Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО Институт металлургии, машиностроения и транспорта Кафедра «Технологические процессы и оборудование автоматизированных машиностроительных производств» Допускаю к защите И.О. Зав.кафедрой А.В. Приемышев 2015 г. БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Тема: АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОВОРОТНОГО СТОЛА Направление: «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ» Профиль: _01 «Автоматизация технологических процессов и производств» Выполнил студент группы з43229/2 Руководитель к.т.н., доцент Рецензент Исполнительный директор ЗАО «НПП «ЭПРО» к.т.н., доц. А. Ю. Смирнов А. Е. Епишкин В. А. Шаряков Санкт-Петербург
2 2015 г.
3 СОДЕРЖАНИЕ АННОТАЦИЯ.. 3 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.4 ВВЕДЕНИЕ ВЫБОР И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СЕРВОПРИВОДА ПОВОРОТНОГО СТОЛА 1.1. Понятия о сервоприводе Структура и элементы сервопривода поворотного стола Вентильный двигатель Сервопреобразователь Датчик положения (резольвер) Расчет статики и выбор двигателя сервопривода Расчет параметров редуктора ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СЭП 2.1. Техническая оптимизация динамики Выбор структуры СЭП Настройка контура тока Настройка контура скорости Настройка контура положения Имитационное моделирование динамики СЭП Построение имитационной модели сервопривода Принцип работы сервопривода поворотного стола Динамические свойства синхронного двигателя Особенности управления и получение измерительной информации в системах с вентильным двигателем Исследование динамики сервопривода ЗАКЛЮЧЕНИЕ…54 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 55 2
4 АННОТАЦИЯ Смирнов Александр Юрьевич группа з43329/2 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОВОРОТНОГО СТОЛА AUTOMATIC ELECTRIC ROTARY TABLE В работе произведен выбор и расчет параметров сервопривода поворотного стола фрезерного станка. Рассчитана статика электропривода. Произведен расчет динамики и имитационное моделирование динамики работы синтезированного электропривода в программе MATLAB. 3
5 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ Д двигатель ЗИ задатчик интенсивности МОУД модуль управления двигателем ОМ оптимум по модулю (настройка контура регулирования) ПИ пропорционально-интегральный (закон управления) ПК персональный компьютер Р резольвер (датчик положения двигателя) РП регулятор положения РС регулятор скорости РТ регулятор тока СО симметричный оптимум (настройка контура регулирования) СЭП систем электропривода ШИМ широтноимпульсная модуляция IGBT транзистор с изолированным затвором 4
Разработка методики ремонта и настройки радиоэлектронной техники
... радиоаппаратуры. В производстве радиоэлектронной аппаратуры РЭА широко внедряются агрегатные комплексы средств электроизмерительной техники, повышающие качество регулировки, настройки, ... методику ремонта и настройки. Привести характеристику неисправностей и методы их устранения. Охарактеризовать элементную базу. ... (3-ий вывод IC1) служит перестраиваемый контур VC1, ТС1, С4, L1. Верхняя граница ...
6 ВВЕДЕНИЕ Использование разнообразных машин, механизмов и устройств, которые позволяют облегчить, ускорить или упростить воздействие на материалы, предметы обработки или выполнять иные заданные функции, которые называют рабочими процессами. В современной практике многие рабочие процессы вообще невозможно осуществить без применения специальных машин, приспособлений и установок. Например, для выполнения любого механического процесса необходимо привести в движение рабочие органы машины или механизма, что и делается приводом. Однако привод осуществляет и преобразование какого-либо вида энергии в механическую работу, в частности преобразует электрическую энергию в механическую работ. Электропривод должен осуществлять целенаправленное преобразование энергии, поэтому в его состав должны входить устройства, реализующие такие функции. Эта цель в приводе должна достигаться автоматически. В современной приводной технике во многих случаях предъявляются такие высокие требования как: точность позиционирования; стабилизация скорости; широкий диапазон регулирования; стабилизация момента; перегрузочная способность; высокая динамика. Требования к динамике, т.е. поведению привода во времени, складываются из ускоряющихся процессов обработки, повышения времени цикла и связанной с ними производительности машины. Высокая точность очень часто определяет возможность использования системы привода. Этим требованиям должны отвечать современные динамичные системы привода. 5
7 Из-за возрастающих требований к приводам появилось необходимость разработки приводов отвечающих этим требованиям. Принципиально перечисленных выше качеств можно добиваться с использованием сервоприводов с применением двигателей постоянного тока независимого возбуждения, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов. Сервопривод — это система электропривода, которая в большом диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы. В машиностроительных отраслях они были преимущественно вспомогательными. Целью данного дипломной работы является разработка и исследование динамики системы электропривода (СЭП) поворотного стола на базе вентильного двигателя с преобразователем частоты. Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: 1) Расчет статики сервопривода 2) Выбор элементов силовой и регулирующей части сервопривода 3) Оптимизация динамики сервопривода 6
8 1. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СЕРВОПРИВОДА ПОВОРОТНОГОСТОЛА 1.1. Понятия о сервоприводе Сервосистема представляет собой высокоточную систему управления движением какого-либо исполнительного устройства, в качестве которого обычно выступает электродвигатель [1, 4]. Сервоконтроллер представляет собой микропроцессорное устройство, способное управлять движением в реальном масштабе времени: может быть одно- или многоосевым (то есть может управлять движением одной или нескольких осей одновременно).
Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей
... знака мощности скольжения Р ш > Р эя . Каскад асинхронного двигатели с машиной постоянного тока. Реализация рассмотренного способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя посредством добавочной э. д. с. осуществляется в каскадных соединениях ...
Программирование сервоконтроллера производится с помощью обычного персонального компьютера (ПК) на языке программирования, уникальном для данного контроллера, после этого программа остается в памяти контроллера и управляет работой системы. Результатом работы сервоконтроллера является выдача управляющих сигналов на электропривод в какой-либо форме: обычно это аналоговое напряжение/ток (стандарты +-10В, 4-20мА, 0-20 ма и т.д.) которое пропорционально требуемой скорости/перемещению/крутящему моменту. В контроллер поступают сигналы от датчика обратной связи, в соответствии с которыми и происходит корректировка траектории движения исполнительного механизма. Электрический привод есть устройство, на входе принимающее сигналы от сервоконтроллера и сигналы обратной связи по скорости/положению с вала двигателя, определяющее на их основе рассогласование желаемого и действительного сигналов и формирующее на выходе, куда непосредственно подключен электродвигатель, напряжение и ток нужной величины. Приводы классифицируются, в первую очередь, по типам двигателей, с которыми они могут работать: переменного/постоянного тока, щеточные (коллекторные)/бесщеточные, привод/сервопривод. От обычного привода сервопривод отличается, в основном повышенной (в раз) точностью 7
9 поддержания скорости/крутящего момента/углового положения вала двигателя, улучшенными динамическими характеристиками (уменьшено время реакции на изменение скорости/нагрузки), расширенным диапазоном рабочих скоростей ( об/мин).
