(495)510-98-15
Меню
Главная »  Комплексная автоматизация производства 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

или (см. рис. 5.18)

( л/3

йсР = -{ \ [2sinQ/+ sin + +

Я/2 . Л

+ 2 J smQ,td(Qt) \ 1,78,

где с/т == EmRBx/(R + /?вх); Q - частота вращения. Уровень пульсаций выходного напряжения мсу :-.

+ ит{

Ац = gm gm,n =-\-- 0,14. (5.69)

t-vш -г ~2 u m

Схема 3. Эта схема обеспечивает меньший уровень пульсаций выходного напряжения. Вместе с тем крутизна сигнала здесь ниже, что видно из сравнения временных диаграмм, приведенных на рис. 5.18. Используя формулы (5.68) и (5.69), можно вычислить для схемы 3 ср да 0,96 и Ан да 0,072.

Схема 4. Она отличается от схемы 2 наличием дополнительных диодов VD5- VD8, соединенных с входом СУ через резистор R. Напряжение на резисторе #вх (рис. 5.18)

Су = и' + и = Um ( sin Qt \ + I cos Qt I) -f sinQ/ при -J(l+4£)<G/<-(l + -ijfe); I cos Qt I при nk < Qt < ~ (1 + 4jfe); (5.70)

--(l +)<0/<я(1 + £),

где и', и - напряжения, обусловленные действием ЭДС секций, выпрямленных соответственно диодами VD1 - VD4 и VD5 - VD8; k = 0, 1, 2,....

Исследуя выражение (5.70) на экстремум, можно найти, что нсу имеет максимумы при а\ = Qti = (26,5 -+- 90й)° эл. и а2 = = Qta = (63,5 + 90й)° эл., равные <Утах = £/т (sin 26,5° + + 2 cos 26,5°) = 2,236 U .

Крутизна напряжения ису и его пульсации, вычисленные по выражениям (5.68) и (5.69), в схеме 4 равны йсР = 2,17; Ан = = 0,054.

Принципы построения рассмотренных схем датчиков ЭДС вращения ВД можно ипользовать при любом числе секций якорной обмотки. Однако целесообразность применения конкретной схемы в каждом случае определяется значением крутизны и величиной пульсаций напряжения на выходе датчика, вычислить

которые можно, построив временные диаграммы. В табл. 5.2 даны значения крутизны и пульсаций напряжения ысу рассмотренных схем при трех- и четырехсекционных обмотках ВД.

Таблица 5.2

Номер схемы

Число секций

Й Р

Ди. %

0,825 0,9

33 17,2

1,78 1,27

14 17,2

0,96 1,27

7,2 17,2

2,6 2,17

20 5,4

Из табл. 5.2 следует, ч^о для трехсекционных ВД наилучшими характеристиками обладают схемы 2 и 3. При этом схема 3 обеспечивает минимальные пульсации выходного напряжения с частотой, в два раза большей, чем в схеме 2 (рис. 5.18). Для четырехсекционных ВД предпочтительна схема 4. Применение схем 2 и 3 в четырехсекционных ВД с треугольной формой ЭДС секций позволяет полностью устранить пульсации сигнала на входе СУ.

Глава 6

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ РОБОТОВ

6.1. Основные задачи проектирования

Требования, предъявляемые к электродвигателям, использующимся в приводах роботов-манипуляторов, обусловливают ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке конструкции ВД и принципиальных схемных решений коммутаторов.

Очевидно, что конструкция, компоновка и технические характеристики промышленных роботов, а следовательно, и их электроприводов определяются технологическим назначением и



условиями применения. В связи с этим проектирование ВД для роботов-манипуляторов может идти по двум направлениям:

разработка электродвигателей для роботов, предназначенных для конкретного технологического процесса;

разработка ряда электромеханических модулей, из которых возможно создание серии роботов различного назначения.

Например, для привода электромеханической сверлильной головки, предназначенной для оснащения фрезерных и токарных станков с ЧПУ, требуется электродвигатель, обеспечивающий режим постоянной механической мощности на валу. Такой же механической характеристикой (гиперболического вида) должны обладать электродвигатели, использующиеся в транспортных роботах, которые представляют собой достаточно широкий класс робототехнических систем. Некоторые электродвигатели должны допускать эксплуатацию в условиях непрерывного режима короткого замыкания на протяжении определенного времени.

