Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ режимов работы шагового электропривода и особенности возникающих задач 21
1.1.Основные старт-стопные режимы автоматических устройств управления шаговыми электроприводами 25
1.2. Методы устранения колебаний ротора ШД на одном шаге 38
Выводы к главе 1 и постановка задачи исследования 46
Глава 2. Анализ способов устранения колебаний ротора ШД при управлении в функции положения ротора 49
2.1. Способы старт-стопного управления без переключения фаз при движения ротора 50
2.1.1.Старт-стопное управление шаговым двигателем без переключения фаз на двойном шаге 51
2.1.2.Старт-стопное управление шаговым двигателем без переключения фаз на одном шаге 57
2.2. Способы старт-стопного управления с переключением фаз при движении ротора 62 2.2.1.Старт-стопное управление шаговым двигателем с переключением фаз по сигналу нулевой скорости 62
2.2.2.Старт-стопное управление шаговым двигателем с переключением фаз в середине шага 66
2.3. Сравнение способов старт-стопного управления 73
Выводы к главе 2 77
Глава 3. Исследование режимов старт-стопного управления в программной среде MATLAB 79
3.1.Исследование режима старт-стопного управления методом математического моделирования 79
3.2. Математическая модель привод ШД 81
3.3. Исследование привода с ШД в обычных режимах управления
3.4.Исследование режима старт-стопного управления шаговым двигателем без переключения фаз на двойном шаге 100
3.5.Исследование режима старт-стопного управления шаговым двигателем без переключения фаз на одном шаге 109
3.6.Исследование режима старт-стопного управления шаговым двигателем с переключением фаз по сигналу нулевой скорости 115
3.7.Исследование режима старт-стопного управления с переключением фаз в средине шага. 119
Выводы к главе 3 123
Глава 4. Анализ характеристик шаговых приводов методами факторного планирования эксперимента 125
4.1.Методика проведения исследования 125
4.1.1.Методы обработки полученной в ходе эксперимента информации 125
4.1.2.Планы полного факторного эксперимента 2n 13
6 4.2. Применение полного факторного эксперимента для анализа ШД в обычном режиме управления 139
4.3.Применение полного факторного эксперимента для анализа режима старт-стопного управления на двойном шаге баз переключения фаз при движении 144
4.4.Применение полного факторного эксперимента для анализа режима старт-стопного управления шаговым двигателем без переключения фаз на одном шаге. 146
4.5.Применение полного факторного эксперимента для анализа режима старт-стопного управления шаговым двигателем с переключением фаз
по сигналу нулевой скорости. 149
4.6.Применение полного факторного эксперимента для анализа режима старт-стопного управления с переключением фаз в средине шага 152
Выводы к главе 4 155
Заключение 157
Список используемой литературы 160
Опубликованные работы автора
- Методы устранения колебаний ротора ШД на одном шаге
- Способы старт-стопного управления с переключением фаз при движении ротора
- Исследование привода с ШД в обычных режимах управления
- Применение полного факторного эксперимента для анализа ШД в обычном режиме управления
Методы устранения колебаний ротора ШД на одном шаге
Наибольшее быстродействие имеют системы позиционирования с ШД, циклограммы работы которых предусматривают режимы БМПТ с управляемым процессом разгона и торможения на основных перемещениях, и режим отработки шагов без колебаний в конце каждого шага на этапе установки заданной позиции. В контурных системах с программированием соотношения частот по координатам перемещений режим без колебательной отработки единичных шагов может служить в качестве основного режима.
Вопросы создания способов уменьшения и устранения колебаний ШД занимают разработчиков приводных систем практически со времени появления шагового привода. Механические демпферы, создающие постоянную нагрузку на валу двигателя, оказались малоэффективным средством. Более эффективными явились электронные способы перераспределения энергии на этапах разгона и торможения при движении на шаге. Анализ существующих методов показывает, что их можно отнести лишь к методам уменьшения колебаний ротора. Исключение составляет лишь способ старт-стопного управления, предусматривающий торможение противовключением на шаге. Временные соотношения последовательности переключения фаз являются функцией параметров привода. Этот способ обеспечивает быстродействие, близкое к оптимальному, но обладает рядом существенных недостатков, затрудняющих его применение в прецизионном оборудовании: - имеет низкую помехоустойчивость из-за наличия пересчетных схем и схем временной задержки; - не предусматривает возможности регулирования движущего момента и времени движения на шаге.