Электродвигателем в сервосистеме может служить обычный асинхронный электродвигатель переменного тока, оснащенный датчиком обратной связи и, при необходимости, вентилятором принудительного охлаждения для работы на сверхнизких скоростях либо специальный серводвигатель: бесщеточный двигатель переменного/постоянного тока с постоянными магнитами на роторе, коллекторный двигатель постоянного тока. Датчик обратной связи вырабатывает сигналы, которые несут в себе в закодированной форме информацию о угловом положении/скорости/направлении вращения вала двигателя. В машиностроительных отраслях сервопривода были преимущественно вспомогательными. Теперь и главные приводы реализуются с использованием сервотехники. Сегодня в качестве сервоприводов все шире применяются электроприводы с синхронными двигателями с постоянными магнитами. Их достоинствами являются: хорошее соотношение цена/мощность; хорошие массогабаритные показатели; длительный срок службы; хорошая термическая перегрузочная способность. Сравним конкретные двигатели близкой мощности и с близкой номинальной скоростью (табл.1.1).
8
10 Таблица 1.1 Параметры Асинхронный Двигатель Синхронный двигатель постоянного тока двигатель Мощность, квт 7,5 8,3 7,5 Полная масса, кг ,6 Момент инерции J д 10-4 кгм ,4 Номинальный момент, Нм 24,7 24,7 24 Максимальное 2) ускорениеие, 1/ с Время разгона, мс Из трех сравниваемых двигателей синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет наименьшую массу. Это существенное достоинство, особенно в тех случаях, когда электропривод монтируется непосредственно на перемещающемся исполнительном органе. Моменты инерции особенно сильно различаются у двигателя постоянного тока и синхронного. Малый момент инерции двигателя выгоден, если исполнительный орган имеет небольшой момент инерции, приведенный к двигателю. Однако при большом моменте инерции исполнительного органа эта особенность синхронного двигателя оказывается недостатком. Синхронные двигатели наиболее динамичны по сравнению с другими типами. Благодаря высокому максимальному моменту М макс и малому моменту инерции, синхронный двигатель имеет весьма малое время разгона вхолостую, что позволяет рекомендовать его для динамичных электроприводов Структура и элементы сервопривода поворотного стола Как следует из структурной схемы сервопривода рис.1.1., сервопривод состоит из: синхронный двигатель с тормозом; 9
Шаговый двигатель
... электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя. Электромагнитная постоянная времени обмоток управления Tэм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто ...
11 преобразователь; датчик положения / резольвер. Задание скорости Регулятор Регулятор ятор положения скорости тока Преобразователь Регу- Датчик тока М Редуктор Нагрузка Преобразователь показаний резольвера Р Резольвер Рис.1.1. Структура сервопривода Вентильный двигатель Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, называемые иногда также двигателями с электронной коммутацией или бесщеточными (бесконтактными) двигателями постоянного тока, вентильными двигателями. Еще одно название закрепилось за этими машинами, предназначенными для работы в области низких и сверхнизких скоростей вращения, — бесконтактные моментные двигатели (БМП).
Данные двигатели сочетаю в себе преимущества машин постоянного тока, имея разнообразные механические характеристики, регулировочные свойства и бесконтактность конструкции асинхронных машин. Использование данных двигателей в наибольшей степени соответствуют требованиям, предъявляемым к серводвигателям. Их статор можно сравнивать со статором асинхронного двигателя. Шихтованный ротор имеет наклеенный магнит, который обеспечивает постоянное магнитное поле ротора. Двигатели обычно изготавливают в закрытом исполнении (IP65) с самовентиляцией. Двигатель (эквивалентная схема двигателя рис. 1.2) может работать при 10
12 различных способах формирования тока. В дальнейшем рассматривается метод синусной коммутации. Все три фазы обмотки одновременно обтекаются током (рис. 1.3) от соответствующего сервопреобразователя. Ток, индуцируемое напряжение и поток синусоидальны. Благодаря этому, постоянство момента и скорости достигаются также и на низких скоростях. Дополнительно это поддерживается и механическим исполнением двигателя. Двигатели с синусоидальным током, как правило, снабжаются резольвером в качестве датчика положения. Резольвер — это электрически и механически надежный вращающийся датчик. Совершенная электронная обработка данных дает возможность определять скорость и абсолютное перемещение ротора. Дополнительная система управления вырабатывает сигнал по перемещению, идентичный сигналу, который формируется вращающимся инкодером (импульсным датчиком).
Этот сигнал может использоваться для систем позиционирования. Благодаря отсутствию дополнительного импульсного датчика можно сэкономить на стоимости затрат. Эквивалентная схема: V ind напряжение, индуцируемое при вращении ротора V L падение напряжения на индуктивности Рис Эквивалентная схема двигателя 11
13 Положение ротора во времени Рис Синусная коммутация, ток обмотки и индуцируемое напряжение в фазах (при постоянной скорости) Управление состоит в том, что по заранее заданному моменту нужно рассчитать значения трех фазных токов двигателя, а затем установить их для распределения по обмоткам статора. Для этого с помощью датчика положения определяется положение ротора. К полученной величине угла положения в сервопреобразователе в зависимости от направлений скорости и момента прибавляется или вычитается 90 электрических градусов и рассчитываются, соответствующие этому положению токи. Для каждого положения ротора определяется соответствующее положение системы токов статора, т.е. ротор определяет направление системы токов статора. 12
Бесконтактный двигатель постоянного тока
... поступающими с бесконтактного датчика положения ротора. Рабочая обмотка двигателя -- обмотка якоря -- расположена на сердечнике статора, а постоянный магнит -- на роторе. Рис 1. Бесконтакный двигатель постоянного тока: а) - ... реактивные двигатели). К преимуществам асинхронных двигателей можно отнести все, кроме малого пускового момента и нелинейности характеристики момент на валу - скорость, малый ...
14 Положение ротора и, тем самым, поля ротора определяется датчиком положения ротора. Распределение токов статора, соответствующих требуемому моменту, устанавливаются сервопреобразователем Сервопреобразователь Сервопреобразователь преобразователь питающие синусоидальным током синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Они могут работать от сети с напряжением В~ и частотой 50/60 Гц, обеспечивая выходной ток от 5 до 60 А~, используются для управления синхронными двигателями с резольвером. Цифровой сервопреобразователь служит для регулирования скорости и момента серводвигателя. Сервопреобразователи выпускаются в двух исполнениях: модульном (рис. 1.4,а), предназначенном для многодвигательного привода, и компактном (рис. 1.4,б).
