Управление исполнительными устройствами систем автоматизированного электропривода на основе бесконтактных двигателей постоянного тока

Развитие техники, в особенности в отраслях автоматизированного производства, робототехники и средств обработки и передачи информации существенно расширяет уровень требований, предъявляемых к исполнительным электромеханическим устройствам. В первую очередь это касается областей, связанных с производством роботов и манипуляторов.

К электромеханическому приводу предъявляется требование преобразовать командные сигналы в механическое перемещение, обеспечивая при этом устойчивую работу привода во всем рабочем диапазоне. В некоторых случаях закономерности преобразования командных сигналов в механическое перемещение настолько сложны, что невозможно их реализовать с помощью известных электромеханических устройств. В этом случае используются исполнительные устройства, управляемые с помощью микроконтроллера, или в более сложных случаях с использованием ЭВМ. Все эти задачи потребовали разработки электромеханических устройств, механические и регулировочные характеристики которых могут быть перестроены в процессе эксплуатации в соответствии с условиями, определяемыми законом управления.

Одним из наиболее перспективных устройств электропривода по совокупности технических и эксплуатационных характеристик являются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ). Эти двигатели обеспечивают устойчивую работу привода в режимах с изменяющейся нагрузкой, имеют относительно высокий КПД и могут быть реализованы в малых габаритах, что особенно важно в космической технике, или при создании автономных роботов.

Отсутствие коллекторного узла, являющегося необходимым для обычных двигателей постоянного тока, обеспечивает надежную работу устройства в вакууме, взрывоопасных средах, или средах с повышенной запыленностью. Кроме того, бесконтактные двигатели обеспечивают относительно низкий уровень, создаваемый ими уровень радио и акустических помех. Все эти особенности бесконтактных двигателей определили интерес к этой области проектирования исполнительных устройств электропривода как у нас в стране, так и за границей.

В последнее время получены значительные результаты по снижению себестоимости БДПТ, что расширяет возможности использования подобных двигателей в изделиях массового применения: в автомобилестроении, бытовой технике и ряде других отраслей. Особой конструктивной простотой и технологичностью изготовления отличаются бесконтактные двигатели торцевого исполнения.

Электроприводы на базе бесконтактных двигателей постоянного тока обладают потенциальной возможностью формирования рабочих характеристик без изменения его конструкции. Требуемые характеристики могут формироваться в этом случае за счет использования в схеме управления электроприводом внутренних обратных связей и применением аналоговых датчиков углового положения ротора. Таких возможностей лишены наиболее распространенные в настоящее время асинхронные и коллекторные двигатели постоянного тока, в которых требуемые режимы обеспечиваются при существенном усложнении их конструкции и при использовании ряда дополнительных внешних датчиков.

Расширение сферы применения электроприводов с бесконтактными двигателями создает необходимость проведения дальнейших исследований по изучению особенностей их работы в ряде новых областей, а также совершенствования принципов построения устройств автоматизированного привода в тех областях, где они уже сейчас активно используются. Однако возможности БДПТ в настоящее время изучены недостаточно и практически не реализованы. Остаются открытыми вопросы формирования рабочих характеристик, в первую очередь характеристики, обеспечивающие высокую стабильность мгновенных значений электромагнитного момента. Мало изучены вопросы построения и разработки наиболее технологичного варианта БДПТ по торцевой схеме исполнения его элементов. Исследования, проведенные в диссертационной работе, направлены на решение этих вопросов. Это и определяет актуальность данной работы.

Целью работы является разработка способов и средств формирования рабочих характеристик автоматизированного электропривода на базе БДПТ, обеспечивающих заданные режимы его работы.

Конкретными задачами исследований являются:

1. Разработка способов и путей электронного формирования рабочих характеристик электропривода на базе БДПТ, с использованием в схеме его управления внутренних электронных обратных связей для реализации режимов: а) Режим стабилизация средней за оборот скорости вращения двигателя при возможности ее переустановки схемой электронного управления. б) Режим стабилизации мгновенной скорости. в) Режим стабилизации электромагнитного момента и мощности, развиваемой двигателем, в рабочем диапазоне.

2. Теоретический анализ электромагнитных полей в рабочем зазоре БДПТ торцевого исполнения с учетом обеспечения возможностей формирования закономерностей ЭДС вращения и токовых импульсов в якорных обмотках, обеспечивающих заданные режимы стабилизации.

3. Исследование и разработка схем электронного управления вышеперечисленными рабочими режимами работы электропривода, с целью формирования требуемых рабочих характеристик. Выработка рекомендаций по расчету и выполнению элементов конструкции силового блока электропривода, обеспечивающего при расчетных управляющих сигналах требуемые режимы его работы .

4. Исследование возможностей построения малогабаритных аналоговых датчиков положения ротора, построенных на индуктивном и емкостном принципах. Разработка методик расчета выходных параметров датчиков и их конструктивных элементов.

5. Разработка конструктивных схем построения индуктивных и емкостных датчиков, обеспечивающих измерение угла в диапазоне 0 + 2ж, предназначенных для использования их как в качестве ДПР двигателя, так и для измерения углового рассогласования элементов привода различного назначения в широком диапазоне измерений.

6. Проектирование, изготовление и экспериментальные исследования макетного образца электропривода с БДПТ торцевого исполнения, выполненного в соответствии с разработанными рекомендациями. Проверка достоверности выводов теоретического анализа.

Результаты решения поставленных задач изложены в 4х главах и приложениях настоящей работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проработанности вопросов, связанных с методиками проектирования и практической разработкой образцов электропривода на базе БДПТ. Рассмотрены используемые методы расчета параметров двигателей и способы формирования их рабочих характеристик. Выявлены недостаточно проработанные к настоящему времени направления проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока, используемых в электроприводе. На основе этого анализа обоснованы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы формирования механических и рабочих характеристик БДПТ путем введения в схему управления регулируемой внутренней обратной связи по скорости. Проведен теоретический анализ магнитного поля в рабочем зазоре силового блока двигателя. Получены теоретические зависимости изменения во времени магнитной индукции в зазоре, ЭДС вращения и токов в якорных обмотках двигателей торцевого исполнения. Установлены закономерности подключения якорных обмоток к источнику питания, обеспечивающие минимальную пульсацию электромагнитного момента. Разработаны функциональные зависимости управляющих сигналов обратной связи, обеспечивающих формирование рабочих характеристик для ряда режимов, и предложены схемные решения по их реализации.

В третьей главе рассмотрены методы исследований и схемы построения датчиков положения ротора (ДПР) и обоснована необходимость для двигателей торцевого исполнения разработки углового датчика параметрического типа. Проанализированы электромагнитные поля в пространстве между индуктором и чувствительным элементом датчика торцевого исполнения и выработаны рекомендации по выбору их конструктивных размеров, обеспечивающих высокую чувствительность и линейность выходных характеристик. Рассмотрены закономерности формирования сигнала при взаимодействии плоской катушки индуктивности с ферромагнитным и диамагнитным проводящим индуктором. Предложена конструкция датчика и схема обработки первичного сигнала, обеспечивающая синусоидальную зависимость выходного сигнала в функции углового рассогласования между осями ротора и статора двигателя. Разработан макетный образца емкостного датчика и приведены результаты его испытаний.

В четвертой главе дано описание изготовленного макетного образца электропривода с индуктивным датчиком углового положения ротора. Приведены экспериментальные рабочие характеристики макетного образца. Представлены результаты экспериментальной проверки выводов и рекомендаций теоретических исследований. Приведены результаты исследований электропривода, в схему управления которого введена обратная связь по скорости. Исследованы режимы стабилизации средней за оборот скорости макетного образца.

В приложениях изложена методика схемного и конструктивного проектирования БДПТ торцевого исполнения, приведены расчеты параметров макетного образца двигателя. Приведен алгоритм работы микропроцессора, используемого в цепи обратной связи схемы управления электроприводом на базе макетного образца БДПТ. Приведены таблицы графики, построенные по экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Обоснована возможность управления рабочими характеристиками электрического привода с БДПТ на основе использования информации о средней за оборот скорости вращения двигателя и текущего взаимного положения его ротора и статора.

2. Предложен способ и устройство формирования механической характеристики электропривода с БДПТ, основанные на использовании внутренней обратной связи и обеспечивающие стабилизацию средней за оборот скорости вращения двигателя, а также одновременную стабилизацию как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя. Разработана методика схемотехнического проектирования двигателя с управляемыми рабочими характеристиками .

3. Установлена возможность существенного уменьшения неравномерности электромагнитного момента, развиваемого двигателем электропривода при изменении углового положения ротора двигателя, за счет взаимной компенсации изменений ЭДС вращения и токов в якорных обмотках.

4. Установлена возможность стабилизации мощности и электромагнитного момента исполнительного устройства электропривода при изменении скорости вращения в заданном диапазоне. Стабилизация осуществляется с помощью регулируемых обратных связей, используемых в схеме управления электроприводом и изменяющихся по рассчитанным теоретически закономерностям в функции текущего значения скорости вращения двигателя.

