Практика приводной техники. Сервоприводы: основы, характеристики, проектирование. SEW EURODRIVE - файл n1.doc

приобрести
Практика приводной техники. Сервоприводы: основы, характеристики, проектирование. SEW EURODRIVE
скачать (2151 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2151kb.07.07.2012 02:08скачать

n1.doc

  1   2   3   4






Практика приводной техники

Сервоприводы

Основы, характеристики, проектирование




















Издание 01/00

SEW

EURODRIVE

Содержание

Содержание

1 Введение 4

  1. Определение сервопривода 4

  2. Развитие сервоприводов 5

  3. Сравнение наиболее распространенных систем привода 7

  4. Преимущества и недостатки сервоприводов 10

  5. Компоненты сервопривода 11

  6. Обзор серводвигателей 11

  7. Системы датчиков 15

2 Синхронный двигатель с постоянными магнитами 17

  1. Конструкция и принцип действия 17

  2. Механические характеристики 20

  3. Электромеханический аварийный и стояночный тормоз 20

3 Резольвер 23

  1. Конструктивное исполнение и принцип действия 23

  2. Обработка и использование сигнала резольвера 24

  3. Моделирование импульсного датчика 26

4 Сервопреобразователь 27

  1. Основные компоненты модульной системы 27

  2. Сетевой модуль 28

  3. Осевой модуль 31

5 Структуры регулирования / Режимы работы 34

  1. Регулятор тока 34

  2. Регулятор скорости 35

  3. Регулятор положения 38

  4. Режимы работы 38

6 Редукторы 40

  1. Требования сервотехники к редуктору 40

  2. Общий обзор передач 40

  3. Сравнение различных типов редукторов 41

7 Применение в промышленных условиях 42

  1. Требования к сети 42

  2. Указания для двигателя 42

  3. Прокладка кабелей 42

  4. Электромагнитная совместимость (ЭМС) 42

  5. Интерфейсы для внешнего управления 42

  6. Определения привязки к процессу 44

  7. Условия окружающей среды 45

  8. Ввод в действие и оптимизация регулятора 45

8 Проектирование 47

  1. Алгоритм проектирования сервопривода 47

  2. Пример проектирования 48

  3. Расчет для оси X (движение) 48

  4. Расчет для оси Y (движение) 56

  5. Расчет для оси Z (подъем) 62

  6. Совместное питание для осей X,Y и Z 69

Приложение

Определение мощности потерь 72

Выбор тормозного резистора 73

Издание подготовлено на основе документа SEW-EURODRIVE "Drive Engineering - Practical Implementation. Volume 7. Servo Drives. Basics, Charasterics, Project planning", 0922 4610/1196.



ЗАО «СЕВ-ЕВРОДРАЙФ», г.Санкт-Петербург, январь 2000 г. Т. (812) 535-04-30 Практика приводной техники. Том 7

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

1 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.

1.1 Определение сервопривода

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

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.

Слово "серво" произошло от латинского слова "servus", что переводится как слуга, раб, помощник. В машиностроительных отраслях они были преимущественно вспомогательными приводами (приводы подач в станках, приводы роботов и т.п.). Однако сегодня ситуация изменилась, теперь и главные приводы реализуются с использованием сервотехники. Принципиально перечисленных выше качеств можно добиться с использованием: двигателей постоянного тока независимого возбуждения, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов. Ниже приводится сравнение этих двигателей по ряду параметров.

В этом томе мы будем использовать термины "сервопривод" и "динамичный привод" в одинаковом значении. Они всегда будут относиться к синхронным двигателям переменного тока с постоянными магнитами и связанными с ними системами управления.

1.2 Развитие сервоприводов

Термин "сервопривод" часто наводит на мысль о некоторой разновидности вспомогательного привода. Однако это было справедливо 40 лет назад в машиностроении, где приводы подач, например, в токарном станке, приводились в движение вручную. Пневматический, гидравлический приводы или асинхронные двигатели с фиксированной скоростью использовались только при высоких моментах. Мастерство оператора токарного станка, ручные измерения и контроль определяли, насколько быстро и точно обработана деталь.