Совокупность указанных требований реализуется при использовании вентильных электродвигателей постоянного тока, которые имеют более широкие функциональные возможности по сравнению с коллекторными двигателями и лучшие энергетические и эксплуатационные показатели.

При этом, на наш взгляд, целесообразен подход, объединяющий указанные выше два направления, а именно: разрабатывается ряд конструктивных исполнений электромеханических модулей поступательного и вращательного перемещения для различных диапазонов развиваемых усилий или моментов, а затем производится выбор материалов, расчет геометрии и параметров обмоток электродвигателя с учетом требований конкретного технологического процесса.

Для электродвигателей, устанавливаемых на подвижных элементах конструкции робота, одним из главных требований является обеспечение минимальных значений массо-габаритных показателей, в то время как для приводов вращательного движения, расположенных на неподвижном основании, определяющими являются другие показатели, такие, как перегрузочная способность, быстродействие и т. п. Для последних целесообразно использование ВД традиционного исполнения в сочетании с редуктором, и в частности мсментных двигателей, конструкции которых достаточно подробно описаны в литературе [50].

В том случае, когда требуется минимизировать массу привода, целесообразно за основу разработки конструкции электромеханического модуля (преимущественно поступательного перемещения) принять конструктивную схему, подобную схеме, разработанной японской фирмой Ясакаво Электрик [51]. Этой фирмой на базе асинхронного электродвигателя разработан электромеханический модуль мотор-палеи , сочетающий в одном корпусе электрическую машину и передачу гайка - винт.

I 1

xl т

1 \\

-----

Применительно к ВД конструктивная схема модуля приведена на рис. 6.1. Ротор модуля представляет собой втулку, на которой крепятся постоянные магниты индуктора 3, а внутри ее вмонтирована гайка 4. Сквозь гайку проходит винт 5, на одном из концов которого расположен рабочий орган робота (схват). В пакет магнитопровода статора 2 уложена якорная обмотка электрической машины. В данной конструкции предполагается использование постоянных магнитов с высоким значением коэрцитивной силы, например из феррита бария или материалов на основе редкоземельных элементов. Датчик положения ротора ВД, как и тахогенератор 6, может быть размещен внутри корпуса 1 или снаружи, будучи закрепленным на подшипниковом щите.

Электродвигатель, работающий в составе такого модуля, должен обладать достаточно низкими частотами вращения, поскольку здесь 0

имеет место одноступенчатая редукция PfIC- 6.1. Конструктивная схема элек-

Перспективность рассмо- тромеханического модуля тренной конструктивной схемы обусловлена возможностью минимизировать массу активных частей машины, и в частности индуктора, за счет применения постоянных магнитов из высококоэрцитивных сплавов и тем самым облегчить условия работы для приводов предшествующих звеньев робота.

Методы расчета известных схем трех- и четырехсекционных вентильных электродвигателей постоянного тока для широкого класса автоматических систем рассмотрены в литературе достаточно полно [4, 5, 7, 9]. Тем не менее, в ряде случаев их использование в инженерных расчетах затруднено. Открытым к настоящему времени остается вопрос обоснованного выбора оптимального числа полюсов индукторов различных конструктивных исполнений. В связи с этим ниже следует остановиться на некоторых особенностях расчета магнитной системы ВД и на тех особенностях расчета ВД, которые определяются специфическими требованиями, предъявляемыми к электроприводам роботов-манипуляторов.

Как указывалось выше, одним из радикальных методов уменьшения пульсаций электромагнитного момента электродвигателя является использование позиционной модуляции фазных напряжений, питающих фазные обмотки синхронного электродвигателя, по синусоидальному закону. Применение мостовых усилителей мощности, работающих в классе Д , дает возможность создать ВД с высокими энергетическими показателями. При расчете таких систем особое внимание следует уделять вы-



бору частоты коммутации ШИМ, значение которой определяет как распределение потерь между коммутатором и электродвигателем, так и уровень пульсаций электромагнитного момента.

