На рис. 7.5 приведена функциональная схема электропривода с изменяемой структурой, осуществляющего пуск, реверс и двухконтурное регулирование частоты вращения ВД.

Система управления ВД с двухконтурным регулированием частоты вращения обеспечивает повышенную экономичность и надежность привода благодаря следующим свойствам:

на малых частотах ШИМ подключает секции якорной обмотки к источнику питания только в те моменты времени, когда суммарная противо-ЭДС в них достигает наибольшего значения, а при работе релейного регулятора на высоких частотах вра-

Рис. 7.5. Функциональная схема электродвигателя ДБ120-8

щения обеспечивается частотная модуляция амплитуды напряжения на секциях якорной обмотки, что значительно уменьшает пульсации тока, потери энергии в обмотке двигателя и повышает надежность работы коммутатора, так как силовые транзисторы в этом режиме переключаются только сигналами ДПР;

в любом режиме работает только один регулятор, не допускается одновременная работа ШИМ и релейного регулятора;

при пуске и малых частотах вращения ВД развивает большой электромагнитный момент благодаря последовательному соединению секций. Наоборот, при малых моментах сопротивления нагрузки обеспечивается большая частота вращения двигателя за счет параллельного соединения секций якорной обмотки и, как следствие, быстрое устранение рассогласований в системе;

реверс и пуск двигателя происходят благодаря последовательному соединению секций с малыми бросками токов, которые в четыре раза меньше, чем при прямом пуске двигателя с параллельным включением секций. При этом не снижается быстродействие привода.

Электропривод содержит ВД с изменяемой структурой, описанный в § 4.2, и узел управления вентильным двигателем. В узел управления входят:

широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с ключами К1 и К2 переменного тока для регулирования частоты вращения при низких ее значениях, когда секции якорной обмотки ВД включены последовательно;

релейный регулятор высокой частоты вращения, соответствующей параллельному включению секций;

датчики частоты вращения ротора (датчики мгновенного и среднего значений ЭДС секций).

В электроприводе используется ВД с фазочувствительным ДПР, рассмотренным в главе пятой. Чувствительные элементы ДПР - четыре дросселя насыщения LI - L4 - размещены в кольцевой обойме так, что пары LV, L2 и L3, L4 смещены относительно друг друга на 90° эл. Сигнальным элементом (СЭ) датчика положения ротора является укрепленный на валу электродвигателя постоянный магнит. Питание чувствительных элементов и преобразующих устройств ДПР демодуляторов осуществляется переменным напряжением прямоугольной формы от магнитотранзи-сторного мультивибратора (МТМ), который пребразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты (10-40 кГц).

При вращении ротора двигателя происходит поочередное насыщение дросселей LI, L2 (L3, L4). Так как они попарно включены по фазочувствительной схеме, то на выходах преобразующих устройств (ПУ) образуются электрические сигналы ыДп1 и Дп2, полярность которых изменяется при каждом изменении состояния чувствительных элементов.

Узел управления двигателем содержит два контура регулирования частоты вращения ВД. Один регулятор функционирует при частоте вращения двигателя, меньшей некоторого значения &пор, другой - при большей частоте вращения (рис. 7.6).

Регулирование низких частот вращения двигателя (0 Q Q op) производится широтно-импульсным методом с помощью ШИМ, работающего на естественной частоте коммутации (чя-

Работает пероый Iрегулятор

Работает Второй регулятор

Рис. 7.6. Диаграмма работы контуров регулирования частоты вращения

стота выходных импульсов ШИМ кратна частоте коммутации силовых транзисторов коммутатора). Для управления ВД на высоких частотах вращения (Q > Q op) используется релейный регулятор.

Работа ШИМ осуществляется следующим образом. Сигналы с выходов тахогенераторов 777, ТГ2 (рис. 7.5) суммируются

0) Ч;

2п

a>t

сумматором SM1 и поступают на узел сравнения (на вход ШИМ), где сравниваются с сигналом управления иу. Сигнал управления у, пропорциональный величине рассогласования между действительной и программной траекториями движения робота, изменяется с инфранизкой частотой (единицы герц), поэтому при построении диаграмм для простоты принимаем иу = = const.

