4.3.4 Следящий привод
Следящий привод представляет собой сложную многоконтурную систему автоматического регулирования замкнутую по положению. В состав этой системы входит регулируемый электропривод с электродвигателем и датчиком скорости, система управления приводом и питания датчиков положения от УЧПУ, механическая передача, охваченная обратной связью по положению. Механическая передача, не охваченная обратной связью по положению, не является звеном следящего привода и оказывает на него возмущающее воздействие в виде дополнительного момента нагрузки и момента инерции.
Следящий привод предназначен для преобразования электрического сигнала малой мощности в пропорциональное перемещение рабочего органа, для чего требуется значительно большая мощность. Привод преобразует информацию, поступающую от устройства управления, в перемещение механизма и выполняет функцию превращения электрической энергии в механическую.
Следящий привод является устройством, от которого в значительной степени зависит качество работы станка: точность обработки и качество поверхности, производительность, надежность и стоимость. Основными параметрами привода являются мощность, скорость (до 10-15 м/мин), точность (0,001 мм), быстродействие, плавность перемещения.
Следящий привод применяется в позиционных системах для обеспечения малой погрешности установки координат в заданную точку за возможно меньшее время.
В контурных системах следящий привод обеспечивает непрерывное управление переменными скоростями движения рабочих органов при значительной мощности и высокой точности перемещений по нескольким координатам одновременно.
Структурная схема следящего привода приведена на рис. 4.8.
Следящий привод состоит из исполнительного двигателя (Д) того или иного типа, усилителя мощности (УМ), снабжающего двигатель энергией, регулируемой в широких пределах, датчика обратной связи (ДОС), преобразующего фактическое положение Х2 (или угол поворота) рабочего органа (РО) в электрический сигнал Еос, строго пропорциональный этому положению, и сравнивающего устройства (УС), которое сравнивает сигнал ДОС с входным управляющим сигналом Евх (или Х1). Силовой преобразователь СП применяется при использовании двигателя постоянного тока и превращает переменное напряжение в регулируемое постоянное на якоре двигателя.
Сигнал на входе РО равен разности сигнала управления и обратной связи от ДОС. Например, при любом незапрограммированном возмущении объекта, вызывающем увеличение выходного параметра, растет сигнал отрицательной обратной связи, что приводит к снижению входного сигнала, а, следовательно, уменьшению выходного параметра. Таким образом, автоматически поддерживается значение выходного пар аметра на заданном уровне с определенной точностью.
Обратная связь по скорости, осуществляемая тахогенератором (ТГ), обеспечивает точность управления, снижая зону нечувствительности и влияние различного типа нелинейностей, а также увеличивает жесткость механической характеристики привода.
Регулируемый привод (без обратной связи по положению) служит для обеспечения необходимой скорости РО, пропорциональной входному сигналу . Регулируемый привод является неотъемлемой частью следящего привода, образуя его внутренний контур, замкнутый по скорости. Этот привод может применяться отдельно для главного движения.
Наиболее важным требованием к двигателям, применяемым в приводах подач, является возможность плавного регулирования скорости в широком диапазоне, вплоть до самых маленьких скоростей, измеряемых в долях оборотов в минуту. Кроме того, двигатели должны выдерживать кратковременные перегрузки, обеспечивающие высокое быстродействие привода, иметь малые габаритные размеры и массу, удобно встраиваться в станок.
В приводе подач в качестве двигателя используют двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока с частотным регулированием.
Двигатели постоянного тока
Наибольшее распространение в приводах подач получили двигатели постоянного тока.
В электромеханических системах с высокоскоростными двигателями (n3000 об/мин) с большим собственным моментом инерции достаточно просто обеспечивается устойчивость по управляющему воздействию и невысокая чувствительность к колебаниям нагрузки вследствие высокого демпфирования и небольшой собственной частоты самого двигателя.
Низкоскоростные двигатели (n1000 об/мин), устанавливаемые непосредственно на ходовой вал, обеспечивают несколько большее быстродействие, так как момент инерции ходового винта с двигателем меньше приведенного момента инерции высокоскоростного двигателя, редуктора и ходового винта. Кроме того, низкоскоростные двигатели развивают большие моменты, чем высокоскоростные. Но они имеют большие габариты и массу.
Основным недостатком двигателя является наличие трущегося токосъемного щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность и возможность работы в условиях агрессивных сред. Этот недостаток особенно ощутим при работе станка в условиях автоматизированной системы, так как наличие щеточно-коллекторного узла требует частых профилактических осмотров. Поэтому в настоящее время наиболее распространенными двигателем для приводов подач станков с ЧПУ становятся высокомоментные вентильные двигатели.