Компактное исполнение имеет то преимущество, что сервопривод представляет полный комплект. В то же время имеется возможность для дополнительного электрического монтажа между отдельными компонентами, которые необходимы в модульных системах. а) б) Рис 1.4. Сервопреобразователь а) в модульном и б) компактном исполнении 13
15 Сервопреобразователь в модульном исполнение, т.е. один сетевой модуль питает два координатных модуля, каждый из которых питает свой привод. Достоинство модульного исполнения сервопреобразователя (сетевой модуль и осевой модуль) проявляется в многодвигательном приводе, в котором можно к одному сетевому модулю подключать несколько осевых модулей. При этом мощность сетевого модуля является выходной мощностью и определяется суммой мощностей подключенных осевых модулей. Сетевой модуль состоит из входного выпрямителя, промежуточного контура постоянного напряжения сервопреобразователя, тормозного прерывателя или устройства возврата энергии в сеть, сетевого выключателя, который выполняет функции защиты, и устройства сопряжения. При торможении привода кинетическая энергия превращается в электрическую энергию и передается в промежуточный контур. Т.к. емкость конденсатора промежуточного контура ограничена, напряжение промежуточного контура повышается. Для того чтобы привод мог тормозиться, нужно гарантировать отвод энергии. Это необходимо, потому что иначе избыточная энергия будет накапливаться или превращаться в другие виды энергии. Для этого принципиально имеется три возможности: 1. Отдача энергии в сеть (использование электрической энергии другими потребителями).
2. Тормозной прерыватель и тормозное сопротивление (преобразование энергии в тепло).
3. Обмен энергии в многодвигательном приводе (использование электрической энергии подключенных двигателей).
Асинхронный двигатель заключение
... — это асинхронные машины, в исполнении АДКЗ. Недостатки асинхронного двигателя: 1. Небольшой пусковой момент. 2. Значительный пусковой ток. 3. Низкий коэффициент мощности. 4. Сложность регулирования скорости с необх ... или механической в электрическую. В первом случае они называются двигателями, а во втором — генераторами. Все электрические машины обладают свойством обратимости и могут осуществлять ...
Осевой (координатный) модуль подключается к сетевому через токовые шины и шину данных. Осевой модуль содержит инвертор, от которого 14
16 питается серводвигатель. Осевые модули могут использоваться в режимах регулирования скорости или момента. Они формируют синусоидальный выходной ток, так что даже при малых скоростях гарантируется точное вращение с малыми пульсациями момента. Одновременно минимизируются потери в двигателе и обеспечивается хорошее использование двигателя по мощности. Модули управления двигателями (МОУД) постоянного тока являются высоко интегрированными гибридными сборками, включающими в своем составе цифро-аналоговую монолитную схему управления, встроенный источник питания с гальванической развязкой не менее 1000В, мощные выходные ключи на полевых или IGBT-транзисторах с оптронными схемами управления затворами транзисторов, обеспечивающих гальваническую развязку не менее 4000В. Приборы позволяют управлять как трехфазными двигателями постоянного тока с датчиками положения ротора, так и щеточными двигателями постоянного тока, обеспечивая: изменение скорости вращения двигателя; торможение двигателя; контроль тока через двигатель; контроль температуры самого модуля и двигателя. МОУД содержит в своем составе следующие функциональные блоки: декодер положения ротора, логику управления (направление вращения, система фазирования динамическое торможение, разрешение/останов), драйверы управления затворами выходных полевых или IGBT транзисторов, выходные транзисторы, включенные по схеме 3-х фазного инвертора или по схеме Н-моста, генератор пилообразного сигнала с изменяемой частотой, схему регулировки (изменения и стабилизации) скорости вращения ротора двигателя, содержащую усилитель сигнала рассогласования для систем с обратной связью, и компаратор ШИМ, схему контроля и ограничения тока двигателя, источники изолированного питания для элементов и узлов прибора, в т. ч. источник опорного напряжения с высокой температурной стабильностью, схемы контроля температуры прибора, а также необходимых уровней питающих напряжений для обеспечения безотказной работы 15
17 прибора. Также в состав МОУД входит гальванически изолированный формирователь сигнала аварии в управляемом двигателе Датчик положения (резольвер) Датчик положения вала двигателя (резольвер) работает по принципу вращающегося трансформатора. У вращающегося трансформатора ротор состоит из катушки (обмотки), которая вместе с обмоткой статора образует трансформатор. Принципиально резольвер устроен точно так же с той лишь разницей, что статор выполнен не из одной, а из двух расположенных под углом 90 градусов друг к другу обмоток. Резольвер служит для определения абсолютного положения вала двигателя внутри одного оборота. Кроме того по сигналу резольвера определяется значение скорости и моделируется инкрементный датчик для регулирования положения. Рис.1.5. Резольвер и его схематическое устройство Ротор резольвера закреплен на валу двигателя. Для того чтобы можно было передавать переменное несущее напряжение на ротор без щеток, на статоре и роторе размещены дополнительные обмотки. По двум выходным синусоидальным напряжениям U 1 и U 2, сдвинутым на 90 градусов (рис.1.5), можно определить угол поворота ротора, скорость и инкрементный сигнал по положению (моделирование инкрементного датчика).
Асинхронные исполнительные двигатели
... токи в роторе индуцироваться не будут, следовательно, вынуждающий ротор вращаться момент становится равным нулю – начинается торможение). Поэтому такой скорости (синхронной ) АД достичь не может, и в режиме двигателя ... какие процессы происходят в трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и объясните, почему скорость вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля. ...