С другой стороны, применялся пневматический, гидравлический или электрический главный привод, который был более или менее постоянным и управлял скоростью шпинделя.

4 Практика приводной техники. Том 7



Введение

1.2.1 Техническое 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.

Какой тип управления использовался? Сначала - 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:

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



Практика приводной техники. Том 7

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

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.

1.2.2 Развитие рынка сервоприводов

Сервопривод первоначально применялся только в машиностроении при инструментальной обработке материалов. Однако его потенциал был очень быстро реализован в начале 70-х годов в результате расширения областей обработки, развития промышленных роботов и систем автоматизированной сборки.

В противоположность инструментальной обработке, замена пневматического и гидравлического оборудования шла медленнее, часто из-за больших различий в требованиях к размещению привода.

В промышленности обработки материалов и робототехнических системах сначала использовались двигатели постоянного тока с дисковыми роторами совместно с низколюфтовыми планетарными редукторами или другими типами компактных редукторов, обеспечивающих минимизацию массо-габаритных показателей привода. Позднее двигатели постоянного тока с дисковыми роторами были заменены бесщеточными двигателями.

Теперь, когда автоматизация полностью охватила все области машиностроения, доминируют электроприводы, и механика машин сильно упростилась с использованием современных индивидуальных приводов взамен центрального привода. В результате расширился рынок сервоприводов. Сегодня трудно найти сферу деятельности, где нет применения сервоприводам. Наиболее важные среди них:

Сервоприводы широко используются в различных областях, и не все применения имеют высокую динамику. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающим фактором их применения.

Благодаря современным цифровым технологиям, сервоприводы сегодня использовать намного легче, чем несколько лет назад. Цифровые технологии предлагают широкий выбор ориентированных на специальное применение возможностей, большое разнообразие устройств связи с объектами (как напрямую, так и через шины интерфейсов) и возможность использовать персональный компьютер для контроля, оптимизации и автоматической настройки привода.

Гидравлические и пневматические приводы, упомянутые в начале этого раздела, в настоящее время имеют только отдельные ниши на рынке.

6 Практика приводной техники. Том 7




Введение

1.3 Сравнение наиболее распространенных систем привода

Если сравнивать распространенные сегодня системы привода фирмы SEW, то базой для сравнения должны служить различные факторы. Критерии сравнения должны быть выбраны с большим вниманием, чтобы избежать «сравнения яблок с апельсинами».

Мы сосредоточимся на трех принципиальных показателях:

1.3.1 Сравнение характеристик двигателей

Сравнение приводится для конкретных двигателей близкой мощности и с близкой номинальной скоростью.

Параметры

Асинхронный двигатель, питающийся от сети

Двигатель постоянного тока

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Мощность, кВт

7,5

8,3

7,5

Скорость, об/мин

2900

3200

3000

Тип/типоразмер

DFV132M2

GFVN160M

DFY112ML

Тип защиты

IP54

IP44

IP65

Охлаждение

Вентилятор

Вентилятор

Самоохлаждение через поверхность

Длина, мм

400

625

390

Полная масса, кг

66

105

38,6

Масса ротора, кг

17

29

8,2

Jfl-10"* кгм2

280

496

87,4

Номинальный момент, Нм

24,7

24,7

24

Максимальный момент, Нм

2,6Мн/1,8Мн 1)

1,6 Мн

3,0 Мн

Максимальное ускорение, 1/с

1588 2)

797

8238

Максимальная динамика, % (серводвигатель = 100%)

20 4)

10

100

Время разгона без нагрузки, t разг, мс

191 3)

420

38





  1. Приводится опрокидывающий момент и средний момент, принимаемый в расчетах;

  2. максимальное угловое ускорение

3) 4)

Приведенные в таблице параметры позволяют оценить технические данные сравниваемых двигателей. Некоторые характеристики (затемнены в таблице) следует рассмотреть более детально.