Высокомоментные вентильные двигатели постоянного тока
Под высокомоментным понимают двигатель, развивающий на выходном валу крутящий момент, достаточный для преодоления статических и динамических нагрузок привода подач.
Высокомоментные вентильные двигатели (ВМВД) – новые технические объекты — были задуманы и созданы для применения в регулируемых электроприводах. Техническим предшественником ВМВД является регулируемый электропривод постоянного тока, содержащий электронный усилитель мощности и высокомоментный коллекторный двигатель, работоспособность щеточно-коллекторного узла которого поддерживается посредством периодического ухода и ремонта.
В ВМВД функцию коллектора выполняет электронный коммутатор, работающий по сигналам датчика углового положения вала. В результате устраняется содержащий скользящие контакты малонадежный коллектор со щетками.
Появление высокоскоростных высокомоментных двигателей малых габаритов позволило значительно сократить механическую часть коробки подач, а в некоторых случаях полностью исключить ее. Устранение коробки подач привело к повышению мощности, повышению КПД, снижению момента инерции привода.
Основное их отличие – замена электромагнита постоянным магнитом. Это существенно улучшает характеристики двигателя и привода. Отсутствие обмотки возбуждения и ее нагрева позволило увеличить ток якоря, что повысило крутящий момент при тех же габаритах двигателя.
Появление таких двигателей стало возможным благодаря появлению дешевых высококоэрцитивных магнитных материалов с большой магнитной энергией для изготовления постоянных магнитов.
Эти двигатели связывают непосредственно с ходовым винтом. Вентильные двигатели с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов «железо-неодим-бор» в настоящее время остаются наиболее перспективными из всех типов электродвигателей, применяемых в современных регулируемых электроприводах малой и средней мощности.
Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ двигателя:
бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания;
высокое быстродействие, которое обеспечивается высокими значениями максимально допустимых вращающих моментов, превышающих номинальные в пять и более раз, а также малой электромагнитной инерционностью. Привод подач с высокомоментными электродвигателями позволяет выполнить разгон перемещаемого органа до максимальной скорости за весьма малое время (разгон до 10 м/мин за 0,25 с).
Магниты не размагничиваются при любом токе якоря, что дало возможность получить 10- 20-кратный момент при малых скоростях вращения, обеспечив высокое быстродействие, несмотря на большой момент инерции двигателя;
имеют практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более) и возможность регулирования частоты вращения по различным законам;
высокие значения углового ускорения в переходных режимах работы и равномерный ход при малых частотах вращения;
большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более);
наивысшие энергетические показатели. Показатели кпд вентильных двигателей превышают 90% и очень мало меняются при изменении нагрузки двигателя по мощности и при колебаниях напряжения питающей сети, в то время как у асинхронных электродвигателей максимальный кпд составляет не более 86% и зависит от изменений нагрузки. Это связано с отсутствием обмотки возбуждения и потерь в этих обмотках;
минимальное значение токов холостого хода и рабочих токов;
низкий перегрев вентильного электродвигателя увеличивает срок службы электропривода(наработка на отказ составляет 10000 ч и более), поскольку увеличивается ресурс изоляционных материалов, работающих при более низких температурах. Этот же фактор позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками;
минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях;
Недостатки высокомоментного двигателя:
частоту вращения невозможно регулировать изменением поля возбуждения;
при мощности более десятков ватт они уступают по габаритным размерам, массе и стоимости машинам электромагнитного возбуждения;
материалы, входящие в состав сплавов для постоянного магнита дефицитны, сложная технология изготовления и намагничивания постоянных магнитов;
Вентильные двигатели обеспечивают длительный момент крутящий в диапазоне 0,05-170 Нм, частоту вращение – 420-6000 об/мин, мощность – 0,07-67 кВт, масса 04-132 кг.
Регулирование их скорости происходит при постоянном моменте путем изменения напряжения на якоре и постоянном максимальном потоке возбуждения, создаваемом постоянным магнитом.
Двигатели переменного тока
Наряду с двигателями постоянного тока в настоящее время в узлах привода подач станков с ЧПУ находят всё более широкое применение асинхронные двигатели переменного тока с тиристорными системами управления.
Применение этих двигателей стало возможным благодаря развитию силовых полупроводниковых приборов. При этом обеспечиваются лучшие моментные характеристики.
Регулирование скорости асинхронного двигателя сложнее, так как требуется регулирование и напряжения и частоты тока на статоре по определенному закону.