Современные способы устранения колебаний ШД с принципиально знакопеременным характером силового воздействия на приводной механизм должны обладать возможностью регулирования величины движущего момента. Введение еще одного управляющего воздействия регулирования уровня возбуждения фаз позволяет переключать фазные обмотки в функции положения ротора по сигналу датчика шагов.
Ставятся задачи систематизации принципов построения схем устранения колебаний ШД в режиме отработки шагов, сравнительной их оценки, выбора основного способа исследования его свойств.
Вторая глава посвящена анализу способов устранения колебаний ротора ШД при управлении в функции положения ротора.
Введение еще одного управляющего воздействия - регулирования уровня возбуждения фазных обмоток позволяет свести разность энергий разгона и торможения к нулю независимо от позиции переключения или изменения возбуждения фаз. Рационально переключать фазы и уровень их возбуждения в середине шагового интервала. При этом времена разгона и торможения оказываются равными. Регулирование возбуждения фаз является единственным способом ограничения силовых воздействий на приводной механизм. Способы устранения колебаний ШД разделены на две группы: - способы, основанные на естественном торможении при движении на шаге в зоне действия тормозных моментов включений фазы ШД, без переключения фаз во время движения; - способы старт-стопного управления, основанные на принудительном торможении ротора переключением фаз в направлении, противоположном направлению движения. Первая группа представлена в главе двумя вариантами: - способом отработки двойного шага с единичным включением фазы на разгон, уменьшением возбуждения включенной фазы по сигналу датчика при прохождении середины шага, естественном торможении при прохождении зоны отрицательных моментов и включением следующей фазы по сигналу датчика шагов для фиксации ротора; - способом отработки одиночного шага парным включением фаз на движение с уменьшением уровня возбуждения при торможении после прохождения ротором середины шага и фиксацией ротора по сигналу датчика шагов одиночным включением фазы.
Способы старт-стопного управления с переключением фаз при движении ротора
Установившийся режим - это режим с постоянной частотой следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты свободных колебаний ротора двигателя fо, угловое перемещение ротора при каждом шаге сопровождается свободными колебаниями, которые существенно увеличивают динамическую ошибку при отработке ротором заданного перемещения.
Переходный режим представляет собой основной эксплуатационный режим ШД. Он переключает пуск, торможение, реверс, переход с одной частоты управления на другую. Главным требованием для переходных режимов является отсутствие потери шага, то есть, полное сохранение синхронизации, не смотря на любой характер изменения импульсов управления [15].
Технологическое оборудование производства изделий нано – и микроэлектроники разделяется по назначению на группы [2]: физико термическое, вакуумное напылительное, контрольно-измерительное, прецизионное оптико-механическое. Характерной особенностью последней группы оборудования являются жсткие требования по точности и воспроизводимости (повторяемости) процессов управления перемещениями, обусловленные необходимостью точного выполнения геометрических размеров элементов интегральных схем (ИС). Следствием массового производства ИС являются высокие требования к производительности оптико-механического оборудования. Требования высокой точности и производительности составляют взаимно противоречивые аспекты создания систем управления перемещениями для технологических установок производства изделий нано – и микроэлектроники. Размещение этих противоречий составляет основную проблему создания систем программного управления перемещениями, использующих современный высокопроизводительный прецизионный электропривод.
Анализ режимов работы автоматических устройств управления шаговыми электроприводами в технологическом оборудовании электронной техники [2,4,8,14,17,22] позволяет сделать вывод о том, что приводные системы технологических установок относятся к системам приборного типа и по функциональному назначению делятся на три системы: - системы стабилизации и управления скоростью, - системы позиционирования, - системы контурного управления. Назначением первой группы систем является поддержание с заданной точностью скорости рабочего органа при возможности регулирования скорости в заданном диапазоне. В системах позиционирования производится управление движениями рабочего органа при отсутствии функциональной связи между координатами перемещения. Рабочий орган должен при этом занимать поочередно ряд заданных положений и оставаться в них до наступления очередного рабочего перехода. В процессе рабочих перемещений в системах контурного управления должны выполняться в любой момент времени определнные функциональные соотношения между координатами перемещений. Электропривод с ШД применяется, в основном, в системах позиционного и контурного управления [9,10]. Созданные в последнее время специальные режимы управления шаговыми двигателями позволяют ныне считать ШД универсальной электрической машиной, способной в системах позиционного и контурного управления заменить большинство других типов электродвигателей, сохраняя при этом специфичные для ШД качества: момент фиксации в статике, режим единичных шагов и. т. д. [1,2,13,14].
