Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Краткая характеристика современного этапа развития теории и практики дискретного электропривода. Постановка задач исследования 9
1.1. Особенности построения программных перемещений средствами дискретного электропривода 9
1.2. Программирование параметров движения. Методыформирования электрических
состояний ШД 19
1.3. Требования к инверторам дискретного электропривода. Постановка задач
исследования . 33
Выводы по главе 37
ГЛАВА II. Режимы работы и основные характеристики инверторов МДЭП 39
2.1. Классификация способов построения инверторов МДЭП. Режимы работы 39
2.2. Силовые ключевые элементы 52
2.3. Способы организации режима переключений 56
2.4. Основные характеристики инверторов тока, работающих по принципу "токовый коридор". 60
2.5. Потери мощности в транзисторах ключевого инвертора при регулировании тока по принципу "токовый коридор" 71
2.6. Влияние инерционности транзисторов на процесс стабилизации тока 77
2.7. Оценка статической точности стабилизации тока в мостовых инверторах без
обратных диодов 84
Выводы по главе 81
ГЛАВА Ш. Перспективные технические решения инверторов тока МДЭП и их математические модели в составе электропривода .93
3.1. Ключевые инверторы тока, работающие по принципу "двойного токового коридора" 93
3.2. Математическая модель МДЭП при регулировании тока в фазах ЩЦ цо принципу
"токовый коридор" 100
3.3. Анализ колебаний МДЭП, вызванных пульсациями тока .107
3.4. Моделирование колебаний МДЭП ,112
3.5. Ключевые инверторы с компенсацией пульсаций тока 123
Выводы по главе 129
ГЛАВА ІV. Проектирование дискретного электропривода ГАП с управляемыми инверторами тока. Экспериментальные исследования 131
4.1. Выбор элементов электропривода ГАП и определение их основных параметров 132
4.1.1. Связь главных размеров ПЩ с требованиями задания 132
4.1.2. Выбор типа и основных параметров инвертора. Связь габаритов инвертора
с требованиями задания 138
4.2. Определение закона управления, обеспечивающего электроприводу заданные динамические показатели 147
4.3. Экспериментальные исследования 159
Выводы по главе 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
ЛИТЕРАТУРА 174
Приложение 180
- Особенности построения программных перемещений средствами дискретного электропривода
- Классификация способов построения инверторов МДЭП. Режимы работы
- Ключевые инверторы тока, работающие по принципу "двойного токового коридора"
- Выбор элементов электропривода ГАП и определение их основных параметров
Введение к работе
Современный этап развития ведущих отраслей промышленности характеризуется резким расширением номенклатуры и быстрой сменой выпускаемых изделий. В этих условиях одним из основных, если не главным, средством повышения производительности труда и эффективности использования трудовых ресурсов является создание гибких автоматизированных производств (ГАП), ориентированных на безлюдную технологию,
ГАП должны удовлетворять ряду принципиально новых требований, главными из которых можно назвать функциональную гибкость, высокую мобильность и производительность. Технические средства, реализующие ГАП, обязаны обеспечивать быструю переналадку технологического оборудования с одного изделия на другое, сочетать широкую универсальность с производительностью и надежностью специализированных агрегатов и быть полностью унифицированными.
Неотъемлемым качеством промышленных роботов (ПР) как элементов ГАП является сочетание транспортных технологических операций - маршевых перемещений с точными региональными перемещениями.
Элементная база модульного многокоординатного дискретного электропривода (МДЭП) максимально приспособлена для решения перечисленных задач и в ряде случаев может конструктивно сливаться с производственным участком. При микропроцессорном управлении без кинематических преобразователей движения имеется принципиальная возможность получения сложных взаимосвязанных пространственных перемещений. При этом точность, производительность и стабильность метрологических характеристик оборудования, построенного на базе МДЭП, существенно возрастают.
Для обеспечения энергетических и силовых показателей в безредукторном приводе, эквивалентном приводу с кинематическими преобразователями движения, требуется увеличение полюсности двигателя за счет уменьшения зубцового деления ^ ЦРИ адекватном ему уменьшении воздушного зазора usr так, чтобы ^/^p^0=C0/7St. При этом, для обеспечения рабочих скоростей около 0,5 м/с требуется частота управления в несколько килогерц. Вместе с тем, высокие статические и динамические показатели в приводе достигаются только при точном формировании во всем частотном диапазоне заданной формы токов в фазах двигателя,
Б теории дискретного электропривода разработаны методы и структуры управления, позволяющие сочетать достоинства шагового электропривода (ШЭП) с достоинствами классических систем электропривода [і,2,5J Выполнение требований к форме заданной кривой фазного тока дает возможность снизить требования к точности изготовления двигателя и упрощает синтез привода с заданными свойствами.