Для использования в качестве двигателя привода подач станка с ЧПУ асинхронного двигателя переменного тока необходимо применение сложного и дорогого преобразователя переменной частоты. Поэтому такие двигатели не получили широкого распространения в приводах подач. Однако они достаточно эффективны в приводах главного движения, где требования к диапазону регулирования значительно более узкие, а частота вращения роторов двигателей и мощность выше.
Электродвигатель соединяется с механизмом подачи, например, с ходовым винтом, при помощи промежуточного редуктора с высокой кинематической точностью. Промежуточный редуктор должен обеспечивать безлюфтовую передачу крутящего момента от двигателя к ходовому винту.
Синхронные двигатели переменного тока
В последнее время ведутся широкие разработки по возможности использования в качестве двигателя привода подач станков с ЧПУ синхронных двигателей переменного тока. Синхронным или вентильным двигателям свойственны все регулировочные преимущества двигателей постоянного тока. В них щеточно-коллекторный узел заменен бесконтактным коммутатором на транзисторах или тиристорах. Регулирование скорости осуществляется изменением напряжения на статоре, так же как в двигателях постоянного тока.
В ентильный двигатель (рис. 4.9) состоит из статора с многосекционной обмоткой и безобмоточного ротора.
В вентильном двигателе секции статорной обмотки переключаются мощными ключами, транзисторами или тиристорами, управляемыми датчиком, расположенном на роторе. В данном случае обмотка состоит из 8 секций, переключаемых тиристорами – по два на каждую секцию для изменения направления вращения, которое производят изменением полярности питающего напряжения. Если ротор в начальный момент расположен так, как показано на рис., то открываются тиристоры 1 и 10 и ток в обмотке статора течет, образуя полюсы, расположенные перпендикулярно к полюсам ротора. Ротор стремится повернуться так, чтобы полюсы ротора и статора совпали.
Повернувшись на 45 0 , ротор с помощью своего датчика открывает ключи 3 и 12, и полюсы статора также поворачиваются на 45 0 . При непрерывном вращении ротора обмотки статора непрерывно переключаются, и полюсы ротора непрерывно «догоняют» полюсы статора с угловым отклонением, определяемым нагрузкой двигателя.
Погрешности следящего привода
Статическая погрешность следящего привода определяет погрешность многократной установки координаты УО в заданную точку, т.е. определяет стабильность (повторяемость) следящего привода. Эта ошибка складывается из зоны нечувствительности привода и из временных и температурных дрейфов различных элементов (усилителей, сравнивающих устройств и т.д.). Дрейф возникает из-за временной и температурной нестабильности элементов системы, при которой сигнал на выходе, например, усилителя постоянного тока возникает и изменяется случайным неконтролируемым образом при отсутствии сигнала на входе.
Наибольшее значение для следящего привода имеют динамические ошибки, возникающие при внезапном изменении скорости входного сигнала на большую величину за достаточно малое время, сравнимое со временем переходных процессов в приводе. Это происходит, например, при обходе угла контура по дуге окружности малого диаметра.
Для снижения статических ошибок необходимо увеличить коэффициент усиления всего СП по контуру главной обратной связи. Но при этом увеличивается динамическая ошибка.
Различают три вида погрешностей: скоростную, моментную и динамическую.
Скоростная или кинетическая погрешность определяется отставанием рабочего органа станка от заданного положения при установившемся движении с постоянной скоростью. Она прямо пропорционально скорости и обратно пропорциональна добротности по скорости.
Добротность – это коэффициент пропорциональности между скоростью и погрешностью. Это коэффициент усиления следящего привода выходной величиной которого является скорость, а входной – погрешность (рассогласование).
Скоростная ошибка прямо пропорциональна скорости и обратно пропорциональна коэффициенту усиления привода по скорости.
Моментная или нагрузочная погрешность определяется перемещением привода под действием момента нагрузки при отсутствии управляющего сигнала. Она прямо пропорциональна моменту нагрузки и обратно пропорциональна добротности по моменту.
Добротность по моменту определяется как отношение статического момента к углу поворота вала двигателя под действием этого момента.
Моментная ошибка уменьшается с увеличением коэффициентов усиления по скорости и моменту. Моментная ошибка является основной причиной появления в приводе зоны нечувствительности вследствие момента нагрузки, создаваемой трением в двигателе и кинематических элементах станка, и составляет обычно 0,25-0,5 номинального момента двигателя.