16
18 Из выходных сигналов резольвера создается 6 выходных сигналов, которые используются управлением верхнего уровня для позиционирования. Выходы этих каналов А, В и С (рис.1.6) и их инверсные сигналы. Рис Моделирование инкрементного датчика Модель инкрементного датчика выдает 1024 импульса на один оборот. Они позволяют системе управления позиционированием с помощью импульсного умножителя частоты удваивать или учетверять разрешающую способность. Тем самым можно один оборот двигателя разделить на 4096 импульсов. Импульсы каналов А и В сдвинуты относительно друг друга на 90 электрических градусов. При движении направо положительные фронты импульсов канала А опережают такие же импульсы канала В и наоборот. Канал С за каждый полный оборот вала двигателя выдает один импульс, который можно использовать как опорный сигнал Расчет статики и выбор двигателя сервопривода Общий вид привода поворотного стола представлен на рис
19 Рис Общий вид поворотного стола Момент инерции стола Расчет параметров двигателя J T 1 m r кг 1 2 м кгм 2 (1.1) 2 2 J W 4 J S m l S 2, где Js — собственный момент инерции заготовки по закону Штейнера; Is — расстояние «центр тяжести заготовки центр вращения». Поскольку заготовки расположены на столе симметрично, возможен упрощенный расчет по следующей формуле: J W 4 m r кг 0,85 2 м 2 202,3 кгм 2 В данном случае моментом инерции зубчатого венца можно пренебречь. При этом общий внешний момент инерции J X J T J W 200 кгм 2 202,3 кгм 2 402,3 кгм 2 Определим частоту вращения и время разгона привода. При заданном ускорении a = 0,5 м/с2, линейная скорость будет равна V a t (a t) 2 4 а s, 2 18
20 где S D 6.283м 1,57м м 4,5с (0,5 м 4,5с) 2 4 0,5 м 1,57м с м 2 с 2 с 2 V 2 0,43 с Таким образом, частота вращения стола Время разгона n м v с D 6,283м м t v 0.43 с 0,86с A a м 0,5с 2 4,1 об / мин Момент инерции поворотного стола, как правило, значительно выше момента инерции ротора двигателя, поэтому в расчете пусковой мощности последнюю величину можно не учитывать. Полная мощность будет равна сумме динамической и статической мощностей Р Т Р DL Р S, где динамическая мощность Р а статическая DL J X n кгм 2 4,1 2 об / мин T t A ,86с 0,9 0,096кВт, м m g L d n T 680кг 9,81 с 2 0,01 900мм 4,1об / мин Р S ,9 0,014кВт Полная мощность составит Р Т 0,096кВт 0,014кВт 0,11кВт Из каталога SEW-Eurodrive по мощности выбираем двигатель DR63S4/B03 с характеристиками Номинальная мощность Pн = 0,12 квт Номинальная частота вращения nн = 1380 об/мин 19
21 Момент инерции Jд = 0,00048 кгм2 Номинальный момент Mн = 2,4 Нм Внешний момент инерции J X J X ( n ) 2 402,3кгм 2 ( 4,1об / мин ) 2 0,00355кгм 2 n м 1380об / мин Момент статический Динамический момент М S P S Нм n M М н (J M J x ) nm 9.55t A M S ( )кгм об / мин 0,09Нм 0.9 M H 0,84Нм 9,55 0,86с 0,1 Динамический момент М Н 0.12кВТ ,83Нм 1380об / мин При этом обеспечивается надежный разгон. Проверка точности остановки Двигатель при определенной частоте вращения, соответствующей частоте 5 Гц (R = 1:10), останавливается механическим тормозом. Торможение производится на минимальной скорости V = 0,043 м/с, следовательно n M = 138 об/мин. Время торможения t В t В (J M J X ) n M 9.55 (M В M S ) ( )кгм 2 138об / мин 9,55 (2,4 0,9 0,9)Нм 0,021с 20
Асинхронные двигатели
... При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать на ... и её нагрузки. При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω0, которая определяется соотношением: ω0 = (2 π f) / p = π n0 ...
22 Замедление при торможении м V 0,043 м а В с 2 2 t 0,021с с 2 В Длина тормозного пути S В V 1000 (t t В ) 0,043 мм с 1000 (0,003с 1 2 0,021с) 0,6мм Точность остановки Х В 0,12 S В 0,12 0,6мм 0,072мм В этом значении учитывается время наложения тормоза, но не учитываются внешние причины возможной задержки (например, время на вычисления в контроллере (ПЛК) Расчет параметров редуктора Передаточное число редуктора I n M 1380об / мин 76,5 n a I V 4,1об / мин 4,4 Определим вращающий момент на выходном валу. Эксплуатация в режиме 16 ч/сут и при Z = 120 вкл/ч (при этом из_за запусков, переключений на низкую скорость и торможений происходит 360 изменений нагрузки в час).
При этом отностиельный момент инерции J X кгм 2 J M кгм 2 7,4 С учетом этого получаем характер нагрузки III и необходимый эксплуатационный коэффициент fb = 1,6. Вращающий момент на выходном валу будет равен М а Р N 9550 tв 0,12кВТ ,6 102Нм n а 4,1об / мин 4,4 Выбранный привод R27DR63S4 /B03 с характеристиками 21
23 Коэффициент передачи мотор-редуктора i = 74,11 Эксплуатационный коэффициент fb = 2,1 Момент на выходном валу Ma = 62 Нм Для выбранного редуктора угловой люфт выходного вала составляет 0,21. В пересчете на длину окружности поворотного стола это соответствует расстоянию 0,85 мм. Следовательно, наибольшая часть общего люфта установки в значительной мере создается люфтом в промежуточной передаче. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СЭП 2.1. Техническая оптимизация динамики Выбор структуры СЭП Общую схему СЭП представим виде следующей функциональной схемы. Для достижения хорошей управляемости по положению организовывается контур по скорости и току L L n n I I Цифровой ЗП + РП + РС РТ Lос nос Iос + преобразователь I n Д Р Рис Функциональная схема сервопривода На схеме обозначены: ЗП задатчик положения; РП регулятор положения; РС регулятор скорости; РТ регулятор тока; Д двигатель; Р резольвер; 22
24 С датчика положения, отслеживающего положение ротора двигателя, в МОУД поступает информация о направлении и скорости движения двигателя в каждый момент времени. Схема МОУД выполнена таким образом, что может отрабатывать различные алгоритмы фазирования ротора двигателя (60 /120 ) путем выбора соответствующего режима при подаче сигнала 0 или 1 на соответствующий вход управления. В зависимости от расположения датчика положения возможны четыре алгоритма управления позиционированием ротора (60, 120, 240, 300 ).
Внешним контуром является контур положения ротора двигателя. Ошибка между текущим положением и фактическим положением поступает на вход ДП, где оценивается. На выходе ДП выходит сигнал, соотнесенный со скоростью двигателя. Текущее значение и фактическое значение скорости сравниваются в РС. Ошибка подвергается корректировки при помощи ПИ- регулятора. Сигнал из ДС подается на цепь ограничителя тока, который защищает двигатель и инвертор, от скачков тока. Выходной сигнал из цепи ограничителя становится током системы для ДТ. Фактическое значение тока ток, преобразованный в постоянный ток цепью выпрямителя. Оцененное значение текущего тока и фактического поступает на ШИМ, выдавая управляющие импульсы на транзисторы инвертора Настройка контура тока Контроль тока и температуры осуществляется через выходные транзисторы. Схема контроля температуры отключает выходы модуля при достижении температуры 170 С. В качестве датчика служит специальный токоизмерительный резистор Rш, величина сопротивления и допустимая мощность которого определяется для каждого типа МОУД из параметров двигателя. В некоторых случаях характер нагрузки таков, что в начальные пусковые моменты ток через двигатель превышает установленные в МОУД уровни защиты по току. Для обеспечения работы МОУД в таких ситуациях 23
Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока (2)
... будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования ...