Практика приводной техники. Том 7

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Масса двигателей и роторов



Масса, кг

Рис. 1 показывает массу различных двигателей в сравнении. Видно, что из трех сравниваемых двигателей синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет наименьшую массу. Это существенное достоинство, особенно в тех случаях, когда электропривод монтируется непосред­ственно на перемещающемся исполнитель­ном органе.

Рис. 1. Масса двигателей и роторов

Получаются следующие соотношения массы и номинальной мощности:

Момент инерции двигателя



Рис.2 сравнивает моменты инерции двигателей. Моменты инерции особенно сильно различаются у двигателя постоянного тока и синхронного. Малый момент инерции двигателя выгоден, если исполнительный орган имеет небольшой момент инерции, приведенный к двигателю. Однако при большом моменте инерции исполнительного органа эта особенность синхронного двигателя оказывается неcущественной.

J, кгм2



Рис.2. Момент инерции двигателя Максимальная динамика

Рис.3 показывает, что синхронные двигатели наиболее динамичны по сравнению с другими типами двигателей.

Рис.3. Максимальная динамика Время разгона без нагрузки



Благодаря высокому максимальному моменту Ммакс и малому моменту инерции, синхронный двигатель имеет весьма малое время разгона вхолостую, что позволяет рекомендовать его для динамичных электроприводов.

tpaen MC

Рис. 4. Время разгона без нагрузки

8

Практика приводной техники. Том 7




Введение

1.3.2 Сравнение основных характеристик приводов

Управляемые приводы имеют специальные характеристики, которые влияют на выбор привода.

Характеристики

Двигатель постоянного тока

Асинхронный двигатель, управляемый от п реобразователя частоты (разомкну­тый контур U/f)

Асинхронный двигатель, управляемый от п реобразователя частоты (замкну­тый контур U/f)

Синхронный двигатель

Диапазон регулирования R

100(300): 1

10(20): 1

100: 1

300(10000): 1

Перегрузка М / Мн (%)

150 …200

150

кп>

300

tразг (%) при замкнутом

контуре управления (синхронный =100%)

500

450 …500300

300 …400100

100

Принудительное охлаждение для широкого диапазона регулирования R

да

да

да

нет

Статический момент

в ограниченной мере

нет

в ограниченной мере

да

Обслуживание (двигателя)

большое

небольшое

небольшое

небольшое

Ремонт (двигателя)

средний

легкий

легкий

сложный

Взаимозаменяемость двигателей

да

да

да

возможно

Потребность в запасных частях

большая

небольшая

небольшая (датчик)

большая

Управление большой внешней массой

отлично

хорошо

хорошо

сложно из-за малого Jдв

Аварийный останов с помощью механич. тормоза двигателя

хорошо

хорошо

хорошо

хорошо '

4-х квадрантный режим

с возвратом энергии в сеть (рекуператив­ное торможе­ние)

с тормозным прерывателем / тормозным резистором

с тормозным прерывателем / тормозным резистором

с возвратом энергии в сеть или тормозным прерывателем/ тормозным резистором

Возможность позиционирования и точность повторения

зависит от тахогенератора и внешних устройств

отдельно нет, в отличие от замкнутой по скорости системы (зависит от внешних условий - контрол­лер, тормоз и т.п.)

точность позиционирования приблизительно + 50 угловых минут

точность позиционирования приблизительно + 50 угловых минут

  1. Когда двигатель питается от преобразователя частоты с возможностью управления скоростью,
    соответствующий выбор преобразователя частоты позволяет получить максимальный момент двигателя в
    300% Мн и более.

  2. Применение других двигателей в отрегулированной системе требует специфических знаний
    характеристик двигателя, присущих токовому управлению. Кроме того, необходимы знания технических
    деталей систем обратной связи и обработки в цифровых системах, методов коммутации и т.д. Тем не
    менее, на практике желательно, в особенности в сервоприводах, приобретать все компоненты от одного
    производителя (готовое решение).




  1. При использовании синхронных серводвигателей SEW DFY с тормозом следует принимать во внимание
    не частое использование аварийного и рабочего торможения при длительной работе установки (можно
    осуществить только несколько аварийных торможений).