Динамическая погрешность возникает при наличии изменения заданной скорости движения или статического момента и определяется параметрами системы автоматического регулирования по отклонению между действительным и заданным положением рабочего органа в переходных режимах. Динамические погрешности накладываются на скоростную и моментную установившиеся погрешности при управляющем или возмущающем воздействиях. Динамическая погрешность возникает вследствие инерционности привода, не успевающего мгновенно отслеживать все изменения управляющего сигнала.
В системе ЧПУ управляющий сигнал изменяется не мгновенно, а по линейному закону со временем, превышающем время переходного процесса привода. При этом динамическая погрешность существенно снижается, а погрешность в переходных режимах практически не повышает суммарного значения скоростной и моментной погрешностей.
Скоростная и моментная погрешности влияют на точность обработки, динамическая погрешность – на точность и шероховатость. Чем больше быстродействие привода, тем меньше влияние динамической погрешности на шероховатость поверхности.
В следящем приводе максимальная точность обработки не всегда достигается при расположении ДОС на конечном звене. Охват обратной связью нелинейных механических узлов требует снижения добротности привода для обеспечения устойчивости и заданного качества. Снижение добротности ведет к росту погрешностей.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Горячев Олег Владимирович, Степочкин Александр Олегович
Рассмотрен вариант реализации системы высокоточного следящего электропривода на основе гибридного шагового двигателя . Предложен алгоритм управления гибридным шаговым двигателем, позволяющий минимизировать резонансные явления в силовой системе привода. Разработана структура векторного регулятора момента гибридного шагового двигателя с использованием алгоритма наблюдения величины скорости и угла поворота.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Горячев Олег Владимирович, Степочкин Александр Олегович
Моделирование работы шагового электрического двигателя гибридного типа в пакете Simulink
Разработка нелинейной математической модели гибридногошагового двигателя на основе анализа магнитного поля машины
Синтез и моделирование векторного управления шаговым двигателем
Расчет усилителя рулевого управления с шаговым электрическим двигателем для транспортных средств
Математическое моделирование работы шагового двигателя в составе мехатронного модуля компенсации износа режущего инструмента
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
HIGH PRECISION SERVO DRIVE BASED ON A HYBRID STEPPER MOTOR WITH VECTOR CONTROL
The variant of implementing a high-precision servo drive system based on a hybrid stepper motor is considered. An algorithm for controlling a hybrid stepper motor is proposed, which a11ows minimizing resonant phenomena in the drive power system. The structure of a vector moment controller for a hybrid stepper motor is developed using an algorithm for observing the speed and angle of rotation.
Текст научной работы на тему «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ»
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ
НА ОСНОВЕ ГИБРИДНОГО ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
О.В. Горячев, А.О. Степочкин
Рассмотрен вариант реализации системы высокоточного следящего электропривода на основе гибридного шагового двигателя. Предложен алгоритм управления гибридным шаговым двигателем, позволяющий минимизировать резонансные явления в силовой системе привода. Разработана структура векторного регулятора момента гибридного шагового двигателя с использованием алгоритма наблюдения величины скорости и угла поворота.
Ключевые слова: следящий электропривод, гибридный шаговый двигатель, векторный регулятор момента, наблюдатель состояния.
В настоящее время системы электрического следящего привода (ЭСП) в большинстве случаев реализуются на базе моментных исполнительных двигателей с использованием датчиков скорости и углового положения. Вместе с тем перспективным направлением исследования при разработке таких систем является использование в качестве исполнительного — шагового двигателя (ШД), применение которого позволяет исключить из структуры привода датчики обратной связи по скорости и положению, что существенно повышает надёжность и снижает общую стоимость изделия. Среди существующих типов ШД выделим шаговый двигатель гибридного типа или гибридный шаговый двигатель (ГШД), который по совокупности характеристик более других подходит для использования в качестве исполнительного в следящих системах. Однако, при реализации следящего электропривода, обладающего высокой точностью, на основе ГШД необходимо решить задачу минимизации резонансных явлений в силовой системе (СС) привода, возникающих при совпадении частоты питающего напряжения обмоток статора ШД с собственной частотой колебаний электромеханической системы машины и вызывающих падение величины развиваемого двигателем момента и пропуск шагов. Как правило, в настоящее время для её решения при реализации управления приводом применяется режим дробления шага ГШД (микрошаговый режим), для которого характерны такие недостатки как снижение максимальной мощности и скорости исполнительного двигателя и повышенное тепловыделение обмоток его статора.