Отличительной чертой МДЭП является невозможность применения в нем в широком частотном диапазоне работы традиционных для классических систем электроприводов технических решений инверторов тока.
Актуальными в этой связи являются поиск технических решений управляемых инверторов тока, максимально учитывающих специфику дискретного электропривода, и получение математического описания для их инженерного синтеза в составе электропривода.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе рассматривается состояние современного дискретного электропривода; анализируются характерные режимы его работы; рассматриваются и сопоставляются методы формирова- ния электрических состояний шаговых двигателей (ЩЦ); делается вывод о том, что для расширения динамических возможностей МДЭП и упрощения методов его синтеза необходимо питание ШД от управляемых инверторов тока; формулируются задачи диссертационной работы.
Во второй главе приводится классификация инверторов, в большей или меньшей степени пригодных для использования в ШЭП; сопоставляются методы организации режима переключений в ключевых инверторах тока; анализируются частотные, точностные, динамические и энергетические показатели инверторов тока, работающих по принципу "токовый коридор" в первом и втором импульсных режимах управления»
В третьей главе приводятся технические решения и основные характеристики ключевых инверторов тока с "двойным токовым коридором" и с компенсацией пульсаций тока; анализируются колебательные процессы в электроприводе, вызванные пульсациями тока в фазах ШД при его импульсном регулировании; приводятся схема и результаты моделирования колебательных процессов на ЭВМ,
В четвертой главе суммируются результаты предыдущих глав применительно к решению типовых задач проектирования; получены основные соотношения, связывающие требования технического задания с габаритами ЩД и инвертора тока. Здесь же приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающие основные теоретические выводы и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы.
На защиту выносятся:
I. Принципы построения и схемы ключевых инверторов тока МДЭП, обладающих улучшенными точностными, динамическими и энергетическими показателями и обеспечивающие электроприводу мак- симальные быстродействие и рабочий диапазон скоростей при заданном уровне питающего напряжения.
Методы исследования колебательных процессов в МДЭП, вызванных пульсациями фазных токов.
Цифровые модели МДЭП с управляемыми инверторами тока с учетом реальных ограничений по уровню питающего напряжения и конечной длительности коммутационных процессов.
Полученные по результатам моделирования обобщенные полиномиальные зависимости, связывающие амплитуды пульсаций угла, момента и скорости с безразмерными параметрами ЩД и инвертора.
Практические рекомендации по выбору рациональной структуры инвертора МДЭП, по повышению динамических, энергетических и массогабаритных показателей МДЭП с управляемыми инверторами тока.
Особенности построения программных перемещений средствами дискретного электропривода
Интенсивное развитие ШЭП началось примерно с середины пятидесятых годов. Объективная необходимость этого процесса была продиктована развитием средств вычислительной техники и их внедрением в системы управления различными технологическими процессами. Такие преимущества перед всеми другими типами электромеханических преобразователей энергии, как возможность квантования движения и способность запоминания при необходимости конечных координат перемещения, прочно определили место ШД в качестве исполнительного устройства при построении систем с программным управлением от цифрового вычислительного комплекса.
С распространением принципов блочно-модульного построения на дискретный электропривод появилась принципиальная возможность реализации сложных пространственных перемещений без кинематических преобразователей движения. Основу многокоординатного дискретного электропривода составляют конструктивно простые электромеханические преобразователи энергии - модули. При конструктивном объединении модулей, реализующих линейные, поворотные и сферические перемещения моноблоке удается достичь максимальной интеграции элементов собственно двигателя с рабочим органом технологического оборудования. Успешная реализация сложных взаимосвязанных пространственных перемещений возможна только при строгой определенности в поведении привода по каждой координате. Это требует:
- максимальной разобщенности магнитных систем отдельных модулей для обеспечения независимости протекания электромагнитных процессов в них;
- учета при синтезе структуры привода и алгоритма управления взаимовлияния механических процессов по каждой из коор-данат перемещения.
Для удовлетворения первому требованию применяются соответствующие конструктивные приемы.
При использовании в многокоординатном дискретном электроприводе аэростатических опор из-за взаимовлияния механических процессов координат перемещения друг на друга, а также под действием внешних случайных разворачивающих моментов возможна потеря устойчивости приводом даже при относительно слабом их проявлении. Для компенсации этих крайне нежелательных явлений разработаны соответствующие методы управления приводом. Суть их состоит в том, что по сигналу датчиков выявляется тенденция привода к нежелательным разворотам, и вступает в действие система стабилизации углового положения ОД за счет кратковременных переключений обмоток отдельных модулей, расположенных симметрично относительно центра масс ЩД, для провокации противодействующих развороту моментов. Очевидно, что эффективность работы системы стабилизации обратно пропорциональна интервалу времени между началом проявления нежелательных разворотов и ответной реакцией привода, определяемому электромагнитной инерционностью модулей.
