Электрические следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями

Электрические следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями







Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2006

УДК 621.313
ББК 31.261
     Э45


Рецензент:
д-р техн, наук, проф. Ю. В. Илюхин (кафедра «Мехатроника», МГТУ «Станкин»)


        Электрические следящие приводы с моментным управлени-Э45 ем исполнительными двигателями: Монография / Баранов М. В., Бродовский В. Н., Зимин А. В., Каржавов Б.Н. — М.: Изд-во МГТУ им. И. Э. Баумана, 2006. —240 с.: ил.
        ISBN 5-7038-2612-8
        В книге содержатся сведения о схемах электрических следящих приводов, в конструкцию которых встраиваются индивидуально разрабатываемые оригинальные электрические машины и агрегаты. Благодаря применению современной элементной базы и современных материалов, эксплуатационные качества рассмотренных приводов имеют улучшенные характеристики. Большая часть описанных схем и новых элементов следящих приводов реализована и апробирована на практике.
        Для специалистов в области разработки электрических следящих приводов широкого назначения.



УДК 621.313
ББК 31.261











ISBN 5-7038-2612-8

                               © Баранов М.В., Бродовский В.Н., Зимин А. В., Каржавов Б. Н., 2006
         © Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006

                        Посвящается коллективу ЦНИИ автоматики и гидравлики





                Предисловие




   Монография посвящена задачам проектирования электрических следящих приводов с моментным управлением исполнительными двигателями в комплексе с вопросами конструирования их исполнительных и измерительных элементов и агрегатов как бескорпусных электрических машин, встраиваемых в общую конструкцию изделия и занимающих наиболее рациональное положение в объеме этой конструкции.
   В настоящее время в практике конструирования электрических следящих приводов все более широко применяется моментное (токовое) управление исполнительными двигателями, однако систематическое изложение данного вопроса для следящих приводов различных типов в литературе отсутствует.
   В монографии рассмотрены следящие приводы следующего назначения: для управления рулевыми машинами (гл. 2), приводы с ограниченным рабочим диапазоном регулируемых координат, в том числе широкополосные приводы малых угловых перемещений с повышенным требованиями по точности наведения и стабилизации (гл. 3), низкоскоростные следящие приводы с повышенными требованиями к плавности их работы (гл. 4).
   В монографии приведены примеры агрегатов, в едином конструктивном узле которых объединены несколько различных устройств: исполнительный двигатель, тахогенератор, датчик углового положения ротора двигателя и др.
   Показанные в гл. 6 датчики углового и линейного перемещения могут быть установлены в силовых подшипниках исполнительных осей за счет допустимого увеличения зазора между ротором и статором и не требуют применения приборных подшипников и муфт для соединения датчиков с силовой осью. Их магнитопровод может иметь сплошную (нешихтованную) конструкцию.

Предисловие

   Комплексное моделирование электромеханической части следящего привода (включая процессы в магнитопроводах электрических машин), моделирование управляющей части (в том числе с учетом процессов в силовых электронных ключах), представленные в гл. 7, создают предпосылки для развития методики проектирования электрических следящих приводов с моментным управлением исполнительными двигателями и позволяют получить важные практические результаты.
   Авторы благодарят доктора технических наук, профессора кафедры «Мехатроника» МГТУ «Станкин» Ю. В. Илюхина, начальника отдела разработчиков следящих приводов ЦНИИ автоматики и гидравлики Н. А. Тимашова за тщательный анализ материалов книги и ценные замечания, которые позволили улучшить книгу, а также инженера В. И. Киселеву, руководителя компьютерного отдела Ю. И. Андрюшкина за большую помощь в подготовке иллюстративного и текстового материала.
   Авторы выражают благодарность работникам издательства, подготовившим к печати настоящую монографию, в особенности С. В. Козлову, инженерное прочтение рукописи которым позволило сделать окончательный вариант книги более доходчивым.
   Предложения и замечания по книге авторы просят направлять по адресу 127018, г. Москва, ул. Советской Армии, д. 5, тел. 684-54-21.