  2. В синхронных двигателях механический тормоз является только аварийным и стояночным тормозом.

При выборе компонентов привода должны учитываться класс защиты, обслуживание и его периодичность, условия окружающей среды (которые существенны для охлаждения, габаритов, веса, пылеобразования и т.д.).



Практика приводной техники. Том 7

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

1.3.3 Сравнение различных конфигураций системы

Завершая начальный обзор, следующим шагом оценим конфигурацию различных систем и сравним их возможности в конкретном приложении. Сравнение приводится для систем одинаковой мощности и с близкой номинальной скоростью. Данные нагрузки: m = 1000 кг, vмакс. = 1,5 м/с.




Асинхронный двигатель

Двигатель

Синхронный

Характеристики

Прямое подклю- ПЧ с управле- ПЧ с чение к сети нием U/f регулятором

постоянного тока

двигатель

Тип

DV132S4 DV132S4 DV132S4 1400 1/мин 1400 1/мин 1400 1/мин

GVN132S 3200 1/мин

DFY112M 3000 1/мин

Мощность

5,5 кВт 5,5 кВт 5,5 кВт

5,3 кВт

17,5 Нм (5,5 кВт)

Редуктор

R82 R82 R82

i = 14,69 i = 14,69 i = 14,69

R82 i = 33,87

R82

1 = 31,78

Тип устройства управления / мощность, ток

Нет МС 31В 075 МС 31В 075 5,5 кВт 5,5 кВт

MR315 15A

MAS51A-030 30 A

Пусковой момент Мн

2,4 Мн 1,3 Мн 2,0 Мн

1,5 Мн

0

Макс. время разгона

Макс, ускорение

230 мс 450 мс 300 мс 6,7 м/с2 3,5 м / с2 5,3 м / с2

620 мс 2,43 м / с2

200 мс 7,45 м / с2

Jвнеш. / J двиг.

5,4 5,4 5,4

1,0

3,4

Торможение

механическое динамическое динамическое торможение торможение, торможение от полной затем затем скорости механический удержание / тормоз механический тормоз

динамическое торможение затем механический тормоз

динамическое торможение затем удержание/ механический тормоз

Полный тормозной путь (приблиз.)

150 мм 300 мм 190 мм

380 мм

125 мм

Теоретическая точность остановки

18 мм 0,4 мм 0,12 мм

0,12 мм

0,05 мм

Практическая точность остановки

около 25 мм около 3 мм около 1 мм

около 1 мм

около 0,5 мм

1) Не включает время реакции контроллера, преобразователя частоты и пускателя, время отпускания тормоза и люфт редуктора.

Время срабатывания тормоза на отключение при питании переменного и постоянного тока учтено.

1.4 Преимущества и недостатки сервоприводов

Преимущества: Недостатки:

10

Практика приводной техники. Том 7




1.5 Компоненты сервопривода
Введение

Рис. 5. Компоненты динамичного привода

На рис.5 показаны компоненты сервопривода:

  1. Двигатель с редуктором или без него 6 Сетевой кабель

  2. Система обратной связи (датчик) 7 Кабель двигателя

  3. Тормоз (при необходимости) 8 Кабель тормоза

  4. Сервоусилитель 9 Кабель резольвера (датчика)

  5. Управляющая система для внешних 10 Кабель управления
    установочных входов

В следующих разделах эти компоненты рассматриваются более детально.

1.6 Обзор серводвигателей

Еще несколько лет назад сервоприводы выполнялись с использованием бесщеточных двигателей постоянного тока с постоянными магнитами совместно с тиристорными или транзисторными регуляторами.

Сегодня в качестве сервоприводов все шире применяются электроприводы с синхронными двигателями с постоянными магнитами, в том числе и выпускаемые SEW. Их преимуществами по сравнению с приводами постоянного тока являются:

Серводвигатели могут быть разделены на несколько групп:






Рис.6. Классификация серводвигателей

Практика приводной техники. Том 7

11

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование

Указанные системы привода отличаются конструкцией двигателя, конструкцией управляющей системы и типом обратной связи.