25 используется RC — цепь блокировки, подключаемая ко входу МОУД. Эта цепь запрещает срабатывание защиты по току на время t бл. РТ можно реализовать как ПИ- регулятор. Входной сигнал — является разница между величиной текущего и фактического фазного тока питающего двигатель. Выходной сигнал является управляющее напряжение для ШИМ. Используя синусоидальную дельту сравнения, чтобы генерировать широтно — импульсную модуляцию напряжение для управления инвертором. Фактическая величина тока, измеренная на выходе инвертора, пройдя через трансформатор постоянного тока и подана через компаратор на вход регулятора тока. Преобразователь с коэффициентом передачи k П 5 и постоянной времени Т П 0,001с; R ЯЦ 2,8Ом,Т Я 0,015с — сопротивление и электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя; кф U Я I Я R ЯЦ — коэффициент момента (ЭДС) двигателя; где n 3, с — ¹, кф 50 2,7 2,8 0,15 В с; 314 Контур тока в следящих системах настраивается на оптимум по модулю (ОМ).
При этом регулятор тока описывается передаточной функцией имеет параметр W РТ ( р ) 2 2 р 1 2 Т Я 2 k П k OT R ЯЦ 2 где T 2 T П Т ДТ 0,001 0,001 0,002 c. Т 2 р. (2.1), 2 Т Я, (2.2) 24
26 2 0, , ,75, 2 0,015 с. В схеме РТ реализован при помощи цифровых элементов, которые уже настроены соответственно Настройка контура скорости Регулирование скорости вращения мотора осуществляется встроенной ШИМ схемой. Регулятор скорости вычисляет фактическую скорость серводвигателя, сравнивает ее с заданием и вырабатывает сигнал управления в блок регулятора тока. Управляющее воздействие регулятора должно, за определенный интервал времени, привести к устранению рассогласования между заданной и фактической скоростью. В дальнейшем регулятор поддерживает заданную скорость вращения сервопривода независимо от флуктуаций крутящего момента со стороны нагрузки. Механической нагрузкой сервопривода является редуктор и перемещение груза. Обратная связь по скорости замыкается в сервоприводе через резольвер, установленный непосредственно на валу серводвигателя, который обеспечивает регистрацию угла поворота с разрешением 0,35 0. Контур скорости в следящих системах настраивается на ОМ. В качестве регулятора скорости применяем ПИ-регулятор с передаточной функцией с параметрами W РС ( р ) 1 1 р 1, (2.3) 1 р 1 T k k 2 Д ОС k ЭМ R ЯЦ, 20T (2.4) ОТ T
27 где T эм времени. 1 J R ЯЦ ( кф ) 2 0, ,2959 с. электромеханическая постоянная ( 0,156 ) 2 0, ,4103 0, , , ,005 0,1с. Частота среза контура скорости c1 1 2T , c Настройка контура положения: Регулятор положения может быть выполнен как ПИ-регулятор с передаточной функцией: 0 р 1 W РП р 0. (2.5) 0 р Параметры регулятора положения при настройке на ОМ 0 k ОП 2k k ДП Р T 0 ; 0 8K12Т 1, (2.6) где k ОП U з 10 0,0694 коэффициент передачи обратной связи по н 144 положению; k P 1 1 0, коэффициент передачи редуктора; i P 74,11 k ДП =1 коэффициент передачи датчика положения; Т 0 2Т 1 2 0,005 0,01с суммарная малая постоянная времени контура положения. ДТ, ДС датчики тока и скорости с коэффициентами передачи (обратной связи) k OT 1, k OC 0,0318 и постоянными времени T ДТ 0,001c, Т ДС 0,001c. T 1 T ДС 2T 2 0, ,005 0,005с суммарная малая постоянная времени контура скорости. 26
28 0, ,8, ,005 0,05 с ,0625 0,01 Частота среза контура положения C0 1 2T 0 50 c Имитационное моделирование динамики СЭП Исследование динамики сервопривода проведем с помощью интерактивного инструмента для моделирования, имитации и анализа динамических систем пакет прикладных программ MATLAB с расширением Simulink и библиотекой Power System Blockset [4].
MATLAB выполняет множество задач для поддержки научных и инженерных работ, начиная от сбора и анализа данных до разработки приложений. Среда MATLAB объединяет математические вычисления, визуализацию и мощный технический язык. Встроенные интерфейсы позволяют получить быстрый доступ и извлекать данные из внешних устройств, файлов, внешних баз данных и программ. Кроме того, MATLAB позволяет интегрировать внешние процедуры, написанные на языках Си, Си++, Фортран, и Java. Используемый повсюду в промышленности, государственных, академических и учебных организациях, MATLAB фактически стал принятым во всем мире стандартом для технических вычислений. MATLAB имеет широкий спектр применений, включая цифровую обработку сигналов и изображений, проектирование систем управления, естественные науки, финансы и экономику, а также приборостроение. Открытая архитектура позволяет легко использовать MATLAB и сопутствующие продукты для исследования данных и быстрого создания конкурентоспособных пользовательских инструментов. В состав данного релиза включены новейшие версии программных продуктов: Simulink является интерактивным инструментом для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, 27
29 исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования. Power System Blockset пакет моделирования мощных энергетических (в основном электротехнических) систем, таких как линии передачи, силовые ключи, регуляторы напряжения и тока, устройства управления электродвигателями различного типа и нагревательными системами. Данный пакет обеспечивает моделирование широкого спектра энергетических систем и устройств начиная с анализа простейших электрических цепей и кончая моделированием сложных преобразовательных устройств и даже целых электрических систем. Результаты моделирования отображаются разнообразными виртуальными измерительными приборами, такими как графопостроители, осциллографы и др Построение имитационной модели сервопривода Математическая модель сервопривода в Simulink представлена на рис. 2.2 и состоит из следующих основных блоков [4]: вентильный двигатель; преобразователь координат; ШИМ инвертор; блок измерения переменных состояния двигателя. 28
30 Задание перемещения Пробразователь координат ШИМ инвертор Момент Вентиль двигат КП КС Рис Имитационная модель сервопривода в Simulink 29
31 1) Вентильный двигатель с постоянными магнитами. Va Vb Vc А В С N S m Tm Рис Модель синхронного двигателя с постоянными магнитами Для задания параметров, соответствующие конкретным характеристикам двигателя, используем окно настройки (рис 2.4).