В соответствия с предметом работы в данной главе необходимо: - провести обзор специальных режимов шагового электропривода, перспективных для применения и применяющихся в контурных и позиционных системах программного управления; - на основании циклограмм работы контурных и позиционных систем определить место режима единичных шагов; - на основании технических характеристик современных систем управления перемещениями технологических установок производства изделий нано – и микроэлектроники сформулировать требования к режиму единичных шагов; - провести анализ способов расширения частотного диапазона режима отработки шагов путм уменьшения и устранения колебаний ротора ШД; - сформулировать задачи исследования.
Основные старт-стопные режимы автоматических устройств управления шаговыми электроприводами Первое появление (в конце 50-х годов) шаговых двигателей привело в последующем к созданию огромного количества систем программного управления с их использованием. Причиной этого явилось, прежде всего возможность преобразования приводом с ШД числа импульсов в пропорциональное перемещение и связанная с этим возможность прямого цифрового управления приводным двигателем. Сравнительно низкое быстродействие и качество движения разомкнутого шагового привода вызвали необходимость создания новых специальных режимов управления. Большая роль в создании новых режимов управления ШД принадлежит идее оснащения приводного ШД датчиком шагов на роторе. Появившись вначале как элементы, контролирующие количество шагов [13,15], датчики шагов в последующем стали средством реализации режимов управления, увеличивающих быстродействие и улучшающих качество движения.
Исследование привода с ШД в обычных режимах управления
Способ управления, иллюстрируемый моментными характеристиками, показанными на рис. 2.7, основан на том, что если после разгона на шаговом интервале при достижении точки устойчивого равновесия ненагруженного ротора переключить фазы "назад", то при надлежащем выборе коэффициента уменьшения разгоняющего момента h ротор, тормозясь, не выйдет за пределы зоны покоя нагруженного ротора и зафиксируется со статической ошибкой, определяемой величиной момента нагрузки. Исходным положением ротора является точка 0 при включенной 1 фазе. Вначале включается 2 фаза и ротор разгоняется. В точке 0± вновь включатся 1 фаза, ротор тормозится на участке
01-01". Если параметр настройки h обеспечивает баланс энергий разгона Wp и торможения wT, то в точке 01" ротор будет иметь нулевую скорость. По сигналу нулевой скорости вновь включается 2 фаза и ротор фиксируется со статической ошибкой положения, равной длине отрезка 0101". Следующий шаг начинается при тех же начальных условиях по положению. Из условий баланса энергий разгона и торможения найдем выражение для коэффициента h и зависимость времени отработки шага от величины момента нагрузки.
Зависимости времени разгона тр , торможения тт и суммарное время отработки шага та вычислены по формуле (2.16) и приведены на рис. 2.9. Рис. 2.9. Зависимость времени разгона тp, торможения гт и полного времени движения а от относительного момента нагрузки JUH
Рассмотрим cпособ старт-стопного управления с переключением фаз в функции положения ротора [53]. Принцип построения ССУ на одном шаге с переключением фаз в середине шагового интервала иллюстрируется моментными характеристиками, показанными на рис. 2.10. Рис. 2.10. Способ старт-стопного управления с переключением фаз в функции положения ротора
Ротор, в начале зафиксированный при включенной первой фазе, после переключения на вторую фазу разгоняется на интервале, равном половине шага. В середине шага по сигналу датчика положения вновь включается первая фаза, и ротор тормозится на протяжении второй половины шага при отсутствии нагрузки до точки покоя о . Баланс энергий разгона Wv и торможения wT обеспечивается уменьшением момента первой фазы в р раз.
Целью анализа старт-стопного управления с переключением фаз является определение зависимости р и времени отработки шага от момента нагрузки.
