Горобець Микола Михайлович

Факультет: Електротехнічний

Кафедра: Електропривод та автоматизація промислового встакування

Тема роботи: Дослідження сучасних сервоприводов на базі синхроного двигуна з постійними магнітами

Керівник: Толочко Ольга Івановна

Технічний консультанат: Розкаряка Павло Іванович

Вступ

      До недавнього часу у приводній техніці в основному застосовувалися двигуни постійного струму. У наш час відбувається зсув акцентів у приводних системах від двигунів постійного струму до двигунів змінного струму. Тенденція переходу до синхронних двигунів змінного струму особливо очевидна в сервосистемах, які майже завжди виконувалися з використанням електроприводів постійного струму. Використання конструктивних особливостей двигунів, досягнення в галузі електроніки, розробки в галузі систем регулювання істотно дозволяють підняти якість регулювання в сервосистем на новий рівень. Що, безумовно, є актуальним питанням для багатьох галузей промисловості, де пред'являються високі вимоги до систем електропривода.

Визначення сервопривода, класифікація, історія розвитку, галузі застосування

      Сервопривод - це система привода, що у широкому діапазоні регулювання швидкості забезпечує динамічні, високоточні процеси переміщення й реалізує їхню гарну повторюваність.

У сучасному виробництві до сервоприводу пред'являються високі вимоги по наступних параметрах:

• точність позіцювання;
• діапазон регулювання;
• нерівномірність частоти обертання;
• перевантажувальна здатність;
• висока динаміка.

      Сервоприводи є найбільше високотехнологічною галуззю електропривода. На даний момент сервоприводи використаються у високопродуктивному встаткуванні наступних галузей: виробництво харчових продуктів, будматеріалів, упакування, підйомні - транспортні механізми.

      Спочатку серед сервосистем домінував привод постійного струму. Це було пов'язане із простотою реалізації законів керування по напрузі якоря. Як керуючі пристрої застосовувалися електромашинні підсилювачі, транзисторні й тиристорні регулятори. Керування швидкістю й моментом було аналоговим, з усіма, що випливають із цього проблемами завадостійкості в широкому діапазоні регулювання швидкості. Для виміру дійсної швидкості в каналі зворотного зв'язку застосовувалися тахогенератори постійного струму.

      Підвищення динамічних характеристик сервоприводов проходило в напрямку створення двигунів постійного струму з малим моментом інерції. В основу одержання малого моменту інерції ротора було покладене рішення про одержання циліндричного немагнітного якоря. Для цього на початку 70-х років стали широко застосовувати постійні магніти з рідкоземельних матеріалів, що забезпечують одержання підвищеного значення індукції в повітряному зазорі й високого моменту.

      Дослідження безщіточних двигунів, які можуть бути використані в сервоприводах, були початі із середини 70-х років.

      На противагу звичайного компонування двигуна постійного струму розроблювачі прийшли до перспективного нового рішення: якір на статорі, поле збудження на роторі. Так з'явилися бесщіточні двигуни постійного струму, або двигуни з електронною комутацією.

      Ці електричні машини принципово являють собою синхронні двигуни з постійними магнітами, у яких положення ротора контролюється простим імпульсним датчиком положення.

      На додаток до електронної безконтактної комутації й низького зношування, цей тип привода має наступні переваги:

• знижений момент інерції через відсутність обмотки на роторі;
• простота охолодження, тому що відвід тепла від статора простіше, ніж від ротора;
• підвищений ККД, тому що немає втрат, пов'язаних з обмоткою збудження.

      Паралельно із цим розвивався також і напрямок з застосуванню асинхронного двигуна змінного струму в якості бесщіточного сервопривода.

      З іншого боку, з розробкою безщіточних двигунів проводилися теоретичні дослідження з так називаної синусної комутації сервопривода.

      Принципово двигун із синусною комутацією являє собою СД із постійними магнітами, з усіма перевагами, зазначеними вище. Однак, датчиком положення ротора в цьому випадку служить резольвер, вихідними синусоїдальними сигналами якого управляється струм статора машини.

      Зазначені вище всі три типи бесщіточних приводів використаються в цей час.

      На рисунку 1 наведена класифікація серводвигунів

Класифікація серводвигунів

Принцип дії синхронних двигунів з постійними магнітами

      При живленні двигуна від перетворювача, обмотками статора створюється обертове магнітне поле статора. Воно впливає на ротор, утворюючи прикладене до нього зусилля. Завдяки магнітному зв'язку між статором і ротором ротор прискорюється й надалі обертається з тією же кутовою швидкістю, що й поле статора, тобто синхронно.

      При збільшенні навантаження на валу поле ротора починає відставати від поля статора на деякий, так званий, полюсний кут a. Спочатку обертаючий момент росте з ростом кута. Коли кут досягає 90°, тобто полюс ротора розташований точно між двома полюсами статора, зусилля, що діє на ротор, досягає максимуму. Це той випадок, коли поле статора випереджає поле ротора й тягне за собою ротор. Якщо полюсний кут продовжує збільшуватися, тобто двигун перевантажений, то обертаючий момент зменшується, двигун потрапляє в зону нестійкої роботи й зупиняється, тобто обертаючий момент є функцією напруги, струму й полюсного кута (див. Рис. 2).

Рисунок 2 – Залежність обертаючого моменту від полюсного кута

      Щоб двигун використався з максимально можливим моментом, треба забезпечити, щоб полюсний кут був a = 90°. У руховому режимі поле статора при цьому випереджає ротор, а в генераторному - відстає від нього на 90°. Завдання керування двигуном полягає в тому, щоб розрахувати значення, що задають, трьох фазних струмів, виходячи з необхідного моменту, і задати просторове розміщення векторів струму. Для цього визначається за допомогою датчика реальне положення ротора. До отриманого значення кута ротора залежно від напрямку обертання й знака моменту додаються або віднімаються 90° і розраховується необхідний струм.

      Для кожного кутового положення ротора визначається відповідне положення поля статора, тобто ротор визначає значення й напрямок поля статора. У такий спосіб ротор «повертає» поле статора (см. рис. 3)

Рисунок 3 – Просторовий вектор струму

* GIF-анiмацiя виконана в Easy GIF Animator, час кадру - 0,1 с, кiлькicть кадрiв - 12, тривалicть анiмацii - 10 с, розмiр - 300x388 точок, розмiр файла - 37,1 КБ.

      Механічні характеристики двигуна представлені на рисунку 4. На ньому спостерігається три зони обмеження.

1. Поряд з іншими факторами момент двигуна обмежується припустимим значенням перевантаження постійних магнітів. Якщо при перевантаженні струм статора збільшується до неприпустимих меж, постійні магніти розмагнічуються й двигун «губить момент».
2. Треба мати на увазі що, через зменшення моменту у верхній частині діапазону швидкості залежно від напруги на двигуні, що залежить від напруги проміжної ланки перетворювача й спадання напруги в проводах. Зменшення моменту відбувається через те, що при збільшенні ЭРС двигуна виявляється неможливим підтримати необхідне значення струму статора.
3. Наступні обмеження пов'язані з термічним перевантаженням двигуна. Тут повинен бути обчислений ефективний обертаючий момент, що повинен бути менше, ніж момент MO ,припустимий при нерухомому двигуні. Перевищення припустимого термічного навантаження також веде до розмагнічування магнітів.

Рисунок 4 – Механічні характеристики серводвигуна (ED – тривалість включення)

Побудова системи автоматичного регулювання положенням

      У більшості випадків сервопривод використовується для регулювання положенням. Системи автоматичного регулювання положення (позиційні САР) будуються шляхом доповнення САР швидкості системою автоматичного регулювання положення. Із цією метою використають замкнуту систему регулювання по положенню, для побудови якої необхідні датчик положення (або кута повороту вала) ДП, регулятор положення РП і пристрій, що задає.