На рис. 7.7 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип регулирования частоты вращения рассматриваемого электропривода:

а - временная диаграмма сигналов на выходах ДПР Дп1 и иДп2. На полупериодах напряжений ua i, иДП2 на диаграмме указаны номера силовых транзисторов коммутатора, которые открыты этими напряжениями в соответствующие моменты времени;

б - временные диаграммы ЭДС отдельных секций якорной обмотки es\ - esi. ЭДС двигателя (суммарной ЭДС секций) еЭм при его работе с последовательным включением секций (esi + + eS4, es\ + es3, es2 + es%, eS2 + es4) и ЭДС еТГ на выходе датчиков частоты вращения 777, ТГ2, измеряющих ЭДС вращения (датчики выполнены в виде выпрямителей, которые выпрямляют ЭДС вращения секций в моменты времени, когда они отключены полупроводниковыми ключами от источника питания);

Lll.JLLi

Рис. 7.7. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы электродвигателя ДБ120-8

в-временная диаграмма разности Аи сигнала управления щ и результирующей ЭДС е0.с, действующей на выходе сумматора SM1, и временная диаграмма напряжения илп\ на входе транзисторов VT1, VT2 коммутатора.

При подаче напряжения питания U на двигатель и напряжения иу на вход ШИМ на выходе последнего появляются сигналы, замыкающие ключ Kl (К2) в цепи питания ДПР. Ключ К1 замыкается при одной полярности напряжения иу, а К2 - при другой. Транзисторы VT1 - VT4 по сигналам ДПР (см. рис. 7.5) начинают коммутировать токи в секциях LI - L4 якорной обмотки электродвигателя. В результате взаимодействия токов секций с полем индуктора ротор двигателя приходит во вращение. В секциях LI - L4 наводится ЭДС es, и на выходе сумматора SM1 появляется сигнал еа. с Этот сигнал действует в противофазе с напряжением иу на входе ШИМ. До тех пор пока разность иу - е0.с на входе ШИМ больше его напряжения отпускания и0, ключ К7 (К2) замкнут и осуществляется непрерывная подача напряжения un (и') для питания элементов ДПР, управляющих как транзисторами VT1, VT2, так и транзисторами VT3, VT4. В результате токи в секциях якорной обмотки коммутируются транзисторами VT1 - VT4 по сигналам ДПР в соответствии с временной диаграммой (рис. 7.7, а), т. е. каждая секция находится под напряжением источника питания в течение всего интервала коммутации, равного 180° эл.

По мере разгона двигателя напряжение еа. с увеличивается, а напряжение на входе ШИМ Аи = иу - е0. с уменьшается. Как только амплитуда Аи станет меньше напряжения иа, ключ К1 (К2) закроется, отключая элементы ДПР, управляющие транзисторами VT1, VT2, от питающего его напряжения un (и ). На пряжение ия \ станет равным нулю, и транзисторы VT1, VT2 коммутатора перейдут в режим отсечки. Так как секции якорной обмотки двигателя включены последовательно, то несмотря на сохранение прежнего закона управления транзисторами VT3, VT4 по сигналам ДП2, двигатель отключится от источника питания. Частота вращения его ротора под действием момента нагрузки будет уменьшаться, а напряжение Аи начнет увеличиваться. Как только мгновенное значение сигнала Аи вновь станет больше и0, ключ Kl (К2) замкнется и обеспечит подачу напряжения U источника к секциям якорной обмотки. В дальнейшем описанные процессы будут периодически повторяться.

В результате работы ШИМ к секциям LI - L4 напряжение будет подаваться в течение только части каждого интервала коммутации (рис. 7.7), т. е. будет осуществляться импульсное регулирование частоты вращения. При возрастании частоты вращения выше заданного уровня фронт и срез каждого импульса дщ будут сближаться, уменьшая среднее значение напряжения* подводимого к секциям. При снижении частоты вращения дви-

гателя, наоборот, фронт и срез каждого импульса будут расходиться, приводя к увеличению среднего значения напряжения на секциях и тем самым компенсируя изменение частоты вращения. Так как подача напряжения на секции Ы- L4 осуществляется в моменты времени, когда ЭДС двигателя достигает наибольшего значения (рис. 7.7,6 - заштрихованные участки), то регулирование частоты вращения с помощью ШИМ осуществляется с наилучшими энергетическими показателями (электромагнитная мощность двигателя Рэн при этом будет наибольшая).

При увеличении частоты вращения до уровня Qnop (см. рис. 7.6) происходит насыщение ( залипание ) ШИМ. Это обеспечивается наличием нелинейного элемента (НЭ)-стабилиза* тора напряжения в цепи отрицательной обратной связи по частоте вращения, ограничивающего напряжение е0. с. Таким образом, автоматически происходит переключение ШИМ на релейный регулятор при увеличении Q. При этом ШИМ формирует на своем выходе непрерывный сигнал с относительной длительностью т = 1. Это вызвано тем, что напряжение Дм = % - е0, с на входе ШИМ при частотах вращения, больших £2ПоР, становится больше порогового напряжения иа. При дальнейшем увеличении % вступает в работу релейный регулятор. Во время его работы обеспечивается периодическое переключение секций обмотки двигателя с последовательного включения на параллельное и обратно. Релейный регулятор представляет собой реле Р, на вход которого поступают через фильтр Ф в противофазе сигналы с сумматора напряжений - сигнал, пропорциональный частоте вращения, и сигнал управления.

При превышении разностью этих сигналов порога срабатывания реле формируется сигнал, который открывает полупроводниковые ключи VT5 и VT6, и происходит переключение секций якорной обмотки двигателя с последовательного включения на параллельное. Двигатель разгоняется, разность сигнала управления и сигнала отрицательной обратной связи по частоте вращения уменьшается, реле отпускает, и секции двигателя включаются последовательно.

Таким образом, за счет работы релейного регулятора режимы параллельного и последовательного включения секций периодически чередуются с частотой срабатывания реле Р и обеспечивается поддержание среднего значения частоты вращения двигателя, пропорционального сигналу управления щ.

При регулировании частоты вращения с помощью релейного регулятора не происходит полного снятия напряжения с секций якорной обмотки (рис. 7.8), как при регулировании с помощью ШИМ. Это уменьшает пульсации тока в якорной обмотке и способствует уменьшению энергетических потерь в двигателе при большой частоте вращения Одновременно повышается надежность работы двигателя, так как силовые транзисторы коммута-

тора при работе релейного регулятора продолжают переключаться только сигналами ДПР без разрыва тока в секциях сигналами ШИМ. При этом потери на переключения и энергия коммутационных всплесков напряжения на силовых транзисторах уменьшаются, снижая опасность их повреждения. Рабочие характеристики электропривода с двухконтурным регулированием частоты вращения представлены на рис. 7.9. Механические

Рис. 7.8. Вид напряжения на Рис. 7.9. Механические характеристики

секции при регулировании ча- . электродвигателя

СТОТЫ вращения С помощью / - естественная; 2 -при регулировании ча-

релейного регулятора стоты вращения

характеристики имеют жесткость, практически не зависящую от сигнала управления. Это обеспечивает независимость зоны нечувствительности привода от момента сопротивления и высокую точность отработки сигналов рассогласования.

При реверсе направления вращения характеристики двигателя отличаются не более чем на 5 %.

7.3. ВД для привода транспортных роботов

Для привода транспортных роботов требуются электродвигатели, механическая характеристика которых в заданном диапазоне нагрузочных моментов близка к линии равной механической мощности. Именно такой характеристикой обладает ВД типа ДБ60-90-6. Исполнение электрической машины и коммутатора- раздельное. Технические данные электродвигателя сле-

дующие:

Напряжение питания, В...................27

Номинальная мощность на валу, Вт.............40

Номинальная частота вращения, об/мин........... 6000

Пусковой ток, А, не более.................6

Максимальная мощность на валу, Вт............90

Мощность на валу в диапазоне частот вращения вала 2000-

6000 об/мин, Вт.....................40 ± 6

КПД в диапазоне моментов на валу 0,0294-0,294 Нм, не

менее . ....................0,5

КПД при частотах вращения вала 2400 и 5500 об/мии, не

менее..........................0,6