Для случая п - тактной коммутации кинетические энергии разгона и торможения запишутся в виде [4]: Зависимость коэффициента уменьшения амплитуды тормозного момента Р от относительного момента нагрузки juH приведена на рис. 2.11.
Зависимости времени разгона тр, торможения гги полного времени движения на шаге та от относительного момента нагрузки JUH
ССУ в функции положения ротора ШД с переключением фаз в середине шагового интервала позволяет реализовать движение без колебаний в конце шага при наложенных ограничениях по движущему моменту. Моментные характеристики, поясняющие данный вариант ССУ, даны на рис. 2.13. і м мт 2 VMm si W J// \\ \\ ш \\ ч\\\\Л -MHsign(Q) Є
Задаваемое ограничение по движущему моменту определяет относительное уменьшение fi амплитуды движущего момента на участке разгона. По принципу построения схемы ССУ коэффициент р заведомо оказывается меньше // . В данном случае представляет интерес выявление зависимости времени отработки шага от заданной относнтельной величины ограничений по движущему моменту /Л Коэффициент р может быть найден из уравнений . Зависимость времени движения на шаге7а от относительной величины ограничения по движущему моменту JU 2.3. Сравнение способов старт-стопного управления Анализ описанных способов устранения колебаний ротора ШД при отработке единичных шагов будем вести со следующих позиций [54]: - сравнения быстродействия каждого способа, - сложности технической реализации схем, - оценки влияния длительности электрических переходных процессов нулевой скорости ротора. Наилучшим быстродействием обладает схема старт-стопного управления с переключением в середине шага (кривая 1). Схема с чередованием парного и одиночного включения фаз (кривая 2) и схема отработки двойного нага (кривая 3) обеспечивают быстродействие в среднем в 1,4 и 1,7 раз хуже. Время отработки шага в схеме с переключением фаз по сигналу нулевой скорости (кривая 5) многократно превышает время в схеме старт-стопного управления с переключением в середине шага (кривая 1). Длительность движения на шаге увеличивается при наличии ограничений по движущему моменту (кривая 4 для случая // = 0,6), оставаясь, однако ниже уровня других описанных способов. Для сравнения отметим, что длительность отработки шага при колебательном процессе в обычном номинальном режиме ШД превышает длительность старт- стопной отработки шага в диапазоне изменения juH= 0,05 + 0,15 в 5-8 раз, сближаясь при //н 0,25.
При оценке сравнительной сложности технической реализации рассматриваемых способов устранения колебаний необходимо учесть, что любой из них предполагает наличие в схеме регулятора возбуждения фазных обмоток, датчика положения ротора и распределителя с соответствующим числом состояний. Схема старт-стопного привода и схема с чередованием парного и одиночного включения фаз требуют двух сигналов датчика положения на одном шаге. Остальные две схемы-одного сигнала на шаге. В дополнение к этому в схеме с переключением по сигналу нулевой скорости должно быть устройство, формирующее такой сигнал. Сложность реализации такого устройства весьма существенна. Сложность распределителя при современном уровне развития интегральной электроники можно не принимать в расчт.
Влияние длительности электрических переходных процессов определяет, в сущности, достоверность полученных оценок для параметров настройки схем и времени отработки шага в рассмотренных способах. Принятая в данном разделе работы механическая модель ШД не учитывает переходные процессы установления токов в фазах. В частности, подученные результаты для параметров настроек и времени движения в схеме с переключением по сигналу нулевой скорости не могут служить в качестве оценок для реального привода в таком режиме, так как начало этапов торможения и фиксации (рис. 2.7. ) связано с переключением фазных обмоток, и длительность этапа торможения составляет очень малую долю общего времени движения. Следовательно, длительность электрических переходных процессов на этом этапе будет играть доминирующую роль.