                Введение





   Исполнительным двигателем с моментным управлением называется двигатель, охваченный глубокой обратной связью по току в обмотках управления. При использовании моментного (токового) управления исполнительными двигателями электрических следящих приводов для расчета их динамики при работе в линейной зоне или при синтезе корректирующих устройств описание исполнительного двигателя можно представить в виде статического коэффициента передачи, преобразующего управляющий сигнал, поступающий на вход двигателя в развиваемый момент. Моментное управление в сочетании с другими принципами построения следящих приводов (безредукторная исполнительная часть, датчики главной обратной связи и корректирующих связей, измеряющие угловое положение объекта регулирования и его производные в абсолютной системе координат) можно применять для создания следящих приводов с улучшенными характеристиками. Применяя на практике указанные выше принципы, удалось обеспечить полосу пропускания скоростного контура привода в диапазоне 300.. .400 Гц с малым моментом инерции объекта регулирования и полосой пропускания углового контура до 100 Гц.
   Использование современных силовых управляемых ключей — транзисторов типа MOSFET и IGBT — позволяет существенно унифицировать конструкцию управляющих частей приводов. Важно отметить, что характеристики этих транзисторов очень быстро совершенствуются. В настоящее время появились элементы, которые в одном корпусе содержат как стойки ключей, так и драйверы-устройства управления ключами, что существенно упрощает конструкцию силовой управляющей части привода. В монографии представлен ряд схем, построенных на основе этих транзисторов.

Введение

   Важным аспектом синтеза структуры следящих приводов является подход, состоящий в разработке оригинальных электрических машин (двигателей, тахогенераторов, датчиков угла), максимально учитывающих индивидуальные особенности конструкции изделия, в которое встраивается следящий привод. Задачи синтеза структуры следящего привода и проектирования электрических машин взаимосвязаны.
   При использовании сплошных (нешихтованных) магнитопроводов электрических машин упрощается не только технология изготовления машин, но в ряде случаев появляется возможность применения таких вариантов их конструкции, которые не реализуются на наборных (шихтованных) магнитопроводах.
   В монографии приведены конструкции индукционных датчиков углового положения и перемещения, а также относительно тихоходных исполнительных двигателей, разработанных с использованием как шихтованных, так и сплошных магнитопроводов. Возможности применения сплошных магнитопроводов проанализированы как экспериментально, так и с применением методов математического моделирования.

                1.  Вопросы проектирования электрических машин с учетом особенностей назначения электрических следящих приводов




   Наиболее распространенный подход при проектировании следящего привода на этапе выбора его исполнительных и измерительных элементов состоит в использовании названных элементов из числа готовых (имеющихся на рынке), в связи с чем при синтезе корректирующих устройств часто используется понятие «неизменяемая часть» привода. Дальнейшее проектирование конструкции опорно-поворотного устройства, исполнительных механизмов, блока силовых модулей управления исполнительным двигателем, управляющей части осуществляется с учетом характеристик выбранных элементов. Если номенклатура готовых элементов настолько широка, что найдется такое сочетание исполнительных, усилительных и измерительных элементов, которое обеспечит наиболее рациональную структуру следящего привода для решения поставленной задачи проектирования, то такой подход вполне оправдан.
   В монографии широко используется дополнительная «степень свободы» при проектировании следящего привода: параллельно и во взаимосвязи с традиционными этапами проектирования следящего привода разрабатываются исполнительные и измерительные элементы, конструктивно встраиваемые в изделие, частью которого является следящий привод. При проектировании этих элементов обеспечиваются не только их основные параметры (например, для исполнительного двигателя — развиваемый момент), но и параметры, влияющие на другие характеристики следящего привода. К ним относят габаритные размеры и конфигурацию исполнительного двигателя, позволяющие оптимально встроить двигатель в общую