Одним из способов существенного улучшения энергетических показателей ВД с сохранением простоты конструкции электрической машины и схемы коммутатора является включение вольто-добавочного устройства - дросселя, работающего в режиме автотрансформатора, в цепь якорной обмотки ВД. Методика расчета и сам расчет таких электродвигателей не освещены в литературе, что затрудняет их применение в робототехнике.

Применение ВД с изменяемой структурой силовой цепи позволяет не только расширить функциональные возможности электродвигателей путем реализации механической характеристики гиперболического вида и увеличить перегрузочную способность по моменту нагрузки, но и существенно улучшить их энергетические характеристики и снизить воздействие всплесков пускового тока на систему электроснабжения робота.

В связи с этим рассмотрим ряд вопросов, касающихся особенностей расчета и проектирования ВД с позиционной модуляцией фазных напряжений, ВД с параллельным подключением секций и дросселем в цепях якорной обмотки и ВД с изменяемой структурой.

6.2. Особенности проектирования электрической машины ВД

При проектировании электрической машины вентильного двигателя необходимо обеспечить выполнение важнейших требований, предъявляемых к приводным устройствам роботов. К ним относятся высокая экономичность, минимальные масса и габариты, а также высокое быстродействие.

Первое из перечисленных требований выполняется путем выбора таких соотношений между параметрами электрической машины, при которых ее КПД в номинальном режиме работы достигает максимального значения. КПД электрической машины определяется известным выражением

~ Ям Р7 /а 1 \

Чэм =-р-- (6.1)

где Pa - Ul - мощность, потребляемая машиной от источника питания; Рм- потери в меди якорной обмотки; Рт = Мтй- потери, обусловленные тормозным моментом Мт, возникающим в двигателе из-за наличия потерь и стали Рс, потерь на трение в подшипниках Рт. п, потерь на трение ротора о воздух и дополнительных потерь; U - напряжение питания машины; /--ток, потребляемый машиной. Решение уравнения

-J;--0, ..; v (6.2)

являющееся условием достижения максимума КПД электрической машины, имеет вид

РМ = РТ. (6.3)

Выражая Рм через электромагнитный номинальный М и пусковой Мп моменты, из равенства (6.3) можно найти оптимальное соотношение между М и М„.

Условие (6.3) справедливо для ВД, у которых отсутствуют пульсации тока /, обусловленные пульсациями противо-ЭДС якорной обмотки на межкоммутационном интервале. Если ток / в якорной обмотке электрической машины пульсирует, то для получения оптимальных соотношений между М и М„ необходимо в выражение (6.1) подставить значения Р„ и Рм, полученные с учетом пульсаций тока /. Затем, решив уравнение (6.2), можно найти для конкретного типа ВД оптимальные соотношения между М и Мп, обеспечивающие его работу в номинальном режиме с максимальным КПД. Для примера найдем оптимальные соотношеия между М и Мп двигателя с вольтодобавочным дросселем (см. рис. 2.2). После подстановки в уравнение (6.1) выражений для Р„ и Рм, полученных в главе второй, оно принимает вид

М - М2/Мп - MTQaOM/Q0 /g

Выразим отношение Qhom/Qo в формуле (6.4) через моменты, используя механическую характеристику ВД. При применении в индукторах электрической машины высококоэрцитивных постоянных магнитов, обладающих большим магнитным сопротивлением, можно считать, что ее механическая характеристика линейна. Тогда

£2ном Мп Мном Мт /Р, К\

где Миом- номинальное значение момента на валу двигателя. Подставляя значение QaoM/Q0 в выражение (6.4), получим М - М2/Мп - Мт (Мп - А/ном - Mr)/Mn ,R fi.

Продифференцировав (6.6) и решая уравнение дг)Эы/дМ = 0, после упрощения получим условие достижения максимального КПД электрической машины

М2 + Ш [ 71 (2 + п)- - 1 ] М - Мт (Мп-М)~

Л*2 [-±-1] = 0. (6.7)



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31



© 2018 ООО "Стрим-Лазер": Лазерная гравировка.
Все права нотариально заверены. Копирование запрещено.