Применение полного факторного эксперимента для анализа ШД в обычном режиме управления
В последние годы в научных и инженерно-технических кругах получила широкое распространение программная среда MATLAB [41,43,44,45]. Более того, в настоящее время она принята в качестве официального средства оформления инженерной документации и научных публикаций. С помощью этого программного пакета исследуется влияние обобщенных безразмерных параметров х0,хг ,//ни коэффициентов h и /? на характер отработки единичных шагов в обычных режимах работы ШД и в режимах ССУ, а также влияние момента нагрузки //н на статическую ошибку положения ротора ШД. Обобщенная динамическая модель шагового электропривода при движении на обоих интервалах управления имеет вид:
Решение уравнений (3.11) осуществляется методом математического моделирования в среде MАTLAB/Simulink. [42,46]. Обобщенная динамическая модель шагового электропривода (3.11) справедлива для ШД с произвольным числом фаз. Она может использоваться для исследования различных свойств привода с ШД. Оценим влияние момента нагрузки jUн на статическую ошибку положения ротора ШД.
Известно, что ротор ШД, ненагруженный внешним моментом, фиксируется при включенной фазе в точке устойчивого равновесия. Если ШД нагружен внешним статическим моментом Мн, то момент синхронизации, уравновешивая момент нагрузки, смещает ротор на угол А . Фиксация ротора в точке устойчивого равновесия осуществляется со статической ошибкой As определяемой как:
В зависимости от сочетаний указанных параметров привода находились такие параметры настроек схемы ССУ, при которых остановка ротора в конце единичного шага выполнялась без колебаний за минимально возможное время. В зависимости от сочетаний указанных параметров привода находились такие значения коэффициентов h и (3, при которых остановка ротора в конце единичного шага выполнялась без колебаний за минимально возможное время. рассматриваемого объма отделн диапазон х0 = 0 -е- 0,2, где получающиеся динамические характеристики весьма мало отличаются от полученных при рассмотрении механической модели (см. глава 2) в пренебрежении электрическими переходными процессами в фазных обмотках. Судя по полученным результатам, ССУ реализуемо в следующем диапазоне изменения параметров привода:
Целью данного этапа исследования является нахождение оптимальных настроек h и р схемы ССУ и времени отработки та единичного шага а при оптимальных настройках. Следствием возможных отклонений настроек схемы ССУ от оптимальных является возникновение колебательного переходного процесса отработки шага и, соответственно, увеличения длительности переходного процесса.
Реализация математической модели ШД в программном пакете MATLAB/Simulink, приведена на рис. 3.3. Зависимость величины перерегулирования о от относительной постоянной времени х0 x 1 Отношение — переменной и постоянной составляющих постоянной времени фазных обмоток тоже является основным параметром привода с ШД. На рис. 3.6а приведены эпюры сигналов отработки шага при /ля = 0; х0= 0,2 и x1 различных —, а на рис. 3.6б показана зависимость величины x0 перерегулирования от отношения переменной и постоянной составляющих x 1 x т постоянной времени фазных обмоток —. Видно, что при увеличении — уменьшается величина перерегулирования Рис. 3.6а. Эпюры сигналов отработки шага при jun =0; х0= 0,2 и различных величин 1 x Рис. 3.6б. Зависимость величины перерегулирования сг от отношения переменной и постоянной составляющих постоянной времени фазных обмоток
Исследование режима старт-стопного управления шаговым двигателем без переключения фаз на двойном шаге
Способ управления режимом старт-стопного управления для отработки двойного шага без переключения фаз был рассмотрен в главе 2 (раздел 2.1.1).
Рассмотрим уравнения электрического равновесия для режима старт-стопного управления без переключения фаз на двойном шаге. Уравнение для первого шага:
Исследование режима старт-стопного управления шаговым двигателем с переключением фаз по сигналу нулевой скорости Способ старт-стопного управления с переключением фаз по нулевой скорости рассмотрен в главе 2 (раздел 2.2.1). Для исследования этого способа используем уравнения (3.12).
На рис. 3.16 показана реализация математической модели этого способа управления в программном пакете MATLAB/Simulink. Управляющие воздействие ud,uq,u0 формируются для отработки шага( 9 = —) , когда h 1;/3 = 0 . приведены эпюры сигналов отработки шага с переключением фаз по сигналу нулевой скорости при //н = 0,1; — = 0,2; h = 0,65 и различных х0. На рис. 3.17б показана зависимость времени отработки шага с переключением фаз по сигналу нулевой скорости от относительной постоянной времени х0. Видно, что при увеличении постоянной времени х0 увеличивается время отработки шага