Рис Окно настройки переменных состояний двигателя Окно настройки позволяет задавать следующие значения: 30
32 активное сопротивление статора R (Ом); индуктивность статора по продольной и поперечной оси L d и L q (Гн); поток возбуждения Ф (Вб); момент инерции ротора J (кгм 2 ), коэффициент вязкого трения (Нмс), число пар полюсов р. На выходе получаем момент развиваемый двигателем. В основе блока вентильного двигателя лежат следующие формулы d id 1 u d R i d L q dt L L L d d d p r i q d 1 R L p d dt i q L q u q L q i q L q p r i d L q М эм 1,5 p i q L d L q i d i q d 1 М М r эм r в dt J d r dt где L q,l d индуктивность самоиндукции обмотки якоря по оси q и d; R сопротивление статора; i q, i d ток якоря по оси q и d; u q, u d напряжение якоря по оси q и d; r угловая скорость ротора; амплитуда магнитного потока, порождаемое постоянными магнитами ротора в фазах статора; р число пар полюсов; М эм электромагнитный вращающий момент; J суммарная инерция ротора и нагрузки; суммарная сила вязкого трения ротора и нагрузки; угловое положение ротора; 31 r (2.7)
33 М в механический вращающий момент вала. Напряжение питающие данный двигатель описываются уравнениями, V a = I aп R n ; V b = I bп R n ; (2.8) V c = I cп R n. где R n величина сопротивления нагрузки для снятия статических характеристик. 2) Преобразватель координат. Преобразователь координат используется для перехода из вращающихся осей d и q, связанных с ротором вентильного двигателя, к трех фазной системе А,В,С. i q i d 0 i o iabcп Рис Преобразователь координат Преобразователь координат состоит из следующих стандартных блоков. 32
34 iq id f(u) Fcn Iaп i o Mux1 Ibп Mux2 Iabcп f(u) Fcn1 f(u) Fcn2 Icп Рис Блоки преобразователя координат Блок Mux1 (мультиплексор (смеситель)).
Объединяет входные сигналы в вектор. На вход Mux1, подаются следующие сигналы: i q ток по поперечной оси, i d ток по продольной оси, i o ток нулевой последовательности, угол отклонения ротора. Рис 2.7. Окно настройки блока Mux Окно настройки блока Mux имеет следующие параметры: Number of Inputs — Количество входов. Display option — Способ отображения. Выбирается из списка: bar — Вертикальный узкий прямоугольник черного цвета. signals — Прямоугольник с белым фоном и отображением меток входных сигналов. none — Прямоугольник с белым фоном без отображения меток входных сигналов. 33
35 Входные сигналы блока могут быть скалярными и (или) векторными. Если среди входных сигналов есть векторы, то количество входов можно задавать как вектор с указанием числа элементов каждого вектора. Например, выражение [2 3 1] определяет три входных сигнала, первый сигнал — вектор из двух элементов, второй сигнал — вектор из трех элементов, и последний сигнал — скаляр. В том случае, если размерность входного вектора не совпадает с указанной в параметре Number of Inputs, то после начала расчета Simulink выдаст сообщение об ошибке. Размерность входного вектора можно задавать как -1 (минус один).
В этом случае размерность входного вектора может быть любой. Параметр Number of Inputs можно задавать также в виде списка меток сигналов, например: Vector1, Vector2, Scalar. В этом случае метки сигналов будут отображаться рядом с соответствующими соединительными линиями. Сигналы, подаваемые на входы блока должны быть одного типа (действительного или комплексного).
В блоках задания функции Fcn, Fcn1, Fcn2, задается выражение в стиле языка программирования Cи. Блок не поддерживает матричные и векторные операции. Выходной сигнал блока всегда скаляр. Fcn = u(1)*cos(u(4)) + u(2)*sin(u(4)) + u(3); Fcn1 =u(1)*cos(u(4) — 2*pi/3) + u(2)*sin(u(4) — 2*pi/3) + u(3); (2.9) Fcn2 =u(1)*cos(u(4)+2*pi/3) + u(2)*sin(u(4)+2*pi/3) + u(3).
I А =Fcn, I В =Fcn1, I С = Fcn2 формируются токи сдвинутые по фазе на синусоидальной формы I ап = i q cos() + i d sin() + i o, I bп = i q cos( 2/3) + i d sin( 2/3) + i o, (2.10) I cп = i q cos( + 2/3) + i d sin( + 2/3) +i o. После похождения Mux2 формируется вектор I abcп. Данный вектор поступает на ШИМ инвертор. 34
36 Рис График фазных токов 3) ШИМ инвертор. Внешний вид блока моделирования ШИМ инвертора представлен на рис Iabc Va V b Iabcп Vc Рис ШИМ инвертор ШИМ выполнен на основе модулей IGBT биполярных транзисторов с изолированным затвором. Такое построение ШИМ обеспечивает многократное широтно-импульсное регулирование напряжения, причем в течении каждого полупериода основной частоты образуется много импульсов. Таким образом можно понизить содержание гармонических в кривой напряжения. ШИМ инвертор также играет роль регулятора тока, его реализация лежит в исполнении компаратора Раскрытая подсистема инвертора представлена на рис
37 Iabc Demux I a Va + Va Iaп Компаратор V b Ib Vb Ibп + Bus Bar Vc Компаратор1 Iаbcп Demux I c Vc Icп Компаратор2 Рис Блочное представление ШИМ инвертора Демультиплексор (разделитель) Demux разделяет входной векторный сигнал на отдельные составляющие. Входным сигналами в обычном режиме является вектор, сформированный любым способом. Рис Окно настройки блока Demux Параметры: Number of Outputs — Количество выходов. Bus Selection Mode (флажок) — Режим разделения векторных сигналов. 36
38 Выходными сигналами являются скаляры или векторы, количество которых и размерность определяется параметром Number of Outputs и размерностью входного вектора. Если количество выходов P (значение параметра Number of Outputs) равно размерности входного сигнала N, то блок выполняет разделение входного вектора на отдельные элементы. Если количество выходов P меньше, чем размерность входного сигнала N, то размерность первых P-1 выходных сигналов равна отношению N/P, округленному до ближайшего большего числа, а размерность последнего выходного сигнала равна разности между размерностью входного сигнала и суммой размерностей первых P-1 выходов. Параметр Number of Outputs может быть задан также с помощью вектора, определяющего размерность каждого выходного сигнала. Например, выражение [2 3 1] определяет три выходных сигнала, первый сигнал — вектор из двух элементов, второй сигнал — вектор из трех элементов, и последний сигнал — скаляр. Размерность можно также задавать как -1 (минус один).
В этом случае размерность соответствующего выходного сигнала определяется как разность между размерностью входного вектора и суммой размерностей заданных выходных сигналов. Например, если размерность входного вектора равна 6, а параметр Number of Outputs задан выражением [1-1 3], то второй выходной сигнал будет иметь размерность 6 — (3+1) = 2. В режиме Bus Selection Mode блок Demux работает не с отдельными элементами векторов, а с векторными сигналами в целом. Входной сигнал в этом режиме должен быть сформирован блоком Mux или другим блоком Demux. Параметр Number of Outputs в этом случае задается в виде скаляра, определяющего количество выходных сигналов, либо в виде вектора, каждый элемент которого определяет количество векторных сигналов в данном выходном сигнале. Например, при входном сигнале, состоящем из трех векторов параметр Number of Outputs, заданный вектором [2 1], определит 37
39 два выходных сигнала, первый из которых будет содержать два векторных сигнала, а второй — один. В ШИМ инверторе содержится встроенные компараторы, обеспечивают контроль напряжения Uоп и напряжений питания цепей управления затворами транзисторов. Выполнение этих условий обеспечивает правильную работу устройства (необходимый уровень напряжения питания датчиков пропорционального ротора и полное открытие каналов выходных транзисторов, что обеспечивает малую величину сопротивления в открытом состоянии).