Обобщенная функциональная схема ЭСП на основе ГШД. При формировании закона управления исполнительным двигателем необходимо учитывать, требования технического задания по точности и быстродействию. С другой стороны, наиболее предпочтительным с точки зрения динамических и энергетических характеристик режимом работы ГШД является полношаговый режим, при реализации которого точность слежения ограничена величиной шага (в нашем случае 3°).
Следовательно, для выполнения требований технического задания по быстродействию и точности целесообразно реализовать программное управление ГШД по разомкнутому контуру, с возможностью переключения в режим управления с обратной связью по скорости и положению на основе наблюдателей состояния. Алгоритм переключения при этом обеспечивает расчет в реальном времени заданного углового перемещения ротора ГШД и сравнение его с требуемой величиной перемещения ввход. При этом выделим соответствующие режимы работы системы ЭСП на основе ГШД:
— режим переброса (для осуществления заданных перемещений нагрузки А0> И);
— режим слежения (для осуществления заданных перемещений нагрузки А0< И);
Обобщенная функциональная схема ЭСП с заданным условием переключения управления представлена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема ЭСП на основе ГШД
с переключением управления
На рис. 1 И — величина шага ГШД; 0вход — заданное значение угла
поворота объекта управления; 0дв — угол поворота двигателя; 0дв** — сигнал с наблюдателя угла поворота двигателя; о>дв — скорость двигателя;
Юдв — сигнал с наблюдателя скорости двигателя; иАу — входной сигнал управления ШИМ фазы А; иВу — входной сигнал управления ШИМ фазы
В; ¡а — ток в обмотке фазы А двигателя; /в — ток в обмотке фазы В двигателя; /а * — сигнал с датчика тока фазы А; ¡в * — сигнал с датчика тока фазы А; ^0 — ошибка слежения позиционного контура привода; — ошибка
слежения скоростного контура привода; ^¡а, ^¡в — ошибки контуров регулирования тока в фазах двигателя.
Работа ГШД в системе ЭСП при перебросе выполняется в полношаговом режиме без использования дробления шага, что позволяет выполнить отработку заданного значения углового перемещения 0вход с макси-
Рассмотрим отдельно каждый из представленных режимов.
Разомкнутый контур управления ЭСП на основе ГШД. Функциональная схема разомкнутого контура управления ЭСП для реализации режима переброса представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема разомкнутого контура ЭСП
На рис. 2 ввход — заданное значение угла поворота объекта управления; 0дв — угол поворота двигателя; о>дв — скорость двигателя; и^у -входной сигнал управления ШИМ фазы А; иВу — входной сигнал управления ШИМ фазы В; /А — ток в обмотке фазы А двигателя; /в — ток в обмотке фазы В двигателя; ^ — ошибка слежения позиционного контура привода.
Исполнительный двигатель приводится во вращение серией импульсов, частота и количество которых определяют заданные скорость вращения и угол поворота. При этом могут быть использованы известные программные алгоритмы управления шаговым двигателем: движения с постоянной скоростью и постоянным ускорением [3]. В рассматриваемом случае реализован алгоритм движения постоянной скоростью. Соответствующая 81ши1тк модель силовой системы ЭСП на основе ГШД, описанная в [5] и рассчитанные с её помощью динамические характеристики представлены на рис. 3-8.
Расчет параметров обмотки фазы А
ЭСП на основе ГШД
Время i, с. Врем и г,с
Рис. 4. Отработка ЭСП входного Рис. 5. Отработка ЭСП входного сигнала рассогласования 8° сигнала рассогласования 30°
800 600 400 200 0
Рис. 6. Частота питания на обмотках ГШД ЭСП при отработке сигнала рассогласования 8°
О 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26
Рис. 7. Частота питания на обмотках ГШД ЭСП при отработке сигнала рассогласования 30°
Переходные процессы, представленные на рис. 4 — 7, иллюстрируют реализацию алгоритма управления ГШД с постоянной скоростью, где переходные процессы по частоте коммутации, в зависимости от величины заданного угла поворота, содержат участки разгона, движения с постоянной скоростью и торможения, либо только разгона и торможения.
Для выполнения требований технического задания необходимо обеспечить устойчивую работу исполнительного двигателя во всём диапазоне рабочих частот для чего необходимо минимизировать, либо полностью устранить падение величины развиваемого момента и пропуск шагов ГШД, вызванные резонансными явлениями в двигателе.
В рамках данной работы для борьбы с резонансом предлагается использовать разработанный авторами способ коммутации обмоток ГШД [6] в режиме полного шага. Для расчета необходимых при реализации данного способа величин резонансных частот была сформирована математическая модель шагового двигателя с учетом конструктивных параметров, свойств конструкционных материалов и параметров обмоток двигателя [4]. Соответствующая расчетная механическая характеристика представлена на рис. 8.
