Горобец Николай Михайлович

Факультет: Электротехнический

Кафедра: Электропривод и автоматизация промышленных установок

Тема работы: Исследование современных сервоприводов на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами

Руководитель: Толочко Ольга Ивановна

Технический консультант: Розкаряка Павел Иванович

Введение

      До недавних пор в приводной технике в основном применялись двигатели постоянного тока. В настоящее же время происходит смещение акцентов в приводных системах от двигателей постоянного тока к двигателям переменного тока. Тенденция перехода к синхронным двигателям переменного тока особенно очевидна в сервосистемах, которые почти всегда выполнялись с использованием электроприводов постоянного тока. Использование конструктивных особенностей двигателей, достижения в области электроники, разработки в области систем регулирования существенно позволяют поднять качество регулирования в сервосистем на новый уровень. Что, безусловно, является актуальным вопросом для многих отраслей промышленности, где предъявляются высокие требования к системам электропривода.

Определение сервопривода, классификация, история развития, области применения

      Сервопривод - это система привода, которая в широком диапазоне регулирования скорости обеспечивает динамичные, высокоточные процессы движения и реализует их хорошую повторяемость.

В современном производстве к сервоприводу предъявляются высокие требования по следующим параметрам:

• точность позиционирования;
• диапазон регулирования;
• неравномерность частоты вращения;
• перегрузочная способность;
• высокая динамика.

      Сервоприводы являются наиболее высокотехнологичной областью электропривода. На данный момент сервоприводы используются в высокопродуктивном оборудовании следующих отраслей: производство пищевых продуктов, стройматериалов, упаковка, подъемно – транспортные механизмы.

      Первоначально среди сервосистем доминировал привод постоянного тока. Это было связано с простотой реализации законов управления по напряжению якоря. В качестве управляющих устройств применялись электромашинные усилители, транзисторные и тиристорные регуляторы. Управление скоростью и моментом было аналоговым, со всеми вытекающими из этого проблемами помехоустойчивости в широком диапазоне регулирования скорости. Для измерения действительной скорости в канале обратной связи применялись тахогенераторы постоянного тока.

      Повышение динамических характеристик сервоприводов проходило в направлении создания двигателей постоянного тока с малым моментом инерции. В основу получения малого момента инерции ротора было положено решение о получении цилиндрического немагнитного якоря. Для этого в начале 70-х годов стали широко применять постоянные магниты из редкоземельных материалов, обеспечивающих получение повышенного значения индукции в воздушном зазоре и высокого крутящего момента.

      Исследования бесщеточных двигателей, которые могут быть использованы в сервоприводах, были начаты с середины 70-х годов.

      В противоположность обычной компоновки двигателя постоянного тока разработчики пришли к перспективному новому решению: якорь на статоре, поле возбуждения на роторе. Так появились бесщеточные двигатели постоянного тока, или двигатели с электронной коммутацией.

      Эти электрические машины принципиально представляют собой синхронные двигатели CД с постоянными магнитами, в которых положение ротора контролируется простым импульсным датчиком положения.

      В дополнение к электронной бесконтактной коммутации и низкому износу, этот тип привода имеет следующие преимущества:

• пониженный момент инерции из-за отсутствия обмотки на роторе;
• простота охлаждения, так как отвод тепла от статора предпочтительнее, чем от ротора;
• повышенный КПД, так как нет потерь, связанных с обмоткой возбуждения.

      Параллельно с этим развивалось также и направление по применению асинхронного двигателя переменного тока в качестве бесщеточного сервопривода.

      С другой стороны, с разработкой бесщеточных двигателей проводились теоретические исследования по так называемой синусной коммутации сервопривода.

      Принципиально двигатель с синусной коммутацией представляет собой СД с постоянными магнитами, со всеми преимуществами, указанными выше. Однако, датчиком положения ротора в этом случае служит резольвер, выходными синусоидальными сигналами которого управляется ток статора машины.

      Указанные выше все три типа бесщеточных приводов используются в настоящее время.

      На рисунке 1 приведена классификация серводвигателей.

Рисунок 1 – Классификация серводвигателей

Принцип действия синхронных двигателей с постоянными магнитами

      При питании двигателя от преобразователя, обмотками статора создается вращающееся магнитное поле статора. Оно воздействует на ротор, образуя приложенное к нему усилие. Благодаря магнитной связи между статором и ротором ротор ускоряется и в дальнейшем вращается с той же угловой скоростью, что и поле статора, т.е. синхронно.