Срабатывание компараторов приводит к закрытию выходных транзисторов и выдаче сигнала управляющих фазных напряжений в виде прямоугольных импульсов. Компаратор представлен ввиде библиотечных блоков передаточной характеристики Transfer Fcn и Relay. где Transfer Fcn задает передаточную функцию в виде отношения полиномов: H( s ) y( s ) num( s ) num(1)s nn1 num( 2 )s nn2… num( nn ), u( s ) den( s ) den(1)s nd 1 den( 2 )s nd 2… den( nd ) nn и nd порядок числителя и знаменателя передаточной функции, num вектор или матрица коэффициентов числителя, den вектор коэффициентов знаменателя. Входной сигнал блока должен быть скалярным. В том случае, если коэффициенты числителя заданы вектором, то выходной сигнал блока будет также скалярным (как и входной сигнал).
Relay реализует релейную нелинейность. Выходной сигнал блока может принимать два значения. Одно из них соответствует включенному состоянию реле, второе — выключенному. Переход их одного состояния в другое происходит скачком при достижении входным сигналом порога включения или выключения реле. В том случае если пороги включения и выключения реле имеют разные значения, то блок реализует релейную характеристику с 38
40 гистерезисом. При этом значение порога включения должно быть больше, чем значение порога выключения. I a Iaп 1 50e 6s 1 фильтр + Va реле Рис Компаратор На вход компаратора подаются два тока, I a ток трех фазной сети, который проходя через фильтр с малой постоянной сравнивается с током I aп преобразованным током по формуле (2.12).
4. Блок измерения переменных состояния двигателя Данные блок позволяет снимать параметры переменных связанные с данным двигателем. m icabc wm Te Рис Блок измерения переменных состояния двигателя Окно настройки блока измерения переменных состояния двигателя имеет вид (рис.2.14).
39
41 Рис Окно настройки блока измерения переменных состояний двигателя При выборе, типа машины Permanent magnet synchronous. Флажками выбираем параметры необходимые для измерения. ток статора I ABC (А); скорость вращения ротора (рад/сек); угол положения ротора (рад); электромагнитный момент T e (Нм) Принцип работы сервопривода поворотного стола Рассмотрим принцип работы сервопривода. Контур стабилизации скорости вращения серводвигателей. Этот контур полностью реализован внутри сервоприводов с микроконтроллерным управлением. Его основной задачей является достижение максимально полного соответствия между фактической и задаваемой скоростями вращения двигателей. Структурная схема сервопривода с нагрузкой приведена на рис
42 На вход сервоконтроллера привода поступает сигнал задания скорости, который попадает в блок регулятора скорости. Регулирование скорости вращения мотора осуществляется встроенной ШИМ схемой. Эта схема изменяет среднее значение напряжения на статоре двигателя за счет изменения скважности выходного сигнала пропорционально изменению скорости двигателя. Схема содержит усилитель ошибки и компаратор ШИМ. Усилитель ошибки усиливает сигнал пропорциональный скорости вращения двигателя, а компаратор ШИМ формирует сигнал управления затворами нижних транзисторов, длительность которого пропорциональна величине скорости. Входы (инвертирующие и не инвертирующие) усилителя и компаратора доступны для внешнего управления. Это позволяет организовать любой алгоритм управления скоростью (без обратной связи, с положительной и отрицательной обратной связью, пропорциональный и, интегральный, дифференциальный) в зависимости от решаемой задачи и особенностей применения конечного устройства. В блоке преобразования координат осуществляется переход к величинам, связанным с неподвижными обмотками статора синхронной машины. Формируются токи трѐх фаз по формуле (2.12).
Для получения на выходе необходимого напряжения применяют широтно — импульсная модуляция (ШИМ).
В состав преобразователя координат входит преобразователь поворота вектора и преобразователь фаз в прямом канале. Элемент преобразователь вектора выходные сигналы регуляторов u sd, u sq к осям якоря формирует сигналы u s и u s, далее преобразователь фаз преобразует их к фазным осям формирует сигналы U sa, U sb, U sc. Кроме прямого канала преобразования фаз имеется и обратный канал преобразования фаз и поворота вектора. В нем формируется при помощи преобразователя фаз сигналы I sa, I sb, I sc,поступает от датчика тока, к осям и — формирует сигналы i s, i s.далее эти сигналы преобразуются к осям d и 41
43 q индуктора элементом пребразователем поворота вектора- формируя сигналы обратной связи i sd и i sq. Трехфазной цепью осуществляем питание вентильного двигателя. При увеличении момента на валу двигателя скорость его снижается; при этом уменьшается ЭДС, наводимая ротором в обмотках двигателя, и соответственно токи в обмотках возрастают. Механические характеристики двигателя достаточно близки к линейным, но имеют крутизну существенно большую, чем у двигателя постоянного тока. Нелинейность механических характеристик обусловлена влиянием электромагнитных постоянных времени обмоток двигателя и усилителя мощности. При необходимости нелинейность характеристик может быть компенсирована подчей корректирующего напряжения на вторую обмотку статора датчика положения Динамические свойства синхронного двигателя Первоначально реальные величины, соответствующие трехфазным цепям синхронного двигателя преобразовывают к аналогичным для двухфазного варианта и затем осуществляют координатное преобразование к осям вращающимся синхронно с магнитным полем. При идеальном холстом ходе I 1q =0 и вектор 1 совпадает с осью d (Θ эл =0) (см рис.2.15).
Под нагрузкой ось ротора d и составляющая Ψ 1d, которая в основном определяется током возбуждения I в, отстают от оси вращающегося магнитного поля на угол Θ эл [1].
42
44 Рис Двухфазная модель вентильного двигателя в осях,, d, q Между постоянным магнитом, которым является возбужденный ротор, и вращающимся магнитным полем возникают силы взаимодействия. При малых углах Θ эл эти силы изменяются по линейному закону. Это электромагнитное взаимодействие подобно механической упругой связи между полем ротора и результирующим полем машины. Поэтому по своим динамическим свойствам синхронный двигатель подобен упругим механическим системам. Рабочий участок угловой характеристики M=f(Θ эл ) можно с достаточной точностью для многих задач инженерной практики заменить линейной зависимостью M=kΘ эл, проходящей через точку номинального режима: М = kθ эл =C эм (2.11) где C эм коэффициент жесткости упругой электромагнитной связи двигателя. Продифференцировав выражение (2.17), получим: dm Cэм 0 (2.12) dt Аналогия между электромагнитными взаимодействиями в синхронном двигателе и механической пружине поясняет повышенную склонность синхронного двигателя к колебаниям. Для снижения этой склонности 43
45 реальные синхронные двигатели снабжаются демпферной или пусковой короткозамкнутой обмоткой, которая создает асинхронный момент. Результирующий момент в асинхронной машине можно приближенно считать равным сумме синхронного М син и асинхронного М ас моментов: где С эм М ном ном М = М син + М ас = С эм + ( 0 ) (2.13) ; 2M k. (2.14) 0 s k Уравнение механической характеристики с учетом пренебрежения влиянием электромагнитной инерции на асинхронный момент будет иметь вид: Из выражения (2.14) имеем С эм М 0 (2.15) р pm = C эм ( 0 ); М 0. С эм р Подставив в выражение (2.15), окончательно получим (2.17).