      На вхід контуру положення подається керуючий вплив Fзад, формоване пристроєм, що задає. Регулятор положення формує завдання Wзад для підлеглої йому САР швидкості. Таким чином, для регулювання положення використається трьохконтурна структура, що містить внутрішній контур регулювання струму якоря, проміжний контур регулювання швидкості й зовнішній контур регулювання положення.

      На рисунку 5 представлена структурна схема такої системи регулювання.

Рисунок 5 – Структурна схема системи керування

      У більшості промислових електроприводів, оснащених позиційними системами, застосовується такий процес відпрацьовування переміщення, при яких швидкість змінюється по трикутному (трапецеїдальному) графіку. Ці діаграми роботи привода є оптимальними по швидкодії. Для реалізації таких систем більшість світових виробників випускають спеціальні модулі керування руху (Motion Control). Ці модулі дозволяють реалізовувати пристрої, що задають, для системи керування положенням і вирішувати конкретні прикладні завдання.

      Реалізація інших законів керування позиційним електроприводом, наприклад, оптимальних за тепловими втратами, на таких модулях неможлива. У цьому випадку необхідне використання додаткового встаткування, що містить спеціальні алгоритми для рішення таких завдань позиціювання.

      При розгляді позиційної системи розрізняють:

1. малі переміщення, при яких жоден з регуляторів не обмежується й система працює як лінійна;
2. середні переміщення, при яких відпрацьовування відбувається при обмеженні регулятора швидкості, тобто при обмеженні якірного струму, але ділянка роботи з постійною швидкістю відсутній;
3. великі переміщення, при відпрацьовуванні яких протягом певного часу двигун працює на сталій швидкості в результаті обмеження РП, а РС обмежується при розгоні й гальмуванні.

      Можливі такі типи оптимальних діаграм для умов забезпечення мінімуму теплових втрат у якорі двигуна при відпрацьовуванні заданого переміщення Fз за заданий час t0 з обмеженням на ривок p0, струм I0 і швидкість W0, при наявності на валу двигуна постійного реактивного статичного моменту Мс=const у відносних одиницях представлені на рисунку 6.

Рисунок 6 – Диаграммы оптимальные по тепловым потерям

      Зазвичай такі задающі пристрої працюють у такий спосіб. Спочатку вони формують діаграму завдання на прискорення або ривок у вигляді кусочно-лінійної апроксимації табличної залежності, вузлові крапки якої розраховуються виходячи з величини переміщення Fзад, що відпрацьовуються й бажаного час роботи з урахуванням обмежень на швидкість й W і прискорення e (а іноді й ривок p). Отримані сигнали двічі (тричі) інтегруються й у результаті виходять бажані діаграми швидкості W(t) і положення F(t) (див. рис. 10). (см. рис. 7).

Рисунок 7 - Структура задатчика положення

а) задатчик формує сигнал завдання на прискорення

б) задатчик формує сигнал завдання на ривок

      На рисунках 8 – 13 представлені експериментальні отримані графіки перехідних процесів при роботі такої системи.

Рисунок 8 – Діаграма відпрацьовування переміщення без обмежень (6.а)

Рисунок 9 – Діаграма відпрацьовування переміщення з обмеженням при розгоні (6.б)

Рисунок 10 – Діаграма відпрацьовування переміщення з обмеженням при розгоні й гальмуванні (6.в)

Рисунок 11 – Діаграма відпрацьовування переміщення з обмеженням на швидкість (6.г)

Рисунок 12 – Діаграма відпрацьовування переміщення з обмеженням на швидкість (6.д)

Рисунок 13 – Діаграма відпрацьовування переміщення з обмеженням на швидкість (6.е)

Перелiк посилань

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.