II /,»«/! 409 6111) КПП . 121111 14М 1МН1 1МШ1 241111
Частота коммутации 1Е, 1, Г и
Рис. 8. Расчетная механическая характеристика ГШД при работе
На рис. 8 ОА — область резонансных частот; АВ — область номинальных частот, работа в которой осуществляется по закону управления ГШД с постоянной скоростью; ВС — область срыва, которая является запретной т.к. в ней не обеспечивается номинальная величина момента ГШД — 1,5 Н-м.
Анализ расчетной механической характеристики, представленной на рис. 8, показал наличие 2-х резонансных частот П и f2, следовательно, при достижении частотой коммутации данных значений будет наблюдаться пропуск шагов, что недопустимо при разработке систем ЭСП. Для данной области в диапазоне частот от 100 до 320 Гц используется разработанный способ коммутации обмоток исполнительного двигателя, позволяющий устранить это явление. Для его реализации при достижении частотой подачи фазных напряжений заданного диапазона выполняется смещение по времени фазных напряжений друг относительно друга, таким образом, что число электрических состояний на период не изменяется и соответствует режиму управления без применения дробления шага, а длительность шагов последовательно чередуется при условии сохранения их количества на заданный период 4Т, что показано на рис. 9. Экспериментальные характеристики работы ЭСП на основе ГШД в области резонансных частот представлены на рис. 10.
Рис. 9. Принцип формирования напряжения для фаз двигателя при чередующейся частоте шагов
Рис. 10. Экспериментальный переходный процесс на частоте резонанса при предложенном способе управления
Предложенное техническое решение позволяет, сохранив общее число шагов на периоде 4Т и номинальную скорость вращения ротора, последовательно чередовать длительность шагов в пределах одного периода времени подачи импульса, вследствие чего, предотвратить потерю развиваемого момента и пропуск шагов ГШД при работе системы ЭСП в заданном диапазоне.
Таким образом, для работы ЭСП в режиме переброса предложены способы управления ГШД для области номинальных и резонансных частот, эффективность применения которых подтверждается результатами моделирования и экспериментальными данными.
«Замкнутый» контур управления ЭСП на основе ГШД. Для решения с помощью ЭСП задачи слежения с необходимой точностью при заданных угловых перемещениях менее величины одного шага двигателя применяется система векторного управления током статора с реализацией обратных связей по положению и скорости при помощи алгоритмов наблюдения соответствующих переменных состояния.
При формировании системы управления исходим из того, что шаговый двигатель гибридного типа представляет собой синхронную электрическую машину с постоянными магнитами на роторе, и, следовательно, для данного типа исполнительных двигателей может применяться соответствующая типовая структура систем замкнутого электропривода на основе синхронного электродвигателя [1]. Функциональная схема замкнутого электропривода на базе 2-фазного ГШД, построенная в соответствии с общими принципами, характерными для систем на основе синхронных машин с постоянными магнитами на роторе представлена на рис. 11.
На рис. 11 0вход — заданное значение угла поворота объекта управ**
ления; 0^в — угол поворота двигателя; 0^в — сигнал с наблюдателя угла
поворота двигателя; — скорость двигателя; — сигнал с наблюда-
теля скорости двигателя; и Ау — входной сигнал управления ШИМ фазы А;
иВу — входной сигнал управления ШИМ фазы В; ¡а — ток в обмотке фазы
А двигателя; ¡в — ток в обмотке фазы В двигателя; ¡а * — сигнал с датчика тока фазы А; ¡в * — сигнал с датчика тока фазы А; ^ — ошибка слежения позиционного контура привода; — ошибка слежения скоростного контура привода; ^¡^, ^¡в — ошибки контуров регулирования тока в фазах двигателя.
Рис. 11. Функциональная схема «замкнутого» контура управления
ЭСП на основе ГШД
Тип и структура наблюдателя состояния выбраны в соответствии с классификацией, представленной в [2]. Исходя из заданной структуры и количества известных параметров, для реализуемой системы ЭСП использован адаптивный наблюдатель скорости на основе математической модели ГШД, рассмотренной в [5], а величина угла поворота оценивается по интегралу оценки скорости.
