ДонНТУ

Портал магистров

Биография

Реферат

Библиотека

Ссылки

Индивидуальное задание

Отчет по поиску

Васютинский Андрей Васильевич

Факультет: Электротехнический

Кафедра: Электропривод и автоматизация промышленных установок

Тема работы: Исследование микропроцессорных позиционируемых сервоприводов

Руководитель: Толочко Ольга Ивановна

Технический консультант: Розкаряка Павел Иванович

Введение

      Прогресс в областях электроники и используемых в электротехнике материалов изменили ситуации в технике привода. До сих пор в сервотехнике применялись в основном двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.

      Главный недостаток двигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока состоит в ограниченной возможности регулирования скорости. Последние достижения в области электроники, особенно в микроконтроллерах, позволяют компенсировать этот недостаток путем использования современных средств управления.

      В настоящее время происходит смещение акцентов в приводных системах от двигателей постоянного тока к двигателям переменного тока. Тенденция прехода к синхронным двигателям переменного тока особенно очевидна в сервосистемах, которые почти всегда выполнялись с использованием электроприводов постоянного тока.

      Новые мощные постоянные магниты, изготовленные из сплавов неодим-железо-бора и самарий-кобальта благодаря их высокой энергоемкости, могут существенно улучшить характеристики двигателя при одновременным снижением массо-габаритных показателей электрических машин. В итоге улучшаются динамические характеристики привода и снижаются его габариты.

Определение сервопривода

    В современной приводной технике во многих случаях предъявляются высокие требования к:

1) погрешности позиционирования;

2) погрешности стабилизации скорости;

3) широкому диапазону регулирования;

4) стабилизации момента вращения;

5) перегрузочной способности;

6) высокой динамике.

Требования к динамике, т.е. поведению привода во времени, складываются из все ускоряющихся процессов обработки, увеличению циклов обработки и связанной с ними производительности машины. Высокая точность очень часто определяет возможность использования систем электропривода в новых технологиях. Этим требованиям должны отвечать современные высокодинамичные системы привода.

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

Развитие сервоприводов

    Первоначально на рынке доминировали пневматические и гидравлические сервоприводы. Привод постоянного тока получил распространение в 60-х годах, с развитием полупроводниковой техники.

    С точки зрения требований динамики развитие сервоприводов проходило в направлении создания двигателей постоянного тока с малым моментом инерции. В основу получения малого момента инерции ротора были положены два решения. Первое предполагало реализацию якоря двигателя в виде тонкого плоского диска, не содержащего железо, второе - основывалось на получении цилиндрического немагнитного якоря. В обоих случаях 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. Тип управления использовался - линейные усилители с силовыми транзисторами и выходным напряжением приблизительно до 100 В. Позже - тиристорные преобразователи, которые применялись до конца 70-х годов, когда им на смену пришли импульсные преобразователи постоянного тока на ключевых транзисторах. Это сопровождалось значительным повышением изначально низкого коэффициента полезного действия электронных источников питания. Напряжение, которое могло быть получено на выходе электронных источников питания ограничивалось приблизительно на уровне 200 В из-за низкого допустимого напряжения транзисторов и ограничения напряжения между коммутируемыми сегментами коллектора двигателя.

    Транзисторные преобразователи, как правило, подключали к сети через трансформатор. Это позволяло осуществить согласование выходного напряжения преобразователя с питающей сетью.

    Управление как скоростью, так и моментом были аналоговыми, со всеми вытекающими из этого проблемами помехоустойчивости (восприимчивости низковольтных сигналов к наводкам) в широком диапазоне регулирования скорости, характерном для сервоприводов. Для измерения действительной скорости в канале обратной связи применялись тахогенераторы постоянного тока.

    Развитие преобразователей частоты, первоначально реализуемых на тиристорах, позднее на силовых транзисторах, привело к повышению использования малоизнашиваемых асинхронных стандартных двигателей переменного тока для приводов с невысокими требованиями по точности управления. 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 (инкодером), производящим 6 импульсов на оборот, по числу полюсов СД.

    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,

    - повышеный КПД, так как нет потерь, связанных с обмоткой возбуждения.

    Электронная коммутация секций обмотки статора производится каждые 60 электрических градусов и осуществляется датчиком положения ротора ДПР. Как и коммутация с помощью коллектора в двигателях постоянного тока этот принцип коммутации также реализуется в виде устройства коммутации и имеет блочное исполнение. Для управления скоростью двигателя необходим дополнительный датчик скорости, например тахогенератор. Параллельно с этим развивалось также и направление по применению асинхронного двигателя переменного тока в качестве бесщеточного сервопривода. Этот тип двигателя дешев в производстве и имеет дополнительное преимущество с возможностью управления в диапазоне ослабления поля.

    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 и обеспечивают почти полную замену приводов со щетками с начала 90-х годов.

    Решающим фактором этих успехов явился прогресс в области полупроводниковой техники. Развитие высокой степени интеграции, высокоскоростных процессорных систем и модулей энергонезависимой памяти облегчило внедрение цифрового управления. Во всяком случае, функциональные задачи, встречающиеся более или менее часто в индивидуальных технических системах, не так сильно сказывались на цене. Внедрением индивидуального программного обеспечения удалось избежать увеличения количества аппаратных модулей. Силовые модули в системах управления для всех трех типов бесщеточных приводов основаны на следующем: преобразователь частоты (инвертор), управляемый датчиком положения ротора двигателя, предпочтительнее, чем инвертор с независимым управлением, используемый для стандартных двигателей переменного тока. Функциональные различия состоят только в наличии замкнутой и разомкнутой обратной связи в системе управления.