Здесь представлены три главные системы:

1.6.1 Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с управлением ориентированным полем

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и с управлением ориентированным полем также называют серводвигателем переменного тока. По его основной конструкции и способу управления этот двигатель похож на хорошо известный трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Как сервомотор, асинхронный двигатель имеет конструкцию с малым моментом инерции, малыми потерями и малым скольжением и управляется специальным устройством, которое обеспечивает перпендикулярность потоков статора и ротора относительно друг друга. Это позволяет асинхронному двигателю быть управляемым почти до критического момента, делает его хорошо применимым для высокодинамичных применений.

Недостатками этого двигателя (в сравнении с двигателем с постоянными магнитами) являются его более низкий к.п.д. и несколько больший объем устройства при одинаковом вращающем моменте. Ротору присущи потери от тока, которых нет в двигателе с ротором на постоянных магнитах. В связи с более высокими потерями (кпд - ?) и потребности в намагничивающей составляющей тока (cos cp) асинхронной машины, мощность преобразователя должна быть выше в (1 / ? cos ф) раз.

Кроме того, должен быть учтен отвод тепла, особенно в диапазоне малых скоростей. Обычно эти двигатели обеспечиваются принудительной вентиляцией (независимый вентилятор) или ограничивают диапазон регулирования скорости или момента.

Цены по сравнению с другими приводами выше в связи со сложной обработкой сигналов в высокодинамичных системах. Это главным образом связано с использованием импульсного датчика (инкодера) высокого разрешения и мощных быстродействующих микропроцессоров. Процессор должен непрерывно рассчитывать токи статора в зависимости от положения ротора и требуемых моментов и параметров намагничивания.

Ранее эти привода обычно использовались в качестве мощных главных приводов в машиностроении. Однако, ожидается увеличение использования этих приводов в связи с удешевлением электронных компонентов и использованием более дешевых двигателей.

Нагрузочные характеристики (зависимости момента нагрузки от скорости) показаны для

  1. постоянного момента

  2. максимального момента

  3. характеристика стандартного
    асинхронного двигателя
    (для сравнения)

Характеристика 2 показывает границу,
зависящую от напряжения звена постоянного
тока преобразователя и его допустимой
токовой нагрузкой. Рис.7. Нагрузочные характеристики.

1.6.2 Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов с прямоугольной коммутацией, часто называют двигателями с электронной коммутацией или бесщеточными (бесконтактными) двигателями постоянного тока. Они в наибольшей степени отвечает требованиям сервосистем. Статор выполнен так же, как в асинхронном двигателе. На роторе наклеены постоянные

12 Практика приводной техники. Том 7




Введение

магниты, создающие постоянное магнитное поле. Двигатели обычновыполняютсявзакрытом исполнении (как минимум IP 54) и с вентилятором.

Двигатели могут использоваться при различной степени искажения тока - от прямоугольного до синусоидального. Различие состоит в форме тока и типе и исполнении требуемого датчика.

1.6.2.1 Синхронный двигатель с постоянными магнитами при прямоугольном токе статора / бесщеточный двигатель постоянного тока

Трехфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами со ступенчатой (прямоугольной) коммутацией, описанной ниже, часто называют бесщеточным двигателем постоянного тока.

При прямоугольной коммутации регулятор тока и выходной силовой каскад управляются датчиком положения ротора (RLG). Он может состоять из датчиков Холла, фотоэлектрических или подобных датчиков.

Главным преимуществом прямоугольной коммутации является простота получения сигналов положения и их преобразования в сигналы управления током.

Кривые индивидуальных характеристических параметров показаны на следующем рисунке.

Ток, напряжение и поток во времени







Рис.8. Прямоугольная коммутация

Прямоугольный ток, подаваемый в обмотку двигателя, приводит к индукции в двигателе трапецеидального напряжения. Конструкция обеспечивает прямоугольное распределение плотности потока в воздушном зазоре. В результате образуется постоянный вращающий момент. Две соседних фазы при прямоугольной коммутации всегда запитаны током.