Классификация способов построения инверторов МДЭП. Режимы работы
Основное назначение инвертора. в ШЭП - усиление сигналов уцравления по мощности, формируемых в слаботочной части схемы управления, в связи с чем часто употребляется в технической литературе другое его название - усилитель мощности. Классификация инверторов ШЭП по способам построения выходных каскадов усиления мощности и режимам работы представлена на рис.2.Т.
Все многообразие схемотехнических решений инверторов, используемых в ШЭП, может быть разбито на два больших класса: инверторы напряжения и инверторы тока.
В инверторах напряжения независимой выходной величиной является напряжение на фазной обмотке НЩ, а ток является функцией этого напряжения, параметров и режима работы ЩЦ. Классической схемой инвертора напряжения является нереверсивная схема с одним транзистором в силовой цепи и блокирующим диодом, показанная на рис.2.2а.
Транзистор V переводится в режим насыщения по команде, поступающей от РИ, и остается в этом состоянии в течение всего такта коммутации при работе в режиме целых шагов двигателя, или работает в режиме ШИМ при использовании дробления шага двигателя фазоимпульсным способом.
Ключевые инверторы тока, работающие по принципу "двойного токового коридора"
Один из недостатков первого импульсного режима управления уже отмечался на основании анализа зависимостей (2.20),
(2.21) и (2.27), (2.28). Это различные предельные темпы нарастания и спадания тока, в результате чего максимальные частоты управления электроприводом ограничены на весьма низком уровне (обычно угпред пр t где пр - частота приемистости электропривода). Необходимо остановиться еще на одном серьезном недостатке первого импульса режима управления. Обратимся к рис.2.8а. В паузе транзистор V1 насыщен, а транзистор V2 закрыт и ток, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, наводимой в 0У, должен спадать в соответствии с принципом работы "токового коридора". Однако, если в течение паузы из-за магнитной связи между фазами ЩД в 0У наводится ЭДС взаимной индукции, совпадающая по направлению с током, в 0У возможен неконтролируемый схемой инвертора всплеск тока, ограничиваемый только величиной этой ЭДС и параметрами обмотки. Это приводит к появлению паразитных моментов ШД, увеличивает потери энергии и может создать условия для выхода транзисторов из строя. У инверторов, работающих во втором импульсном режиме управления, из-за того, что в контурах нарастания и спадания тока всегда присутствует источник питания, при правильном выборе его напряжения, это явление возникнуть не может.
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что оптимальным ключевым инвертором тока для управления ЩЦ можно считать инвертор, работающий при малой частоте переключений, как в первом импульсном режиме управления, обеспечивающий одинаково высокие темпы нарастания и спадания тока, как во втором импульсном режиме управления, и исключающий неконтролируемые схемой всплески выходного тока.
Первой.попыткой решить поставленную задачу можно считать техническое решение, приведенное в [40], Суть его состоит в том, что инвертор работает постоянно в первом импульсном режиме, причем, при формировании нарастающей ветви кривой фазного тока напряжение на нагрузке изменяется в пределах 0 (+1/ ), а при формировании спадающей ветви - в пределах 0 -(-UnJ . Момент смены пределов изменения напряжения определяется дешифратором и жестко запрограммирован в схеме инвертора. Инвертор обеспечивает одинаково высокие темпы нарастания и спадания тока, однако не исключает второго недостатка - в схеме также возможны неконтролируемые всплески тока.
Выбор элементов электропривода ГАП и определение их основных параметров
Одним из принципов реализации взаимосвязанных многокоординатных перемещений средствами дискретного электропривода является конструктивная интеграция элементов двигателя и технологического оборудования. В связи с этим важным этапом проектирования является определение зависимости габаритов двигателя от требования технического задания. Кинематические преобразователи движения расширяют возможности оптимального проектирования. Однако использование механических передач нежелательно в прецизионных установках с большим числом степеней свободы движения. В линейном и многокоординатном модульном приводах механическое редуцирование исключено по самому их замыслу, так как они предназначены для непосредственной реализации сложных движений. Поэтому также целесообразно проследить тенденции изменения главных размеров и параметров Щ при исключении редуктора.
Главными размерами вращающэгося двигателя являются диаметр и длина его ротора. При известных электромагнитных нагрузках (магнитная индукция в рабочем зазоре и плотность тока в обмотках), которые назначаются в зависимости от уровня технологии, используемых материалов и условий охлавдеяия, размеры Dp , In определяют собою, все необходимые параметры и технические показатели ПЩ: развиваемый максимальный моментах момент инерции ротора J , мощность потерь в статике, габариты конструкции и т.д.