5. Предложен способ и схема построения датчика угла параметрического типа с широким диапазоном измерения, основанных на использовании эффектов изменения индуктивности плоской неподвижной катушки при ее взаимодействии с системой подвижных индукторов, выполненных из различных по магнитным свойствам материалов (ферромагнетика и диамагнетика с высокой электропроводностью). Дано теоретическое обоснование электромагнитных процессов в датчике.

Достоверность результатов исследований подтверждена практической реализацией вариантов электропривода с БДПТ, датчиков положения и блоков автоматического управления электродвигателем, спроектированных в соответствии с выводами теоретических исследований. Результаты практической проверки подтвердили основные результаты теоретических исследований.

Практическая ценность работы заключается в разработке действующих образцов электропривода на базе бесконтактных двигателей постоянного тока торцевого исполнения с электронным формированием механических характеристик, в разработке действующих образцов технологичных в исполнении датчиков угла индуктивного и емкостного типа с широким диапазоном измерений.

Датчики угловых перемещений могут быть использованы не только в составе БДПТ, но и качестве первичных измерительных угловых преобразователей в системах широкого назначения. Методики расчета, разработанные при проведении исследований, могут быть использованы в конструкторских разработках.

Основные результаты исследований доложены на шести международных научно-технических конференциях, разработанные технические предложения защищены двумя патентами на изобретения.

135 Выводы.

1. Разработана техническая документация и изготовлены рабочие макетные образцы бесконтактных двигателей постоянного тока торцевого исполнения с индуктивным датчиком угла в качестве датчика положения ротора.

2. Экспериментально исследованы рабочие характеристики образцов БДПТ торцевого исполнения при их питании от источника постоянного напряжения в диапазоне 10 — 18 В. Установлено, что механические и регулировочные характеристики двигателя во всем диапазоне напряжений питания носят линейный характер, число оборотов двигателя в режиме холостого хода изменяется в пределах 4800 — 9500 об./мин, а пусковой момент в пределах 27 -52 Гсм.

3. Исследованы закономерности распределения магнитной индукции в рабочем зазоре (величина зазора 3 мм.) двигателей торцевого исполнения. Установлено, что распределение индукции в зависимости от угловой координаты описывается косинусоидальной зависимостью с амплитудой 0.47 Тл ± 10%, а от радиальной координаты имеет колоколообразный характер. Исследование распределения индукции осуществлено при выполнении полюсов индуктора в виде цилиндрических магнитов диаметром d = 8 мм, составляющим половину полюсного деления по образующей окружности вращения. Характеристики В = f2® сняты при смещении исследуемой точки относительно центра магниd 3d та на величину + — *—.

2 2.

4. Экспериментальные исследования временных зависимостей величин ЭДС вращения, индуцируемой в якорных обмотках, подтвердили синусоидальный характер их изменения. Отклонения экспериментальных значений ЭДС от расчетных не превысили 10%, а коэффициент гармоник не превысил 3%.

5. Исследованы временные зависимости изменений токов и напряжений в якорных обмотках в диапазоне скоростей вращения двигателя 1200 -9000 об./мин при изменении длительности и момента подключения якорных обмоток к источнику. Эксперименты подтвердили выводы теоретического анализа, что пульсация мгновенных значений токов в якорных обмотках зависит от скорости вращения и нарастает с ее увеличением вследствие увеличения ЭДС вращения. Характер пульсации существенным образом зависит от интервала коммутации т моментов включения и выключения обмоток. Показано, что при длительности интервала коммутации равном четверти периода и при сдвиге момента коммутации относительно изменения знака ЭДС вращения на 1/8 периода, реализуется симметрирование токовых импульсов относительно их середины. В этом случае при скорости равной 0.512 п0 обеспечивается практическое постоянство мгновенных значений мощности, развиваемой двигателем, а пульсации мгновенных значений скорости минимальны.

6. Проведено исследование механических характеристик БДПТ с введением в схему управления двигателя обратной связи по скорости, включаемой по командным сигналам при достижении скорости вращения установочных значений. При этом осуществлялось регулирование интервалов включения якорных обмоток по сигналам обратной связи, определяемых разностью текущего значения скорости и ее установочного значения. В исследуемых образцах при использовании микропроцессора с тактовой частотой 5 МГц в диапазоне регулирования обеспечивается пятикратное повышение жесткости механической характеристики по сравнению с естественной характеристикой.

7. Экспериментально подтверждена работоспособность БДПТ с индуктивным датчиком углового положения ротора во всем диапазоне изменения нагрузочного момента. Спроектированные в процессе разработки двигателя индуктивные датчики подтвердили возможность формирования с их помощью информации об угловом рассогласовании осей ротора и статора в интервале измеряемых углов 0 + 2к. Точность измерения угла рассогласования взаимного положения осей ротора и статора, как в статическом, так и динамическом режиме, оказалась не ниже 3%.