Импульсный датчик положения (инкодер) используется для определения положения ротора, бесщеточный тахогенератор - для определения скорости.

Рис. 9 показывает компоненты системы управления при прямоугольной коммутации двигателя. Видно, что датчики действительных значений сигналов обратной связи и соединения для каждого контура управления различны.



Практика приводной техники. Том 7

13

Сервоприводы. Основы, характеристики, проектирование



Рис.9. Структура управления при прямоугольной коммутации с датчиками

1.6.2.2. Синхронный двигатель с постоянными магнитами и синусоидальным током статора / бесщеточный двигатель переменного тока

Ток, напряжение и поток во времени



Рис. 10. Синусоидальная коммутация

14

Практика приводной техники. Том 7

Последовательность коммутационного процесса принципиально не отличается от ступенчатой коммутации. Особенность состоит в том, что все три фазы обтекаются током. Ток, напряжение и поток имеют синусоидальную форму. Поэтому постоянство вращающего момента и скорости достигается и на низких скоростях. Этому способствует и исполнение механической части двигателя.

Двигатели с питанием синусоидальным током оборудуются, как правило, измерительной системой в виде резольвера. Хотя обработка сигнала резольвера более сложна, при использовании цифровой техники может быть обеспечена высокая разрешающая способность. Тот же датчик может использоваться в системе подчиненного регулирования положения (позиционирования), что экономит средства.



Рис. 11. Структура управления двигателем при синусной коммутации с датчиком

Более подробное описание синхронного двигателя с постоянными магнитами при питании синусоидальным током дается в главе 4.

1.7 Системы датчиков

Система датчиков служит для измерения значений переменных величин в приводе. К ним относятся:

1.7.1 Обзор применяемых датчиков



Рис. 12. Обзор датчиков

Практика приводной техники. Том 7

Различные датчики характеризуются следующими техническими параметрами:

Датчик

Измеряемые данные




Положение Положение Скорость ротора ИО

Датчик абсолютных значений однооборотный




Датчик абсолютных значений многооборотный

X X (X)

Датчик приращений

(X) (X) (X)

Резольвер с АЦП

X (X) X

Тахогенератор




X - непосредственное получение данных,

(X) - используется с дополнительным преобразователем данных.

Важнейшим критерием при выборе датчика является грубость системы измерения. Так как датчик устанавливается непосредственно на двигателе, он должен быть нечувствителен к вибрации и изменениям температуры. Другим важным фактором является помехоустойчивость измерительной системы.

1.7.2 Достоинства и недостатки важнейших измерительных систем

Измерительная Достоинства Недостатки

система

Датчик приращений • относительно грубое исполнение • при потере напряжения

• большое разнообразие по исчезает информация о
разрешающей способности, положении
конструктивному исполнению,

интерфейсу

Датчик абсолютных • информация о положении • высокая стоимость

значений сохраняется при исчезновении

напряжения

Резольвер • грубое исполнение • высокие

Сравнение указывает на целесообразность использования резольвера для серводвигателей.

2 Синхронный двигатель с постоянными магнитами 2.1 Конструкция и принцип действия



Рис 13. Разрез синхронного двигателя с постоянными магнитами

Обозначения: 1. Статор 4. Ротор с постоянными магнитами

  1. Обмотка статора 5. Резольвер

  2. Пакет стали статора 6. Тормоз

Синхронные двигатели представляют собой двигатели с вращающимся магнитным полем, в которых поля статора и ротора вращаются синхронно.

В результате пространственного сдвига обмоток статора и фазовой последовательности входного тока создается вращающееся поле.

Скорость вращения поля nd рассчитывается по формуле:

f-60
nd = , где f - частота напряжения питания;

Р

р - число пар полюсов статора.

Двигатели SEW всегда выполняются как шестиполюсные (p=3). Зависимость скорости от частоты такова:

f[Гц]

100

150

225

nd [об/мин]

2000

3000

4500
  1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации