(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

ных импульсов (ГПИ). На выходе ШИМ формируется последовательность импульсов, длительность которых изменяется в течение интервала коммутации по закону, определяемому формой огибающей аналогового сигнала с ДПР. В цепь питания каждой из фаз ВД включен импульсный регулятор напряжения (ИРН), который формирует напряжение, подводимое к секциям якорной обмотки, по закону позиционной модуляции.

Из временных диаграмм, характеризующих работу основных элементов схемы (рис. 7.15), видно, что на соответствующем ин-



при

о

О

Ы

Рис. 7.14. Функциональная схема ВДПМ с параллельным подключением секций к источнику питания

Рис. 7.15. Временные диаграммы ЭДС, напряжения и тока в секциях ВДПМ

тервале коммутации (оск > 180° эл.) ключи VT1 и VT2 постоянно насыщены, а коммутация тока в секциях LI, L2 якорной обмотки осуществляется импульсным регулятором напряжения (ИРН1). В секциях L3, L4 второй фазы двигателя ток формируется аналогичным образом. Увеличение зоны коммутации (ак > 180° эл.) позволяет реализовать любой закон ШИМ. Перенапряжения при коммутации силовой цепи двигателя импульсными регуляторами напряжения не возникают благодаря диодам VD1 и VD2, по которым замыкается ЭДС самоиндукции секций якорной обмотки в межкоммутационные периоды. При запирании транзисторов VT1 - VT4 также не возникает перенапряжений, поскольку ток в секциях двигателя в эти моменты равен нулю. Таким образом, динамические потери в силовых

ключах VT1 - VT4 минимальны, а ИРН работают в облегченном режиме. По сравнению с ВДПМ с мостовым коммутатором рассмотренный двигатель имеет шесть вместо восьми силовых переключающих элементов и два вместо восьми обратных диода при большей простоте схемы. Недостатком четырехсекцион-ного ВДПМ является неполное (0,5) использование якорной обмотки по меди.

Для обеспечения максимального электромагнитного момента в двигателе ток в секции и ЭДС вращения должны находиться в противофазе. Наличие индуктивности якорной обмотки вызывает необходимость поворота ДПР относительно якорных обмоток двигателя на угол 9М- Для того чтобы сохранились преимущества данного ВДПМ, касающиеся исключения перенапряжений в моменты коммутации силовых ключей VT1 - VT4, необходимо выполнение условия

ак > я + 2Вмр.

При этом, кроме того, не будет искажаться закон позиционной модуляции фазных напряжений.

7.5. Электромеханические модули на базе вентильных электродвигателей

Создание робототехнических систем из ограниченного числа относительно независимых унифицированных устройств - модулей имеет следующие преимущества:

более высокий технический уровень устройства ввиду применения отработанных технических решений;

сокращенные сроки создания опытного образца робота, поскольку он собирается из серийно выпускаемых модулей по отработанной технологии;

уменьшенные эксплуатационные затраты за счет снижения сроков и затрат на текущий ремонт благодаря наличию однотипных комплектующих изделий.

Исполнительный модуль - это унифицированный механизм, имеющий одну степень подвижности и являющийся базовым устройством для компоновки механической части агрегата [60]. Так как эффективность использования робототехнических средств значительно возрастает по мере увеличения срока их службы, который зачастую определяется сроком службы приводов, то электромеханические модули должны иметь ресурс, соизмеримый с временем морального старения техники. Большой ресурс модулей можно обеспечить как путем резервирования отдельных узлов и элементов, так и снижением электрических, механических и тепловых нагрузок, действующих на них.

В работе [61] рассмотрены различные структуры многодвигательных электроприводов с мощными высокоскоростными ВД, соединенными через муфты и силовой редуктор с исполнитель-



ным механизмом. Серьезными недостатками модулей с высокоскоростными ВД являются низкий КПД, обусловленный низким КПД редуктора (около 70 %). большая динамическая мощность и сравнительно низкое быстродействие из-за большого приведенного момента инерции, обусловленного моментами инерции роторов ВД, муфт и подвижных частей редуктора. Расчеты показывают, что динамическая мощность таких приводов в 5- 10 раз превышает их номинальную мощность. Это приводит к


Рис. 7.16. Конструкция электромеханического модуля на базе вентильного электродвигателя

/ - выходной шток; 2 - постоянные магниты индуктора; 3 - ротор ВД; 4 - якорные обмоткн

существенному повышению энергопотребления, увеличению максимальной мощности привода и источников питания. Более перспективными в связи с этим являются электромеханические модули с низкоскоростными (моментными) ВД.

Конструктивная схема двухдвигательного поступательного модуля с низкоскоростным ВД номинальной мощностью 3,75 кВт представлена на рис. 7.16. Якорная обмотка каждого двигателя состоит из двух систем, каждая из которых подключена к своему коммутатору. Таким образом, в рассматриваемой конструкции, так же как и в модуле с высокоскоростными ВД [61], реализовано четырехканальное управление, обеспечивающее высокую надежность привода. Для преобразования вращательного движения ВД в возвратно-поступательное перемещение штока, механически соединенного с исполнительным органом, использован шариковинтовой механизм (ШВМ), являющийся наибо-

лее рациональным типом выходного звена привода. ШВМ обладает высоким КПД (до 98%) и высокой точностью отработки команд из-за высокой точности изготовления деталей и отсутствия люфтов. Последнее позволяет осуществить позиционную отрицательную обратную связь в приводе путем использования сигналов ДПР вентильных двигателей. Высокий коэффициент полезного действия ШВМ, выполняющего роль силового редуктора, значительно снижает тепловыделение в модуле и повышает его ресурс.

Основные технические характеристики модуля следующие:

Максимальная скорость движения штока, мм/с.......95

Максимальное тормозное усилие на штоке, Н........75 ООО

Длина перемещения штока, мм..............180

Номинальная частота вращения ВД, об/мин.........900

Номинальный вращающий момент, Нм...........40

В рассматриваемой конструкции гайка ШВМ одновременно выполняет функции ротора вентильных двигателей. Использование постоянных магнитов индукторов из материала SmCo5 позволяет получить компактную конструкцию с высокими динамическими показателями благодаря исключению силового редуктора и муфт, что снижает момент инерции вращающихся частей.

Сравним динамическую мощность рассмотренной конструкции с мощностью четырехдвигательного модуля, в котором использованы высокоскоростные ВД [61].

Динамический момент механизма, приведенный к оси исполнительного органа (ИО), определяется выражением

Мднн/---в.

где Йио - угловая скорость ИО; е- ускорение ИО; I = !яа + 1к - приведенный к оси ИО суммарный момент инерции ИО и модули.

Так как выходные характеристики сравниваемых модулей должны быть одинаковы, то /но, Йио и е в обоих случаях принимаем также одинаковыми.

Приведенный к оси ИО момент инерции модуля с четырьмя высокоскоростными ВД определяется выражением

Л.-Лшш'1+4(Л>д+Л,1 + р)& где /швм'? - момент инерции ШВМ, приведенный к оси ИО; 4(/вд + ~Ь г- Л>) *2- приведенный к оси ИО суммарный момент инерции ВД (/вд), электромагнитных муфт (7 i) и высокоскоростных шестерен редуктора (/р), передающего вращение на гайку ШВМ; ii = Q швм/йно, h - Йвд/hoJ Ошвм и Йвд - соответственно угловая скорость гайки ШВМ и ротора ВД.

В модуле с низкоскоростными двигателями индукторы всех ВД расположены на роторе-гайке ШВМ, и момент инерции ШВМ, приведенный к оси ИО, определяется выражением

м jihbm1

где /щВМ - момент инерции ШВМ с размещенными на нем постоянными магнитами ВД.



Расчеты показывают, что щВМ незначительно отличается от /швм Тогда справедливо соотношение

-Umi + * (вд + Л.1 + /р) 1 4 (вд + м! + /р) 1

г' / i2 ~ Г' i2

jm швмЧ J швм'1

- Так как в модуле с высокоскоростными ВД i\ > i\, а величия 4 (вд + м1 + ;р) соизмерима с Jrmm, то

*(.Д + Л.1 + Л>)<2.

/ 2

т. е. суммарный момент инерции модуля с высокоскоростными ВД намного больше суммарного момента инерции модуля с низкоскоростными ВД.

Динамическая мощность, потребляемая приводом, определяется выражением

Ядин = Мдинио-

Расчеты модулей с соизмеримыми параметрами показали, что динамическая мощность привода с низкоскоростными ВД в 30-40 раз меньше, чем с высокоскоростными ВД, что позволяет существенно уменьшить габаритную мощность привода и его источника питания.

Решение задачи обеспечения минимума массо-габаритных показателей электромеханических модулей непосредственно связано с выбором структуры ВД, входящих в их состав. В современных электроприводах малой и средней мощности наибольшее распространение получили ВД с трехсекционными лучевыми обмотками и мостовыми коммутаторами [7, 9]. В таких ВД в каждый полупериод изменения ЭДС в секциях якорной обмотки коммутатор подключает каждую секцию к источнику постоянного напряжения на интервал 120° эл. Тем самым устраняются пульсации тока в обмотке, обеспечивается минимум электрических потерь мощности в ней и высокий КПД двигателя.

Для трехсекционных ВД характерным является неполное использование обмоток по меди, так как ток в секциях протекает в течение 2/3 периода изменения ЭДС вращения. По той же причине имеет место значительное влияние на КПД и полезную мощность ВД частоты вращения и индуктивности секций якорной обмотки.

В отличие от трехсекционных, ВД с мостовыми коммутаторами и сфазированными источниками вольтодобавки имеют 180-градусную зону коммутации, поскольку в них устранена опасность протекания сквозных токов при коммутации силовых транзисторов мостовой схемы и обеспечена практически прямоугольная форма суммарной противо-ЭДС на интервале открытого состояния силовых транзисторов. Поэтому представляет интерес сравнить двухфазные ВД со ссЬазированными источниками вольтодобавки с трехфазными ВД по требуемому объему меди якорных обмоток.

Положим, что в трехфазных ВД ток протекает по секциям на протяжении интервала 120° эл. за полупериод изменения ЭДС вращения, а в двухфазных - на протяжении 180° эл. Для корректности сравнения будем считать, что механические характеристики двухфазных и трехфазных ВД идентичны, т. е. их скорости холостого хода и пусковые моменты одинаковые: Q(03) = QJ,2); A4(3> = Л4<п2). Тогда справедливы следующие выражения:

n(3) я U п(2) 8 U

3V3 p<bwf 2 +я pG>wf>

дЛЗ) 3 V3 rr, О) U .(2) 4 - (2) U ..

где р - число пар полюсов индуктора; Ф - магнитный поток на пару полюсов; о;*3, R\ wf\ У?*,2- соответственно число витков секции якорной обмотки и сопротивление секции трехфазных и двухфазных ВД; U - напряжение питания якорной обмотки.

Приравнивая правые части выражений для Q0 и Ми, получим

(8 я (2 + я) wf ~ 3 УЗ~ wf wf 8wf> {7А)

U<3> 3VaT/?i2) Из первого уравнения системы (7.4) находим i0f = O,378uyf.

Подставляя найденное значение во второе уравнение

системы (7.4), получим

= 0,246/? .

Пусковые токи рассматриваемых двигателей определяются выражениями:

/,?> = £ (2*?); lf = 2U/Rf\

Тогда

/£> <?> = 0,984.

Объем меди якорных обмоток определяется выражением:

Vf = ЗЛИ ; V<M2) = 2W?t*S , (7.5)

где lw и SM - соответственно средняя длина витка и сечение провода секции якорной обмотки.

Сечения проводов якорной обмотки определим с учетом пусковой плотности тока:

Su - I аУ J а\ Sa - In У(2Уц).



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.