Заключение

.

1. Исследована возможность формирования рабочих характеристик электропривода на базе бесконтактных двигателей постоянного тока путем использования в его схеме управления внутренней регулируемой обратной связи по скорости вращения. Разработаны и обоснованы способы и схемы, обеспечивающие необходимые закономерности формирования импульсов напряжения, питающих якорные обмотки двигателя, позволяющие сформировать рабочие характеристики электропривода электронным способом для обеспечения режимов стабилизации скорости, электромагнитного момента и мощности в заданных диапазонах рабочих скоростей двигателя.

2. Проведен теоретический анализ временных закономерностей изменения ЭДС вращения и токовых импульсов в якорных обмотках БДПТ торцевого исполнения. Установлены зависимости мгновенных значений якорных токов и электромагнитного момента как функции скорости вращения двигателя и момента подключения якорных обмоток к источнику питания. Показано, что при фазовом смещении момента подключения, составляющим 1/8 периода, и длительности интервала коммутации равной ¼ периода, частично обеспечивается взаимная компенсация влияния на величину электромагнитного момента ЭДС вращения и временных изменений якорных токов. При скорости равной 0.512"0 компенсация практически полная, что обеспечивает постоянство электромагнитного момента при угловом изменении положения ротора. На основе этого анализа выработаны рекомендации по оптимизации интервалов подключения якорных обмоток исполнительного двигателя электропривода к источнику. Установлены требования к временным зависимостям сигналов обратной связи.

3. Разработан способ и устройство формирования механической характеристики БДПТ, обеспечивающие стабилизацию средней за оборот скорости вращения двигателя с использованием сигнала обратной связи, формируемого по частоте коммутирующих импульсов, питающих якорные обмотки.

4. Предложен способ и устройство одновременной стабилизации, как средней за оборот, так и мгновенной скорости вращения двигателя, основанные на заполнении рабочих интервалов коммутации якорных обмоток пачками тактовых импульсов с частотой следования, на порядок превышающей частоту коммутации якорных обмоток, и с последующей широтной модуляцией тактовых импульсов по закону, определяемому совместной обработкой сигналов обратной связи по скорости и сигналов параметрического аналогового датчика углового положения ротора при установленном значении стабилизируемой скорости.

5. Рассмотрены функциональные зависимости сигналов обратной связи, обеспечивающие возможности стабилизации мощности и электромагнитного момента электропривода при изменении скорости вращения двигателя в установленном диапазоне. Показано, что при формировании сигнала обратной связи по параболическому закону в функции от текущего значения скорости двигателя обеспечивается стабилизация мощности в заданном диапазоне скоростей. В частности в диапазоне скоростей (0.25 -ь 0.75) По расчетная нестабильность электромагнитной мощности не превышает 1%. Показано, что при формировании сигнала обратной связи по закону степенного полинома третьей степени обеспечивается постоянство электромагнитного момента в диапазоне скоростей (0.5 — 0.75) п0 с максимальным отклонением от среднего значения, не превышающем 4%,.

6. Проведен теоретический анализ электромагнитного поля в рабочем зазоре параметрического датчика угла индуктивного типа, предложены схемы построения датчика с диапазоном измерения угла 0 + 2-г рад. Принцип действия индуктивного датчика основан на измерении индуктивности неподвижных плоских катушек при их взаимодействии с системой подвижных индукторов, выполненных в виде последовательно чередующихся дисков из ферромагнетика и диамагнетика с высокой электропроводностью. Пары катушек индуктивности, размещенные диаметрально противоположно на носителе и включенные в плечи мостовой схемы формируют синусоидальный сигнал, значения которого определяются угловым рассогласованием положений осей ротора и статора.

7. Предложена конструкция и схема формирования выходного сигнала емкостного датчика для измерения угла в диапазоне 0 + 2ж, предназначенного для использования в качестве датчика положения ротора БДПТ. Спроектирован и изготовлен макетный образец электромеханического привода на базе бесконтактного моментного двигателя ДБМ-40 и емкостного датчика угла, отличающийся конструктивной простотой и технологичностью по сравнению с вращающимися трансформаторами, разработанными для специальных режимов использования двигателей типа ДБМ. Экспериментальные исследования электромеханического привода подтвердили его работоспособность при достаточно высокой точности измерения угла.

8. Проведено конструкторское и схемотехническое проектирование, разработана техническая документация и изготовлены рабочие образцы электроприводов на базе бесконтактных двигателей торцевого исполнения и индуктивных датчиков углового положения ротора. Экспериментально исследованы электромагнитные процессы двигателя, его механические и регулировочные характеристики. Основные положения и выводы, работоспособность разработанных технических предложений подтверждены экспериментально.