1. Вопросы проектирования электрических машин

конструкцию, индуктивность управляющих обмоток двигателя, которая при заданном напряжении источника питания обеспечивает необходимую частоту переключений тока при работе управляющих транзисторов в ключевом режиме.
   Особенность проектируемых следящих приводов состоит в том, что в большинстве случаев используют исполнительные и измерительные элементы оригинальной конструкции, встраиваемые в изделие. Широко применяют агрегаты, в одной магнитной и конструктивной системе которых объединено несколько элементов, например, исполнительный двигатель, тахогенератор, датчик углового положения ротора двигателя и датчик главной обратной связи.
   Такой подход не противоречит использованию готовых исполнительных двигателей, однако авторы стремятся показать новое качество, достижимое при встраивании двигателей индивидуальной разработки. В настоящее время номенклатура готовых синхронных двигателей (особенно высокомоментных) невелика, поэтому сделан акцент на рассмотрение синхронных исполнительных двигателей.


            1.1. Выбор параметров синхронного двигателя


   Характеристики следящего привода в значительной степени определяются типом его исполнительного двигателя, поэтому представляется важным сравнить различные типы электродвигателей.
   Выбор синхронного двигателя в качестве исполнительного определяется, прежде всего, рядом его преимуществ по сравнению с другими типами двигателей.
   Во-первых, синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов обладает большей перегрузочной способностью. Это объясняется существенно лучшими условиями теплоотдачи, так как в синхронном двигателе источником выделения теплоты является статор, непосредственно связанный с внешним корпусом.
   Во-вторых, синхронный двигатель имеет высокий удельный момент и может развивать большие ускорения. В наибольшей степени это относится к так называемым машинам с зубцовым шагом обмотки [1], т. е. к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов при установке силовых обмоток на каждый зубец статора.

1.1. Выбор параметров синхронного двигателя

9

   Рассмотрим приводы на основе синхронных двигателей с индуктором на постоянных магнитах и с обмотками на каждом зубце статора (рис. 1.1).
   Двигатель привода содержит статор с полузакрытыми пазами, на зубцах которого размещены катушки якорной обмотки синхронной машины, и ротор, представляющий собой индуктор с полюсами в виде постоянных магнитов. Для снижения момента инерции ротора, его выполняют без концентраторов, а магниты укрепляют на магнитопроводящем кольце. В другом варианте исполнения двигателей индукторы могут быть выполнены с концентраторами, что утяжеляет ротор, но при этом пазы на статоре могут быть открытыми, что существенно упрощает укладку обмоток в пазы статора.
   Число зубцов на статоре z = kmN, где k — число зубцов в фазовой группе (число зубцов, на которые укладываются обмотки одной фазы); m — число фаз; N — число фазовых групп в одной фазе.
   Число полюсов на роторе выбирают равным 2р = (km — 1) N, где р — число пар полюсов.
   Соотношение числа полюсов 2р и числа зубцов определяется следующей формулой:

2р = z

km — 1 km

   Заметим, что возможно построение синхронного двигателя, конструктивные параметры которого связаны зависимостью

рр = z

km + 1 km

   Синхронный двигатель (см. рис. 1.1) имеет 24 зубца на статоре и 20 полюсов на роторе. Такой двигатель может быть выполнен как в двухфазном варианте (m = 2, число зубцов в фазовой группе k = 3), так и в трехфазном варианте (m = 3, k = 2). И в первом, и во втором случаях число фазовых групп N = 4.
   Синхронный двигатель с зубцовым шагом обмотки по сравнению со стандартным синхронным двигателем обладает двумя преимуществами. Во-первых, упрощается технология изготовления и укладки обмоток в пазы статора. Во-вторых, снижается вероятность пробоя изоляции в обмотках двигателя.

1. Вопросы проектирования электрических машин

Рис. 1.1. Конструктивная схема двигателя с зубцовым шагом обмотки (а) и схемы соединения обмоток для двух- (б) и трехфазного (в) вариантов исполнения двигателя (и — начало фазной обмотки; к — конец фазной обмотки)

■О И И о