При р=0 получаем уравнение статической механической характеристики ω=ω 0 =const. В статическом режиме изменения нагрузки на валу двигателя не приводят к изменениям скорости, т.к. модуль статической жесткости равен бесконечности. При значениях нагрузки, превышающих M max =λm ном, двигатель выпадает из синхронизма. Статическая механическая характеристика вентильного двигателя имеет вид прямой 1 (рис. 2.16).
44
46 Рис Механические характеристики синхронного двигателя В динамических режимах механическая характеристика синхронного двигателя не является абсолютно жесткой. В режиме установившихся колебаний динамическая механическая характеристика имеет вид эллипса (кривая 2, рис. 2.16).
Передаточная функция динамической жесткости определяется выражением: син С эм ( р ) (2.16) р Важным достоинством синхронного двигателя является возможность регулирования реактивной мощности посредством изменения величины тока возбуждения I в. При относительно небольшом токе возбуждения ток статора I 1 отстает от приложенного напряжения на угол φ 1 и из сети потребляется реактивная мощность. Увеличивая ток возбуждения можно добиться φ 1 =0, что соответствует потреблению из сети только активной мощности. Дальнейшее увеличение тока возбуждения I в приводит к отдаче реактивной мощности в сеть. Увеличение тока возбуждения, а значит и ЭДС Е приводит к увеличению момента машины, а при неизменном моменте к уменьшению угла Θ эл. Как следует из выражения для угловой характеристики синхронной машины, 45
47 увеличение тока возбуждения приводит к увеличению перегрузочной способности синхронного двигателя. Поэтому форсирование возбуждения при бросках нагрузки позволяет повысить устойчивость работы двигателя в этих режимах Особенности управления и получение измерительной информации в системах с вентильным двигателем Вентильный двигатель как объект управления отличается от традиционного электропривода постоянного тока некоторыми особенностями. Первая из них, из-за сложности математического описания вентильного двигателя. Описание является нелинейным и сложным. Вторая особенность вентильного двигателя связана с реализацией эффективных законов управления в автоматических системах. Связана с недостатком измеряемых переменных, пригодных для построения устройств восстановления состояния электромеханической системы. Объясняется это тем, что физическая переменная, аналогичная току якоря в коллекторной машине постоянного тока, в вентильном двигатели отсутствует. В вентильном двигателе мгновенные значения фазных токов и напряжений являются функциями углового положения ротора, аналогом же «постоянного тока» является абстрактная переменная i q.данная особенность не позволяет механически переносить на схемы с вентильным двигателем принципы управления и схемные решения, разработанные для автоматических систем с двигателями постоянного тока. Третьей особенностью привода с вентильным двигателем является наличие в его составе внутреннего датчика положения, что создает дополнительные возможности для решения измерительной проблемы и создания специфических структур системы управления. 46
48 Ещѐ одна особенность вентильных двигателей состоит в том, что он может управляться не только как двигатель постоянного тока, но и по законам синхронной машины. Способы получения измерительной информации, необходимой для реализации управления вентильным двигателем. Организация контура положения может быть выполнена с помощью как непрерывных (аналоговых), так и дискретных (цифровых) устройств. В системах, работающих в неагрессивной среде и не подверженных ударам и вибрациям, целесообразно использовать фотоэлектрические дискретные датчики. Реализация линейного управления в контуре регулирования скорости. В контуре скорости измерению или восстановлению (оцениванию) подлежат угловые скорости двигателя и механизма, а также упругий момент. Скорость двигателя может быть измерена тахогенератором любого типа. Использование тахогенератора в современных система нежелательно из за удорожания системы управления и некоторого ухудшения еѐ массогабаритных показателей. Ещѐ один способ организации обратно связи по скорости осуществляются с помощью электронных схем, производящих косвенное измерение проекций sin и cos вектора угловой скорости на неподвижные оси a и b. Эти схемы могут использовать например, информацию от ДПР или фазные ЭДС вращения синхронной машины. В настоящее время предпочтение отдается электронным средствам косвенного измерения (оценивания) угловых скоростей, таких как резольвер. при помощи резольвера, работающего по принципу вращающегося трансформатора, дает возможность определять скорость и абсолютное перемещение ротора, а также выступает в роли преобразователя координат. Основное требование обеспечение на выходе напряжения, изменяющегося с углом поворота ротора по закону синуса. 47
49 В большинстве случаев привод с вентильным двигателем используется для стабилизации скорости или в режиме следящей системы. При этом привод функционирует как замкнутый. Для облегчения построения соответствующей схемы, регуляторы используются как и в системе подчиненного регулирования, корректирующие цепи работают на постоянном токе Исследование динамики сервопривода Исследование динамики сервопривода поворотного стола выполнено в приложении Simulink по схеме, представленной на рис На рис представлен сигнал заданное и отработанное положения стола. Из графика положения стола видно что поворот стола осуществляется на 90 градусов или 1,57 радианы за время, не превышающее 5 секунд. На рис представлены соответствующие графики по скорости и ускорению стола. Благодаря использованию фильтра с постоянной времени 0,1 секунды на входе контура положения удалось снизить броски ускорения при пуске и позиционировании с 2,5 до 0,95 рад/с2, что удовлетворяет техническому заданию. На рис представлены графики переходных процессов по току и моменту двигателя. Из графика момента видно, что поворот осуществляется при номинальном моменте нагрузки на двигатель в 2,4 Нм, с кратковременными перегрузками в 4,5 раза в моменты пуска и позиционирования, что допустимо для данного типа двигателей. На рис и 2.21 более подробно представлены фрагменты переходных процессов по 3-м фазам тока двигателя и положению стола, где видно экспоненциальное сглаживание процесса поворота стола с нулевым перерегулированием. Таким образом, синтезированная СЭП поворотного стола в удовлетворяет техническому заданию. 48
50 а) б) Рис Заданное (а) и отработанное (б) положения стола 49
51 а) б) Рис Переходные процессы по скорости (а) и угловому ускорению стола 50
52 а) б) Рис Переходный процесс по току статора (а) и моменту (б) двигателя 51
53 а) б) Рис Динамика СЭП при пуске: а ток двигателя; б положение стола 52
54 а) б) Рис Динамика СЭП при позиционировании: а ток двигателя; б положение стола 53