    Развитие силовых транзисторов с начала 90-х годов сделало также возможным подключать системы управления сервоприводами (сервоконтроллеры) непосредственно к сети без использования сетевого трансформатора.

Математическое описание серводвигателя

Введем ортогональну. систему координат d, q, которая вращается с произвольной скоростью относительно неподвижной, одну ось определяем как действительную (d), а другую - как мнимую (q), то связь между системами координат будет определяться определенным углом. Связь между подвижной (d, q) и неподвижной (alfa,beta) системами координат имеет вид:

Рис.1 - Математическая модель серводвигателя

    В настоящее время, сервоприводы применяются там, где недостаточно точности регулирования обычных общепромышленных преобразователей частоты. Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Сервоприводами оснащаются прецизионные системы поддержания скорости и позиционирования промышленных роботов и высокоточных станков. Сервоприводы также устанавливаются на координатно-сверлильных станках, на различных технологических транспортных системах, на различных вспомогательных механизмах и др. В приводах подач современных станков с ЧПУ обеспечивающих перемещения рабочих органов станка, на сегодняшний день применяются в основном шаговые двигатели либо сервоприводы.

Достоинства сервопривода:
1. Плавность и точность перемещений доступны даже на низких скоростях, разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от решаемой задачи
2. Бесшумность работы
3. Надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в ответственных, не терпящих отказа устройствах.
4. Легкость монтажа конструкции.

Недостатки сервопривода:
1. Высокая стоимость
2. Сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода необоснованным.

    То есть, сервоприводы на базе синхронного электродвигателя (серводвигателя), в настоящее время, наиболее целесообразно применять там, где требуется привод с высокой точностью и большой максимальной скоростью. Двигатель такого привода имеет встроенный датчик положения вала сигнал с которого подаётся на серво усилитель, а это существенно повышает точность и динамику сервопривода. Для создания одно или много координатных систем позиционирования используется специальный контроллер позиционирования.

* GIF-анимация выполнена в GIF Animator, время кадра - 1 с, количество кадров - 7, длительность анимации - 8 с, размер - 1333x983 точек,         размер файла - 300 КБ.

Рис. 2 – Векторное управление

    Синхронные серводвигатели — это трехфазные синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и датчиком положения ротора. Отличительная особенность синхронных серводвигателей - высокая выходная мощность при любой скорости в сочетании с небольшими размерами. Их основным достоинством является очень низкий момент инерции ротора относительно крутящего момента. Это позволяет реализовать очень высокое быстродействие. Достижимо время разгона на номинальную частоту вращения за десятки миллисекунд и реверс с полной скорости в пределах одного оборота вала двигателя.

    Серводвигатели могут различаться формой, размерами и конструкцией - от больших низкоскоростных прямопри-водных роторных двигателей с большим крутящим моментом до компактных устройств с малоинерционым ротором, обеспечивающим оптимальный разгон и торможение, безкорпусных двигателей, линейных двигателей, создающих большую тяговую силу при огромных ускорениях и скоростях.

    Современные качественные серводвигатели выпускаются большим количеством производителей за рубежем. Фактически, каждая фирма выпускающая частотные преобразователе имеет в своем каталоге и ряд моделей севроприводов и севрводвигателей для них. Наииболее популярные модели синхронных серводвигателей выпускают немецкая LENZE (один из европейских лидеров в технологии привода и комплектных систем управления), Siemens, OMRON, Mitsubishi Electric, DELTA ELECTRONIСS  и т. д.. На выпуске оригинальных моделей сервоприводов специализируются такие компании, как, Fagor Automation, Sew-Eurodrive, Rockwell Automation, Emerson Control Techniques, Baldor Electric и многие другие. Управление серводвигателем осуществляется при помощи специального блока, который получает сигналы от датчика обратной связи, встроенного в сервомотор. Блок управления обычно имеет множество опций для работы от ПК, встроенные интерфейсы позволяют использовать его в промышленности. Многочисленные настройки и нюансы работы обычно загружаются в привод через ПК. Далее возможна автономная работа и управление без компьютера.

Литература

1. Петров Ю. П., Оптимальное управление электроприводом. - М. - Л., Госэнергоиздат, 1961. - С.187

2. Lenze «Global Drive Control easy»; Lenze Drive Systems GmbH,2003

3. Lenze «Global Drive Loader Erste Schritte/Getting started»; Lenze Drive Systems GmbH,2003 <

4. Lenze «Handbuch/Manual»; Lenze Drive Systems GmbH,2003

5. Lenze «Сервоинверторы 9300»;номер каталога 9300BAC199; Lenze Drive Systems GmbH,2003

6. Ключев В.И., Теория электропривода. – М: "Энергоатомиздат". – 1985. - C. 258

7. Усольцев А.А., Векторное управление асинхронными двигателями. - С.-П.:СТУ. - 2002.- С.43

8. Соколовский Г.Г., Электроприводы перевенного тока с частотным регулированием. - М.:"ACADEMA". - 2006. - С. 260

9. Пивняк Г.Г., Волков А.В., Современные частотно-регулирумые асинхронные электроприводы с широтноимпульсной     модуляцией. - Днепропетровск: НГУ. - 2006. - С. 470

10. Башарин А.В., Управление электроприводами. - Л.:"Энергоиздат". - 1982. - С. 393

ДонНТУ

Портал магистров

Биография

Реферат

Библиотека

Ссылки

Индивидуальное задание

Отчет по поиску