Сформируем способ управления исполнительным двигателем, т.е. разработаем структуру блока «Формирование сигналов управления» (рис. 11). С целью достижения высокой точности слежения и хороших динамических характеристик для реализации замкнутого позиционного контура привода выбран метод векторного управления, основанный на соответствующем изменении пространственной ориентации векторов непосредственно формирующих момент двигателя электрических и магнитных переменных состояния машины с помощью преобразования неподвижной системы координат во вращающуюся вместе с ротором.
Для разработки структуры векторного регулятора также используем математическую модель ГШД представленную в [5], и известные выражения координатных преобразования Парка [1]. Запишем уравнения математической модели ГШД для вращающейся системы координат в виде:
Следящий привод станка чпу
Следящий привод электрического типа станка чпу по металлу показан на рис. 1. На изображении представлены два варианта построения следящих электрических приводов подач (с применением круговых измерительных преобразователей в системе обратной связи).
В первом варианте (рис. 1, α) приводной электродвигатель 1 установлен и соединен через муфту 2 непосредственно с ходовым винтом шариковой винтовой пары 3. Это позволяет значительно упростить и сократить длину кинематической цепи привода подачи, увеличить ее крутильную жесткость и уменьшить число зазоров, влияющих на точность передачи движения. Однако при больших осевых габаритах приводного электродвигателя возникают проблемы с габаритными размерами станка. В этом случае можно применить второй вариант (рис. 1, б), когда электродвигатель 1 убирается внутрь станины станка, а вращение от него передается на ходовой винт 3 через зубчатую ременную передачу 2.
Устройство следящего привода станка по металлу
Для соединения вала следящего привода электродвигателя с ходовым винтом применяются специальные муфты сильфонного типа. Конструкция такой муфты показана на рис. 3.11. Муфта 2 соединяет с помощью конических втулок 4 и 6, затягиваемых болтами 5 и 7, вал 3 электродвигателя с ходовым винтом 1 привода подачи. Указанная муфта обеспечивает эффективное соединение вала электродвигателя с ходовым винтом при высокой крутильной жесткости, что важно для точной передачи движений. Аналогичные муфты применяются для соединения ходового винта с валом кругового измерительного преобразователя. Таким образом выполнено устройство следящего привода станка.
Рис. 1. Структурные схемы построения следящих приводов подач: α — электродвигатель передает вращение непосредственно на ходовой винт; б — то же через зубчатую ременную передачу
На рис. 2 показана также опора ходового винта, в качестве которой применяется новый комбинированный подшипник 9 в комплекте двойного упорного роликового подшипника и радиального подшипника с игольчатыми роликами (ГОСТ 26290–90), устанавливаемого с предварительным натягом, который создается гайкой 8, а его величина определяется осевым размером втулки 10.
В следящих приводах подач станков вращательное движение электродвигателя преобразуется в поступательное перемещение рабочего органа в большинстве случаев с помощью передачи ходовой винт– гайка.
Рис. 2. Конструкция соединительной муфты и опоры ходового винта
Ранее в приводах подач обычных станков применялась передача ходовой винт–гайка с трением скольжения. Однако большие потери на трение (КПД этих передач не более 0,3), большая разница коэффициентов трения покоя и движения делали их неэффективными и даже неприемлемыми в станках с ЧПУ. Поэтому были разработаны шариковые винтовые пары (ШВП) с трением качения. В данной передаче винтовые поверхности гайки и ходового винта не контактируют непосредственно друг с другом, как это было в передаче с трением скольжения, а разделены перекатывающимися шариками (по аналогии с шарикоподшипником). В результате КПД этих передач достигает величины 0,9–0,95. Однако это преимущество обернулось недостатком — ШВП являются несамотормозящимися передачами, что необходимо учитывать при их применении.
При изучении следящих приводов станков чпу, рассмотрение кинематики движений шариков 1 в ШВП при вращении ходового винта 3 (рис. 3) показало, что они, контактируя с вращающимся ходовым винтом и неподвижной гайкой 2 (она имеет осевое перемещение), будут перекатываться в сторону вращения ходового винта, но со скоростью v0 = 1/2vA. В результате шарики могут выйти из зацепления винта и гайки. Их необходимо ловить в конце гайки и передавать в ее начало. Это делается двумя способами. В первом случае в гайке 1 применяют и устанавливают специальные вкладыши 2, замыкающие один виток гайки с шариками 3 (рис. 4). В результате шарики 3 перекатываются в одном витке резьбы гайки, замкнутом вкладышем 2. Таких вкладышей может быть 2–4 в зависимости от количества шариков в гайке.
