) машины. Хотя работа четвертой гармонической составляющей при перемещении на полюсное делоние равна нулю, но она сказывается на динамике и точности приводя, работающего на малых скоростях. Чтобы сдвинуть ротор (якорь) машины в начале движения, необходимо преодолеть максимум этой составляющей.
Изменяющееся мапштиое поле в зазоре между статором и ротором порождаот вихревые токи в железе машиїш независимо от того, в результате движения ротора возникло изменение поля или под действием управляющих токов статора. Удачные конструкции ШД минимизируют эти вихревые токи, но но ликвидируют их. Действие вихревых токов и гистерезнишх явлошій проявляется в дополнительных потерях мощности и момента (усилия), а с точки зрения механического движения - в вязкости, преодолеваемой ротором (якорем).-
Обычно учет вихревых токов осуществляется введением дополнительных вихретоковых контуров. Однако, даже незначительное усложнение схемы замещения фазы вызывает повышение порядка системы дифференциальных уравнений, описывающей привод, и значительное усложнение расчетов.
Чтобы но увеличивать порядок дифференциальных уравнений в модели, предлагается учитывать влияние вихревых токов, гистерезиса и фиксирующего момента (усилия) в моторе в виде дополнительных составляющих момента нагрузки. Величины этих составляющих являются функциями положения и скорости мотора.
Нелинейность магнитной-цепи машины следует учитывгтъ в нелинейности характеристики ток - момент (усилие).
Вследствие ограниченности напряжения питания инвертор также является нелинейным звеном в системе управления ЩД. Поэтому диапазон скоростей ШД разделяется на два: скорости, где инвертор сохраняет свойства инвертора тока и скорости, где оиловой преобразователь работает в режиме инвертор.! напряжения Кромо того, широтно-пмпульсго-модулировпнннй дам) сигн-тл в контуре тока вносит запаздывание в преобразование сигналя зад/шин тока на величину, соответствующую периоду 1ШМ коле-
sin9
W'PT
7і"
-J-
—*
LnrJ
Рис.2
баний. Это должю учитываться апериодическим пвен\" в кочтуг-* тока.
Экспериментальные исслвдоваїшй уточняемых (факторов н.-г-озі, ли (об этом будот сказано ішжо), что к исходно?, идоализщ-о&чи-ной модели должны быть добавлены следующие фактори: влиянии вязкости от вихревых токов и гисторозисных явлений в жел...н; матий; влияние четвертой гармонической составляющей фиксируч-щого момента (усилия) двигателя; нелинейность силового преобразователя ; запаздавашіе в контуре тока при широтно-ш.іи^льснок модуляции; нелинейность магнитной цепи машины.
Структура уточненной модели пагового привода, состашіен-ная на осново эквивалентной системы дифферонциалышх ypj.-нений приведена на рис. 2.
Эта структура положена в основу базовой машинной модели, реализованной га персональном компьютере с помощью языка для моделирования нелинейных систем.
В третьей главе рассматриваются метода расчета последовательных корректирующих устройств ь элоктро приводе с в:іговьлі двигателем. Здесь,на этане предварительного анализа,допустимо учитывать только основные элоктромеханические спойстиа шагового привода и возможно упростить получешгуы модель привода в тех областях скоростей, где инвертор сохраняет свойства инвертора тока. В этом случае удобнее рассматривать ШД в подвижных координатах.
В работе показан ентоз регуляторов замкнутого по поло-жегаш шагодаго привода на приморэ планзрного привода перемещения столп сверлильного станка. Двигатель работает в режиме, вентильной машины с амплитудным управлением к нейтральной коммутацией. Информация о положении и скорости снимается со встроенного машиторезисторного датчика положения с послецущим прообразованном d конверторе сигналов датчика.
Структура замкнутой системы управления с шаговым двигателем в рвкиме бесконтактного двигателя постоянного тот приведена на рис. 3.
Поело преобразования системы координат л-р в си-тему координат «-<{ структура привода прообротает вид, изображенной на рис.4. В этом случае уравнение динамический ми хлни-чеоі'оЯ харлктери^.ти'си привода
"1
Peryi
попи
3-4^14^
:Г
-±Ф-
/г/л
Рис.З
Нрмтур ЗДС
tf-s
Регулятор тс на
' n,f
Инвертер
>Т„р-
$и>
*~Ф—*
!>лр'
-ф*
J/"'
Дшгаліе/іь
|Л!Г
J I
"1
Коміг,гр р озмагничйьстя
X
id
_ u» VptVu С- \
близко по виду к уравнению динамической моханичоско.'і характеристики двигателя постоянного тока с нозавиеишм возбуждением, за исключением компоненты
д и-
^" (^4;wu^p*)2 '
отражающей размапшчивающое действие продольной состашшп-щей тока якоря.
В рабочем диапазоне скоростей эта составляющая незначительна и не превышает 10 %, что можно показать с помощью амплитудно-частотных характеристик. Поэтому структуру привода можно упростить до структури, эквивалентной двигатолт постояшюго тока о независимым возбуждением. Тогда оинтоз регуляторов проводится традиционными способами, например, методами подчиненного регулирования. Таким образом синто- зироваш ПИ - рогулятор гоїш и скорости и П - регулятор положения.
Четвертая глава посвящона экспериментальному опродо-леїшю параметров уточненных модатой ыагошх двигателей.
Измерения фиксирующего момента (усилия) проводились в серки статических опытов на холостом ходу новоротного и линейного двигателей. В этом случае измерялось отклонении ротора (якоря) ШД от устойчивого состояния под действием статических нагрузочных моментов (сил) известной геллчилы. Результати измерения четвертой гармошгіоскоіі состашіящей фиксирующего электромагнитного момента на фіне изморенного синхронизирующего момента (первой гармоники) приведпнн на рис. 5. Аналогично выглядят результаты измерении для линейного ШД.
Возможен конструктивны!! метод уменьшения влияния четвертой гармоники момента (усилия) ВД путем создания сюса зубцов подвижной, части машины относительно неподвижной. Одновременно при отом происходит уменьшение синхронизирутвдеп
«s
:zx~x
T"
-4/
7Л-
, Синіронш мененп ПІД при
.-- r -|-. __-
ГРЛЛ.
1.І-
I-
0,5
\Лл
Рис. 7
С
t'nc.5
0,10
0,10
fiPjn-t-t
^ї-іілиий
І,'" О і
. r-_] ! j ,—, p—-r
Линейный Одагатепь мтаетег эт ^.пкртора с нилеВы* заданием Л«»и
* «и
/ о
'a»es о и oj її її «j «<
"І/Н—і—( Т ]П
'1 І РГ1 ! "
П і і і
о v v іі і> а и с :.і
_&с?