      При увеличении нагрузки на валу поле ротора начинает отставать от поля статора на некоторый, так называемый, полюсный угол a. Сначала вращающий момент растет с ростом угла. Когда угол достигает 90°, т.е. полюс ротора расположен точно между двумя полюсами статора, усилие, действующее на ротор, достигает максимума. Это тот случай, когда поле статора опережает поле ротора и тянет за собой ротор. Если полюсной угол продолжает увеличиваться, т.е. двигатель перегружен, то вращающий момент уменьшается, двигатель попадает в зону неустойчивой работы и останавливается, т.е. вращающий момент является функцией напряжения, тока и полюсного угла (см. рис. 2).

Рисунок 2 – Зависимость вращающего момента от полюсного угла

      Чтобы двигатель использовался с максимально возможным моментом, надо обеспечить, чтобы полюсный угол был равен а = 90°. В двигательном режиме поле статора при этом опережает ротор, а в генераторном - отстает от него на 90°. Задача управления двигателем состоит в том, чтобы рассчитать задающие значения трех фазных токов, исходя из требуемого момента, и задать пространственное размещение векторов тока. Для этого определяется с помощью датчика реальное положения ротора. К полученному значению угла ротора в зависимости от направления вращения и знака момента прибавляются или вычитаются 90° и рассчитывается требуемый ток.

      Для каждого углового положения ротора определяется соответствующее положение поля статора, т.е. ротор определяет значение и направление поля статора. Таким образом ротор «поворачивает» поле статора. (см. рис. 3)

Рисунок 3 – Пространственный вектор тока

* GIF-анимация выполненна в приложении Easy GIF Animator, время кадра - 0,1 с, количество кадров - 12, продолжительность анимации - 10 с, размер - 300x388 точек, размер файла - 37,1 КБ.

      Механические характеристики двигателя представлены на рисунке 4. На нем наблюдается три зоны ограничения.

1. Наряду с другими факторами момент двигателя ограничивается допустимым значением перегрузки постоянных магнитов. Если при перегрузке ток статора увеличивается до недопустимых пределов, постоянные магниты размагничиваются и двигатель «теряет момент».
2. Надо иметь ввиду уменьшение момента в верхней части диапазона скорости в зависимости от напряжения на двигателе, которое зависит от напряжения промежуточного звена преобразователя и падения напряжения в проводах. Уменьшение момента происходит из-за того, что при увеличении ЭДС двигателя оказывается невозможным поддержать требуемое значение тока статора.
3. Следующие ограничения связаны с термической перегрузкой двигателя. Здесь должен быть вычислен эффективный вращающий момент, который должен быть меньше, чем момент MO ,допустимый при неподвижном двигателе. Превышение допустимой термической нагрузки также ведет к размагничиванию магнитов.

Рисунок 4 – Механические характеристики серводвигателя (ED – продолжительность включения)

Построение системы автоматического регулирования положением

      В большинстве случаев сервопривод используется для регулирования положением. Системы автоматического регулирования положения (позиционные САР) строятся путем дополнения САР скорости системой автоматического регулирования положения. С этой целью используют замкнутую систему регулирования по положению, для построения которой необходимы датчик положения (или угла поворота вала) ДП, регулятор положения РП и задающее устройство.

      На вход контура положения подается управляющее воздействие Fзад, формируемое задающим устройством. Регулятор положения формирует задание Wзад для подчиненной ему САР скорости. Таким образом, для регулирования положения используется трехконтурная структура, содержащая внутренний контур регулирования тока якоря, промежуточный контур регулирования скорости и внешний контур регулирования положения.

      На рисунке 5 представлена структурная схема такой системы регулирования.

Рисунок 5 – Структурная схема системы управления

      В большинстве промышленных электроприводов, оснащенных позиционными системами, применяется такой процесс отработки перемещения, при которых скорость изменяется по треугольному (трапецеидальному) графику. Эти диаграммы работы привода являются оптимальными по быстродействию. Для реализации таких систем большинство мировых производителей выпускают специальные модули управления движения (Motion Control). Эти модули позволяют реализовывать задающие устройства для системы управления положением и решать конкретные прикладные задачи.

      Реализация других законов управления позиционным электроприводом, например, оптимальных по тепловым потерям, на таких модулях невозможна. В этом случае необходимо использование дополнительного оборудования, которое содержит специальные алгоритмы для решения таких задач позиционирования.

      При рассмотрении позиционной системы различают:

1. малые перемещения, при которых ни один из регуляторов не ограничивается и система работает как линейная;
2. средние перемещения, при которых отработка происходит при ограничении регулятора скорости, т.е. при ограничении якорного тока, но участок работы с постоянной скоростью отсутствует;
3. большие перемещения, при отработке которых в течение определенного времени двигатель работает на установившейся скорости в результате ограничения РП, а РС ограничивается при разгоне и торможении.