Рис. 3. Кинематика движений шариков в ШВП
При втором варианте возврат шариков производится специальными каналами возврата в виде одной–трех трубок, расположенных на поверхности гайки. Здесь уже длина канала возврата (трубки) получается достаточно большой, шарики там уже не перекатываются, а проталкиваются в начало гайки с потерями на трение по стенкам трубки. Фирма THK Co. (Япония) предложила конструкцию ШВП, где шарики уже не контактируют друг с другом, а разделены втулками, в результате чего должны снижаться потери на трение. С другой стороны, наличие втулок снижает количество шариков в ШВП, а их количество определяет нагрузочную способность ШВП. Очевидно, в этом случае придется увеличивать осевые размеры гайки.
Таким образом, в этой статье мы рассмотрели систему следящего привода станка чпу по металлу.
Рис. 4. Конструкция ШВП с каналом возврата шариков в одном витке резьбы в виде вкладыша
Точный следящий привод какая точность
Следящий привод СП (рис. 19) состоит из двигателя Д (гидравлического, электрического) необходимой мощности, усилителя мощности УМ, снабжающего этот двигатель энергией, регулируемой в широких пределах, датчика обратной связи по положению ДОС, преобразующего фактическое положение Х2 (или угол поворота) рабочего органа Р0 в электрический сигнал ЕО.С. строго пропорциональный этому положению, и сравнивающего устройства УС, которое сравнивает сигнал ДОС с входным управляющим сигналом ЕВХ (или Х1). При неравенстве этих сигналов, т. е. фактического положения Х2 с заданным Х1 сигнал ошибки е заставляет вращаться двигатель со скоростью Ω, пропорциональной этому сигналу в достаточно широких пределах. Обратная связь по скорости, осуществляемая тахогенератором ТГ, обеспечивает точность управления, снижая зону нечувствительности и влияние различного типа нелинейностей, а также увеличивает жесткость механической характеристики привода.
Усилитель мощности и сравнивающее устройство содержат корректирующие звенья, которые служат для обеспечения необходимых динамических свойств привода. Мощные усилители, в качестве которых чаще всего используют управляемые тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный (в случае применения электродвигателей) или золотниковые устройства того или иного типа (в случае применения гидродвигателей), как правило, содержат в своем составе маломощный усилитель постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления по напряжению, через который замыкается обратная связь по скорости.
Привод подач является одним из основных узлов, определяющих производительность и точность станков с ЧПУ. Система ЧПУ позволяет практически безынерционно сформировать сигналы управления приводом, обеспечивающие движение по заданной координате. Все большее значение приобретает совершенствование параметров исполнительного двигателя и схемы управления им с учетом кинематической цепи привода. В станочных СП наибольшее применение нашли электродвигатели постоянного тока и гидравлические двигатели (двигатели переменного тока в СП станков пока находят ограниченное применение). Частота вращения электродвигателей постоянного тока обычно не превышает 3000 об/мин при напряжении 220 В. Недостатком их является наличие щеток и коллектора, служащих для подвода рабочего тока в обмотку якоря. Электродвигатели серии ПБСТ содержат встроенный тахогенератор с большим числом коллекторных пластин (96), что снижает пульсации напряжения на малых скоростях.
Для электродвигателей постоянного тока характерна высокая линейность внешних регулировочных характеристик при управлении за счет изменения напряжения на якоре, что обеспечивает постоянный момент на любой скорости в пределах диапазона регулирования. По мере совершенствования устройств ЧПУ, увеличения жесткости и точности узлов станка возрастали требования к величине ускоренных ходов и быстродействию. Скорость ускоренных ходов возросла от 5 м/мин в станках второго поколения до 10—12 м/мин в многооперационных станках третьего поколения. При этом жесткость механических узлов должна допускать ускорения 0,3—0,5 g. Для обеспечения высокой точности обработки величина дискреты уменьшена во многих случаях до 1 мкм.
Разработаны несколько модификаций электродвигателей постоянного тока: малоинерционные электродвигатели типа ПГ с якорем малого диаметра, но большой длины, высокомоментные тихоходные электродвигатели с постоянными магнитами без обмоток возбуждения, двигатели с плоским печатным якорем и т. д.
Малоинерционные электродвигатели с тиристорными преобразователями обладают высокими скоростями. Этот электродвигатель имеет высокое быстродействие, но требует установки беззазорного редуктора и настройки усиления применительно к параметрам каждого станка, имеет малый диаметр и отсюда малую перегрузочную способность, малую теплоемкость. Поэтому малоинерцнонные электродвигатели постоянного тока заменены низкооборотными электродвигателями, имеющими высокие моменты инерции.