      Возможны такие типы оптимальных диаграмм для условий обеспечения минимума тепловых потерь в якоре двигателе при отработке заданного перемещения Fз за заданное время t0 с ограничением на рывок p0, ток I0 и скорость W0, при наличии на валу двигателя постоянного реактивного статического момента Мс=const в относительных единицах представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Диаграммы оптимальные по тепловым потерям

      Обычно такие задающие устройства работают следующим образом. Сначала они формируют диаграмму задания на ускорение или рывок в виде кусочно-линейной аппроксимации табличной зависимости, узловые точки которой рассчитываются исходя из величины перемещения Fзад, которое отрабатывается и желаемого время работы с учетом ограничений на скорость и W и ускорение e (а иногда и рывок p). Полученные сигналы дважды (трижды) интегрируются и в результате получаются желаемые диаграммы скорости W(t) и положения F(t) (см. рис. 7).

Рисунок 7 - Структура задатчика положения

а) задатчик формирует сигнал задания на ускорение

б) задатчик формирует сигнал задания на рывок

      На рисунках 8 – 13 представлены экспериментальные полученные графики переходных процессов при работе такой системы

Рисунок 8 – Диаграмма отработки перемещения без ограничений (6.а)

Рисунок 9 – Диаграмма отработки перемещения с ограничением при разгоне (6.б)

Рисунок 10 – Диаграмма отработки перемещения с ограничением при разгоне (6.в)

Рисунок 11 – Диаграмма отработки перемещения с ограничением при разгоне (6.г)

Рисунок 12 – Диаграмма отработки перемещения с ограничением при разгоне (6.д)

Рисунок 13 – Диаграмма отработки перемещения с ограничением при разгоне (6.е)

Литература

1. Петров Ю. П., Оптимальное управление электроприводом. М. - Л., Госэнергоиздат, 1961. - 187 с
2. Толочко О. И., Розкаряка П. И. Формирование оптимальных по нагреву диаграмм управления позиционным приводом с учетом ограничений на скорость и ускорение. // Збiрник наукових праць ДонДТУ. Серiя: «Електротехнiка i енергетика», вип.41 : Донецьк: ДонДТУ, 2002, с 159-163.
3. Карнюшин Л.В., Пышкало В.Д., Рогачев А.И. Области существования оптимального управления электроприводами // Электромашиностроение и электрооборудование. Выпуск 15. Киев, «Техника», 1972. - С. 3-8.
4. Толочко О.И., Коцегуб П.Х., Розкаряка П.И. Особенности цифровой реализации оптимальных алгоритмов управления позиционным электроприводом // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Кременчук: КДПУ. – 2006. – №3 (38). Ч. 1. – С. 8-11.
5. Коцегуб П.Х., Толочко О.И., Федоряк Р.В. Практическая реализация цифровых САУ в среде пакета МАТЛАБ с использованием платформы реального времени «QNX TARGET» // Вісник Національного Технічного Університету «Харківський політехнічний інститут». Збірка наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія i практика».- Харків: НТУ «ХПI», 2002, №12. - Т.1. - С. 98-101.
6. Костенко В.И., Коцегуб П.Х., Розкаряка П.И., Толочко О.И. Формирование оптимальных по нагреву диаграмм отработки заданных перемещений при наличии постоянного статического момента на валу двигателя // Вісник Національного Технічного Університету «Харківський політехнічний інститут». Збірка наукових праць «Проблеми автоматизованого електроприводу».
7. Мазин А.Ю., Розкаряка П.И. Алгоритм формирования оптимальных по нагреву диаграмм с различными видами ограничений // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць II Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 25-26 квітня 2002 р. – Донецьк: ДонНТУ. – 2002. – С. 168-170.
8. Горобец Н.М., Розкаряка П. И. Реализация оптимальных по тепловым потерям законов позиционного управления в комплектных приводах. // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. IХ Міжнародна науково-технічної конференція аспірантів та студентів в м. Донецьку.
9. Керівництво користувача Unidrive SP «Универсальный привод переменного тока с переменной скоростью для асинхронных двигателей и сервомоторов»; моделі з габаритами від 1 до 6; номер за каталогом: 0471-0000-10; Control Techniques Drives Ltd, травень 2005
10. Керівництво користувача SM-Application «Дополнительный модуль для Unidrive SP»; номер за каталогом: 0471-0007-04; Control Techniques Drives Ltd, квітень 2004.